아파브 코리아 나호윤 선임

최근 수소에너지가 탄소중립의 핵심 솔루션으로 주목받으며, 수소 생산·저장·운송 분야의 안전성 평가 필요성이 급부상하고 있다. 수소는 재생 가능한 청정 에너지로 무색, 무취, 무독성, 금속 취성을 가지며, 모든 물질 중 가장 가볍고 공기보다는 약 14배 가볍다. 개방된 장소에서의 수소는 밀도가 낮아 확산이 빠르고, 폭발 시 방출되는 에너지가 적다. 그러나 가연성 범위가 넓고(4 ~ 75 % vol.) 점화 에너지가 아주 낮아 구획된 격실에서는 사고 위험성이 크므로 사전 위험 분석이 필수적이다. 수소의 누출 사고에 따른 화재 및 폭발 가능한 인화성 가스운(Flammable Gas Cloud) 형성을 체계적으로 분석하는데 있어, NIST FDS(Fire Dynamics Simulator)와 같은 전산 시뮬레이션 기술이 물리적 실험의 한계를 넘어 공학적 안전 평가 도구로 활용될 수 있다.

NIST FDS: 화재 및 가스 확산 해석의 검증된 도구

NIST FDS는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 개발한 오픈소스 화재 시뮬레이션 소프트웨어로 가스 확산, 연소, 열 유동 등을 3차원으로 모델링한다. 수치해석 기반의 전산유체역학(CFD)을 적용해 복잡한 환경에서도 가스 확산, 화염 전파, 복사열, 특정 지역의 연소 가스 농도 등을 정밀하게 예측할 수 있다. 가스의 혼합비와 밀도, 압력, 온도 등의 변수에 따라 발생할 수 있는 위험 요소를 시뮬레이션 할 수 있어 원자력·항공우주·플랜트·에너지 저장시설 등에서 검증된 도구로 사용된다. 오랜 기간 NIST와 사용자 그룹(User Group)의 많은 연구와 실증 실험을 통해 신뢰성을 개선해 왔으며, 미국 원자력규제위원회(USNRC)의 검증 및 평가 절차(V&V)로 활용된다. 국내에서는 일반적으로 소방 분야의 성능 위주 설계 및 화재 연구 분야에 주로 사용되며, 수소 가스 및 플랜트 등 관련 산업 등에서도 확장성이 크다.

NIST FDS의 주요 기능

화재 및 연기 시뮬레이션: 화염과 연기의 확산을 정확히 예측할 수 있으며, 연기와 유해가스가 건물 내에서 어떻게 이동하는지 시뮬레이션 할 수 있다.

구조물의 반응 분석: 화재가 발생했을 때 건축 자재의 반응 및 열 영향 등을 모델링할 수 있다. 이를 통해 건물의 내화 설계를 최적화하고, 안전 기준을 충족할 수 있다.

환기 및 제연 시스템 평가: 건물 내 제연 시스템이 화재 발생 시 효과적으로 작동하는지 확인할 수 있다. 이를 통해 환기 시스템의 설계를 개선하고, 화재 발생 시 연기와 유해 가스의 확산을 최소화할 수 있다.

폭발 및 가스 확산 분석: 수소와 같은 가스를 취급하는 산업에서 가스의 확산, 화재 발생 및 폭발 가능성을 모델링하여 위험 요소를 예측할 수 있다.

가스 누출 평가 핵심FDS 활용 방안

▶ 사고 시나리오 선정 및 Consequence Analysis(CA)

가스 누출에 대한 CFD 분석을 위해서는 어떤 사고 시나리오를 통해 가스 누출이 발생하고, 해당 사고 발생 시 그 누출량이 얼마나 되는지에 대한 검토가 선행되어야 한다. 누출 성상, 누출원의 운전 온도 및 압력, 누출공의 크기 등을 바탕으로 화학 공정 산업에서 사용하는 결과 분석(Consequence Analysis) 기법 및 프로그램을 적용한 Source Model 계산을 통해 시간당 누출률을 결정, FDS에 입력해 격실 또는 특정 대기 상태에 대한 상세한 확산 평가 분석이 가능하다.

▶ 확산 및 폭발 위험 분석

누출된 수소는 공기보다 밀도가 낮아 부력에 의해 상승하며 희석되지만, 구획된 공간에서는 상부에 폭발 분위기가 형성될 가능성이 높아진다. FDS는 공간 내 가스 농도의 공간적 분포를 등위면 설정 등으로 시각화해 실질적인 위험 구역의 예측이 가능하며, 환기 등에 의한 가스 희석에 대한 평가도 수행 가능하다. 이 데이터는 방폭 구역 설정, 환기 시스템 설계, 감지기 위치 선정 등에 직접 반영될 수 있다. 수소가 지속적으로 누출되며 화재가 발생하는 경우, 화염 전파 및 열 전달을 모델링하여 인근 구조물에 미치는 영향도 평가 가능하다.

▶ 화재 Risk 평가

화학물질의 누출, 확산 및 화재에 대한 복사열 등은 일반적인 정량적 위험성 평가에서도 결정될 수 있다. FDS는 화재에 특화되어 화재로 인한 인근 구조물의 영향을 분석할 수 있으며 화염 높이, 복사열, 독성가스 생성 농도 등을 기반으로 소방시설(스프링클러, 열/연기 감지기) 설치 위치의 적정성 확인과 대피 경로 최적화에 기여할 수 있다. 또한, 설계된 화재 보호 대책에 대한 성능 평가를 통해 화재 리스크를 감소시킬 수 있다.

▶ 피난 시뮬레이션과의 연동

FDS를 통한 화재 결과를 바탕으로 FDS+Evac, Pathfinder 등 피난 시뮬레이션과 연동해 화염, 복사열, 독성가스 등 각 위험 요인 등에 대한 대피 가능 시간을 확인하고, 피해 경감 대책 및 비상 피난 계획의 작성이 가능하다.

FDS 실제 적용 사례: 수소 인프라 안전 설계 및 가스 플랜트

수소 차량 정비소: Hyram+ 프로그램을 활용하여 수소 차량의 누출 시나리오를 분석, FDS를 활용한 급배기 시스템의 최적 성능, 배치 및 가스경보기(가스감지기) 설치 위치를 결정

수소 연료전지시스템: 수소 연료전지실 내 수소 누출 시나리오에 대한 CA(Consequence Analysis) 결과를 바탕으로 FDS를 활용하여 수소 확산 및 축적, 급배기 시스템 설계 용량 등을 결정

가스 생산 플랜트: 가스 중간 생성물질(Liquid Phase) 누출에 대한 액면 화재(Pool Fire) 발생 시 복사열, 생성 유독가스 농도 확인, 수막 설비에 대한 화재 영향 저감 효과 평가 등

기타 산업 적용 가능 사례

• 선박 벙커링 시스템: 액화 암모니아(LNH3), 액체 수소(LH₂) 등 친환경 연료 추진 선박의 연료 누출 시나리오 분석, 암모니아 누출 시 수막 설비 작동의 효과 분석 등(제한적)

• 배터리 추진 선박: 배터리실 환기율 및 내부 온도 분석, 배터리 화재 시 객실로의 연기 및 열 전이 분석

• 플랜트의 인화성/독성가스 확산 분석: 위험 지역 구분 및 감지기 위치 결정

• 위험 구역(Explosion Hazard Zone) 분류 검증

• 기타: LNG 충전소 누출 확산 Study, 화재 보호용 수막 설비 성능 평가 등

시뮬레이션 기반 선제적 안전 대책 수립

FDS 결과는 단순한 위험 예측을 넘어, 방재 시스템 설계로 직결될 수 있다. 예를 들어, 구획된 공간의 급배기 시스템 설계, 가스경보기의 설치 위치, 산업설비의 배치 등의 변경이 가능하다. 또한 시뮬레이션 데이터를 비상대응매뉴얼 등에 반영해 누출 사고 시 확산 양상과 화재 양상 등을 고려한 안전하고 효율적인 안전 대책 수립이 가능하다.

결론

수소 경제로의 전환에 있어 안전성 확보는 필수적이다. NIST FDS와 같은 시뮬레이션을 사용, 이론과 현장 경험을 결합해 위험을 정량화 하고, 과학적 근거를 바탕으로 안전 기준을 제시할 수 있다. 이를 통해 가스산업 및 수소에너지의 분야의 안전을 확보하고, 산업 전반에 걸쳐 위험을 최소화하는데 중요한 도구로 사용할 수 있다.

나호윤 선임은

현재 프랑스 파리에 본사를 둔 기술, 환경, 인적, 디지털 위험관리 글로벌 리더인 아파브 그룹의 한국법인에서 Safety, Risk and Compliance 업무를 담당하고 있다.

[출처: 가스신문]