1. 서 론
2. 수소의 경제성
3. 수소의 폭발 매커니즘
3.1 수소의 점화 특성
3.2 수소의 폭발형태
4. 수소 폭발에 대한 해석 및 분석
4.1 실험적 방법(experimental test)
4.2 경험기반 이론식(empirical method)
4.3 전산유체동적(CFD) 해석
4.4 AI기반 해석
5. 결 론
1. 서 론
급변하는 기후변화와 인구의 도시 집중화는 사회의 지속 가능한 발전과 삶의 질 향상을 요구하고 있으며, 이러한 요구는 구도심을 스마트시티로 전환하고자 하는 전세계적인 움직임으로 나타나고 있다. 더불어, 4차 산업혁명의 기술과 첨단 혁신의 급속한 발전은 경제 활동, 인간관계, 그리고 행동 양식에 이르기까지 사회 전반에 걸쳐 급격한 변화를 가져오고 있다(Camero and Alba, 2019). 특히, 빅데이터, 모바일 인터넷, 고속 인터넷의 발전은 스마트시티 가속화와 정착에 더욱 핵심적인 역할을 하고 있다. 이러한 기술은 주로 도시 지역에서 높은 수요를 보이며, 도시 환경에서 그 영향이 더욱 두드러지게 나타난다. 결국, 첨단기술의 발전은 도시 관리의 효율성과 포괄성을 향상시키고, 스마트시티로의 전환에 대한 새로운 기회를 제공하고 있다(Dameri and Rosenthal-Sabroux, 2014; Zubizarreta et al., 2016; Hall et al., 2000; Angelidou, 2014).
스마트시티는 높은 에너지 수요를 충족시키는 동시에 지속 가능한 발전을 실현하기 위해 기존 화석연료 의존에서 벗어나 친환경 에너지로의 전환을 목표로 하고 있다(Mitu et al., 2021; Tu, 2021; Lim et al., 2021). 스마트시티에서 활용되는 친환경 에너지원은 대용량 배터리 저장시설(ESS)이 요구되는 태양열, 풍력, 지열, 수력과 같은 재생에너지를 비롯해, 수소와 같은 신에너지를 포함한다(Veziroglu, 2012; Rand, 2011). 이 중 수소는 화석연료의 최적화된 대안으로 주목받고 있다. 수소는 무색, 무취이면서 고도의 가연성이 있는 기체로, 우주에서 가장 풍부한 원소 중 하나이다. 연료 전지, 로켓 엔진, 내연 기관 등 다양한 분야에서 연료로 활용되며, 독특한 특성과 다양한 장점으로 인해 산업 응용분야에서 매력적인 선택지로 평가받고 있다(Ngoh and Njomo, 2012).
수소는 탄소 배출이 전혀 없는 친환경 에너지원임과 동시에 스마트시티의 에너지 공급 체계에서 요구되는 고밀도 에너지원으로서 다양한 형태로 저장할 수 있다. 수소의 중량 에너지 밀도는 약 140 MJ/kg로, 휘발유(약 30 MJ/kg)에 비해 훨씬 높은 수준을 보여준다. 이러한 높은 에너지 효율성은 수소를 매력적인 대안으로 만든다(Teichmann et al., 2012). 구체적인 에너지 밀도 비교는 Table 1에서 확인할 수 있다. 또한, 수소는 매우 가벼워 소형화된 공간에 고밀도 에너지가 필요한 응용 분야에 적합하다고 평가되고 있다. 저장 방식의 다양성 또한 수소의 주요 장점 중 하나이다. 압축가스 형태는 저장과 운송이 매우 용이하여 가장 일반적인 형태로 사용되며, 액체 수소 형태는 극저온 탱크에 저장되어 높은 에너지 밀도가 필요할 때 사용된다. 반면, 고체 형태의 수소는 금속 수소화물로 저장될 수 있지만 아직까지는 널리 활용되고 있지 않다(Mazloomi and Gomes, 2012; Abe et al., 2019). 마지막으로, 수소는 배터리와 달리 주변 온도의 영향을 크게 받지 않고 안정적으로 에너지를 공급할 수 있다는 점에서 큰 장점을 갖는다. 이는 수소가 온도 변화에 따라 성능이 유동적인 배터리 기반 에너지 시스템에 비해 스마트시티 에너지 공급망에서 더 효과적이고 신뢰성 있는 선택이 될 수 있도록 하는 중요한 이유 중 하나이다(Abe et al., 2019).
이러한 장점에도 불구하고, 수소의 광범위한 활용에는 상당한 위험이 존재한다. 수소 가스는 낮은 점화 온도와 높은 폭발성을 가져 생산, 운송, 저장 과정에서 위험성이 매우 큰 에너지원으로 분류된다. 수소 가스의 최소 점화 에너지는 다른 탄화수소 기반 연료의 약 1/10에 불과하다. 특히, 수소 저장소는 고밀도로 에너지를 응축하여 저장하기 때문에 폭발 사고 시 심각한 피해를 초래할 수 있다. 대표적인 사례로, 2019년에 발생한 한국의 수소 저장 탱크 폭발 사고가 있으며, 이는 세계적으로 주목받은 수소폭발 사고 중 하나이다(Park, 2019).
Table 1.
Comparison of gravimetric energy density by fuel type
본 리뷰연구에서는 “수소경제(Hydrogen economy)” 개념의 분석과 함께 수소의 폭연 및 폭굉의 기본 메커니즘을 이해하고 폭발압력을 예측한 선행 연구들을 종합적으로 검토하였다. 이를 통해 수소 에너지원의 활용 가치를 재조명하고, 수소폭발에 대한 체계적이고 심층적인 이해를 바탕으로 폭발로 인한 피해를 효과적으로 저감할 수 있는 방호구조물 설계에 대한 인사이트를 제공하고자 한다.
2. 수소의 경제성
수소를 주된 에너지원으로 사용하는 시스템이라는 가상의 개념은 “수소경제” 또는 “수소에너지 시스템(Hydrogen energy system)”이라고 불린다. “수소경제”라는 용어는 1972년 John Bockris에 의해 처음으로 구체화되었으며, 그의 논문 “The Hydrogen Economy”에서 제시되었다(Bockris and Appleby, 1972). 수소경제의 주요 목표는 수소를 사용 가능한 에너지원으로부터 생산하여, 운송, 산업, 주거 및 상업 부문에서 사용되는 기존 화석연료를 대체하는 것이다.
수소는 원재료와 생산 방식, 그리고 환경 친화성 정도에 따라 그린수소, 블루수소, 그리고 그레이수소로 구분된다. 그린수소는 태양광, 풍력, 지열, 수력 등 재생에너지를 이용하여 생산된 수소로, 가장 친환경적인 에너지원으로 평가된다. 블루수소는 수소 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집 및 저장(CCUS)하여 탄소 배출을 줄인 생산 방식을 의미한다. 반면, 그레이수소는 화석연료인 천연가스를 수소 개질 과정을 거쳐 생산되며, 다른 방식에 비해 생산 과정 중 탄소 배출량이 상대적으로 많다(Kim, 2024). 이렇게 생산된 수소는 저장, 운송, 충전, 활용의 단계를 거쳐 소비 용도에 맞게 활용될 수 있으며(Fig. 1; KPMG Samjong Accounting Corp., 2023), 이렇게 확립된 수소 생태계 밸류체인은 수소경제를 실질적으로 구현하는 데 필요한 핵심 기반을 형성하고 수소에너지가 지속 가능한 에너지 전환과 기후 변화 대응에 중요한 역할을 할 수 있게 한다.
우리나라는 2019년 “수소경제 로드맵”을 수립한 이후 약 3,700억 원을 집중적으로 투자하여 수소 생태계를 구축하기 위한 민관협업을 진행해 왔다. 특히, 2020년에는 “수소법”(수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률)을 제정하여 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 경제산업구조로의 전환을 목표로 하였으며, 이후 2021년에 발표된 “수소경제 전략적 배치계획”을 통해 수소 기반 모빌리티 확대를 추진하고 있다. 이 계획은 2024년까지 620만 대 이상의 수소차를 보급하고, 안정적인 운영을 위해 1,200개 이상의 수소충전소를 설치하는 것을 목표로 한다(Ministry of Environment, 2023). 이와 더불어, 국내에서 액화수소 플랜트 가동이 시작되었으며, 병원이나 주요 공공시설과 같은 대형 건축물에 대규모 에너지를 안정적으로 보조할 수 있도록 수소 저장소를 건물 내에 배치하는 방안을 검토하고 있다. 이는 수소에너지가 배터리 저장 시스템 기반 에너지보다 고밀도이며 안정적인 에너지 공급이 가능하다는 특성에 기반한 것이다. 이러한 노력은 수소를 활용한 안정적인 에너지 공급 체계를 구축하는 동시에, 지속 가능한 에너지 전환의 선도적 사례로 자리 잡고 있다.
3. 수소의 폭발 매커니즘
3.1 수소의 점화 특성
수소는 높은 가연성을 가진 화학 물질로, 특정 조건이 충족되었을 때 연소 과정은 폭연(deflagration)과 폭굉(detonation)으로 구분될 수 있다(Fig. 2). 이때, 연소 발생 조건에는 적절한 농도의 수소와 산화제, 그리고 충분한 에너지를 가진 점화원이 포함된다. 수소-공기 혼합 구름에서 폭발이 유발되려면 공기 중 수소 농도가 특정 농도 범위 내에 있어야 한다. 수소의 폭발 한계 농도에 대한 기존 연구로서, ISO(2004)는 18 %에서 58 %로 명시하고 있으며, 일부 연구자들은 이를 보수적으로 해석하여 11 %에서 70 % 사이로 제시하고 있다(Molkov, 2012; Hanane et al., 2018).
최소 점화 에너지(Minimum Ignition Energy)는 가스가 연소를 시작하는 데 필요한 최소한의 에너지로, 일반적으로 전기 스파크 테스트를 통해 측정된다(Hanane et al., 2018). 수소의 최소 점화 에너지는 매우 작으며, 일반적인 탄화수소 연료보다 약 10배 낮다. 예를 들어, 101.3 kPa에서 수소의 최소 점화 에너지는 0.02 mJ 미만인 반면, 메탄은 약 0.28 mJ에 이른다. 이러한 특성 때문에 수소는 전기 스파크, 뜨거운 표면, 열린 불꽃 또는 인체 정전기(최대 8.33 mJ)와 같은 약한 점화원에도 쉽게 점화될 수 있어, 누출 시 점화원을 완전히 제거해 폭발을 방지하기가 매우 어렵다. 또한, 수소의 낮은 점화 에너지로 인해 고압 상태에서 방출되는 충격파가 수소를 자발적으로 점화시키는 경우도 있다(Greason, 2003; Ono et al., 2007; Zhou et al., 2022).
3.2 수소의 폭발형태
수소폭발의 메커니즘은 화염의 연소 속도와 공기와의 혼합 조건에 따라 크게 네 가지(팽창 폭연(expansion deflagration), 혼합 폭연(mixture deflagration), 폭굉(detonation), 그리고 폭연에서 폭굉으로 전환되는 DDT(deflagration-to-detonation transition))로 분류된다. 이러한 분류는 Fig. 3에 제시된 기체 수소 또는 액체 수소 기반 폭발 실험을 통해 확인되고 있다(Groethe et al., 2007; Shen et al., 2018; Li et al., 2022). 소규모로 누출된 수소가 공기와 완전히 혼합되기 전에 낮은 점화 에너지로 점화될 경우, 제트 화염(jet flame) 또는 화염 구(fireball)가 형성된다. 반면, 고압 기체 또는 액체 수소가 저장 탱크에서 격렬히 누출될 경우, 큰 화염 구와 상당한 과압을 동반한 폭연이 발생할 수 있다(Kang, 2019). 또한, 누출된 수소가 즉각 점화되지 않고 공기와 완전히 혼합되어 가연성 수소-공기 구름을 형성한 후에 점화되면 폭연이 발생할 수 있으며, 이 폭연이 폭굉으로 전환되는 DDT 폭발로 이어질 위험이 존재한다(Middha and Hansen, 2008; Blanchard et al., 2011; Attanayake, 2024). 만약, 화학 반응이 특정 조건 하에 발생하면 폭굉이 발생하며, 가장 큰 폭압과 피해를 발생시키게 된다.
3.2.1 수소 팽창 및 폭연
수소의 팽창 및 폭연 현상은 균열이 발생하거나 과열된 수소 저장 용기에서 주로 발생하며, 이 경우 수소가 급격히 팽창하면서 제트 화염 또는 화염 구를 생성하고, 용기 내부의 압력 상승으로 인해 용기 벽을 파손시킬 수 있다. 이러한 현상은 압력용기 파열(PVB, Pressure Vessel Burst)과 액체 비등팽창 증기폭발(BLEVE, Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)로 구분된다(Yang et al., 2021).
PVB는 고압가스 탱크의 압력 용기가 손상되거나 파열되어 내부에 저장된 수소가 누출되고 점화될 때 발생하는 현상이다. 이 현상은 용기의 균열 크기에 영향을 크게 받는다. 균열이 작을 경우, 누출된 수소가 비교적 제한적으로 방출되어 제트 화염이 형성될 가능성이 높다. 그러나 균열이 큰 경우, 대량의 수소가 단시간에 방출되면서 화염 구가 형성되고, 이는 수소의 연소를 더욱 심화시켜 폭발적인 열과 압력을 동반할 수 있다(Molkov et al., 2021; Sun, 2024). PVB로 인해 발생하는 화염 구는 주변 환경에 심각한 열복사와 압력파를 전달하며, 구조물과 사람에게 광범위한 피해를 초래할 수 있다. 특히, 수소는 공기보다 높은 확산 속도를 가지며, 누출된 수소가 공기와 혼합되면서 추가적인 폭발 위험을 높인다. PVB를 예방하기 위해서는 고압 용기의 설계와 재료의 안정성을 철저히 관리하고, 균열 발생을 사전에 방지할 수 있는 점검 및 유지보수 체계를 마련하는 것이 중요하다.
BLEVE는 액체 수소 저장 용기의 파열로 인해 발생하는 폭발 현상으로, 이는 저장 탱크가 외부 충격, 예를 들어 교통사고나 기계적 충돌과 같은 물리적 손상을 겪거나, 내부 벽체의 피로 누적으로 인해 단열층이 손상될 때 발생할 수 있다. 단열층이 손상되면 저장 탱크 내부의 온도가 급격히 상승하게 되고, 이에 따라 액체 상태의 수소가 끓으면서 빠르게 기화하여 탱크 내부 압력이 급격히 증가한다. 이러한 압력이 저장 용기의 설계 압력 한계를 초과하게 되면 용기가 파열되고, 자발적 연소와 함께 과열된 액체 수소가 기화되며 폭발적으로 확장된다. 이 과정에서 물리적 폭발과 강력한 화염 구가 형성되며, 폭발과 동시에 발생하는 강력한 열복사는 주변 환경과 구조물에 심각한 영향을 미친다.
BLEVE의 폭발 효과는 단순한 물리적 충격에 그치지 않고, 주변 환경에 미치는 열복사와 압력파로 인해 폭넓은 피해를 초래한다. 특히, 액체 수소는 공기보다 밀도가 높아 누출 시 위로 확산하지 않고 지면 가까이 이동하는 경향이 있다. 이에 누출된 액체 수소는 이동하면서 열을 흡수하며, 시간이 지남에 따라 공기와 혼합되어 넓은 면적의 가연성 수소-공기 구름을 형성할 수 있다. 이러한 구름이 점화원과 접촉할 경우 폭발이 유발될 수 있으며, 추가적인 화염 구와 과압을 생성하여 2차 피해를 초래할 위험이 있다. 또한, BLEVE의 위험은 단순히 저장 탱크의 파손에서 끝나지 않고, 넓은 지역에 걸친 안전 및 재난 대응에 중요한 영향을 미친다. 이에 고압 액체 수소 저장소와 같은 시설에서는 단열층 손상과 누출 방지 설계를 포함한 안전 조치가 필수적이다. 따라서, BLEVE와 관련된 연구는 BLEVE 발생 조건과 그에 따른 영향을 분석하여 사고를 예방하기 위한 설계와 관리 방안을 도출하는 데 중점을 두고 있다(Holborn et al., 2020).
3.2.2 수소-공기 구름 폭연
수소와 공기가 완전히 혼합된 대량의 가스 구름이 점화원에 의해 가연성 또는 폭발 한계에 도달할 때 증기구름 폭발(VCE, Vapor Cloud Explosion)이 발생한다. 이는 수소폭발 유형 중 가장 일반적이며 많이 연구된 형태로서 불안정한 화염의 가속, 화염 전파 메커니즘, 그리고 다양한 환경적 및 물리적 조건에 따른 영향 요인에 대해 광범위하게 연구되고 있다(Jallais et al., 2018; Malik et al., 2023). 다른 VCE(예: 메탄)와 비교했을 때, 비밀폐 상태의 수소-공기 구름은 더 높은 과압을 생성할 가능성이 있는 것으로 나타났으며(Thomas et al., 2015; Mukhim et al., 2018), 이는 수소의 낮은 점화 에너지와 빠른 연소 속도에 기인한다. 비밀폐 조건에서 30 % 농도의 수소-공기 구름이 연소되는 과정을 고속 카메라로 촬영한 이미지에서 큰 화염 구가 형성되고 폭발로 인한 열복사와 압력파가 발생하는 과정을 확인할 수 있다(Groethe et al., 2007).
3.2.3 수소-공기 구름 폭굉
수소-공기 구름은 특정 조건에서 폭연에서 폭굉으로 전환될 수 있으며, 이 과정에서 폭연에 비해 훨씬 더 높은 폭발 하중과 과압이 생성된다. 폭굉은 보통 선도 충격파(leading shock wave)가 가연성 혼합물을 단열 압축으로 점화시켜 열 방출 속도가 급격히 증가하고 폭발 강도가 더욱 증대되면서 발생한다. 폭굉 반응 시간은 폭연의 화학 반응 시간보다 훨씬 짧고, 폭굉으로 인한 과압은 폭연보다 훨씬 높아 그 파괴력과 잠재적 위험성이 매우 크다고 알려져 있다(Sun et al., 2019; Peng et al., 2020). 이러한 특성으로 인해 폭굉 폭발 특성을 이해하고 폭연에서 폭굉으로의 전환을 방지하기 위한 연구가 점점 더 중요해지고 있다. 최근 몇 년간 폭굉 메커니즘과 폭발파 전파에 대한 연구가 활발히 이루어졌으며, 이는 수소의 물리적 특성과 폭발 위험성을 정량적으로 분석하는 데 기여하고 있다(Kellenberger and Ciccarelli, 2018; Sosa et al., 2021; Xu and Zhang, 2022).
수소 폭굉과 폭연 간의 과압 데이터를 비교하기 위해 Groethe et al.(2007)은 현장 폭발 실험을 수행하였다. 이 실험에서는 30 % 농도의 수소-공기 구름을 폭발시키기 위해 C4 고성능 폭약을 점화원으로 사용하였으며, 폭발 현상 전반을 고속 카메라로 기록하였다. 실험 결과 화염 속도가 약 1980 m/s에 도달하는 것으로 나타났다. 이와 같은 실험은 수소폭발의 다양한 메커니즘, 특히 폭굉의 특성을 파악하는 데 중요한 자료를 제공하며, 폭연과 폭굉 간의 물리적 차이를 정량적으로 평가할 수 있는 근거를 마련하였다. 이러한 연구는 수소에너지 시스템의 안전성을 강화하기 위한 설계와 관리 방안을 도출하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다.
3.2.4 폭연에서 폭굉으로의 전이
수소-공기 구름의 폭연은 특정 조건에서 폭굉으로 전환될 수 있으며, 이러한 전환 과정은 점화 조건과 환경적 요인에 큰 영향을 받는다. 직접적인 폭굉은 강력한 점화원, 예를 들어 고성능 폭약과 같은 강렬한 에너지원이 필요하지만, 폭연에서 폭굉으로의 전환은 일반적인 화재 상황에서도 발생할 수 있다. 특히, 밀폐된 공간이나 구조물 내부에 장애물이 존재하는 환경에서는 미연소 수소와 공기의 난류 혼합이 촉진되며, 이에 따라 폭연 속도가 점진적으로 가속되면서 폭연이 폭굉으로 전환될 가능성이 높아지게 된다. 이러한 메커니즘은 밀폐된 환경에서의 폭발 발생 가능성을 높이며, 실제 사고 시 매우 높은 과압과 파괴력을 동반할 위험성을 수반한다. 또한, 이러한 전환 과정은 난류 강도, 가연성 혼합물의 농도, 점화원의 위치와 크기 등 여러 요인에 의해 복합적으로 결정된다(Rao et al., 2019; Liu et al., 2022; Ramachandran et al., 2023; Yang et al., 2024).
화염 가속이 지속적으로 진행될 경우에도 탈기(degassing)에서 폭발로의 전환이 초래되면서 결국 화염의 추가적인 가속을 유발하여 폭연에서 폭굉으로의 전환을 촉진할 수 있다. 이 과정에서 화염 속도는 점화 지점으로부터의 거리와 함께 점진적으로 증가하는 경향을 보인다. 또한, 수소 농도가 높고 장애물이 존재하는 환경에서도 난류 강도가 증가하여 수소-공기 혼합물 내에서 DDT가 발생할 가능성이 더욱 높아진다(Sherman et al., 1989).
4. 수소 폭발에 대한 해석 및 분석
수소폭발로 인한 하중의 해석 및 분석을 위해 기존 연구에서는 주로 세 가지 접근법을 활용하고 있다. 첫 번째는 실험 검증으로, 수소폭발의 물리적 메커니즘과 하중 특성을 직접 관찰하고 정량적으로 측정하기 위해 다양한 규모의 실험을 수행하고 있다. 이러한 실험은 수소 농도, 점화원 강도, 장애물 배치 등 주요 변수를 제어하여 폭발 조건을 재현하고, 화염 속도, 과압, 열복사 등의 데이터를 수집하는 데 중점을 둔다. 두 번째는 경험기반 이론식(empirical method)으로, 기존 실험 데이터를 바탕으로 도출된 수학적 모델을 사용하여 폭발 하중을 예측하는 방법이다. 이러한 이론식은 상대적으로 간단하여 초기 설계 단계에서 폭발 위험 평가에 유용하게 활용될 수 있다. 세 번째는 전산유체동적(CFD, computational fluid dynamics) 해석으로, 고도로 복잡한 수소폭발의 수치적인 시뮬레이션을 수행하여 화염 전파, 충격파 형성, 그리고 폭발 하중 분포를 상세히 분석하는 방법이다. CFD 해석은 다양한 환경과 구조 조건의 변화를 고려할 수 있어 최근 연구에서 점점 더 많이 활용되고 있다.
본 장에서는 이러한 세 가지 접근법을 중심으로 수소폭발의 하중 해석 및 연구 방법론을 체계적으로 정리하고, 각 접근법의 장단점과 현장에서의 적용 가능성을 논의하고자 한다. 이를 통해 수소폭발에 대한 이해를 심화하고, 안전 설계 및 위험 관리의 실질적인 방향성을 제시하는 데 기여하고자 한다.
4.1 실험적 방법(experimental test)
실험적 방법은 수소폭발을 분석하는 가장 직접적이고 효과적인 접근 방식으로, 실험실 규모 실험(laboratory tests)과 현장 실험(field experiments)으로 구분할 수 있다. 실험실 규모 폭발 실험은 주로 수소폭발 메커니즘을 규명하고, 폭발에 영향을 미치는 요인과 이들 간의 상호작용을 탐구하는 데 중점을 둔다. 반면, 크기 효과(size effect)를 고려한 스케일링 실험이나 실제 크기의 현장 폭발 실험은 메커니즘을 검증하고, 더 현실적이고 적용 가능한 데이터를 얻기 위해 수행된다(Yu et al., 2015; Lv et al., 2016; Shen et al., 2017; Duan et al., 2022).
수소폭발로 인해 생성된 폭발파의 과압은 구조물에 심각한 손상을 초래할 수 있으며, 이는 구조공학 분야에서 수소폭발에 대비한 구조물의 설계 및 분석에서 주요 관심사로 자리 잡고 있다(Marshall, 1976; TM-5-855-1, 1986; UFC 3-340-02, 2008; Kim et al., 2024). 폭발 과압은 구조물의 안정성뿐만 아니라 주변 환경에 미치는 영향을 평가하는 데 핵심적인 요소로 작용한다. Fig. 4는 수소폭발에서 발생하는 전형적인 폭발 과압의 시간 이력을 보여주며, 폭발 초기의 급격한 압력 상승과 이후의 압력 감소 과정을 명확히 나타낸다. 이러한 데이터는 구조적 설계 기준을 강화하고, 수소폭발 위험을 줄이기 위한 방안을 마련하는 데 중요한 기초 자료로 활용된다(Needham, 2010; Karlos and Solomos, 2013; Bedon et al., 2018; Shirbhate and Goel, 2021).
4.2 경험기반 이론식(empirical method)
실험 데이터를 기반으로 도출된 경험적 공식은 수소폭발 과압을 예측하는 데 널리 활용되며, 가연성 가스 및 폭발물에 대한 이론적 모델과 설계 지침에도 반영되고 있다. 공학적 응용에서 VCE의 폭발 하중을 예측하기 위해 주로 세 가지 전통적인 접근 방식이 사용된다. 첫 번째는 TNT 등가 방법(TNT Equivalent Method, TNT-EM)으로, 폭발에서 방출된 에너지를 TNT의 폭발 에너지로 환산하여 과압을 계산하는 방식이다. 이 방법은 간단하고 실용적이지만, 복잡한 폭발 조건이나 환경적 영향을 상세하게 반영하기에는 한계가 있다. 두 번째는 TNO 다중 에너지 방법(TNO Multi-Energy Method, TNO MEM)으로, VCE의 강도를 경계 조건에 따라 다르게 평가한다. 이 방법은 비밀폐된 증기 구름 부분이 폭발 강도에 거의 기여하지 않는다고 가정하여, 폭발 환경의 밀폐도와 구조적 특성을 반영하여 과압을 산정한다. 세 번째는 Baker-Strehlow-Tang 방법(BST Method)으로, 폭발물이나 VCE의 서로 다른 화염 속도를 고려하는 접근 방식이다. 이 방법은 TNO MEM과 유사한 기본 가정을 따르지만, 화염 속도의 차이에 따른 폭발 강도를 보다 세분화하여 평가할 수 있다. 이 세 가지 방법 모두 차원 없는 매개변수를 사용하여 폭발 하중을 계산하기 위한 곡선군(family of curves)을 제공하며, 이를 스케일링 해제하여 실제 과압을 결정할 수 있다(Melton and Marx, 2009). 이러한 접근 방식들은 폭발 하중을 정량적으로 예측하고, 수소폭발 위험성을 정량화하며, 설계 및 안전 대책을 수립하는 데 중요한 도구로 활용된다.
전통적인 방법의 정확성은 VCE에 대한 실험 데이터와 비교하여 평가되었으며, Fig. 5는 TNT-EM, TNO MEM, BST 접근법을 사용해 예측된 최대 과압 및 충격량을 실험 데이터와 비교한 결과를 보여준다. 이 분석은 0.283 m3 용적의 밀폐된 챔버에서 6 g의 C4 폭약으로 점화된 수소-공기 구름(29.5 % 수소 농도) 연소 실험에 기반을 두고 있다(Mueschke and Joyce, 2020). 결과에 따르면, 전통적인 방법들은 폭발 과압에 대한 대략적인 추정치는 제공할 수 있으나, 정확도는 전반적으로 낮았다. TNO MEM은 최대 과압 예측에서 상대적으로 더 나은 성능을 보였으나, 실험 측정값과의 오차가 여전히 존재했으며, TNT-EM은 가장 부정확한 결과를 나타내며 폭발 강도와 밀폐 조건을 전혀 반영하지 못하는 것으로 평가되었다. BST 접근법은 화염 속도의 차이를 반영한다는 점에서 다른 방법들과 차별화되었으나, 예측 성능은 실험 조건에 따라 변동성이 큰 것으로 나타났다. 이러한 결과는 전통적인 방법들은 폭발 과압을 대략적으로 예측하는 데는 유용하지만, 여러 조건이 복합된 상황에서는 더욱 정교한 분석 도구와 모델 개선이 필요함을 강조한다.
Fig. 5.
Comparison of experimental data and predictive model results for peak overpressure from hydrogen explosions (Mueschke and Joyce, 2020)
4.3 전산유체동적(CFD) 해석
수치 모델링은 실험 방법에 비해 비용 효율성이 높아 수소폭발 분석 및 연구에 널리 활용되고 있다. 다양한 연구자들이 CFD 모델링을 통해 수소폭발 메커니즘을 이해하고 현상을 설명하며 여러 주제를 포괄적으로 연구해왔다. 대표적으로, 수소 구름의 확산, 화염 및 폭발의 발전 과정, 다양한 시나리오에서 요인 간의 상호작용 등이 CFD를 통해 분석되어 왔다(Rao et al., 2018; Mao et al., 2021). 이러한 연구는 수소폭발의 동적 특성을 이해하고 안전 대책을 개발하는 데 중요한 기초 자료를 제공한다. CFD 모델링에서 널리 사용되는 소프트웨어로는 ANSYS-Fluent(ANSYS, 2024)와 OpenFOAM(2021)이 대표적이다.
4.3.1 ANSYS
ANSYS는 CFX와 Fluent를 포함한 다양한 제품을 통합하여 수소폭발 시뮬레이션 기능을 제공할 수 있는 가장 강력한 CFD 소프트웨어 중 하나로 평가받고 있다(Matsson, 2023). Tolias et al.(2018)은 통기된 밀폐 공간에서 18 % 농도의 수소 연소 실험을 다양한 CFD 모델로 시뮬레이션하여 각 모델의 신뢰성을 평가했다. 연구 결과, 전통적으로 폭발 모델링 및 대기 분산 모델링에 광범위하게 사용되는 상용 해석 프로그램인 FLACS(FLame ACceleration Simulator)는 보수적인 결과를 제공하는 반면, ANSYS의 CFX와 Fluent는 최대 폭발 과압을 보다 정확하게 예측한다는 결론을 내렸다.
그러나, 최대 폭발 과압에 도달한 이후 CFX와 Fluent가 예측한 과압은 주변 압력 수준으로 감소한 뒤, 소폭 상승하여 일정 기간 유지되는 경향을 보였으며, 이는 실험 결과와 완전히 일치하지 않았다. 이러한 차이는 수소폭발 시뮬레이션에서 수치해석의 한계를 보여주는 사례로, 특히 초기 설정 및 모델링 변수에 매우 민감성하다는 것을 강조한다. 또한, CFX의 결과는 그리드 또는 메쉬 크기와 초기 난류 조건에 매우 민감하게 반응하므로, 수치 모델링에 적용하기 전에 충분한 검증이 필수적이다(Tolias et al., 2018). 결론적으로 ANSYS(CFX 및 Fluent)는 수소폭발 시뮬레이션에 대해 비교적 높은 정확도를 가지지만, 결과의 신뢰성과 재현성은 초기 설정, 메쉬 크기, 그리고 난류 조건과 같은 모델링 변수에 크게 의존한다. 따라서, 수소폭발 연구에서 CFD 해석을 신뢰할 수 있는 도구로 활용하기 위해서는 세심한 모델링 설정과 실험 결과 등을 이용한 철저한 검증 절차가 요구된다.
4.3.2 OpenFOAM
OpenFOAM(Open-Source Field Operation and Manipulation)은 수소폭발 시뮬레이션에 널리 사용되는 또 다른 수치 해석 소프트웨어로, 오픈 소스 기반의 높은 유연성과 확장 가능성을 제공한다(Jasak, 2009). FLACS와 비교했을 때 OpenFOAM은 사용자 인터페이스(UI)가 없기 때문에 사용자 친화성이 낮고, 전처리 및 후처리 작업이 복잡하며 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 예를 들어, HySEA 프로젝트에서는 OpenFOAM 프레임워크를 사용하여 20ft ISO 컨테이너에서 통기된 비균질 수소 연소를 시뮬레이션하고 모델링 정확성을 평가했다. 이 연구에서 OpenFOAM이 예측한 폭발 과압은 실험에서 측정된 과압보다 낮게 나타났으나, 전반적으로 시뮬레이션 결과는 물리적 현상에 대한 유용한 통찰을 제공했다(Skjold et al., 2019).
OpenFOAM의 주요 장점은 오픈 소스 소프트웨어로서 연구자들이 다양한 시나리오에 맞게 솔버, 경계 조건, 초기 조건, 난류 모델 등을 자유롭게 수정할 수 있다는 점이다. 이러한 유연성 덕분에 연구자들은 OpenFOAM을 활용하여 다양한 주제를 연구하고 있다. 대표적으로 DDT를 분석하거나(Lu et al., 2022), 수소-공기 구름의 직접 폭발을 시뮬레이션하는 연구가 포함된다(Karanam et al., 2021). OpenFOAM의 확장성과 맞춤형 설계 가능성은 수소폭발 시뮬레이션 연구에서 이 도구를 선호하는 주요 이유 중 하나로, 복잡한 시뮬레이션 환경을 다루는 데 있어 강력한 도구로 자리 잡고 있다.
4.4 AI기반 해석
위에서 언급한 방법들 외에도, 최근 들어 인공지능(AI) 모델이 수소폭발로 인한 폭발 하중 예측에 도입되고 있다(Mohammadfam and Zarei, 2015; Hu et al., 2024). AI 모델은 과압 예측을 위한 새로운 트렌드로 주목받고 있으며, 이는 AI 기술의 급속한 발전과 데이터 처리 능력의 향상 덕분이다. AI 모델은 신뢰할 수 있는 데이터가 충분히 제공되는 경우, 기존의 물리 기반 모델이나 경험적 접근법보다 더욱 정확하고 효율적인 예측 결과를 제공할 수 있다. 특히, 대규모 데이터 세트와 기계 학습 알고리즘의 결합을 통해 수소폭발 시뮬레이션의 복잡한 비선형적 특성을 보다 효과적으로 이해하고 분석할 수 있다.
5. 결 론
본 연구는 스마트시티의 도래와 함께 수소에너지 활용의 필요성과 함께 폭발 특성을 심층적으로 검토하여, 지속 가능한 에너지 전환과 안전한 활용 방안을 도출하는 데 필요한 기반을 제시하는 데 목적을 두었다.
스마트시티는 높은 에너지 효율성과 환경적 측면의 지속 가능성을 요구하며, 이를 충족하기 위해서는 기존 화석연료를 친환경 에너지로 전환하는 것이 필수적이다. 이러한 측면에서 수소는 높은 에너지 밀도와 무탄소 배출 특성을 통해 스마트시티의 지속 가능한 에너지 전환을 가능하게 하는 중요한 자원이다. 그러나 수소는 낮은 점화 에너지와 높은 폭발성을 가지고 있다. 이에 본 연구에서 분석한 바와 같이 수소폭발의 메커니즘을 확실하게 이해하고 이를 토대로 안전 대책을 마련하는 것이 향후 가장 중요한 과제로 대두될 것이다.
안전 대책으로는 첨단 저장 기술의 개발, 고압 용기 설계의 최적화, 폭발 위험을 최소화할 수 있는 예측 및 관리 체계의 구축 등이 있다. 이 중 폭발 과압 예측 및 관리 체계에 있어서 CFD 분석과 같은 시뮬레이션 기법은 수소폭발의 실질적인 현상을 토대로 방호 설계를 효율적으로 수행하는데 크게 기여할 수 있다. 또한, AI 기반 위험 예측 시스템은 폭발 위험 요소를 사전에 감지하고 신속한 대응을 가능하게 함으로써 스마트시티 내 수소에너지의 안전성을 크게 향상시킬 잠재력을 가지고 있다.
수소에너지가 스마트시티의 지속 가능한 발전에 기여할 가능성은 무궁무진하다. 다만, 이를 실현시키기 위해서는 폭발 시 피해저감을 위한 기술적 해결책 마련이 시급한 실정이다. 앞으로 더욱 정교한 위험성 예측기법, 혁신적인 방호 설계, 그리고 정책적 지원 방안에 대한 지속적인 연구가 이루어져 스마트시티가 안전하고 지속 가능한 에너지 시스템을 구축할 수 있도록 기여해야 할 것이다.
