저장소 및 충전소 환경에서의 수소 누출 및 확산 특성

최태규
동산고등학교

1. 서론

수소는 탄소중립 사회 실현을 위한 핵심 대체 에너지로 주목받고 있다. 그러나 수소는 낮은 점화 에너지와 넓은 가연 범위를 가지며, 누출 시 화재 및 폭발 위험성이 크다. 특히 저장소 및 충전소 환경에서 발생할 수 있는 누출은 주변 인프라와 인명 안전에 큰 위협이 될 수 있다. 따라서 수소 누출 및 확산 특성을 체계적으로 분석하고, 이를 기반으로 안전 설계 및 관리 방안을 제시하는 연구가 필수적이다.

2. 연구 배경 및 관련 문헌

2-1 저장소 및 충전소 환경에서의 수소 누출 특성

중국 Weifang의 통합 수소 생산·충전소(IHPRS)를 대상으로 한 시뮬레이션 연구에서는 누출구 크기, 누출 방향, 주변 바람 조건에 따른 확산 특성을 수치적으로 분석하였다. 연구 결과, 누출구 크기가 커질수록 가연성 수소 구름(FHC)의 부피와 잔류 시간이 증가하였다.

2-2 지하 수소 시설에서의 환기 특성

국내 연구에서는 지하 수소 저장소에서의 환기 설계 효과를 분석하였다. 상단 환기구를 설치하고 배기량을 확보할 경우, 수소 농도가 빠르게 감소하며 정체 영역이 줄어드는 것으로 나타났다.

2-3 누출 시나리오 분석

국제 CFD 연구에서는 저장 압력, 장애물 구조, 바람 방향 등에 따라 수소 확산 패턴이 크게 달라지는 것으로 확인되었다. 특히 장애물이 밀집된 경우 가연성 구름이 불규칙하게 잔류하여 폭발 위험이 상승하였다.

2-4 종합 리뷰 연구

Frontiers 리뷰 논문에서는 누출률, 구멍 크기, 바람 방향 및 속도가 복합적으로 작용하여 수소 확산의 위험도를 결정한다는 점을 강조하였다.

3. 연구 결과 및 분석

연구들을 종합하면 다음과 같은 결과를 도출할 수 있다.

출구 크기 증가: 확산 속도 및 구름 부피 증가 → 안전성 저해.

시설 구조 영향: 캐노피 및 밀집 설비는 수소의 잔류를 촉진.

바람 조건 차이: 바람 속도가 빠를수록 확산 효과가 커지고 위험이 완화.

환기 설계 중요성: 상단 환기구 배치는 수소 제거에 효과적.

4. 결론

장소 및 충전소 환경에서 수소의 누출 및 확산 특성은 여러 요인에 의해 결정된다. 본 연구를 통해 얻은 시사점은 다음과 같다

수소 저장소 설계 시 누출구 크기 및 배관 구조를 최소화해야 한다.

충전소와 같은 밀집 환경에서는 개방형 구조와 환기 설계를 강화해야 한다.

사고 발생 시 확산 패턴을 신속히 예측하기 위해 CFD 기반 시뮬레이션 활용이 필요하다.

센서 기반의 실시간 모니터링 체계 구축은 수소 안전 관리에 핵심적이다.

참고문헌

MDPI, Characteristics of Hydrogen Leakage and Dissipation from Storage, 2023.

Int. J. Hydrogen Energy, Experimental study of hydrogen leakage in gas pipelines, 2020.

KISTI, 수소 에너지 안전관리 체계 연구, 2022.

MDPI, Hydrogen Leak Detection Technologies for Hydrogen Safety, 2024.

DNV GL, Behaviour of hydrogen leaks in the gas distribution network, 2021.

ArXiv, Optimization and Control Technologies for Renewable-Dominated Hydrogen-Blended Integrated Gas-Electricity System: A Review, 2025.