수소 안전

섬네일|오른쪽|300px|힌덴부르크 참사는 대규모 수소 폭발의 한 예이다.
수소 안전()은 수소, 특히 수소 가스 연료 및 액체 수소의 안전한 생산, 취급 및 사용을 다룬다. 수소는 일반 공기와 적은 양으로 혼합되어도 인화성이 있기 때문에 인화성 등급에서 NFPA 704의 가장 높은 등급인 4를 가진다. 공기 중 산소와 반응의 단순성 및 화학적 특성으로 인해 수소 대 공기 부피비가 4% 정도로 낮아도 발화가 발생할 수 있다. 그러나 수소는 반응성이나 독성도에 대한 고유 위험 등급이 없다. 수소의 저장 및 사용은 기체 연료로서의 누출 용이성, 낮은 에너지 연소 시 점화, 넓은 가연성 연료-공기 혼합 범위, 부력 및 수소취성화를 일으키는 능력 때문에 안전한 작동을 보장하기 위해 고려해야 할 고유한 문제들을 제기한다.

액체 수소는 증가된 밀도와 액체 상태를 유지하는 데 필요한 극도로 낮은 온도로 인해 추가적인 문제들을 제기한다. 더욱이, 로켓 연료, 대체 에너지 저장원, 발전소의 전력 발전기용 냉각제, 암모니아 및 메탄올 생산을 포함한 산업 및 화학 공정의 원료 등으로 산업적 수요와 사용이 계속 증가하고 있으며, 이는 수소의 생산, 저장, 운송 및 사용에 있어 안전 프로토콜 고려의 중요성을 증대시켰다.

수소는 아세틸렌, 실레인 및 산화 에틸렌과 같은 몇 가지 예외를 제외하고 모든 가스 중에서 가장 넓은 공기와의 폭발/점화 혼합 범위를 가지며, 최소 필요 점화 에너지 및 혼합비 측면에서 폭발이 발생하기 위한 요구 사항이 극히 낮다. 이는 공기와 수소의 혼합 비율이 어떻든 간에 밀폐된 공간에서 점화될 때 수소 누출이 단순한 화염이 아닌 폭발로 이어질 가능성이 매우 높다는 것을 의미한다.

수소 안전에 관한 저장, 운송 및 사용에는 많은 규정과 표준이 있다. 이는 연방 규정, ANSI/AIAA, NFPA, 및 ISO 표준에 이르기까지 다양하다. 캐나다 수소 안전 프로그램은 수소 충전이 압축천연가스(CNG) 충전만큼 안전하거나 더 안전하다고 결론 내렸다.

 예방 

수소 취급 시 사고를 피하기 위한 시스템 및 절차를 설계하는 데 고려해야 할 여러 항목이 있다. 수소의 주요 위험 중 하나는 매우 인화성이 높다는 것이다.

 불활성 및 퍼징 

챔버 불활성화 및 가스 라인 퍼징은 수소를 전송할 때 취해야 할 중요한 표준 안전 절차이다. 적절하게 불활성화하거나 퍼징하려면 폭발 한계를 고려해야 하며, 수소의 폭발 한계는 다른 종류의 가스와 매우 다르다. 정상 대기압에서는 부피 백분율로 산소 중 수소의 4%에서 75%이며, 폭파 가능 한계는 부피로 18.3%에서 59%이다. 사실, 이러한 가연성 한계는 화재 중 난류가 폭연을 일으켜 폭파를 유발할 수 있기 때문에 이보다 더 엄격할 수 있다. 비교를 위해 공기 중 휘발유의 폭연 한계는 1.4–7.6%이고, 공기 중 아세틸렌의 폭연 한계는 2.5–82%이다.

따라서 수소를 이전하기 전이나 후에 장비가 공기에 노출될 때, 다른 종류의 가스를 이전할 때는 안전했을 수도 있는 독특한 조건들을 고려해야 한다. 불활성화 또는 퍼징이 충분하지 않았거나 장비에 공기가 유입되는 것이 과소평가되어(예: 분말을 추가할 때) 폭발이 발생한 사고들이 있었다. 이러한 이유로 불활성화 또는 퍼징 절차 및 장비는 종종 수소에 고유하며, 종종 수소 라인의 피팅 또는 표시는 이와 다른 공정이 적절하게 따르도록 완전히 달라야 한다. 많은 폭발이 단순히 수소 라인이 실수로 주 라인에 연결되었거나 수소 라인이 다른 라인과 혼동되어 발생했기 때문이다.

 점화원 관리 

공기 중 수소의 최소 점화 에너지는 알려진 물질 중 가장 낮은 0.02mJ이며, 수소-공기 혼합물은 휘발유-공기 혼합물을 점화하는 노력의 1/10로 점화될 수 있다. 이 때문에 가능한 모든 점화원을 면밀히 조사해야 한다. 모든 전기 장치, 본드 또는 접지는 해당 위험 지역 분류 요구 사항을 충족해야 한다. 정전기 축적의 모든 잠재적 원인(일부 환기 시스템 설계와 같은)도 정전기 방지 장치 등을 통해 최소화되어야 한다.

고온 작업 절차는 견고하고 포괄적이며 잘 시행되어야 하며, 작업 전에 고지대를 퍼지하고 환기하며 대기 샘플링을 해야 한다. 천장 설치 장비도 위험 지역 요구 사항(NFPA 497)을 충족해야 한다. 마지막으로, 파열판은 여러 폭발 및 화재의 일반적인 점화원이었으므로 사용해서는 안 된다. 대신 안전 밸브와 같은 다른 압력 릴리프 시스템을 사용해야 한다.

 기계적 무결성 및 반응성 화학 

수소를 다룰 때 고려해야 할 네 가지 주요 화학적 특성은 일반 대기압 및 온도에서도 다른 물질과 접촉할 수 있다는 점이다.

 수소의 화학적 특성은 기존 화학 물질과 매우 다르다. 예를 들어, 주변 환경에서 산화 반응과 다르다. 이러한 독특한 화학적 특성을 무시하면 일부 화학 공장에서 문제가 발생했다. 또 다른 고려 사항은 수소가 다른 반응의 부산물로 생성될 수 있다는 사실이 간과될 수 있다는 점이다. 예를 들어, 지르코늄과 증기가 수소의 원천을 생성하는 경우이다. 이러한 위험은 수동형 자가 촉매 재결합기를 사용하여 어느 정도 회피할 수 있다.
 또 다른 주요 문제는 강철과 같은 다른 일반 건축 자재와 수소의 화학적 호환성이다. 수소취성화 때문에 수소와 재료의 호환성이 특별히 고려된다.
 이러한 고려 사항은 고온에서의 특수 반응으로 인해 더욱 달라질 수 있다.
 수소의 확산성은 일반 가스와 매우 다르므로 개스킷 재료를 신중하게 선택해야 한다.
 관련 기계 본체에 가해지는 부력 및 응력은 종종 표준 가스와는 반대이다. 예를 들어, 부력 때문에 큰 저장 탱크의 상단 근처에서 응력이 종종 뚜렷하게 나타난다.

이 네 가지 요소는 모두 수소를 사용하는 시스템의 초기 설계 단계에서 고려되며, 일반적으로 취약한 금속과 수소의 접촉을 간격, 전기도금, 표면 청소, 재료 선택, 제조, 용접 및 설치 중 품질 보증을 통해 제한함으로써 달성된다. 그렇지 않으면 수소 손상은 특수 모니터링 장비로 관리 및 감지될 수 있다.

 누출 및 화염 감지 시스템 

수소 원천 및 수소 배관의 위치는 신중하게 선택해야 한다. 수소는 공기보다 가벼운 가스이므로 지붕과 돌출부(일반적으로 트래핑 지점이라고 함) 아래에 축적되어 폭발 위험을 형성한다. 많은 사람들은 공기보다 무거운 증기로부터 플랜트를 보호하는 데 익숙하지만 "위로 보는" 데는 익숙하지 않으므로 특별히 주목할 만하다. 또한 파이프에 들어가 목적지까지 따라갈 수 있다. 이 때문에 수소 파이프는 잘 표기되어 있어야 하며 이러한 현상을 방지하기 위해 다른 파이프 위에 위치해야 한다.

적절한 설계에도 불구하고 수소 누출은 4마이크로그램/초만큼 낮은 유량에서도 연소를 지원할 수 있다. 이를 위해 감지는 중요하다. 수소 센서 또는 카타로미터는 수소 누출을 신속하게 감지하여 수소를 환기하고 누출 원인을 추적할 수 있도록 한다. 특정 파이프 또는 위치 주변에 수소 감지 목적을 위해 특수 테이프를 추가할 수 있다. 전통적인 방법은 천연가스와 마찬가지로 가스에 수소 취기제를 추가하는 것이다. 연료 전지 응용 분야에서는 이러한 취기제가 연료 전지를 오염시킬 수 있지만, 연구원들은 추적자, 새로운 취기제 기술, 고급 센서 등 수소 감지에 사용될 수 있는 다른 방법을 연구하고 있다.

수소 불꽃은 육안으로 보기에 어려울 수 있지만("보이지 않는 불꽃"이라고 불릴 수 있음), UV/IR 불꽃감지기에서는 쉽게 나타난다. 최근에는 다중 IR 감지기가 개발되어 수소 불꽃을 훨씬 더 빠르게 감지할 수 있다. 이는 수소 화재 진압에 매우 중요한데, 화재 진압의 선호되는 방법은 누출 원인을 막는 것이기 때문이다. 특정 경우(즉, 극저온 수소)에는 누출 원에 직접 물을 뿌리면 결빙이 발생하여 2차 파열을 유발할 수 있다.

 환기 및 플레어링 

가연성 문제 외에도 밀폐된 공간에서 수소는 질식 가스로 작용할 수 있다. 따라서 두 가지 문제 모두 발생할 경우 적절한 환기 시설을 갖추어야 한다. 일반적으로 수소를 대기로 단순히 배출하는 것은 안전하다. 그러나 이러한 환기 시스템을 설치하고 설계할 때 수소는 바닥이 아닌 구조물의 천장과 꼭대기 쪽으로 축적되는 경향이 있다는 점을 염두에 두어야 한다. 수소가 빠르게 상승하여 점화되기 전에 종종 분산된다는 사실로 인해 많은 위험이 완화될 수 있다.

특정 비상 또는 유지보수 상황에서는 수소를 플레어링할 수도 있다. 예를 들어, 일부 수소 동력 차량의 안전 기능은 탱크에 화재가 발생했을 때 연료를 플레어링하여 차량에 거의 손상 없이 완전히 연소시킬 수 있다는 점이다. 이는 휘발유 차량에서 예상되는 결과와 대조된다.

 재고 관리 및 시설 간격 
이상적으로는 화재나 폭발이 발생하지 않겠지만, 우발적인 점화가 발생하더라도 추가 피해를 최소화하도록 시설을 설계해야 한다. 수소 저장 장치 간의 최소 분리 거리는 해당 저장 장치의 압력과 함께 고려되어야 한다(NFPA 2 및 55 참조). 폭발 배출구는 시설의 다른 부분이 손상되지 않도록 배치해야 한다. 특정 상황에서는 폭발 시 구조물의 나머지 부분에서 지붕이 안전하게 날아갈 수 있도록 설계해야 한다.

 극저온 

액체 수소는 다른 극저온 화학 물질과 비교하여 약간 다른 화학적 특성을 가지고 있다. 미량의 축적된 공기가 액체 수소를 쉽게 오염시켜 TNT 및 기타 고폭발성 물질과 유사한 폭발 능력을 가진 불안정한 혼합물을 형성할 수 있다. 이 때문에 액체 수소는 특수 단열 용기와 같은 복잡한 저장 기술을 필요로 하며, 모든 극저온 물질에 공통적으로 필요한 특별한 취급이 필요하다. 이는 액체 산소와 유사하지만 더 심각하다. 단열 용기를 사용하더라도 그러한 낮은 온도를 유지하기는 어려우며, 수소는 점차적으로 누출될 것이다. 일반적으로 하루에 1%의 속도로 증발한다.

극저온 수소의 주요 위험은 BLEVE(비등 액체 팽창 증기 폭발)라고 알려진 것이다. 수소는 대기 조건에서 기체이기 때문에 급격한 상 변화와 폭발 에너지가 결합하여 더 위험한 상황을 초래한다. 이차적인 위험은 많은 재료가 극도로 낮은 온도에서 연성에서 취성으로 변하여 새로운 누출 지점을 형성할 수 있다는 사실이다.

 인적 요소 
전통적인 직업 안전 교육과 함께 일반적으로 건너뛰는 단계(예: 작업 영역의 높은 지점 테스트)를 방지하는 데 도움이 되는 체크리스트가 자주 구현되며, 수소 작업에 내재된 상황별 위험에 대한 지침도 함께 제공된다.

 사건 

 수소 법규 및 표준 
수소 연료전지 자동차, 정지형 연료전지 적용 및 휴대용 연료전지 적용을 위한 많은 수소 법규 및 기술 표준이 존재한다. 수소 기술 제품에 대한 법규 및 표준 외에도 수소 안전, 수소의 안전한 취급 및 수소 저장에 대한 법규 및 표준이 있다. 다음은 수소를 규제하는 주요 법규 및 표준 목록이다.

 지침 
현재 수소 안전 지침에 대한 ANSI/AIAA 표준은 AIAA G-095-2004, Guide to Safety of Hydrogen and Hydrogen Systems이다. NASA는 세계에서 가장 큰 수소 사용자 중 하나였으므로, 이는 NASA의 이전 지침인 NSS 1740.16 (8719.16)에서 발전했다. 이 문서들은 수소의 다양한 형태가 제기하는 위험과 이를 완화하는 방법을 모두 다룬다. NASA는 또한 Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen Systems 및 Sourcebook for Hydrogen Applications.를 참조한다.

수소 안전 지침을 담당하는 또 다른 조직은 Compressed Gas Association (CGA)이며, 이 조직은 일반 수소 저장, 배관, 및 환기.를 다루는 자체적인 여러 참고 자료를 보유하고 있다.

2023년에 CGA는 수소 생산, 저장, 운송 및 사용에 대한 안전 정보를 개발하고 배포하기 위한 협력적인 글로벌 노력인 안전 수소 프로젝트를 시작했다.

 같이 보기 
 용존가스분석
 위험 지역 내 전기 장비
 수소경제
 금속성 수소
 산수소
 수동형 자가 촉매 재결합기
 슬러시 수소

 각주 

 외부 링크 
 Hydrogen and Fuel Cell Safety Report
 The International Association for Hydrogen Safety
 Higher Educational Programme in Hydrogen Safety Engineering
 Knowledge Center for Explosion and Hydrogen Safety

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