수소의 위험성?

수소는 지구상에서 가장 가벼운 기체로 원소주기율표 1족 1주기에 위치한 물질입니다. 산업 현장에서는 오랜기간 동안 사용되어 왔지만 사용 빈도, 사고 사례가 적기때문에 큰 관심을 받지 못했습니다. 최근 19년 강릉 수소탱크 폭발사고로 인해 국내에서 많은 이슈가 있었고 최근 전세계가 친환경 이슈로 인해 수소자동차, 수소 연료전지에 각광을 받으며 많은 사람들의 관심을 받고 있습니다.

하지만 사람들은 수소를 떠올리면 폭발이라는 단어가 가장 먼저 떠오르기 때문에 수소 자동차 타다가 터져서 폭발하는거 아니야? 생각합니다. 인식에 대한 문제가 있으므로 정부 및 한국가스안전공사에서는 국민들의 이런 인식을 전환시켜줘야만 합니다.


이번 게시물에서는 수소가 어떤 물질이며 어떤 위험성을 갖고 있는지 알아보도록 하겠습니다.


수소(Hydrogen, 水素)의 특성은 익히 잘 알려진 바와 같이 무색, 무취, 무미의 성질을 띄는 비독성, 가연성 기체입니다.

공기 중에 누출 되어도 육안으로 볼 수가 없기 때문에 수소 감지 시스템이 구성되어 있지 않다면 누출에 대한 인지가 어렵기 때문에 폭발의 위험을 초래합니다. 수소는 주로 수소폭탄과 같이 인화성, 폭발 위험성이 굉장히 강한 가연성가스이며 가연성에 대한 부분에서 타 가스에 비해 위험도가 높은 것은 맞으나 공기 중에 누출되어도 공기비중이 높은 LPG와 같이 특정 공간에 머물러 있는 것이 아니라 증기밀도가 0.07로서 공기 중으로의 확산이 비교적 빠르기 때문에 가스운의 형성은 어렵습니다. 허나 점화 시 화염온도가 비교적 굉장히 높고, 연소 속도도 빠르기 때문에 밀폐된 공간에서 수소가 누출이 된다면 탄화수소가스들(LNG, LPG 등)보다 훨씬 위협적인 폭발이 발생함으로 사용에 유의해야 합니다.

물리적 위험성

수소는 원소 주기율표 1번에 해당하는 지구상에서 가장 가벼운 물질로서 기체 확산속도가 굉장히 빠릅니다. 동시에 체적당 에너지 밀도가 매우 낮기 때문에 저장, 운반, 사용을 위해서는 수소를 고밀도로 압축하여 사용해야 합니다. 초고압으로 충전된 수소저장설비에 허용할 수 있는 압력, 즉 설계압력 그 이상의 과압이 발생하게 되면 파열판 또는 안전밸브를 통해 압력이 허용기준 내로 배출되어야 하는데 이러한 부수기재들이 정상적으로 작동하지 않는 경우가 발생한다면 과압에 의한 폭발이 발생할 수 있습니다. 이렇게 물리적인 폭발은 압력에 의한 것이므로 저장설비 및 배관은 고압에 견딜 수 있는 설계가 필수적이며 계측기기 및 안전장치들의 점검, 유지관리는 정기적으로 이루어져야만 합니다.

화학적 위험성

수소는 산소와 같은 산화물과 혼합되어 있을 때 최소 점화에너지[0.02mJ]가 매우 낮고 기체 확산속도가 매우 빠른 특징을 갖는 가연성기체 때문에 마찰이나 정전기와 같은 미상의 점화원에도 폭발의 위험성이 큽니다. 또한 폭발한계[4~75%]가 굉장히 넓은 범위에 속하며 연소 시 다른 탄화수소가스에 비해 아주 빠른 연소 속도를 갖고 있습니다. 수소는 연소를 일으키려면 폭발한계 범위 내에 있으면서 조연물질, 점화원이 있어야 연소가 이루어질 수 있습니다.[*연소의 3요소] 이러한 점을 이용하여 수소를 취급하는 모든 시설에 수소와 점화원이 접촉되지 않도록 방폭설계, 접지설계를 시공하는 것은 선택이 아닌 필수적인 요소입니다. 또한 수소는 가연성기체지만 염소와 같은 화학물질과 결합되었을 경우 독성을 띄기 때문에 독성에 대한 위험성을 염두하고 있어야 한답니다.
또 하나 주의해야할 점은 수소취성(부식)입니다. 금속 주위에 수소분위기가 형성되면서 외력을 받게 되면 금속에 수소가 침투하여 금속 조직이 약화되고 크랙이 발생하게 됩니다. 수소를 취급하는 설비(금속)의 재료는 항상 수소취성을 견딜 수 있는 재료를 선택해야 하고 운영조건에서 재료에 많은 피로가 발생하지 않도록 설계를 해야 합니다. 이렇게 수소를 사용하기 전 수소의 특성을 필수적으로 파악해야 하며 여러 가지 위험성이 따르는 수소지만 사용처에서 환기시설, 감지설비, 방폭설계 등이 잘 구비 되어 있다면 절차에 따라 안전하게 사용이 가능합니다.
*연소의 3요소 : 가연물, 산소, 점화원


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