수소충전소용 차단밸브의 구조해석 및 누출 위험성 평가

Abstract

현재 온실가스 감축을 위해 탄소중립 선언 등 정책의 강도가 점차 강해지는 추 세가 세계적으로 확산되고 있다. 이에 따라 재생에너지와 함께 에너지 전환의 핵심을 담당하는 수소의 중요성이 커지고 있다. 하지만 국내 수소충전소의 목 표는 충족하지 못하고 있는데 그 이유 중 하나로 비싼 설치 비용을 들 수 있 다. 수소충전소를 설치하는 데 가장 중요한 요소는 경제성 확보이다. 이를 위해 정부는 기술개발을 통해 수소충전소 핵심부품 국산화율을 높일 계획으로 수소 충전소 설치 비용 저감을 위해 노력하고있다. 하지만, 수소는 많은 사고 사례 등을 통해 알 수 있듯이 누출 시 폭발 화재 등의 위험성이라는 단점을 가지고 있다. 이러한 이유로 수소충전소에 사용하는 부품들에 대한 안정성 평가에 대 한 필요성이 점차 증대되고 있다. 현재 많은 수소충전소 논문에서는 위험성 평 가 프로그램을 사용한 정량적 위험성 평가를 통해 피해 범위 및 위험도를 분석 하고 있다. 이러한 상황에서 본 연구에서는 PHAST 프로그램을 통해 수소충전 소의 위험성을 분석하여 배관 규격 별 폭발 및 화재 위험성을 평가하였다. DNV 사의 정량적 위험성 분석 프로그램인 PHAST를 활용하여 차단밸브에서 의 수소 누출 위험성 평가를 진행하였고, 수소충전소용 차단밸브 수소 누출 시 피해 범위를 도출할 수 있었다. 이를 통해 수소충전소 부품 자체의 안전성 분 석의 필요성을 확인했다. 본 연구에서 적용하는 수소충전소 부품은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 70 MPa급 차량용 수소충전소에 적용하기 위해 국내에서 개발된 100 MPa급 초고 압 차단밸브로 안정성을 확인하기 위해 Ansys Workbench 2023 R1 Static Structural 프로그램을 이용하여 구조해석을 진행하였다. 그 결과 차단밸브에 가해지는 등가응력과 차단밸브에 적용되는 STS316L(Stainless steel 316 Low carbon)의 항복강도를 비교하고, 안전계수 계산을 통해 구조 안정성을 확인하 였다. 또한, 수소충전소의 경우 수소 누출 사고 시 주변 시설에 큰 피해를 줄 수 있기 때문에 앞서 진행했던 구조해석 실험 이후 이번 연구를 통해 추후 수 소충전소에 사용되는 부품에 대한 내압 및 수압 기준에 대한 보완 및 검토에 대한 기초 연구자료로 활용될 것으로 기대된다. 키워드 : 수소충전소, 차단밸브, 구조해석, Static Structural, PHAST