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[분석] 연료전지발전, 설계부터 운전까지 깐깐한 관리로 안전성 으뜸

기사승인 [1410호] 2019.10.23  23:31:34

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- 국내 안전 책임기관인 KOSHA 및 KGS 규정에 따라 설계·설치·운영
KESCO·KOSHA로부터 준공 후 연 1회 정기점검, 안전 지속 관리
국내외 인증기관으로부터 연료전지발전설비 안전성 인증 획득

[가스신문=남영태 기자] 최근 수도권과 강원도, 대전 등 지역에서 연료전지발전사업 추진을 높고 지역주민과의 갈등이 나타나면서, 연료전지의 안전성과 환경성에 대한 관심이 높아지고 있다.

연료전지발전은 기존 복합·화력·원자력 발전과는 달리 연소과정 없이 전기화학반응으로 전기와 열을 생산하는 최적의 분산발전원으로 꼽힌다. 또한 대기환경 오염에 주범이라고 불리는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등의 유해가스 발생이 기존 석탄화력발전 등에 비해서 현저히 적다.

미국 코네티컷 수소·연료전지 연합(Connecticut Hydrogen Fuel Cell Coalition)이 ‘연료전지 경제 개발 계획’을 통해 발표한 자료에 따르면 석탄, 석유 및 천연가스 연소발전 용량을 연료전지 기술로 대체할 경우 ㎿당 NOx는 5.08톤(1만1213lb), SO2는 4.2톤(9373lb), CO₂는 3274톤(721만8240lb)을 감소할 수 있다고 밝혔다. 이는 최근 화두로 떠오른 미세먼지 저감 등 대기환경 개선 부분에서 연료전지발전이 가진 환경 측면에서 기존 발전원보다 긍정적인 효과를 도출할 수 있다는 분석 사례로 꼽힌다.

뿐만 아니라 현존하는 신재생에너지 가운데 가장 효율적인 운영이 가능한데다, 환경비용이 적고 타 신재생에너지원과의 설치면적과 부지선정에도 우수한 강점을 보이고 있다.

연료전지발전은 태양광보다 약 40배, 풍력보다 약 80배 적은 설치면적을 차지하기 때문에 자연을 훼손시키지 않고 건설이 가능하다. 또 기후환경에 다소 민감한 재생에너지원과 달리 연료전지발전은 기후조건에 영향을 받지 않아, 주기기 정비 등을 제외하고 연중 상시 가동이 가능하다.

이 같은 장점으로 미국과 유럽, 일본 등에서는 국가 에너지 수급안정화 정책에 기존 발전체계에 재생에너지와 함께 연료전지발전을 포함시켜 에너지정책을 펼치고 있다.

   
 

 

설계단계, 최종 위험 Zero화 추진

연료전지발전은 기본적으로 수소를 저장하는 장치가 아닌 도시가스로부터 수소를 추출해 이를 통해 전기와 열을 생산하는 분산발전원이다.

가스를 연료로 에너지를 생산하는 발전설비인 만큼 현재 국내에 설치돼 운전 중인 연료전지발전설비는 설계단계부터 운영단계까지 가스누출(폭발, 화재), 전기누설, 환경오염을 중점으로 단계별 안전성을 확보하고 있다.

설계단계에서는 가스 폭발, 인화성·위험물질 누출 등 폭발안전에 대한 한국산업안전보건공단(KOSHA) 및 한국가스안전공사(KGS)의 안전규정에 따라 연료전지시스템이 설계된다. 이 단계에서는 각 안전기관이 규정하고 있는 환기 시스템 설계·검증, 화재감지장치 설계, 안전밸브설계 등 총 7가지 이상의 위험성 경감 방안이 포함된다.

전기를 생산하는 발전원인 만큼 국내·외 표준안전기준에 준수하고 한국전기안전공사(KESCO)의 사용전검사 및 준공 후 연 1회 정기 전기수검으로 운전에 대한 신뢰도도 갖추도록 하며, 계통연계 위험상황 발생 시 계통연계 자동해제, 전력생산 자동중지 등의 전기안전설계도 필수다.

특히 연료전지발전이 운전되는 상황에서 유해한 성분의 외부 배출에 대한 대기환경보전법 등 배출가스 분석을 통한 내부 안정성을 확인하고, 내부 정제 시스템 등도 갖춘다. 아울러 25% 이하로 과잉 공기량(Excess Ari) 공급에 대한 설계도 포함된다.

 

국내 안전기관으로부터 인증제품 설계

연료전지발전 설계단계부터 미국 기계공학회(ASME)로부터 압력용기 설계인증과 인증된 방폭제품을 사용하고 있는 미국과 마찬가지로 우리나라 역시 KGS 및 KOSHA로부터 압력용기 설계를 인증받고, KC인증기준에 따라 획득된 방폭 제품을 사용하고 있다.

이 같은 과정을 거쳐 연료전지발전설비는 국내 안전인증체계 등이 확보된 소재·부품 등으로 제작된다. 또 이 과정에서 전기·기계부문에 대한 안전검사가 진행되며, 완성품에 대해서도 셀스택(CSA) 성능 검사, 제어기기 단품 성능검사, 완성품 성능·효율 검사 등의 철저한 안전검사가 이뤄진다.

무엇보다 가장 중요한 현장검증시험에 대해서도 미국은 인증기관이 참관해 시험하는데 그치지만, 우리나라는 KOSHA가 공정안전관리체계에 따라 설계, 설치, 시운전, 정기검사로 단계별 필드테스트가 진행된다. 한국전력으로부터는 배전계통 연계 기술 검사 등 발전설비 검사가 이루어진다.

더욱이 연료누출에 따른 사고가 발생하지 않도록 연료전지발전설비 내부에서 항시 환기시스템이 가동되고 있다. 연료가 누출될 수 있는 구역 내부에 수소감지센서는 물론 3종류의 송풍기를 지속적으로 가동시켜, 내부의 공기 등을 외부로 배출함에 따라 가스누출에 따른 사고를 미연에 방지하고 있다.

연료 누출 시에는 수소감지센서의 작동으로 설비 내 연료 흐름을 정지하고, 발화로 이어지지 않도록 연소 하한계(LFL) 기준 이하로 연료의 농도를 유지하는 등 연료 누출에 따라 발화까지 이어지는 부분에 대해서도 방폭설계로 사전에 연료와의 접촉을 차단하고 있다.

특히 연료전지설비 내 가스누설과 스파크발생 및 전류누설, 화재방지를 위해 제조과정에서부터 셀스택부문과 PPLT부문에서 총 19가지 주요 테스트를 진행함으로써 안전성 확보를 위한 다양하고 엄격한 기준과 관리체계를 갖추고 있다.

 

   
 

관련법에 따라 운전 前 검사 진행

이와 같이 시스템 설계·제조단계부터 안전성을 확보하고 있는 연료전지발전설비는 최종 운전을 위해서도 안전성이 확인돼야 상업운전에 돌입할 수 있다.

국내 전기·산업인증을 담당하고 있는 KESCO와 KOSHA로부터 최종 사용전 검사를 받아야 하며, 더욱이 준공 후 1회씩 연간 정기점검도 받도록 규정하고 있다.

우선 KESCO로부터는 전기사업법 제63조(사용전 검사)에 의거 전기설비의 공사, 유지, 운용에 있어 공공의 안전을 확보해 인명과 재산을 보호하고 안정적인 전력 공급을 위해 정지중검사와 부하검사를 받는다.

정지중검사에서는 큰 틀로 △압력용기 및 배관검사 △안전밸브 설치 및 동작시험 검사 △비상정지 및 안전장치 검사 △전력변환장치 검사에서 40여 가지 항목으로 검사가 진행된다.

부하검사는 한전 전력계통에 문제가 발생했을 때 연료전지설비가 자동정지 유무를 확인하는 검사와, 정격출력 발전 후 각종 기기 및 안전장치가 정상적으로 작동하는지 확인하는 검사가 진행된다.

착공 후 수전 전단계에서 압력용기 및 배관검사가 이루어지며, 수전 후 정격출력 전까지는 정지 중 검사가, 정격출력 후 준공 전단계에 부하운전 시험으로 사용전 검사가 이루어진다.

이와 함께 산업안전보건법 제49조의2에 의거해 공정안전관리(PSM)에 대한 심사를 받도록 해야 한다. 이 PSM심사도 사용전검사와 마찬가지로 공사준비기간부터 착공 30일전 서류심사가 1차로 진행되며, 이후 건설 중 확인검사와 시운전 완료 후 확인검사가 진행된다.

특히 PSM 검사는 근로자 또는 사업장 인근 지역에 피해를 줄 수 있는 사고를 예방하기 위해 진행되는 만큼 폭발, 가스누출, 전기누전, 운영관리 등 모든 측면에서 검사가 진행된다.

앞서 설계단계에서 모든 안전체계에 맞춰 설계됐다고 하더라도 마지막 단계인 사용전 검사와 PSM검사에서 안전성 등이 검증되지 않는다면 운전할 수 없다는 결과다. 따라서 현재 전국에 운영 중인 약 400㎿규모의 연료전지발전설비는 모두 이와 같은 안전성 검증에 합격, 상업운전 중이다.

   
 

국내외 11개 기관으로부터 안전성 입증

현재 국내에 설치되고 있는 연료전지발전설비는 안전성을 입증하기 위해 국내외 가스, 전기, 가스연소기구 등 제품의 인증을 담당하는 전문기관으로부터 설비 자체 인증을 획득해 국내 에너지시장에 공급하고 있다.

현재 국내 에너지시장에 약 162㎿규모로 설치돼 운전 중인 인산형연료전지(PAFC)의 경우 미국국가표준협회(ANSI), 캐나다표준협회(CSA), ISO(국제표준기구), 미국소방협회(NFPA) 등 총 11개 국내외 안전분야 인증전문기관으로부터 연료전지설비에 대한 인증을 획득했다.

일상생활에서 사용하는 가전제품 등도 안전기준에 준수해서 개발돼 공급되는지 확인하기 위해 KC인증 등을 획득하는 것처럼, 국내에 설치되고 있는 연료전지발전설비도 전기와 열에너지를 생산·공급하는 설비인 만큼 국내외적으로 안전에 대한 인증을 획득해 공급하고 있는 것이다.

남영태 기자 nam@gasnews.com

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