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ⓒ김수연 제작

올해 2월 5일 수소경제의 기반을 조성하기 위한 수소법이 시행됐습니다. 그리고 다음 해 같은 날 수소설비의 안전분야에 대한 수소안전법이 시행될 예정입니다. 해당 법안의 주된 내용은 ‘감시센서 설치 의무화’입니다. 감시센서란 시스템이 안정적으로 운영되고 있는지 감시하기 위한 센서입니다. 즉, 수소경제의 성장과 더불어 수소설비의 안전 문제가 전보다 중요해졌다는 뜻이죠. 이와 발맞추어 한국전력 전력연구원은 수소설비 전용 센서를 적용하여 설비를 안전하게 운영하기 위한 '수소설비 가스 농도 측정기술 및 모니터링 시스템‘ 개발에 착수했습니다. 그렇다면 왜 수소이며, 본 개발의 효과는 무엇일까요?

 

왜 수소에너지인가?

’탄소중립‘ 이란 말은 전 세계적으로 화두가 되고 있습니다. 이는 실질적인 이산화탄소 배출을 ’0‘으로 만들겠다는 뜻인데요, 이때 기존의 탄소자원을 대체할 에너지로 수소가 주목을 받고 있습니다. 수소는 온실가스 배출이 적어 친환경적입니다. 또한 한국은 수소전기차와 연료전지 부문에서 상당한 기술을 보유 중입니다. 따라서 이런 기술을 발전시켜 발전, 수송, 산업 등 다양한 부문에 활용한다면 해당 부문에 대한 탈탄소화에 기여를 할 수 있습니다.

 

하지만 수소에너지는 과연 안전할까요? 수소는 가장 가벼운 기체로 외부로 누출시 빠르게 확산하여 폭발 위험성이 낮습니다. 그러나 밀폐된 배관 내부에서 수소와 산소가 혼합되면 폭발 위험성이 있는데요, 이런 문제를 사전에 해결하기 위해 최근 전력연구원에서는 '수소설비 가스농도 측정기술 및 모니터링 시스템‘ 개발에 착수했습니다.

 

개발 센서 종류 및 수전해 시스템 내 센서 배치도 ⓒ정미희 연구원 제공

 

가스센서란 특정 가스와의 화학반응을 통해 해당 가스의 종류 및 농도를 검출하는 시스템을 의미합니다. 전력연구원은 배관 내에서 정전기를 유발할 수 있는 감시센서 자체는 방폭형*으로 개발해 안전성을 한층 높일 예정입니다. 또한 배관 내 수소와 산소가 일정 이상으로 혼합되는 경우, 실시간 경보 및 시스템 자동정지 기능으로 사고 방지에 대한 신속한 조치가 가능해집니다. 그럼 전력연구원에서 개발하고자 하는 가스센서에 대해 더 자세히 알아볼까요? 전력연구원 에너지환경연구소 선임연구원이신 정미희 차장님의 말씀을 들어봅시다.

* 방폭형 : 폭발하지 않도록, 그리고 폭발시키지 않도록 설계된 장치의 구조


Q1. 안녕하세요. 성명과 소속부서, 담당 업무에 대한 소개를 부탁드립니다.

A. 안녕하세요. 저는 전력연구원 에너지환경연구소에서 근무하고 있는 정미희 선임연구원입니다. 제가 맡은 업무는 전력설비 상태의 건전성 여부를 감시하거나 설비 교체주기 결정을 위해 잔여 수명을 예측하는 목적의 가스센서를 연구·개발하는 것입니다.

 

Q2. 이번 기술 개발의 계기와 목표를 말씀해주실 수 있을까요?

A. 본 개발의 계기는 크게 두 가지가 있습니다.

우선 첫째로, 수소 배관 내 폭발 위험성 때문입니다. 수소설비 중 핵심인 수전해 설비는 물의 전기분해 방식을 이용해 수소를 생산하는 설비입니다. 물은 분해되면서 수소와 산소가 같이 생산되어 별도의 배관을 통해 분리배출됩니다. 이론적으론 수소 배관 내에는 100% 수소, 산소 배관 내에는 100% 산소만 흘러야 합니다. 하지만 불규칙한 부하 변동이나 분리막 손상과 같은 여러 가지 이유로 양쪽 가스 배관에 두 가지 기체가 일정 수준 서로 혼합되기도 합니다.

 

문제는 이 두 가지 가스가 가연성(수소)과 조연성 가스(산소)의 관계로써, 일정 농도 이상 서로 혼합되면 폭발할 수도 있다는 것입니다. , 수소배관 내에 산소가스가 6% 이상, 그리고 산소배관 내에 수소가스가 4% 이상 서로 혼합되면 정전기와 같은 미약한 발화원에 의해서도 대형 폭발의 가능성이 있습니다. 따라서 기존과 같이 수소가스 배관 외부에서 가스누출을 감시하는 것 외에, 배관 내부에도 센서를 설치하여 충진된 가스농도 변화를 실시간으로 감시해, 폭발과 같은 위험 상황에 도달하기 전에 신속하게 사전 조치를 하는 것이 매우 중요합니다.

 

둘째로, 일부 수전해 업체들이 안전진단용 가스센서를 부분적으로 적용하고 있으나 전량 외국산이며, 가격이 수천만 원 대로 상당히 고가입니다. 또한, 수소 설비에 최적화된 전용 센서가 아닌 범용 목적의 센서이기 때문에 정확도와 신뢰도가 기대에 미치지 못하는 문제점을 가지고 있습니다. 가스센서는 사용하는 환경에 따라 반응하는 정도와 경향이 크게 달라지기 때문에 범용 목적이 아닌 적용 환경에 따른 맞춤식으로 개발되어야 합니다.

 

저희는 수소설비 배관 내부환경을 정확히 분석하여 수소(또는 산소)에 극미량 혼합된 산소(또는 수소) 가스농도를 측정하는 센서와 생산된 수소가스 품질관리를 위해 순도를 정확하게 측정하는 센서로 총 3종의 수소설비 전용 가스센서를 개발하고자 합니다.

 

ⓒ정미희 연구원 제공, 김수연 가공

 

Q3. 배관 내부에 혼입되는 가스의 농도를 측정하는 센서의 종류와 원리는 어떻게 되나요?

A. 화학적 반응을 이용하는 가스센서는 대체로 고온에서 작동하는 것이 많습니다. 하지만 저희가 개발하고자 하는 수소센서는 폭발 위험성이 높은 환경에서 사용되므로 별도의 센서 기판 가열장치*가 불필요한, 상온에서 구동하는 전기화학식 센서로 개발할 예정입니다.

 

전기화학식 센서의 원리를 간단하게 설명드리면, 우선 센서 상단의 유입구를 통해 수소 또는 산소 가스가 흘러 들어가면 작용전극(working electrode) 촉매로 인해 가스의 산화환원 반응이 발생하면서 가스농도에 비례하는 전자가 생성됩니다. 이렇게 생성된 전자는 대응전극(counter electrode)으로 이동하면서 가스농도에 비례하는 전류 흐름을 만들게 됩니다. 이러한 전류값을 정밀하게 측정해 농도값으로 변환함으로써 가스 배관 내부에 존재하는 가스농도를 실시간으로 측정할 수 있습니다.

* 가열장치 : 센서의 감도는 온도에 영향을 받기 때문에 보통 별도의 가열장치로 열을 가하면서 온도를 제어합니다. 본 개발의 경우 상온 구동이 가능한 전기화학식 센서를 적용하고, 정확도 향상을 위해 온도보상 회로를 설계할 예정입니다.

 

전기화학식 가스 센서의 원리 ⓒ정미희 연구원 제공, 김수연 가공

 

Q4. 가스센서의 측정범위와 시스템이 정지되는 과정에 관해 설명해주실 수 있나요?

A. 앞서 말했듯이 수소와 산소 두 가스만이 공존하는 분위기에서 수소는 4% 이상, 산소는 6% 이상으로 농도가 증가하면 폭발의 위험성이 있습니다. 개발될 센서의 측정범위는 산소의 경우 0~5%, 수소의 경우 0~3%로 폭발사고 예방에 만전을 기할 수 있도록 하였습니다.

 

저희가 개발한 시스템은 센서를 통해 각 가스의 농도를 실시간으로 감시하게 되며, 혼입되는 각 가스의 농도가 폭발하한의 25%(산소 : 1.5%, 수소 : 1%)에 도달할 시, 1차적으로 작업자에게 유무선으로 알람 메시지를 전송합니다. 그리고 2차적으로 가스의 농도가 폭발하한의 50%(산소: 3%, 수소: 2%)에 도달하면 자동으로 시스템을 정지시키도록 할 예정입니다.

 

시스템 작동방식 ⓒ정미희 연구원 제공, 김수연 가공

 

Q5. 본 개발의 가장 큰 특징과 강점이 무엇이라 생각하나요?

A. 가장 큰 특징은 수소설비에 특화되어 고압저습고농도의 가스 환경에서도 신뢰성과 안전성이 확보된 가스센서를 세계 최초로 개발한다는 점입니다. 또한, 폭발위험 상황을 방지하기 위해 모든 부품과 모듈은 방폭형으로 설계제작하고, 조기 사업화에 대비하여 국내외 방폭 인증을 우선적으로 획득할 예정입니다.

 

무엇보다도 큰 장점은 기존에 사용했던 외국산 범용 가스 감지기보다 훨씬 저렴한 가격으로 제품을 제공할 수 있어 뛰어난 경제성을 확보한다는 것입니다. 수소안전법에 의해 과거 고압대용량 설비에만 설치 의무화되었던 안전진단 센서가 비교적 저가인 저압소용량 설비에까지 확장 적용하게 되었습니다. 이에 따라 수소설비에 대한 가스 감지기의 상대적인 비용이 훨씬 중요해졌습니다. 따라서 제품의 가격과 성능 측면에서 뚜렷한 차별성과 경쟁력을 확보한다면 국내는 물론, 해외에서도 급성장하고 있는 수소 인프라 관련 시장을 손쉽게 선점할 수 있다고 확신합니다.

 

Q6. 마지막으로 한전 블로그 독자분들께 앞으로의 비전과 따뜻한 한마디 부탁드립니다.

A. 전력설비를 효율적이고 경제적으로 운영하기 위해서 첨단의 운영기술을 적용하는 것도 중요하지만, 각종 사고로부터 인명과 재산을 보호할 수 있는 높은 신뢰도의 안전 시스템을 갖추는 것 또한 중요하다고 생각합니다. 한국전력은 고품질의 전력공급뿐만 아니라 효율적이고 안전한 전력설비 운영 및 사고 예방을 위해 미래형 디지털 진단기술 개발 등 항상 최선을 다하고 있음을 기억해 주시길 바랍니다. 또한, 주변의 전력설비 중 안전 시스템 확보가 필요해 보이는 부분에 대한 제보를 주신다면 상세한 검토를 통해 적극적으로 반영하도록 노력하겠습니다.

 

ⓒ김수연 제작

 


최근 수소 에너지가 미래 청정에너지로 각광받음에 따라 전방위적인 공급과 사용을 위해 안전 시스템의 중요성이 증대되고 있습니다. 전력연구원에서 개발하는 안전 시스템은 안전성, 신뢰성, 저비용의 삼박자를 갖추어 수소설비 안전에 크게 기여할 수 있을 것입니다. 전력 시스템의 안전에 앞장서는 한전과 전력연구원의 행보에 응원 부탁드립니다!

 

 

 


 

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  • 정훈 2021.08.17 18:05
    고생많습니다. 경쟁력있는 센서로 국내외 시장에 진출하는 날이 빨리 오기를 바랍니다~~

한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO!

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