수소(H2) 에너지의 특징과 위험성 확인 (연소/폭발 한계, 최소점화에너지, 최소발화온도 등)

 수소 (H2)는 오염 물질이 거의 배출되지 않아 지구 온난화를 완화할 수 있는 친환경 에너지원으로 주목받고 있으며, 최근 다양한 분야에서 활용되기 위해 많은 노력을 하고 있습니다. 다만, 수소는 가연성 가스로 누출시 화재·폭발 위험성을 가지고 있기 때문에 저장 및 취급시 각별한 주의가 필요합니다. 

 

 

1. 수소(H2)의 분류 

• 그레이 수소 : 석유 화학 공정에서 발생한 부생 수소와 천연가스를 개질하여 만든 수소로 현재 생산되고 있는 수소의 약 96%를 차지 
• 블루 수소 : 천연가스와 이산화탄소 포집 설비를 이용하여 추출한 수소로 이산화탄소를 포집하고 저장하는 장치로 인해 그레이 수소보다 훨씬 적은 탄소를 배출
• 그린 수소 : 태양력이나 풍력 같은 재생 에너지로부터 생산된 전기로 물을 분해하여 생산한 수소로 이산화탄소가 배출되지 않아 청정 에너지로 분류됨 

 

 

2. 수소(H2)의 특성 

• 수소는 우주의 약 75%를 차지하는 풍부한 지속가능 에너지로 공해물질이 배출되지 않는 친환경 에너지이며, 다양한 재생 가능한 에너지원과 결합이 가능  
• 자연 상태에서는 순수한 수소 분자(H2)가 거의 존재하지 않음, 대부분 다른 원소와의 화합물로 존재, 그 예로 물(H2O)이 가장 대표적인 형태
• 주로 1차 에너지원인 화석 연료에서 수소를 추출하거나, 2차 에너지원인 전기를 이용한 물 전기 분해(수전해)를 통해 수소를 생산
• 수소를 직접 연소키시거나 연료전지의 원료로 활용하면 전기로 쉽게 전환할 수 있고, 가스나 액체 상태로 쉽게 수송하고 저장 가능 

 

3. 수소(H2)의 물리적 성질

• 공기보다 약 14배나 가벼움 
• 공기 중에서 확산하기 쉽고, 분자량이 작아 다른 가스보다 작은 틈새를 통해 누출되기도 쉬움
• 열을 쉽게 전달, 수소의 열전도도는 공기의 약 7배 (수소 : 0.168 W/m·K - 공기 : 0.024 W/m·K)
• 연소 속도는 아세틸렌의 2.3배, 에틸렌의 4.5배, 메탄의 8배 이상으로 매우 빠름 
• 에너지량은 같은 무게의 휘발유 보다 3배 큼 (에너지량은 휘발유, 부탄, 메탄올, 메탄 가스보다 매우 큼)
• 다만, 압축하지 않은 수소의 경우 부피 당 매우 작은 무게로 인해 에너지량이 작아 보통 700 bar까지 압축된 고압가스로 운반하여 저장 및 취급 
• 무색 · 무취 · 무미의 특성, 특히 수소의 화염은 옅은 푸른 빛을 띄고 있고, 육안 식별이 제한적

 

4. 수소와 다른 가연성 물질과 물성 비교 

물성치	단위	수소	메탄 (천연가스)	프로판 (LPG)	물성 비교
분자식	-	H2	CH4	C3H8	-
분자량	-	2.0158	16.043	44.096	메탄의 1/8 LPG의 1/22
비중	공기=1	0.0695	.055	1.52	공기의 1/14
가스밀도 (1기압, 20 ℃)	kg/ ㎥	0.0838	0.717	1.87	메탄의 1/8.6
액체밀도 (1기압, 끓는점)	kg/ ㎥	70.8	422.4	582	메탄의 1/6
열전도율	W/(m·K)	0.168	0.034	0.021	메탄의 1/5 LPG의 1/8
끓는점	℃	-253	-162	-42	액화메탄보다 약 90℃ 낮음
최소 발화온도	℃	571	537	460	휘발유 215℃
화염온도	℃	2,045	1,875	2,112	메탄보다 높고, LPG와 비슷
연소한계 (폭발범위)	vol%	4 ~ 75	5 ~ 15	2.1 ~ 9.5	메탄의 7배, LPG의 9배
최소점화 에너지	mJ	0.018	0.274	0.240	메탄,LPG의 약 1/10
소염거리	cm	0.064	0.22	-	메탄의 1/3.4
연소속도	cm/s	270	37	47	메탄의 8배

 

5. 액화 수소의 특징

• -253 ℃ 미만의 초저온 액화 가스 (*수소 가스를 액체 상태로 만드려면, -253 ℃ 아래로 온도를 내려야 함) 
• 액체로 된 수소는 옅은 푸른색을 띄며, 투명한 상태 
• 수소 가스를 액화하면 부피가 1/800 감소 
• 동일한 용량의 저압 탱크로 많은 중량의 액화 수소를 저장 가능 

 

6. 수소의 누출 

• 수소 가스는 다른 가스들에 비해 분자량이 작기 때문에 미세한 틈새에서도 누출이 일어날 수 있어 취급 및 저장시 주의 필요 
• 용기(탱크) 및 배관의 이음 부위 등에서 누출되기 쉬우며, 특히, 밸브 본체는 물론, 이음부, 안전밸브 및 압력 조정기의 부착부는 대표적 누출 취약 부위 
• 액화 수소는 분자가 작고, 점도가 매우 작아 미소한 구멍이나 미세한 간극 또는 틈새를 통해 누출될 수 있음 
• 액화 수소는 대기 중에 소량으로 누출되어도 즉시 기체로 바뀌어 부피가 수백 배(약 800배)로 커지며, 한 동안 매우 낮은 온도의 수소 가스로 존재 
• 액화 수소가 누출되면 공기 자체 또는 대기 중의 수분을 응축시키거나 고체화시켜 백연, 흰 연기를 생성  

 

7. 수소의 확산 

• 대기 중에 수소 가스가 누출되면, 공기와 혼합되면서 바람의 이동 방향으로 확산 
• 압력용기 또는 탱크나 고압 배관에서 누출되는 경우 고압의 누출 압력 때문에 길다란 가스 기둥 (Plume) 형태로 방출, 확산
• 액화 수소가 소량 누출되는 경우 빠르게 증발하여 가스, 기체 상태로 바뀌고, 이때 수소 가스의 비중이 공기보다 매우 작기 때문에 부력으로 인해 급속히 위로 상승 
• 액화 수소가 다량 누출되는 경우 주변 공기가 냉각되어 저온의 혼합 가스운 (Cloud)을 형성하며, 지표면을 따라 이동하기도 하나, 공기와 혼합되면서 위로 상승하여 누출 지점에서 멀리 떨어진 장소까지 가연성 혼합 가스로 확산되지 않음
• 실내 또는 밀폐공간 내에서 누출되는 경우 누출 초기에는 누출되었을 당시의 압력(힘)으로 확산되지만, 누출 지점에서 멀어지면, 부력에 의해 상승하여 지붕 주위나 천정으로 확산되어 체류되고, 시간이 지나면서 서서히 주변 공기와 균일하게 혼합

 

8. 수소의 화재·폭발 위험  

• 수소는 연소하기 쉬운 기체이며, 공기(산소)와 넓은 농도 범위에서 가연성 혼합기를 형성
• 다른 가연물에 비해 발화 온도는 높은 반면 최소점화에너지가 매우 작아 정전기 등에 의해서도 쉽게 발화할 수 있음
• 수소 가스가 용기나 배관 내에 존재하고, 산소와 점화원이 용기나 배관 내로 들어가지 않는 한 큰 위험은 없지만, 공기 중에 누출되면, 가연성 혼합기를 형성하고, 점화원이 존재할 경우 화재·폭발 사고가 발생할 수 있음 

 

9. 연소 한계 (Flammability Range) / 폭발 한계  (Explosion Range) 

• 연소한계는 점화 (발화)의 가능성을 나타내는 척도이며, 모든 가연성 가스는 연소한계 범위 내에서 점화 가능 
• 연소한계의 범위가 넓다는 것은 화재 또는 폭발이 일어나기 쉬운 위험성도 높다는 것을 의미함 

물질	연소 하한계(vol%)	연소 상한계(vol%)	연소한계 범위
아세틸렌 (C2H2)	2.5	100	97.5
수소  (H2)	4	75	71
일산화탄소 (CO)	12.5	74	61.5
에틸렌 (C2H4)	2.7	36	33.3
암모니아 (NH3)	15	28	13
메탄 (CH4)	5	15	10
프로판 (C3H8)	2.1	9.5	7.4
부탄 (C4H10)	1.6	8.4	6.8

 

출처 (https://hsseworld.com/What is Meaning of LEL,UEL,PID)

 

10. 최소 점화 에너지 (MIE : Minimum Ignition Energy)

• 가연성 물질을 점화시키는데 필요한 최소 에너지를 말한다. (MIE : Minimum Ignition Energy)
• 최소점화에너지에 영향을 주는 인자는 온도, 압력, 농도이며, 온도가 높을 수록 분자 운동이 활발해져 MIE가 작아지고, 압력이 높을 수록 분자들 간의 거리가 가까워져 MIE가 작아진다. 
• 수소는 다른 물질에 비해 최소 점화 에너지가 매우 낮으며, 탄화수소의 평균적인 최소 점화 에너지는 0.25 mJ이다.

물질	최소점화에너지 (mJ)	물질	최소점화에너지 (mJ)
수소 (H2)	0.018	벤젠 (C6H6)	0.225
아세틸렌 (C2H2)	0.020	에탄 (C2H6)	0.240
산화에틸렌 (C2H4O)	0.062	프로판 (C3H8)	0.250
1,3-부타디엔 (C4H6)	0.125	부탄 (C4H10)	0.260
메탄올 (CH3OH)	0.140	메탄 (CH4)	0.280

 

 

11. 최소 발화 온도 (AIT : Auto-Ignition Temperature)

• 가연성 물질이 주위의 열에 의해 스스로 발화하는 온도를 최소 발화 온도 (AIT : Auto-ignition Temperature)라고 한다.
• 수소는 다른 물질에 비해 최소 발화온도는 비교적 높음 

물질	최소 발화온도 (℃)	물질	최소 발화온도 (℃)
암모니아	651	에틸렌	450
일산화탄소	609	프로판	432
수소	571	아세틸렌	305
메탄	537	부탄	287
에탄	472	펜탄	260