수소충전소 가상현실(VR) 사고대응 훈련프로그램 구축을 위한 주요 사고상황 우선순위 도출 = Deduction of critical accident situation priority for establishing virtual reality(VR) accident response training program in hydrogen refueling stations

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As global warming is causing problems such as climate change, abnormal climate, and sea level rise, the government is focusing on fostering the hydrogen industry, which is a new and renewable energy that is capable of perfect carbon neutrality and high energy efficiency, to implement greenhouse gas emission reduction policies. In 2019, related ministries such as the Ministry of Industry, the Ministry of Land, Infrastructure, and the Ministry of Environment announced a plan to build 1,200 hydrogen refueling stations by 2040. However, due to anxiety over hydrogen refueling stations that store hydrogen gas of more than 150kg and compress it to a pressure of 900 bar, and a lack of construction sites, Currently, hydrogen infrastructure construction is not progressing smoothly.
Nevertheless, as the supply of hydrogen cars is activated, the number of hydrogen refueling stations will also increase. so an accident response training program should be established in advance to effectively improve the initial response of related workers to prevent explosion accidents and minimize damage at hydrogen refueling stations.
By analyzing precedent studies on the risk and safety evaluation of hydrogen refueling stations and the development of accident response training, risk factors of hydrogen refueling stations, the necessity of accident response training programs to prevent accidents from spreading from leakage accidents to explosions, and the distinction from precedent studies were confirmed. And in order to confirm the suitability and effectiveness of applying virtual reality (VR) technology to hydrogen refueling station accident response training, precedent studies on VR training programs applied to ship enclosed spaces and chemical accident sites were analyzed.
As for the current status of hydrogen refueling stations in Korea, 93% of hydrogen refueling stations are off-site hydrogen refueling stations, and 58% are complex hydrogen refueling stations. Considering this, the hydrogen refueling station construction trend is expected to be constructed in the form of a complex hydrogen refueling station with an off-site supply method that requires a relatively small area due to the restriction of securing a construction site. Therefore, in this study, a complex hydrogen refueling station with a tube trailer supply method was selected as a refueling station for training.
In order to deduce the accident situation to be applied to the accident response training program, 10 detailed accident situations from the facility were selected by reviewing and analyzing the precedent research, hydrogen refueling station safety management regulations, manuals, and domestic and foreign accident cases. accident-causing equipment are specific facilities (compressors, dispensers), high-pressure gas pipes, storage containers, and tube trailers, and the details of each facility are selected as accident situations with different corresponding manuals or high risk as a result of precedent studies and accident case analysis.
In order to prioritize the derived accident situations, priority selection techniques such as AHP, MAUT, and risk assessment were compared and analyzed, and a survey was conducted using AHP suitable for the study. The survey subjects were selected for workers related to chemical plants who had knowledge of the characteristics of hydrogen gas and expertise in process facilities such as high-pressure gas pipes, compressors, and pressure containers. In addition, it was guided to evaluate the risk in consideration of the frequency of accidents and the extent of damage in the situation rather than the process importance of the facility.
As a result of the priority evaluation, gas leakage and fire occurrence in high-pressure and medium-pressure storage containers were derived as the first priority, followed by specific facilities, tube trailers, and high-pressure gas pipes. This is the same as the result of the frequency of accidents by facility announced in the 15-year accident statistics by the U.S. Department of Energy in 2019.
As for the detailed accident situation of each facility, the gas leakage and fire situation generated from the valves and connections of the hydrogen gas storage container showed relative importance in the storage container. In certain facilities, it was found that accident situations due to rupture and separation of the dispenser charging hose should be produced more preferentially with a slight difference (0.07) than the accident caused by the compressor connection pipe or valve. In the dispenser, gas leakage and fire conditions caused by vehicle accidents were evaluated as the most important factors to be considered.
Based on the critical accident situations selected through the above priority evaluation, a virtual reality (VR) accident response training program should be established to enhance safety by enhancing the initial responsiveness of workers related to hydrogen refueling stations.

국문 초록 (Abstract)

지구온난화의 영향으로 기상이변, 이상기후, 해수면 상승 등의 문제가 발생하고 있어 정부에서는 온실가스 배출 저감 정책을 이행하기 위해 완벽한 탄소중립이 가능하고 에너지효율이 높은 신재생에너지인 수소 산업 육성에 집중하고 있다. 2019년 산업부, 국토부 환경부 등의 관계부처에서는 ‘수소 인프라 및 충전소 구축방안’을 발표하며 2040년까지 수소충전소 1,200기를 구축할 것을 목표로 정하였다. 하지만 약 150kg 이상의 수소가스를 보관·저장하고 900bar의 압력까지 압축하는 등의 공정을 실시하는 수소충전소에 대한 불안감, 건설 부지의 부족 등의 이유로 인해 현재 수소충전소는 전국 198기로 수소 인프라 구축이 원활하게 진행되지 못하고 있다. 그럼에도 불구하고 수소차의 보급이 활성화됨에 따라 계속해서 확대될 수소충전소의 폭발 사고 예방 및 피해 최소화를 위해 관련 종사자들의 초기대응력을 효과적으로 향상시킬 사고대응 훈련프로그램이 선제적으로 구축되어야 한다.
수소충전소 위험성 및 안전성 평가와 사고대응훈련 개발에 관한 기존 연구를 분석하여 수소충전소의 위험요인, 누출사고에서 폭발사고로 사고가 확대되는 것을 방지하기 위한 사고대응 훈련프로그램의 필요성과 기존 연구와의 차별성을 확인하였으며 수소충전소 사고대응 훈련에 가상현실(VR)기술을 적용하는 것에 대한 적합성 및 효과성을 확인하기 위해 선박 밀폐공간, 화학사고 현장 등에 적용하여 운용하고 있는 VR 훈련 프로그램에 대한 기존 선행연구를 분석하였다.
국내 수소충전소의 구축 현황은 수소충전소의 93%가 저장식(Off-site) 수소충전소이며 복합형 수소충전소가 58%를 차지하고 있다. 이를 통해 수소충전소 구축 동향은 건설부지 확보의 제한으로 비교적 적은 면적을 필요로 하는 저장식(Off-site) 공급방식의 복합형 수소충전소의 형태로 구축될 것으로 전망된다. 따라서 이 연구에서는 튜브 트레일러 공급방식의 복합형 수소충전소를 훈련대상 충전소로 선정하였다.
사고대응 훈련프로그램에 적용할 사고 상황을 도출하기 위해 기존 선행연구, 국내·외 사고사례와 수소충전소 안전관리 규정 및 매뉴얼을 검토 및 분석하여 사고기인 설비로부터의 10가지 세부 사고 상황 선정하였다. 사고기인 설비는 특정설비(압축기, 디스펜서), 고압가스배관, 저장용기, 튜브트레일러이며 각 설비의 세부상황은 상황별로 대응매뉴얼이 상이하거나 선행연구 및 사고사례 분석결과 위험성이 높은 사고 상황들로 선정하였다.
도출된 사고 상황들의 우선순위를 선정하기 위해 계층적 의사결정기법(AHP), 다속성 효용기법(MAUT), 정량적 위험성평가 등의 우선순위 선정기법을 비교 분석하여 해당 연구에 적합한 계층적 의사결정기법(AHP)을 활용한 설문을 실시하였으며 설문 대상자는 수소가스의 특성에 대한 지식이 있으며 고압가스배관, 압축기, 압력용기 등 공정 설비에 대한 전문지식을 가지고 있는 화학 플랜트 관련 종사자를 대상으로 선정하였다. 또한 가중치 분석에 있어 해당 설비의 공정상 중요도 보다 해당 상황의 사고발생빈도 및 피해범위를 고려한 위험성에 대한 평가를 할 것을 안내하였다.
우선순위 평가 결과 고압·중압 저장용기에서의 가스누출 및 화재발생 상황이 1순위로 도출되었으며 특정설비, 튜브트레일러, 고압가스 배관 순으로 나타났다. 이는 2019년 미국 에너지부 산하기관에서 15년 사고통계에서 발표한 설비별 사고 발생빈도 결과와 동일하다. 각 설비별 세부 사고 상황으로는 저장용기에서는 수소가스저장용기의 밸브 및 연결부에서 발생하는 가스누출 및 화재 상황이 상대적 중요도를 보이는 것으로 나타났으며 특정설비에서는 디스펜서 충전호스 파열 및 분리로 인한 사고 상황이 압축기 연결배관 또는 밸브에서 발생한 사고보다 근소한 차이(0.07)로 더 우선적으로 제작되어야 할 사고상황으로 나타났다. 디스펜서에서는 차량사고로 인한 충돌, 전도, 전복에 의한 가스누출 및 화재상황이 가장 우선적으로 고려되어야 할 요소로 평가되었다.
위 우선순위 평가를 통해 선정된 주요 사고상황을 바탕으로 가상현실(VR) 사고대응 훈련프로그램을 구축하여 수소충전소 관련 종사자들의 초기대응력을 높여 안전성을 강화해야 할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.1.1 연구의 배경 1
• 1.1.2 연구의 목적 2
• 1.2 연구의 내용 및 방법 3
• 1.2.1 연구의 내용 3
• 1.2.2 연구의 방법 3
• 1.3 연구의 구성 및 흐름 4
• 1.3.1 연구의 구성 4
• 1.3.2 연구의 흐름 5
• 2. 수소충전소의 개요 및 이론적 고찰 7
• 2.1 일반사항 7
• 2.2 수소충전소의 개요 7
• 2.2.1 수소연료의 물리적 특성 7
• 2.2.2 수소충전소의 유형 9
• 2.2.3 수소충전소의 종류 11
• 2.2.4 수소충전소의 국내 현황 13
• 2.3 기존 연구 사례 17
• 2.3.1 수소충전소 위험성 및 안전성 평가에 관한 연구 17
• 2.3.2 수소충전소 사고대응훈련에 관한 연구 19
• 2.3.3 VR기술기반 교육의 효과성 관한 연구 21
• 2.4 수소충전소 관련 법규 및 기준 검토 24
• 2.5 소결 28
• 3. 수소충전소 사고사례 및 주요 사고상황 도출 30
• 3.1 일반사항 30
• 3.2 수소충전소 사고사례 분석 30
• 3.2.1 국내 수소충전소 사고사례 30
• 3.2.2 국외 수소충전소 사고사례 36
• 3.3 수소충전소 주요 사고상황 도출 39
• 3.3.1 국내·외 사고사례를 통한 위험요인 분석 39
• 3.3.2 기존 선행연구의 위험요인 분석 및 사고상황 도출 40
• 3.3.3 안전규정 및 매뉴얼 분석 및 사고상황 도출 42
• 3.4 소결 47
• 4. 수소충전소 주요 사고상황 우선순위 평가 49
• 4.1 일반사항 49
• 4.2 설문의 구성 및 절차 49
• 4.2.1 우선순위 평가 tool 선정 49
• 4.2.2 설문대상자 선정 52
• 4.2.3 설문조사의 절차 53
• 4.2.4 설문지의 구성 53
• 4.3 설문에 의한 주요 사고상황 우선순위 평가 결과 56
• 4.3.1 설문대상자 일관성 비율(CR) 검증 56
• 4.3.2 항목별 우선순위 평가 58
• 4.3.3 항목별 우선순위 평가 결과 60
• 4.3.4 가상현실(VR)훈련 프로그램에 대한 인식 설문 결과 64
• 4.4 소결 66
• 5. 요약 및 결론 68
• 5.1 요약 68
• 5.2 결론 70
• 참 고 문 헌 72
• 부 록 75
• 부록 1. 설문지 75
• 부록 2. 설문자 일관성 비율(Consistency Ratio : CR) 결과 84