[표지] 1
제출문 3
요약문 4
Executive Summary 9
목차 17
제1장 서론 28
1. 연구배경 및 추진전략 28
1.1. 연구배경 28
1.2. 연구 필요성 30
2. 연구목표 및 주요 연구내용 31
2.1. 연구목표 31
2.2. 당해연도 연구목표 및 주요 연구내용 34
3. 추진체계 및 전략 35
3.1. 추진체계 35
3.2. 추진전략 37
제2장 수소도시 기반시설의 지상-지하 입체화 계통 설계 38
1. 연구개요 38
2. 당해연도 연구개발 내용 39
2.1. 수소공급 거점기지 및 분배시설의 계통과 구성설비 조사, 분석 39
2.2. 공급시설 내 지상-지하공간 입체화 개념설계 48
2.3. 운용 적합성 관련 HAZOP 및 가용도 분석 56
2.4. 지하공간 수소 기반시설의 모니터링 시스템 구축 방안 58
제3장 수소도시 기반시설의 방호구조 시스템 기술 개발 74
1. 연구개요 74
2. 당해연도 연구개발 내용 76
2.1. 고압 기체 수소의 누출에 따른 지반-구조물 상호 거동 평가 76
2.2. 지하 수소 저장시설 방호용 구조재료 개발 85
2.3. 지하 수소 저장시설 방호구조 설계 기술 개발 106
2.4. 결론 119
제4장 지하 수소인프라 사고예방 및 Contingency기술 개발 120
1. 연구개요 120
2. 당해연도 연구개발 내용 120
2.1. 수소 기반시설 사고 시나리오 도출 120
2.2. (지상)수소사고(누출·제트화염·폭발) 시나리오에 대한 위험성 평가 122
2.3. 폭발 분위기 억제를 위한 환기 및 벤팅 설계 132
제5장 청정도시 수소생산플랫폼 설계기술 개발 149
1. 연구개요 149
2. 당해연도 연구개발 내용 150
2.1. 생분해 플라스틱 기반 통합혐기소화 설계기술 개발 150
2.2. 수소 업사이클링 공정 설계기술 개발 160
2.3. 청정도시 수소생산플랫폼 가용도 평가 174
제6장 지역단위 수소기반시설 매핑 및 공급을 위한 최적화 모형 개발 194
1. 연구개요 194
2. 당해연도 연구개발 내용 195
2.1. 수송부문 수요·공급 관련 국가교통 자료 수집 195
2.3. 지도데이터 205
2.4. 수소 공급 및 수요현황 및 계획 자료 209
2.5. 수소 수요 예측을 위한 권역 설정 212
참고문헌 219
서지자료(Bibliographic Data) 228
부록[내용없음] 18
부록 A 고압기체수소 누출에 따른 지표 변위 평가 보고서 18
부록 B 수소 가스 폭발 특성 정립 및 라이브러리 구축 보고서 18
부록 C 구조패널 방폭실험 보고서 18
부록 D 지하 수소 저장시설 방호구조 개념설계 보고서 18
부록 E 위험성 평가 보고서 18
부록 F 지하 수소 저장시설 수소누출 시뮬레이션 결과 보고서 18
부록 G 폭연지수 산정 보고서 18
부록 H 수소 생산 공정 시뮬레이션 결과 보고서 18
부록 I 수소생산플랫폼 성능평가보고서 18
부록 J 수소 수요 예측을 위한 데이터 정의서 18
부록 K 선행특허심층조사·분석 및 지식재산 권리확보방안 보고서 18
판권기 230
표 2-1. 기체 수소 저장 용기의 국내외 제조사별 제원 45
표 2-2. 액화수소 저장 탱크의 제조사별 용량 45
표 2-3. 수소 압축기 종류별 장단점 비교 47
표 2-4. 수소 충전소 주요설비별 설계 조건 47
표 2-5. 수소관련 코드와 표준 목록 48
표 2-6. 수소 배관에서의 수소 누설 감지 실험 변수 59
표 2-7. 다중센서를 활용한 수소 누출 감지 실험 변수 62
표 3-1. 지반 물성 DB 구축을 위한 표본 조사 위치 77
표 3-2. 기본물성 데이터 78
표 3-3. 평균투수계수 데이터 78
표 3-4. 탄성계수 데이터 79
표 3-5. 비중 데이터 79
표 3-6. 점착력 데이터 79
표 3-7. 내부마찰각 데이터 79
표 3-8. 고압기체수소 누출에 따른 사고 시나리오 선정 80
표 3-9. 수치해석에 적용된 재료 물성값 82
표 3-10. 점화원 위치에 따른 수소농도별 최대 압력 92
표 3-11. 대형충격파관 실험 일정 및 시험체별 특징 96
표 3-12. Case 1 대형충격파관 방폭 실험 계측 결과 98
표 3-13. 희생부재 대형충격파관 방폭 실험 계측 결과 99
표 3-14. 댐핑부재 대형충격파관 방폭 실험 계측 결과 100
표 3-15. 해석 변수 101
표 3-16. 최대처짐 분석결과 요약 103
표 3-17. 영구처짐 분석결과 요약 103
표 3-18. 변형에너지 분석결과 요약 104
표 3-19. 회전연성도 및 파괴형상 요약 104
표 3-20. 지하 구조물 슬래브 및 부재 검토 113
표 4-1. 지하 수소 충전소 축소 모형 폭발 해석조건 127
표 4-2. 폭발실험에 실제 사용된 측정관련 센서 사진 134
표 4-3. 수소폭발실험 조건 136
표 4-4. 수소 폭발 실험 수행 당량비 144
표 4-5. 당량비 별 최대압 측정 결과 146
표 5-1. 전처리 적용 유무에 따른 생분해 플라스틱의 메탄 수율 152
표 5-2. 음식물쓰레기(FW), 생분해 플라스틱(PLA, PHA)의 성상 153
표 5-3. 음식물쓰레기와 생분해 플라스틱의 메탄생산 동역학적 계수(수정한 Gompertz equation 활용) 155
표 5-4. 음식물쓰레기와 생분해 플라스틱 혼합기질의 메탄생산 동역학적 계수 156
표 5-5. 음식물쓰레기 및 음식물쓰레기의 단독 및 통합소화 메탄전환효율과 통합소화의 시너지 효과 157
표 5-6. 각 실험 조건별 혼합액(소화액) 내 초기 VS 농도 158
표 5-7. 혐기소화 후 각 실험 조건별 소화액 내 예상되는 VS 농도 159
표 5-8. 메탄 활용 수소생산 기술 비교 163
표 5-9. 'CO2-free 청정수소 생산공정' 기술개발 주요항목 165
표 5-10. 수소생산 공정설계 소프트웨어 후보군 비교 166
표 5-11. 시뮬레이션 전단 장치 종류 및 유동 정보 168
표 5-12. 'CH₄/CO₂=1' 건식 개질공정 유출가스 몰분율 및 질량유량 170
표 5-13. 반응온도에 따른 건식 개질공정 유출가스 몰분율 및 질량유량 170
표 5-14. 분리공정 냉각기 및 열교환기 설치 유무 171
표 5-15. 수소생산 공정 시뮬레이션 후단 구성(합성가스 전환공정 이후) 172
표 5-16. 가용도 산정의 개념 187
표 5-17. 단위공정별 기자재의 고장율과 복구시간 188
표 5-18. 단위공정별 기자재의 가용도 평가 189
표 5-19. 단위공정별 기자재의 고장 중요도 분석결과 192
표 6-1. 국가교통 데이터 정의서 요약 195
표 6-2. 노드 데이터 정의서 196
표 6-3. 링크데이터 정의서 197
표 6-4. 교통분석용 네트워크 여객 수요 데이터 정의서 198
표 6-5. 교통분석용 네트워크 화물 수요 데이터 정의서 199
표 6-6. DSRC 데이터 정의서 200
표 6-7. 영업소 진·출입 교통량 데이터 정의서 201
표 6-8. 노선데이터 정의서 202
표 6-9. 차고지 데이터 정의서 203
표 6-10. 지도 데이터 정의서 요약 205
표 6-11. 건물 데이터 정의서 206
표 6-12. 용도지역 데이터 정의서 207
표 6-13. 철도안전용도구역 데이터 정의서 208
표 6-14. 도로 데이터 정의서 208
표 6-15. 지역별 수소 수급 용량(2019년) 209
표 6-16. 수소생산 시스템 시장규모 및 전망 210
표 6-17. 통행량 및 우회도 비에 따른 결과 214
표 6-18. 수요에 따른 분석 결과 215
표 6-19. 주유소별 충전용량에 따른 결과 215
표 6-20. 총 공급량에 따른 결과 216
그림 2-1. 지상-지하 입체화 설계 연차별 연구내용 개념도 38
그림 2-2. 지하 수소충전소 및 허브 스테이션의 입체화 설계 AS-IS/TO-BE 개념도 39
그림 2-3. 국내 수소 충전소 위치(환경부-무공해차통합누리집) 40
그림 2-4. 수소공급 거점기지의 지상-지하공간 입체화 방안 40
그림 2-5. 독일 린데그룹의 액체수소 충전시설 개념도 41
그림 2-6. 미국 샌디아 국립연구소의 지하 수소 저장탱크 모습 41
그림 2-7. 수소 저장설비의 지하화에 따른 지상면적 크기 변화 42
그림 2-8. 일반적인 기체식 수소충전소의 구성설비 및 계통도 42
그림 2-9. 기체식 및 액체식 수소충전시설의 비교 43
그림 2-10. 하이넷 당진정미 수소충전소의 시스템 구성 및 충전설비 주요 제원 43
그림 2-11. 하이넷 당진정미 수소 충전소의 주요 설비 모습 44
그림 2-12. 수소 충전소 주요설비별 설계도면 46
그림 2-13. 기존 지상식 수소 충전소의 설계도면(평면도) 50
그림 2-14. 기체식과 액체식 수소 충전소 면적 비교 51
그림 2-15. 수소 충전소의 지상-지하 연계 입체화 배치도 52
그림 2-16. 수소 충전소의 지상-지하 연계 입체화 3D 배치도 52
그림 2-17. 기체식과 액체식 수소 충전소의 P&ID 53
그림 2-18. 기체식과 액체식 수소 충전소의 PFD 54
그림 2-19. 수소 충전소의 지상-지하 연계 입체화에 따른 지상면적 축소율 비교 55
그림 2-20. 수소 충전소의 지상-지하 연계 입체화 3D 개념도 55
그림 2-21. 수소충전소 계통 및 주요 설비 리스트 57
그림 2-22. RBD(Reliability Block Diagram) 개념도 57
그림 2-23. 수소충전소 가용도 평가 결과 57
그림 2-24. 수소 배관에서의 수소 누설 감지 실험장치 전경 58
그림 2-25. 수소 누출지점으로부터의 거리에 따른 수소 감지 실험결과... 60
그림 2-26. 수소 감지 실험결과(MIC+ACC 센서 적용)... 60
그림 2-27. 수소 감지 실험결과(MIC+ACC 센서 적용, 소음 추가)... 61
그림 2-28. 다중센서를 활용한 수소 누출 감지 실험장치 전경 61
그림 2-29. 누출 유량별 누출음과 암소음 간의 비교 64
그림 2-30. 누출 시작 시 누출음의 변동과 주파수대역 검출 65
그림 2-31. 음향센서 데이터와 수소센서 데이터의 수소 누출 감지 시간 비교(1) 66
그림 2-32. 음향센서 데이터와 수소센서 데이터의 수소 누출 감지 시간 비교(2) 66
그림 2-33. 수소 기반시설 모니터링 및 분석 프로그램 순서도 67
그림 2-34. 수소센서에 의한 수소 위험도 진단 프로세스 68
그림 2-35. 음향센서에 의한 수소 위험도 진단 프로세스 68
그림 2-36. 복합센서에 의한 수소 위험도 진단 프로세스 69
그림 2-37. 복합센서에 의한 수소 위험도 진단 프로세스 소스코드 69
그림 2-38. 수소 및 음향센서 데이터 활용 수소 누출 위험도 평가 소프트웨어(정상상태) 70
그림 2-39. 수소 및 음향센서 데이터 활용 수소 누출 위험도 평가 소프트웨어(1단계) 70
그림 2-40. 수소 및 음향센서 데이터 활용 수소 누출 위험도 평가 소프트웨어(2단계) 71
그림 2-41. 수소 및 음향센서 데이터 활용 수소 누출 위험도 평가 소프트웨어(3단계) 71
그림 2-42. 수소 기반시설의 모니터링 시스템 개념도 72
그림 2-43. 수소 기반시설의 모니터링 시스템 소프트웨어 설계 방안 72
그림 2-44. 수소 기반시설의 모니터링 시스템 아키텍쳐 72
그림 3-1. 방호구조 시스템 기술의 정의, 개발목표 및 차별성 74
그림 3-2. 단계별, 연차별 연구추진 계획 75
그림 3-3. 국토지반정보 포털시스템 구성 76
그림 3-4. 고압기체수소 누출에 따른 지표 변위 양상 80
그림 3-5. 시뮬레이션에 사용된 수치모델의 메쉬 및 경계조건 81
그림 3-6. 고압기체수소 누출 시점에서의 시뮬레이션 결과 82
그림 3-7. 고압기체수소 누출에 따른 지표면 변위 양상 83
그림 3-8. 고압기체수소의 누출심도에 따른 지표면 변위 84
그림 3-9. 고압기체수소의 누출압력에 따른 지표면 변위 84
그림 3-10. 영향인자에 대한 민감도 분석 결과 85
그림 3-11. CESE 해석 모델 keyword 목록 87
그림 3-12. 점화원 크기에 따른 수치해석 모델링 88
그림 3-13. 수치해석 모델링(CESE) 88
그림 3-14. 시간에 따른 CESE 해석결과 89
그림 3-15. 점화원 크기에 따른 시간-압력 곡선 해석결과(점화원 크기 대,중,소) 89
그림 3-16. 실험 계략도 89
그림 3-17. 실증 실험 구조체 모델링 상세 90
그림 3-18. 점화원 위치에 따른 CESE 요소 모델링 90
그림 3-19. 점화원 및 측정 위치 91
그림 3-20. 수소 농도별 시간에 따른 압력 곡선(점화원 위치 - 상부 & 하부) 91
그림 3-21. 수소 농도별 시간에 따른 압력 곡선(점화원 위치 - 중간) 92
그림 3-22. 수소 저장 압력용기 화재 폭발실험 구성 예 93
그림 3-23. 수소 저장 압력용기 화재 폭발실험 결과 예 93
그림 3-24. 압력용기 제원 입력 및 물리적 폭발에너지 E1 자동계산 94
그림 3-25. 수소 저장 압력용기 폭발 에너지 및 등가 TNT 산출 스프레드시트 95
그림 3-26. 시험체 변수 96
그림 3-27. 계측 센서 설치 및 실험 세팅 전경 98
그림 3-28. Case 1 시험체 실험 결과 예 99
그림 3-29. 패널 모델링 예(좌:RC, 우:RC+폴리우레아) 102
그림 3-30. 일반 RC 패널(PU 미도포, TNT기준 4.0kg,좌:최대처짐 발생 시, 우: 100ms) 102
그림 3-31. PU 후면(배면) 도포(TNT기준 4.0kg. 좌:최대처짐 발생 시, 우: 100ms) 102
그림 3-32. PU 양면 도포(TNT기준 4.0kg) 102
그림 3-33. 튜브 트레일러 제원 111
그림 3-34. 소용량 충전소용 지하공간 도출안 111
그림 3-35. 대용량 충전소용 지하공간 도출안 112
그림 3-36. 소용량 및 대용량 저장시설 고려 지하 구조물 치수 제원안 112
그림 3-37. CASE 11 구조설계 검토 예 114
그림 3-38. 방호 구조 재료 조합 115
그림 3-39. 내부 폭발에 의한 벽체-슬래브 파단 예 116
그림 3-40. 구조물 모서리부(슬래브-벽 연결부)의 철근 정착 길이 증가 116
그림 3-41. 지하 방호구조물 개념도 1 117
그림 3-42. 지하 방호구조물 개념도 2 117
그림 3-43. 해석 적용 댐퍼 패널 구성 118
그림 3-44. 격자 간격에 대한 소성변형 흡수에너지 비교 118
그림 3-45. 격자 댐퍼의 응력 분포 118
그림 4-1. 밀폐(반밀폐) 수소 기반시설 사고 시나리오 48종 121
그림 4-2. 밀폐(반밀폐) 수소 기반시설 사고 시나리오 체계 121
그림 4-3. 지하 수소 충전소 축소모형 122
그림 4-4. 지상 수소 충전소 122
그림 4-5. 지하 수소 충전소 123
그림 4-6. 수소 Gas cloud 산정 124
그림 4-7. 폭발 해석을 위한 Parameter 125
그림 4-8. Courant number에 따른 유동 흐름 126
그림 4-9. 지하수소 충전소 축소모형 점화원, 연료, 폭발 과입 측정위치, 해석격자 126
그림 4-10. 지상수소 충전소 축소모형 점화원, 연료, 폭발 과입 측정위치, 해석격자 128
그림 4-11. 지하수소 충전소 축소모형 점화원, 연료, 폭발 과입 측정위치, 해석격자 128
그림 4-12. 지상 및 지하수소 충전소 폭발 영상 128
그림 4-13. 개인적 위험도와 설비의 위치 130
그림 4-14. 사회적 위험도 기여도 지도 130
그림 4-15. 사회적 위험도 반경 지도 130
그림 4-16. F/N 선도 131
그림 4-17. 폭발실험 전 실험체의 외부전경 132
그림 4-18. 폭발실험 전 실험체의 내부전경 132
그림 4-19. 실험체의 개요도 133
그림 4-20. 수소공급 및 측정 시스템의 개략도 137
그림 4-21. 수소공급 및 측정시스템 관련 사진 137
그림 4-22. 구획 내 수소농도 결과 138
그림 4-23. 점화직후 벤트의 상황 139
그림 4-24. 수소농도에 따른 반사압력 결과 140
그림 4-25. 수소농도에 따른 입사압력 결과 140
그림 4-26. 수소농도에 따른 피크 과압 141
그림 4-27. 폭발실험 후 실험체 전경 142
그림 4-28. 반사압력의 피크과압에 대한 점화위치의 영향 142
그림 4-29. 피크과압에 대한 벤트계수의 영향 143
그림 4-30. 20L 폭발챔버 실험 장치 144
그림 4-31. 실험장치 계략도 144
그림 4-32. 전체 Case 비교 그래프 145
그림 4-33. 당량비에 따른 최대 압력상승률 146
그림 4-34. 당량비에 따른 폭연지수 146
그림 4-35. 수소농도 32%(Φ=1.2) 폭발 비디오 147
그림 4-36. Sₙ-K linear graph 147
그림 4-37. 수소 당량비 별 밀도비 147
그림 4-38. 참고문헌 실험 결과 비교 148
그림 5-1. 청정도시 수소생산플랫폼 설계기술 개요 149
그림 5-2. 실험에 사용한 생분해 플라스틱 원료 150
그림 5-3. 전처리 조건에 따른 생분해 플라스틱의 가용화율 변화 151
그림 5-4. 전처리 적용에 따른 생분해 플라스틱 메탄잠재량 변화 152
그림 5-5. 음식물쓰레기 제조 과정 153
그림 5-6. 음식물쓰레기와 생분해 플라스틱 단독소화의 누적메탄발생량 154
그림 5-7. 음식물쓰레기와 생분해 플라스틱 통합소화의 누적메탄발생량 155
그림 5-8. 생분해 플라스틱 기반 CO₂-free 청정수소 생산공정 개요 160
그림 5-9. CO₂-free 청정수소 생산공정 주요설비 구성 161
그림 5-10. 메탄 활용 (a) 수증기개질 수소생산 공정도,... 164
그림 5-11. 건식 개질시스템 구성도 167
그림 5-12. 합성가스 전환시스템 구성도 167
그림 5-13. 수소생산 공정 시뮬레이션 전단 구성(합성가스 전환공정 이전) 168
그림 5-14. (상좌) CH₄, CO₂ 몰비율에 따른 유출가스 조성 및 (상우) 유입가스 변환율, (하좌)... 170
그림 5-15. 공정별 개별장치 에너지 소모량 173
그림 5-16. 공정별 에너지 소모량 총합 173
그림 5-17. 청정도시 수소생산플랫폼 공정 구성 176
그림 5-18. 청정도시 수소생산플랫폼 PFD-1(고액분리-전처리공정) 178
그림 5-19. 청정도시 수소생산플랫폼 PFD-2(액상 혐기성 소화공정) 179
그림 5-20. 청정도시 수소생산플랫폼 PFD-3(고농도 혐기성 소화공정) 180
그림 5-21. 청정도시 수소생산플랫폼 PFD-4(바이오가스 정제공정) 181
그림 5-22. 청정도시 수소생산플랫폼 PFD-5(바이오가스 수소화 건식개질공정) 182
그림 5-23. 청정도시 수소생산플랫폼 PFD-6(바이오가스 합성가스 전환공정) 183
그림 5-24. 청정도시 수소생산플랫폼 PFD-7(바이오가스 수소화 PSA 공정) 184
그림 5-25. 가용도 평가 개념 186
그림 5-26. 가용도 산정을 MTBF, MTTR, MTTF 개념도 187
그림 5-27. 단위공정별 가용도 분석결과 비교 191
그림 6-1. 지역단위 수소기반시설 매핑 및 공급을 위한 최적화 기술 개요 194
그림 6-2. 기종점 차량 통행량 예시 198
그림 6-3. 기종점 차량 경로 분석 예시 199
그림 6-4. 대중교통 기종점 차량 통행량 예시(강남발) 202
그림 6-5. 차고지 데이터 예시(경기도) 204
그림 6-6. 차고지 데이터 예시(서울시) 204
그림 6-7. 건물 데이터 예시 206
그림 6-8. 도로 데이터 예시 209
그림 6-9. 수소 공급 및 가격 계획 210
그림 6-10. 수소에너지 분야 발전, 가정·건물용 보급계획 211
그림 6-11. 수소에너지 활용계획 211
그림 6-12. 국내 수소 수요량 및 생산비용 추정(2050년) 211
그림 6-13. 수소 충전 설비 종류 212
그림 6-14. 공급망 전략 예시 213
그림 6-15. VD를 활용한 공급지 기반 권역 할당 213
그림 6-16. 샘플 네트워크 데이터(Sioux Falls) 217
그림 6-17. 샘플 네트워크 간소화 데이터(Sioux Falls) 218
그림 6-18. 샘플 네트워크 기종점 통행수요 데이터(Sioux Falls) 218