1. 서 론

최근 국제해사기구의 온실가스 감축규제로 인하여 대체 연료의 사용이 지속적으로 요구되어지고 있다. 규제 도입 초기에는 저탄소 연료인 액화천연가스의 사용이 대두되어 져 왔으나, 온실가스 감축목표의 상향, 탄소 집약도 개선 등 규제가 강화됨에 따라 무탄소 연료시대가 곧 도래할 것으로 예상하고 있다(Kim and An., 2021). 이러한 노력의 일환으로 국제해사기구는 조속한 대체연료의 도입을 위하여 수소, 암 모니아, 메탄올 등에 대한 안전규정을 개발하고 있다. 또한 OECD 국제교통포럼(International Transport Forum, ITF, 2018)의 Decarbonising Maritime Transport 에 따르면 탄소계수 80% 이 상을 저감하게 될 경우수소와 암모니아와 같은 대체연료는 전체 연료시장의 70% 이상을 차지할 것으로 예상하였다 (Park et al., 2020).

암모니아는 육상에서 하버보쉬법이 개발된 1909년부터 농업비료, 요소수 등 다양한 분야에 사용되면서 100여년 이 상 암모니아의 생산, 저장, 운송 등에 대한 노하우가 축척 되어있다. 그러나 유독물질로써 5ppm의 낮은 농도에서도 후 각으로 식별이 가능하고, 300ppm에 노출 될 경우 건강이 회 복되지 않을 수 있는 극도의 주의가 필요한 독성 물질이다 (IMO CCC, Republic of Korea, 2023). 또한 암모니아를 화물로 써 운송하는 선박은 IGC Code를 적용받아 관리해온 경험이 있으나, 16조 9항 2 독성화물은 연료로 사용할 수 없는 규칙 에 따라 연료로써의 사용을 제한 받고 있었다(Belgium et al., 2023). 그러나 최근 국제해사기구의 화물운송컨테이너 전문 위원회에서는 암모니아를 연료로 사용하기 위한 선박의 안 전지침을 24년도까지 개발 완료 및 해사안전위원회의 승 인을 목표로 하고 있다. 이에 암모니아 연료추진선박의 운 항을 위한 첫 단계인 안전한 연료 공급을 위해 독성을 고 려한 영향범위를 설정은 반드시 고려되어야 한다, 따라서 본 연구에서는 국내에서 안정적이고 효율적인 암모니아의 벙커링을 위해, 한국화학물질 안전원의 화학사고예방관리 계획서 작성지원 프로그램(Korea Off-site Risk Assessment Supporting Tool)을 사용하여 벙커링 시나리오를 설정하고 영 향범위 평가 연구를 실시하였다.

2. 위험 독성 농도의 설정

2.1 암모니아의 독성

암모니아는 물에 대하여 높은 흡수성을 가지고 있으며, 무색의 염기성 화학물질로써, 인화점이 132℃, 자연발화온도 630℃로 화재 폭발 위험성은 낮다. 그러나 강한 자극적인 냄 새를 가지며, 독성으로 인하여 인체에 심각한 손상을 입힐 수 있다. 보통 흡입으로 인하여 인체에 흡수되게 되며, 코점 막의 자극, 두통 기침등의 경미한 증상에서, 중독상태로 진 전이 될 경우 후두 수종, 인후염, 페 부종 등으로 이어져 심 각할 경우 사망에 이르게 된다. Table 1과 같이 암모니아 흡 입 농도에 따른 인체 영향을 구분한 것으로, 250ppm 이상에 30분 노출되면 참기 힘든 고통이 수반되며 2,500ppm에 노출 될 경우 사망의 위험성이 매우 높은 수준으로 나타났다.

2.2 암모니아의 노출

암모니아의 노출에 대한 작업 환경에서의 관리 기준은 농 도를 기반으로 노출 시간을 고려하여 관리 하고 있다. Table 2와 같이 국가별 관리 기준을 나타내었으며, 미국의 NIOSH 및 ACGHI 에서는 일상적인 작업 환경에서의 노출시간에 따 른상시 노출과 단기 노출로 구분하여, TWA(Time-Weighted Average), STEL(Short-Term Exposure Limit), Celling(Maxium Exposure Limit) 관리할 것을 권고 하고 있다.

3. 벙커링 시나리오 설정

3.1 벙커링 대상 지역

대상 항만은 우리나라에서 가장 큰 항만인 부산항을 대상 항만으로 선정하였다. 부산항의 허치슨 터미널은 1978년 개 항한 항구로써 5만 DWT급 선박이 접안 할 수 있는 부산항 제 5부두이다. 이 부두는 부산항만 중 인구밀집지역 및 거주 구역과 가장 가까운 항만으로(Kim, 2014), 1,000 세대이상이 거주하는 아파트 단지와 800m 가량 밖에는 떨어져 있지 않 아 암모니아 누출에 대한 평가가 필요할 것으로 사료되었 다. 따라서 부산항의 허치슨 컨테이너 터미널의 선석에서 접안한 컨테이너 선박에 소형 암모니아 벙커링 선박이 접안 후 벙커링을 하는 것으로 가정하였다.

3.2 벙커링 대상 선박

본 연구에서는 부산항 제 5부두에 접안이 가능한 가장 큰 크기인 5만dwt급 선박인 4,300 teu급 컨테이너 선박(54,344 dwt)을 대상 선박으로 선정하였으며 제원은 Table 3과 같다.

3.3 벙커링 상태 및 누설 가정

암모니아 연료추진선박의 탱크 저장방식은 크게 냉동식, 준냉동식, 가압식 3가지로 분류할 수 있으며(Heo, 2021), 현 재 암모니아 운반선에 적용되는 냉동식(-34℃, 대기압) 즉 액 화 상태의 탱크로 계산하였다.

탱크용량의 경우 6,200㎥의 연료탱크내에 비중 0.99, 총발 열량 41.6MJ/kg으로 가정하여 발열량을 추정한 뒤, 암모니아 의 비중0.88, 발열량 18.6MJ/kg 탱크 충전 85%를 가정하여 18,352㎥의 탱크 용량을 산출하였다.

연료 공급방식에 따라 탱크로리, 벙커링 선박, 터미널 파 이프가 고려되어질 수 있다(Yang, 2023). 현재 선박의 크기 및 제원을 고려할 경우 탱크로리 벙커링은 현실적으로 불가 능하며, 항만 벙커링의 경우 현재까지 기본계획에 포함되어 져 있지 않아, 위험 화학시설 설치가 사실상 어려워, 가능성 이 가장 높은 연료 공급 방법인 벙커링 선박을 이용하는 것 으로 가정하였다. 벙커링 선박은 Table 4와 같이 선행연구인 싱가폴 NTU에서 적용한 선박의 제원은 사용하였다.

암모니아 누설의 가정은 암모니아 벙커링 연결부의 파공 으로 누설 후 60 초 후 선박 승조원이 발견, ESD를 발동하여 ESD 정지 권고 시간인 60초 내에 정상 작동한 것으로 가정 하였으며, 초도 대응이 불가능한 상황을 고려하여 10분 누출 도 가정하였다.

파공의 크기는 미국석유화학협회의 API 581, 위험기반 검 사 기준 중 누출공 산정 방법에 따라 파열형으로 산정하여, 6inch로 산정하였다(API, 2008).

4. 암모니아 독성 위험지역 해석

4.1 소프트웨어 선정

우리나라의 위험 화학물질을 다루는 시설은 화학사고예 방관리계획서의 장외영향평가를 수행해야하며, 이는 환경부 산하 화학물질안전원에서 개발한 작성지원 프로그램(Korea Off-site Risk Assessment Supporting Tool)를 사용해야 한다. 이 프로그램은 화학사고예방관리계획서 작성을 지원하는 프로 그램으로 피해영향범위, 위험성 분석등을 국내 지도, 인구, 기상청 데이터와 연계하여 분석할 수 있도록 되어져 있다.

KORA에서는 화학사고가 발생한다면, 시설을 운전조건, 사고지역, 기상상황등을 파악하여 독성, 폭발 등의 피해예상 범위를 산정하고, 인근지역에 미치는 영향을 평가하는 프로 그램으로 미국의 환경보호청(EPA)에서 개발한 화학물질 위 험평가 소프트웨어 ALOHA를 기반으로 만들어졌다. 따라서 위험화학물질 취급 시설에서의 시나리오를 바탕으로 사고피 해범위 및 경감 수준을 평가할 수 있는 국내에서 개발한 유 일한 프로그램으로 본 연구의 독성위험평가에 사용하였다.

4.2 주요 인자 설정

화학사고예방계획 프로그램인(KORA)의 정확한 피해예상 지역 도출을 위해서는 Table 5와 같은 데이터가 입력되어져 야 한다.

날씨와 연관된 주요한 입력 인자는 풍향, 풍속, 습도, 기온 으로 2022년 부산기상대에서 측정한 월평균 값을 사용하였 으며, 이 자료는 기상청 종관기상관측자료(ASOS, Automated Synoptic Observing System)를 기반으로 Table 6과 같이 산출하 였다(KMA, 2023).

4.3 액화 암모니아 벙커링 누설 영향평가(1분)

액화 암모니아(-35℃)에서 벙커링 호스의 누설로 인하여 1 분간 암모니아가 누출된 상황을 가정하였다. 사람이 불쾌함 을 느낄 수 있는 5ppm, 정상 작업 조건에서의 25ppm, 그리고 인체의 회복이 불가능한 독성 농도인 300ppm으로 나누어 분 석을 수행하였다.

시나리오 분석을 위한 주요 인자는 장소, 날씨요건, 시나 리오는 4.2절에서 설정한 주요 인자로 설정하였으며, 암모니 아 연료추진선박의 탱크용량은 18,352㎥으로 진행하였다.

Fig. 4 및 Fig. 5는 Case 1으로 암모니아가 벙커링 중 1분 간 누출이 되었을 때의 영향범위이며, Table 7과 같이 독성 값과 범위가 도출되었다. 사람이 암모니아의 독성을 후각으 로 파악할 수 있는 영향범위가 7,545.7m에 달하며 부산시내 대부분이 위험지역에 포함된다. 영향범위내의 인구수는 약 133만명으로 상당수의 부산시민이 독성의 위험에 노출 될 우려가 있다.

인체에 영향을 미치는 300ppm 이상 독성에 위험 노출되는 지역은 393.2m로 항만 및 접안된 선박에만 영향을 미칠 것 으로 보이며, 가까운 크루즈 여객 터미널에도 약 100ppm 가 량의 영향을 미칠 것으로 예상됨으로 이에 따른 피난 대책 수립이 필요해 보인다.

4.4 액화 암모니아 벙커링 누설 영향평가(10분)

액화 암모니아(-35℃)에서 벙커링 호스의 누설로 인하여 10분간 암모니아가 누출된 상황을 가정하였으며 시나리오 분석을 위한 주요인자는 1분간 누설평가와 동일하게 설정하 였다. 독성농도는 앞의 연구와 같이 5ppm, 25ppm, 300ppm으 로 영향평가를 수행하여 Table 8과 같이 결과를 얻었다.

Fig. 6 및 Fig. 7는 Case 2로 암모니아가 벙커링 중 10분 간 누출이 되었을 때의 영향범위이며 독성값은 Table 8과 같 다. 사람이 암모니아의 독성을 후각으로 파악할 수 있는 영 향범위가 10,000m에 달하며 부산시내 대부분이 위험지역에 포함된다. 영향범위내의 인구수는 약 207만명으로 상당수의 부산시민이 독성의 위험에 노출 될 우려가 있다.

인체에 영향을 미치는 300ppm 이상 독성에 위험 노출되는 지역은 1796.4m로 항만 배후지역에 영향을 미칠 것으로 보 이며, 피해 예상인구는 약 3.8만명으로 예상된다. 특히 학교, 대단지 아파트 등이 밀집 되어있는 동구의 많은 피해가 예 상된다.

5. 결 론

선박에서 발생되는 온실가스 저감을 위한 다양한 조치가 마련되고 있으며, 특히 수소, 암모니아 등의 대체연료의 필 요성이 대두됨에 따라 연료 특성을 고려한 안전 기준 마련 및 상용화를 위한 기술 개발 등의 노력이 진행되고 있다.

본 연구에서는 무탄소 연료인 암모니아연료의 특성을 고 려하여, 기존의 선박에 대한 영향보다는 선박 접안시 항만 및 배후지역에 암모니아 연료 누설에 따른 독성 영향에 대 하여 평가하였다. 1분 이내의 누설이 발생되더라도 부산 대 부분 지역에 후각으로 암모니아를 인지할 수 있는 5ppm의 노출이 발생할 수 있다. 또한 인체에 치명적인 영향을 주는 300ppm 노출의 경우 1분이내는 항만 및 인근지역에 영향을 미치며, 10분 이상 지속될 경우 인근 1796.4m 지역까지 영향 을 미칠 수 있는 것을 확인하였다.

현재 암모니아의 벙커링과 관련된 관계 법제도가 마련되 어져 있지 않는 상황이다. 육상에서 암모니아를 관리하는 법령은 고압과 저압으로 나뉘며, 저압은 화학물질관리법, 고 압의은 고압가스안전관리법에 따라 관리 되어 지고 있다. 고압의 경우 사고가 발생하더라도 관련 환경관서에서는 사 고 시설의 자료 확인이 불가하여 사고 대응이 지연 및 제한 이 있다. 누출사고 발생시 인근 주민의 안전에 중요한 대피 명령의 경우 지자체에서 결정할 수 있기 때문에, 암모니아 벙커링 누설의 경우 환경관서, 지자체, 소방, 항만등의 유기 적인 협력이 필요하다

현재 육상과 동일한 규정 적용 또는 화석연료 선박 벙커 링 누설대응계획을 적용한다면 암모니아 누설사고에 대한 적절한 대응은 어려울 가능성이 높다. 따라서 암모니아 벙 커링 관련 법제도 정비시 항만, 소방, 지자체, 환경관서 등의 대응 계획이 유기적으로 수립될 수 있는 제도적 장치가 필 수적으로 고려되어야 할 것으로 사료되며, 화학사고예방관 리계획서와 같은 육상의 위험평가 기법을 통하여 위험성이 높은 항만에서는 암모니아 벙커링의 제한을 두는 등의 위험 관리제도 방안 마련이 필요하다.