1. 서 론

국제해사기구(IMO)는 해운업계의 온실가스배출을 저감하기 위해 온실가스 배출량을 2050년까지 해상 운송 분야의 완전한 탈탄소를 목표로 하고 있다(Schnurr and Walker, 2019). 이에 따라 국제해운 산업에서의 탄소 제로 배출(Zero Emission)을 위해서는 선박 연료를 대체 에너지원으로 전환하는 것이 필수적이다.

Ampah et al.(2021)은 문헌 지표 분석 방법(literature metric analysis method)을 활용하여 정성·정량적 연구를 수행하여 LNG가 가장 많이 연구된 대체 연료가 되었으며, 점차적으로 메탄올 및 수소와 암모니아 연료로 이동하고 있다는 것을 확인하였다.

여러 기관에서는 2050년까지 암모니아가 선박의 주요 연료가 될 것으로 예측하고 있다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 암모니아가 선박 에너지 수요의 45%를 차지하여 순 배출 제로를 달성할 것이라고 전망했다. DNV는 암모니아를 해양 연료로 사용하는 것에 대한 보고서를 발행했으며, 암모니아가 심해 선박의 탈탄소화에 중요한 역할을 할 것으로 예상했다. ABS도 암모니아를 해양 연료로 사용하는 것에 대한 보고서를 발행했으며, 암모니아가 무탄소 연료로서 빠르게 세계 시장에 진입할 수 있을 것으로 예상했다(Seo and Han, 2021).

암모니아는 청정 에너지원으로 떠오르고 있으며, 수소 캐리어 역할과 암모니아 자체를 직접 활용 가능한 무탄소 발전산업의 새로운 대체 연료로 주목받고 있다(Thomas, 2006).

암모니아의 단위 부피당 밀도는 4,325Wh/L(=15,570MJ/Nm³ 로서(Chai et al., 2021), 액체 수소의 밀도보다 3.3배 더 크기 때문에 경제적이고 효율적인 저장 및 운송이 가능하다(Dias et al., 2020)

그러나 암모니아는 5ppm 수준에서도 냄새로 확인할 수 있는 독성 물질로, 300ppm에 노출될 경우 건강에 해를 입힐 수 있는 유독물질이다(IMO CCC, Republic of Korea, 2023). 그리고 암모니아는 독성 가스이면서 동시에 폭발성 및 부식성 가스로서 인체 및 환경에 대한 유해성을 가지기에 수소나 LNG와 같은 연료와 비교하여 추가적인 안전조치가 필요하다. 그러므로 암모니아 누출에 인해 발생할 수 있는 위험성에 대한 연구가 더욱 필요한 상황이다.

암모니아의 누출 및 확산에 관한 연구는 주로 실험적 연구와 수치적 시뮬레이션을 통해 진행되고 있다. 암모니아의 안전성과 비용 문제로 인해 실제 실험이 어려운 경우가 많아 컴퓨터 기반의 전산유체역학(CFD)을 통해 암모니아의 누출 특성을 연구하는 데 활용되고 있다(Lee and Cho, 2022).

누출 암모니아의 유동 특성에 관한 연구로 산업 시설의 강제 환기를 갖춘 암모니아 엔진룸을 시뮬레이션하여 암모니아 누출을 가정한 확산 분석을 수행하여 엔진룸 천장이나 작동하지 않는 환기구 내부의 일부 영역에서 암모니아 가스의 정체를 확인하였으며, 이는 작업 안전의 위험 요소로 평가되었다(Salamonowicz et al., 2022).

암모니아 사용 시나리오에 따른 사고 영향 범위를 평가하기 위해 PHAST를 사용하여 암모니아 가스 저장소가 발생하는 사고가 장외에 미치는 영향을 조사하였다(Yarandi et al., 2021).

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)를 이용하여 암모니아 저장 탱크 사고 시 암모니아 누출의 확산 영향을 정성적으로 평가하였다(Anjana et al., 2018).

화학물질안전원에서 제공하는 KORA 프로그램을 사용하여 암모니아 벙커링 시 누설이 발생할 수 있는 위험성에 대하여 평가하였으며, 1분간의 누설로 인해서 반경 약 7.5km에 서 5ppm의 영향이 있을 수 있으며 이는 부산시 주요 지역에 해당하며, 인체에 치명적일 수 있는 300ppm의 경우 벙커링 인근 인구 밀집 지역 및 학교 등에 심각한 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다(Shin et al., 2023).

마탄자스 산업 지역의 암모니아 사고 평가를 위해 ALOHA 소프트웨어를 사용하여 마탄자스 산업지역의 탱크에서 가상의 암모니아 유출 사고가 인구와 환경에 미치는 영향을 화인하였다. 다양한 시나리오를 사용하여 사상자 수를 추정하고, 독성 증기구름이 가장 많은 사상자를 유발할 것으로 예측하였다(Orozco et al., 2019).

암모니아는 무탄소 연료로서 선박 산업에서 주목받고 있으나 암모니아 누출로 인해 치명적인 독성, 폭발성, 부식성 등으로 인해 안전한 연료공급 시스템 설계가 중요하며, 특히 연료 준비실의 환기 구성이 매우 중요하다.

본 연구에서는 모델링을 위해 FLACS-CFD 소프트웨어(Gexcon, Bergen, Norway)를 사용하였다. 이는 가스 폭발, 확산 및 위험 평가에 특화된 프로그램으로 다양한 기체 누출 확산 거동 분석 연구에서 활용하고 있으며, 정확성이 검증 되었다(Cui et al., 2023). 선박 연료 준비실에서 암모니아가 누출된 경우의 환기 성능을 해석하고 위험도를 분석하였다. 환기구의 위치에 따른 암모니아 분포 거동을 분석하였으며 안전을 고려하여 최적의 환기 구성안을 제시하였다.

2. 연구기법

연속방정식, 에너지 보존방정식 등의 스칼라 항에 대한 보존방정식은

모멘텀 방식은

여기서, F_o,i와 F_w,i는 유체저항을 나타내고 σ_i,j는 응력 텐서이다.

난류운동에너지 방정식은

여기서, G_s는 흐름 전단 응력, G_w는 벽면 전단 응력, G_b 는 부력, G₀는 하위 격자 객체, P_k는 난류 에너지 생성항 β_υ는 체적 기공률, σ는 Prandtl-Schmidt 수, μ_eff는 유효 점성 계수, f는 하위격자 장애물 난류 생성항을 나타낸다.

그리고 암모니아의 확산 특성을 해석하기 위하여 유한 체적으로 모델링하여 지정된 제어 부피(Control Volume)의 편미 분 방정식을 풀어서 계산하며 기체 역학(Gas Dynamics), 화학 반응(Chemical Reaction), 난류(k-e 난류 모델) 및 다공성 하위 모델(Porosity Submodel)을 통해 계산을 수행하였다. 난류 모델은 Reynolds-평균 Navier-Stokes(RANS)를 이용하며 standard k-e 모델을 사용하였다(Kim, 2022).

2.1 수치해석 모델

본 연구에 사용된 연료 준비실 모델은 IMO Type C의 LNG 탱크를 설치한 180,000DWT 크기의 LNG 연료 추진 벌크 캐리어에 적용된 연료 준비실을 기반으로 하고 있다. 암모니아 연료가 사용되는 경우에도 크기와 장비 배치가 유사할 것으로 예상되어 기존의 LNG 연료 추진 선박의 연료 준비실 장비의 배치를 동일하게 하여 모델링하였다. Fig. 1은 급·배기구의 위치 변경을 나타내며 붉은색은 급기구의 변경 위치를 파란색은 배기구의 변경 위치를 표시한다. Table 1은 수치해석 대상인 연료 준비실의 기하학적 형태와 급·배기구의 크기 및 설비의 개략적인 내용이다. 모델링된 선박의 연료 준비실은 실제 연료 준비실의 용적과 유사하게 설계되었으며 간단한 직사각형 형태로 모델링되었다. 연료 준비실의 크기는 10m(W) × 15m(L) × 5m(H)로 용적은 750m³이다. 모델링한 선박의 환기구 코밍 내부 크기는 지름 806mm이며 급 기구와 배기구의 크기는 지름 0.8m의 원형으로 설정하여 저장실 표면에 서로 다른 위치에 배치하였다.

급기와 배기구의 배치가 환기 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해서 급·배기구 14가지 경우로 구성하였다. Table 2는 2가지 그룹으로 구성된 14가지 경우의 시나리오이다. 첫째 시나리오 그룹은 배기구를 Fwd-Top-Stbd에 고정하고 급기구를 변경하고 나머지 그룹은 배기구를 Fwd-Bottom-Stbd에 고정하고 급기구를 변경하여 배치하였다. 시간당 30회의 환기 능력을 갖는 22,500m3/h의 기계식 부압 통풍장치를 적용하였다. 환기 성능에 대한 보다 정확한 측정 결과를 얻기 위해서 Fig. 2과 같이 1,056개의 측정점의 정보를 기반으로 암모니아 농도 평균값을 계산하였다.

한국선급에서 제공하는 “암모니아 연료 선박에 대한 지침서(2023)”의 규정에 의해 본연구에서 25ppm 값을 고려하여 독성 위험영역을 확인하였다. 이 농도 값은 노출허용농도(Permissible Exposure Limit, PEL)값으로써 장시간 반복적 노출에도 인체 건강에 심각한 영향을 미치지 않는 공기 중 암모니아 가스의 최대 농도를 말하며 이 기준에서 노출 허용 농도는 NIOSH(National Institute of Occupational Safety & Health) 의 TWA(Time Weighted Average) 값이다. 폭발성의 경우 암모니아는 약 15% 또는 150,000ppm의 LEL(Lower Explosive Limit)을 갖는다. HSE 2004 가이드라인에 따르면, 가연성 가스 감지기는 LEL의 10%로 설정되어야 하므로 폭발성 경보 한계를 15,000ppm로 설정하여 위험 영역을 확인하였다. 누출 후 암모니아 농도가 일정 기간 동안 안정적으로 유지되는 시간을 고려하여 100초 동안 시뮬레이션하였다.

2.2 누출 및 경계 조건

Li et al.(2016)는 가스 탐지 시스템의 성공적인 CFD 기반 평가를 위해 NORSOK 표준에서 정의한 0.1 kg/s와 유사한 누출량으로 0.13228 kg/s를 설정하였다. 본 연구에서도 누출 확산 해석을 위해 암모니아가 10초 동안 0.1 kg/s의 속도로 가스 형태로 누출된다고 가정하였다. 누출 위치는 (x, y, z) 축에 대해 (5.0, 5.5, 0.1)로 설정하였다.

연료 준비실의 누출해석을 위해 적용된 경계조건은 Table 3과 같고 구조물의 크기를 고려하여 Fig. 4와 같이 격자를 생성하였다. 격자(Grid)는 구조물의 유동 시뮬레이션에 있어 정 밀한 해석이 필요한 경우 좁은 간격으로 생성해야 하므로 본 연구에서는 Control volumes(x=30m, y=70m, z=15m)을 구성 하였고 Grid cell size는 X, Y, Z축 0.2m로 생성하였다. 그 결과 대상 설비의 형상과 물질의 특성을 고려한 전체 격자수는 1,086,288개로 구성하였다.

3. 해석결과

3.1 누출특성 및 정체부

Fig. 5는 100초 후 Case별 연료 준비실의 암모니아 평균 농도(ppm)이다. 가장 농도가 높은 Case 1과 농도가 가장 낮은 Case 14의 암모니아 누출 특성을 비교하였다.

고속으로 움직이는 암모니아 가스누출로 인해 Jet가 발생되고 Jet 내부의 속도가 주변공기보다 빠른 속도로 이동한다. 천장까지 최대 암모니아 농도를 나타내고 천장에 의해 형성된 Eddy current의 영향에 의해 천장 부근에 집중된 가스 농도가 누출된 지점의 천장으로부터 거리가 증가함에 따라 암모니아 농도가 급속히 감소된다. 짧은 시간 내 Stbd, Aft, Port 벽면을 따라 암모니아 누출 영역이 점점 커지게 되고 누출점 근처의 농도는 안정이 된다. 이는 암모니아가 공기보다 밀도가 낮기 때문에 부력에 의해 지속적인 상승 운동을 하고 암모니아 가스가 천장에 의해 차단 효과가 발생하여 암모니아 농도를 크게 감소시키는 반면에 전체적인 위험 영역을 증가시키고 더욱 확산되기 때문으로 판단된다.

Fig. 6에서 50초 후에 Case 1은 약 1500ppm 이상의 암모니아 가스가 Aft 방향으로 정체되어 나타나며, 3000ppm 이상인 정체부도 관찰된다. Case 14는 약 1500ppm 이상의 농도구역 이 Fwd 방향으로 정체되어 Case 1보다 적은 구역에서 정체 부가 발생하고 전체적으로 농도가 낮은 것을 확인하였다. 50 초 이후 일정한 구역에서 정체부가 발생하며 시간이 지남에 따라 암모니아 농도 분포변화가 미미한 것을 알 수 있다.

암모니아 연료 준비실의 내 속도분포를 기반으로 정체영 역이 0.3m/s 이하인 구간으로 할 경우(Seo and Hwang, 2023) 정체 영역이 더 많을수록 공간 내에 암모니아가 잔류한 가능성이 높을 것으로 판단하였다. 또한 외부로 배출되는 환기 성능이 저하된 것으로 판단하였다. Fig. 7, 8 은 누출 100초 후 연료 준비실의 높이별 암모니아 농도를 나타낸다. 100초 후 급·배기구가 Stbd-Top쪽에 위치한 Case 1은 4.88m에서 급·배기구 위치에서 일렬로 높은 2m/s 이상의 속도 분포를 나타났다. 2.62m에서 Aft쪽은 상대적으로 속도가 낮게 분포 되며 Fwd 근처 벽면에서는 상대적으로 높은 속도를 보인다. 0.12m에서 Fwd–Stbd 모서리에 2m/s 높은 속도구역이 나타나고 가운데 장애물을 타고 0.8m/s 이상의 속도 구역이 Aft 쪽으로 10m 정도 분포된다.

높이별 암모니아 농도 및 속도가 다르게 분포하였다. 바닥층(0.12m), 중간층(2.62m), 천장층(4.88m) 순으로 상대적으로 높은 암모니아 농도영역이 나타났다. 중간층(2.62m)과 Aft 벽면 근처로 갈수록 속도가 상대적으로 느린 부분이 주로 넓게 분포하였으나 중간층(2.62m)이 아닌 바닥층(0.12m)의 Stbd-Aft 근처에서 1800-2400ppm의 가장 높은 농도의 정체부가 존재하였다. 그러나 대부분 상대적으로 속도가 느린 Aft 쪽으로 정체부가 발생하였고 속도가 느린 구역에서 암모니아 농도가 증가하는 경향이 나타났다.

Case 1은 급·배기구가 일렬로 위치하여 공기 흐름이 제한되어 효율이 떨어지며 이로 인해 입구에서 들어오는 신선한 공기가 누출된 암모니아와 효과적으로 혼합되지 못해 연료 준비실 내 확산 범위가 좁아지고 확산 속도가 느려지게 된다. 이에 따라 암모니아 농도는 높게 나타나며, 안전한 수준의 농도로 희석되기까지 시간이 더 오래 걸릴 것으로 예상된다. 이 문제를 해결하기 위해서 누출된 암모니아를 효과적으로 분산시키는 방향으로 환기 시스템을 설계해야 한다.

Case 14의 경우 4.88m의 속도분포가 Fwd 쪽으로 갈수록 상대적으로 속도가 감소하며 Port 벽을 따라서 2m/s 이상의 높은 속도의 영역이 Aft 벽을 항하여 길게 나타났다. 2.62m 에서 Aft-Port 모서리구역에서 속도가 2m/s 이상을 나타낸다. 0.12m에서 급·배기구가 아래쪽으로 형성되어 급·배기구 근처에 상대적으로 높은 속도가 분포된다. 급기구 근처의 장애물에 의해 장애물 뒷면의 속도가 줄어들고 2m/s 이상의 속도범위가 넓게 나타난다. 그리고 Aft 벽면에서 높은 속도를 나타냈다. 천장에 축척된 암모니아는 아래로 이동하게 되어 배기구를 통해 나가게 되어 Fwd 벽면 배기구 근처에서 속도가 상대적으로 높게 나타났다.

천장층(4.88m), 중간층(2.62m), 바닥층(0.12m)순으로 상대적으로 높은 암모니아 농도영역이 나타났다. 천장층(4.88m)과 Fwd벽면 근처로 갈수록 속도가 상대적으로 느린 부분이 주로 넓게 분포하여 암모니아 농도가 높게 나타났다. 그리고 천장층(4.88m)의 Stbd-Fwd 근처에서 1500-1800ppm의 가장 높은 농도의 정체부가 존재하였다.

환기 성능이 좋은 Case 14의 경우 정체 영역이 감소하여 공간 내 암모니아 농도가 상대적으로 낮게 나타났다. 그 이유는 Case 14는 급기구와 같은 측벽에 배기구가 설치되어 구조물를 중심으로 반시계 방향으로 순환하는 강한 기류가 형성되어 상부 공간의 암모니아 축적을 감소시켜 Case 1보다 높은 환기 성능을 가지는 것으로 판단된다.

급·배기구 가 같은 측벽에 설치된 경우가 서로 마주 보는 형태로 설치된 경우보다 더 높은 환기 성능을 나타낸 것과 결과가 유사하였다.

그러므로 급·배기 위치에 따른 환기 특성은 암모니아의 정체 영역 및 농도 분포에 직접적인 영향을 미치는 것으로 확인된다. 그러므로 환기 성능이 좋을수록 속도가 높게 분포하는 영역이 넓어지고 정체 영역이 감소하며, 이에 따라 암모니아 농도가 낮아지는 경향을 확인할 수 있다.

그리고 작은 속도 영역은 주로 장애물 뒤와 큰 장애물 사이와 장애물과 벽면 영역에 정체부가 발생 되었다. 이는 대형 장애물과 장벽에 의해 흐름이 차단되어 이에 따라 속도가 감소하기 때문이다. 이러한 공간에 암모니아 증기가 축척된 부분에 독성 및 화재 폭발 등의 위험성이 존재한다. 밀폐구역에서 장비의 배치와 크기는 실제로 암모니아 누출의 분산 특성에 영향을 미칠 수 있으므로 장비의 배치와 크기를 신중하게 계획하는 것이 중요하다.

3.2 독성 및 폭발성

Fig. 9, 10은 인간의 호흡기 위치(1.6m)를 고려하여 10초 후 Case 1과 Case 14에서 1.6m에서의 xy 및 yz 평면의 암모니아 농도와 속도를 나타낸다. Case 1는 주로 Port, Stbd, Fwd쪽에 25ppm 이상의 독성 위험 지역이 있고 Case 14는 Port, Stbd, Aft벽면 쪽에 분포된다. 급·배기구 위치에 따라 연료 준비실 내 공기 이동 속도가 달라짐에 따라 암모니아의 희석속도를 촉진하는 정도가 달라져 25ppm 이상의 독성위험 범위와 농도가 다르게 나타났다.

그리고 10초 이내 즉 짧은 시간 내에 25ppm 이상의 농도가 넓게 분포되어 누출이 발생한 후 즉시 대피가 이루어지지 않으면 독성위험에 노출될 것으로 예상된다(Tan et al., 2017).

Fig. 11은 10초 후 암모니아 농도를 0에서 15,000ppm의 범위로 나타낸 농도 평면도이다. 폭발성 경보 한계를 15,000ppm (LEL 10)로 설정하였다. 누출 2.5초 후에는 LEL 10까지 범위가 약 6m로 유사하지만, 10초 후에는 Case 1은 Fwd 방향으로 약 13m, Case 14는 15m까지 확산된다.

천장에 의해 방해받은 Jet가 유출 부위 바로 위에서 높은 농도의 영역을 형성하고 Case 14는 Case 1보다 난류의 유동장을 넓게 발생하여 암모니아의 희석을 더욱 가속화시켜 화재와 폭발 가능성의 위험영역이 확대되었다.

암모니아의 폭발 한계는 LEL 15.7%에서 UEL(Upper Explosive Limit) 27.4%까지 범위에 있다. Fig. 12는 0.1kg/s의 질량유량으로 10초 후 LEL과 UEL사이의 암모니아의 폭발범위를 나타낸다. 암모니아의 10초 동안 폭발가스의 범위가 누출점 근처 1m 정도 형성되었다. 암모니아 누출 폭발 사고는 대량의 암모니아 누출로 인해 발생되고 소량의 암모니아 누출은 폭발 가능성이 일부 구역만 관찰되어 전체적으로 폭발 가능성이 낮다. 그러나 연소 및 폭발 영역은 누출점 근처에 존재하므로 사고가 발생하면, 누출 점에서 멀어지고 즉시 옆으로 대피해야한다(Tan et al., 2020). 그러므로 암모니아가 대량 누출이 아닌 소량 누출시 폭발성보다 발생되는 독성의 위험을 고려해야 한다.

4. 결 론

본 연구에서 CFD 상용 소프트웨어인 FLACS ver 22.2를 이용하여 암모니아 누출시 선박 연료 준비실의 급·배기 위치에 따른 가스거동 및 위험성을 분석한 본 논문의 결론은 다음과 같다.