복합화력발전소의 수소⋅암모니아 연료 적용을 위한 공급 설계안 제시 및 사고영향평가 기반 안전성 강화전략 수립 = Development of Hydrogen–Ammonia Fuel Supply Designs and Safety Enhancement Strategies Based on Accident Impact Assessment for Combined Cycle Power Plants

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 수소 및 암모니아 복합화력발전소의 최적의 공급·저장 설계안과 안전성 강화 전략을 제시하였다. 먼저, 외부 공급원으로부터 발전소까지의 수소 이송 및 저장을 위한 네 가지 설계안을 도출하고, 기술 표준, 초기 투자 경제성, 장기 운영 경제성, 공급 안정성, 안전성, 운영관리의 용이성, 공간 활용성, 주민 수용성, 8개의 기준에 따라 30명의 전문가 평가를 수행하였다. 그 결과, 가스터빈의 요구압력보다 높은 압력으로 수소를 공급하는 고압 배관 시스템(Case 2)이 종합점수 29.43/40.00으로 최적의 설계안으로 선정되었다. 또한, ALOHA와 PHAST 사고영향분석 프로그램을 활용하여 수소 공급체계에 적용한 다중 보호계층의 효과를 검증하였다. 튜브 트레일러 방식의 경우 퀵 커플러, 수소 누출 감지기, 긴급 차단밸브 등의 보호장치를 적용한 결과, ALOHA와 PHAST에서 각각 약 91%와 89%의 피해영향 저감 효과가 확인되었다. 배관 시스템을 대상으로 한 위험성평가에서도 수소 누출 감지기, 긴급 차단밸브, 안전 가드레일, 충격흡수 장치 등을 통합 적용한 결과, ALOHA에서 약 89%의 위험 저감 효과가 나타나 다중 보호계층 설계의 유효성이 입증되었다. 다음으로, 암모니아 혼소율(1–100%)에 따른 액화암모니아 저장체계를 설계하고 PHAST 사고영향평가 소프트웨어를 활용하여 누출(Leak)과 파열(Catastrophic rupture) 시나리오별 위험성을 분석하였다. 8시간 운전을 기준으로 혼소율이 증가함에 따라 암모니아 연료 요구량과 저장 용량이 비선형적으로 확대되었으며, 사고 시뮬레이션의 결과 독성의 영향범위가 가장 넓고 지배적인 위험요인으로 나타났다. 특히, 저혼소율(1–17%) 구간에서는 누출의 누적 확산효과가, 고혼소율(≥18%) 구간에서는 저장량 및 방출에너지가 지배적이었다. 혼소율에 따른 요구 저장량이 비선형적으로 증가하고 저장용량이 커지는 구간에서 위험성이 더 가파르게 증가함에 따라 대형 단일탱크보다 소형탱크 다수를 활용한 분산 저장 방식이 전체 위험 저감에 효과적임을 확인하였다. 마지막으로, 수소 및 암모니아 연료의 복합화력발전소 적용과 관련된 국내 법령을 검토하고, 전문가 설문을 통해 법·제도적 한계와 개선 방향을 도출하였다. 법령 검토 결과, 현행 안전 관련 법령은 수소 및 암모니아 복합화력발전소에 대한 규제가 여러 법률에 분산되어 있으며, 안전관리자 기준의 불명확성, 비상대응훈련 제도의 미비 등 다양한 한계를 지닌 것으로 확인되었다. 또한, 전문가 설문에서는 신연료의 특성상 높은 위험성이 지속적으로 지적되고 있음에도 불구하고, 기술 발전 속도와 산업 수요를 충분히 반영한 법·제도적 대응이 미흡하다는 점이 강조되었다. 이에 본 연구는 (1) 탈탄소 연료 전 주기를 포괄하는 통합 법체계 정비, (2) 수소·암모니아 전용 법률 보완 및 신규 제정 검토, (3) 발전소 규모에 적합한 안전관리 기준의 실효적 강화, (4) 안전교육 및 비상대응훈련의 의무화를 핵심 개선방안으로 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes optimal design configurations and safety enhancement strategies for combined cycle power plants utilizing hydrogen and ammonia as carbon-free fuels. The research aims to provide technical and institutional insights for the safe commercialization of next-generation fuel infrastructures in Korea. First, four design options for hydrogen transfer and storage—from external supply sources to power plants—were established. Thirty experts evaluated these alternatives using eight comprehensive criteria: technical standards, initial investment economics, long-term operational economics, supply stability, safety, administrative manageability, spatial efficiency, and public acceptance. Among them, the high-pressure pipeline system supplying hydrogen at a pressure higher than the turbine requirement (Case 2) achieved the highest total score of 29.43 / 40.00, and was identified as the optimal design. To assess safety performance, consequence analyses were conducted using ALOHA and PHAST software to verify the effectiveness of multi-layered protection systems. For the tube-trailer configuration, applying safety barriers such as quick couplers, hydrogen leak detectors, and emergency shut-off valves led to hazard-impact-radius reductions of approximately 91 % and 89 % in ALOHA and PHAST, respectively. Similarly, for the high-pressure pipeline system, the integration of gas detectors, emergency shut-off valves, guard rails, and impact-absorbing devices resulted in an additional 89 % risk-mitigation effect, confirming the reliability of the multi-layer protection approach. Subsequently, a liquefied-ammonia storage system was designed for co-firing ratios ranging from 1 % to 100 %, and risk analyses for leak and catastrophic-rupture scenarios were performed using PHAST. Based on an eight-hour continuous operation, the required storage capacity increased non-linearly with higher co-firing ratios. Simulation results revealed that toxic dispersion dominated all hazard indicators, presenting the widest impact range. A transition zone was identified near 18 %(≈ 50 ton), where the dominant hazard shifted from leak dispersion at low co-firing ratios (1–17 %) to rupture energy release at higher ratios (≥ 18 %). Accordingly, a distributed storage configuration using multiple small-scale tanks was found to significantly reduce overall risk compared with a single large-capacity tank, as it limits release quantity per event and localizes potential damage. Finally, domestic regulations for hydrogen- and ammonia-fueled CCPPs were reviewed, and expert surveys were conducted to identify legal and institutional gaps. The analysis revealed fragmented regulatory coverage, unclear safety-manager qualification standards, and the absence of mandatory emergency response training. Experts further noted that current laws do not sufficiently reflect the rapid technological development and increasing industrial demand for new fuels. Accordingly, this study suggests four key improvements: establishing an integrated legal framework, developing or supplementing dedicated legislation for hydrogen and ammonia, strengthening safety management requirements, and mandating safety training and emergency response exercises. Overall, the study provides a comprehensive framework combining technical design, quantitative risk assessment, and regulatory improvement strategies, offering a foundation for establishing a robust safety infrastructure for hydrogen- and ammonia-fueled combined cycle power plants in future commercial deployment.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 iii
• 표 목 차 vi
• 그림목차 vii
• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 연구 방법 5
• 제 2장 복합화력발전소의 수소 공급체계 9
• 2.1. 수소 공급 설계안 개발 10
• 2.1.1. 수소경제 활성화 로드맵 검토 10
• 2.1.2. 조건별 4가지 수소 공급 방안 제시 11
• 2.2. 전문가 설문을 통한 최적의 설계안 도출 14
• 2.2.1. 설문지 설계 15
• 2.2.2. 전문가 선정 16
• 2.2.3. 결과 분석(1) 신뢰도 검증 19
• 2.2.4. 결과 분석(2) 객관식 문항 21
• 2.2.5. 결과 분석(3) 주관식 문항 24
• 2.2.6. 전문가 소속 및 업무 특성에 따른 평가 결과 추가 분석 26
• 2.3. SWOT 분석을 통한 최적의 설계안 강화전략 수립 33
• 2.3.1. 강점 요인(Strengths)과 약점 요인(Weaknesses) 34
• 2.3.2. 기회 요인(Opportunities)과 위협 요인(Threats) 38
• 2.3.3. 기회 요인 강화를 통한 위협 요인 상쇄 전략 40
• 제 3장 복합화력발전소의 액화암모니아 저장체계 44
• 3.1. 탈탄소 에너지 전환을 위한 암모니아의 복합적 활용 44
• 3.2. 천연가스-암모니아 혼합 연료의 공급유량 계산 45
• 3.3. 암모니아 혼소율에 따른 저장 설계안 제시 48
• 3.3.1. 복합화력발전소 천연가스 공급체계 및 운전조건 분석 48
• 3.3.2. 암모니아 혼소비율에 따른 액화암모니아 저장체계 설계 49
• 제 4장 수소 및 암모니아 위험성평가 53
• 4.1. 사고영향평가 분석(Consequence analysis) 54
• 4.1.1. CA 상용 소프트웨어 54
• 4.1.2. CA 결과 분석 기준 55
• 4.2. 사고 시나리오 구축 및 전산해석 입력변수 선정 59
• 4.2.1. 수소 공급체계 사고 시나리오 구축 및 입력변수 설정 59
• 4.2.2. 액화암모니아 저장체계 사고 시나리오 구축 및 입력변수 설정 65
• 4.3. 사고 시나리오 전산해석 분석 결과 67
• 4.3.1. 수소 공급체계 사고 시나리오 전산해석 결과 67
• 4.3.2. 액화암모니아 저장체계 사고 시나리오 전산해석 결과 74
• 4.4. 안전성 강화전략 수립 82
• 4.4.1. 수소 공급체계 위험 저감 전략 설계 82
• 4.4.2. 액화암모니아 저장체계 위험 저감 전략 설계 99
• 제 5장 수소 및 암모니아 활용을 위한 정책적 시사점 103
• 5.1. 수소 및 암모니아 발전소 적용 법령 검토 104
• 5.2. 법령상의 한계 및 개선 필요성 분석 109
• 5.3. 전문가 설문을 통한 개선방안 제언 112
• 5.3.1. 설문지 설계 112
• 5.3.2. 전문가 선정 116
• 5.3.3. 결과 분석(1) 신연료에 대한 위험 인식 수준 119
• 5.3.4. 결과 분석(2) 신뢰도 검증 및 개선 방향 도출 121
• 5.3.5. 안전법규 및 관리체계의 개선 방향 논의 126
• 제 6장 결론 및 고찰 130
• 참고문헌 137
• Abstract 152