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  • 기사등록 2023-01-03 09:46:21
  • 수정 2023-01-04 16:52:39
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현재 우리는 고속철도를 타고 서울과 부산을 약 2시간대로 이동할 수 있게 되면서 전국 반나절 생활권 시대에 살고 있다. 철도는 우리나라 산업과 경제를 이끌었을 뿐만 아니라 삶의 질 향상에도 기여했다. 거기다 최근 철도는 국가 균형발전과 탄소중립 실현을 위한 수단으로 부각되고 있다. 나아가 열차의 동력원을 수소를 이용해 움직이는 수소 열차로 향하고 있다. 프랑스 등 세계에서는 수소 열차 개발을 활발히 진행 중이며, 우리나라 또한 최근 한국철도연구원에서 수소 기관차의 핵심인 액화 수소를 연료전지에 공급해 전기에너지로 출력 제어하는 기술을 개발 중이다. 이에 본지는 이번 기술을 개발한 한국철도연구원 추진시스템연구실 김길동 수석연구원과 인터뷰를 통해 우리나라 수소 철도 기술 및 산업에 대해 들어보는 자리를 마련했다.



“세계 최초 액화수소 기관차 개발로 세계 시장 주도”




■한국철도연구원 추진시스템연구실에 대한 소개를 부탁드린다


한국철도연구원(이하 철도연) 추진시스템연구실에서는 전기철도 핵심기술인 친환경·고효율의 전력변환시스템 추진제어 기술과 수소철도 개발, 철도의 안전하고 효율적인 운행을 위한 기초·응용기술을 연구개발하고 있다. 특히, 스마트화를 목표로 세상을 바꾸는 스마트 전기·제어 기술로 혁신을 통한 국민 체감형 기술개발에 주력하고 있다.


현재 추진시스템연구실은 타 전동기 대비 효율이 매우 높은 영구자석 동기전동기를 철도 분야에 적용하기 위해 영구자석 전동기 설계·제어기술을 독자적으로 확보한 상태다. 이와 함께 무선으로 차량에 전기를 공급하는 무선급전기술을 개발했고, K-AGT차량을 대상으로 영업운행 조건에서 신뢰성 검증을 완료, 기술 실용화를 위해 노력 중이다.


최근 연구실은 탄소배출과 미세먼지 저감 등을 해결하기 위해 친환경 신재생에너지인 수소를 적용한 ‘수소연료전지 하이브리드 철도차량’ 개발을 진행하면서 많은 관심을 받고 있다. 수소열차는 수소와 공기 중 산소로 발전된 전기를 이용해 달리는 열차로, 순수한 물만 배출하고, 사용하는 공기는 필터를 지나가기 때문에 공기정화까지 가능한 친환경 열차다. 연구실은 디젤 철도차량을 액화수소 철도차량으로 대체하기 위해 ‘Zero Emission’ 친환경 철도차량 개발을 목표로 △하이브리드 추진시스템 △액화수소 공급 및 고속충전 시스템 △대용량의 극저온 액화수소 공급·제어·저장에 대한 원천기술 연구를 진행하고 있다.



■철도연에서 액화수소 철도 기관차 핵심 기술을 개발했다고 들었다. 이는 어떠한 기술이며, 향후 연구 방향과 내용은


기존의 디젤기관차는 디젤연료를 이용해 전기를 생산해 추진하는 방식으로 많은 매연과 탄소 등을 배출하고 있다. 이에 전기기관차로 대체하고 있으나 전시 등 국가 비상사태를 대비하기 위해서는 전력을 공급받지 않고도 철도차량이 움직이는 비전차선 방식의 기관차가 국가적으로 필요해 친환경 액화수소 기관차 연구가 추진됐다.


액화수소 기관차의 핵심기술은 △기관차에 액화수소를 저장하는 기술 △저장된 액화수소를 이용해 전기를 발생하는 기술 △발생된 전기를 저장 및 활용하는 기술로 구분할 수 있다. 기관차에 액화수소를 저장하는 기술은 수소를 액화상태로 유지하기 위해 -253℃의 극저온 상태를 견디면서 열손실을 최소화하는 기술이다. 또한 극저온의 액화수소를 변환하여 기체수소로 공급하는 수소 기화기 시스템은 연료전지가 요구하는 출력에 대응한다.


액화수소를 전기에너지로 변환하기 위해서는 연료전지가 필요하며, 이를 대용량 기관차에 적용하기 위해 95kW급 4개를 병렬로 조합하고, 하이브리드 장치를 연계해 차량용 구동모터에 필요한 에너지를 공급한다. 연료전지의 에너지 균형 제어를 위해서는 통합에너지제어장치가 요구된다.


연료전지에서 발생된 전기를 저장 및 활용하는 기술은 균등적인 에너지를 발생하는 연료전지 대비 순간적인 에너지를 활용할 수 있는 배터리와 상호 연동을 통해 기관차 추진장치에 에너지를 공급한다. 이러한 종합적인 시스템의 연동을 통해 최종 액화수소 기관차 주행이 가능하다.


철도연은 2022년까지 액화수소 기관차에 필요한 액화수소 기술개발을 완료해 적용 가능성을 확인했고, 2023년부터는 기관차에 적용 가능한 실규모 시스템을 제작해 시험할 예정이다. 2024년까지는 70kg급 액화수소 탱크, 380kW급 연료전지 모듈로를 개발해 390kW 기관차용 견인전동기의 구동 조합시험을 추진할 예정이다. 2028년까지 액화수소모듈 6개를 기관차에 탑재하면 현재 한국철도공사의 2.7MW급 7600호대 디젤기관차를 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 이에 정부는 액화수소 디젤기관차 사업을 진행해 세계 최초 친환경 수소기관차 실증을 추진할 예정이다.



▲ 한국철도기술연구원이 개발한 액화수소 연료전지 공급 및 출력 제어 기술을 수소공급 및 연료전지 시스템에 시험하고 있다.




2028년 디젤기관차 대체 목표, 수소기술 선진국 기여

수소 철도 산업 발전, 기술개발·기준 마련·부품 국산화 시급




■액화수소 기관차가 상용화 된다면 어떤 효과를 기대할 수 있나


개발 중인 액화수소 기관차는 가장 최신 디젤 기종인 7600호대 디젤전기기관차의 성능을 타깃으로 하고 있기 때문에 상용화가 된다면 이후에 발주되는 대부분의 디젤 기관차를 대체할 수 있다. 국내 내구연한이 도래한 디젤 차량은 2025년 기준 약 230대 가량이며, 모두 외산기술에 의존하고 있어 국내 개발 수소기관차 상용화 시 수입대체 등 경제적 파급효과가 크다.


또한 수소를 사용해 디젤기관차 1대 대체 시, 자동차 300대 수준의 미세먼지를 저감해 탄소중립에 기여할 수 있고 기계엔진이 전자식으로 바뀌어 유지보수도 용이해 진다. 더불어 액화수소는 고압기체수소 대비 약 1.6배 이상 저장할 수 있어 1회 운행거리가 길어야 하는 기관차에 유리하게 적용할 수 있다. 이외에도 액화수소 기관차는 신규노선을 건설할 때 전차선을 구축하지 않아도 돼 도시미관을 향상시킬 수 있고 인프라 비용을 크게 절감할 수 있다. 또한 전철 인프라가 부족한 지역에 노선 건설이 용이하며, 추후 대용량 액화수소 추진 기술이 개발되면 고속철도, 도시철도 시스템에도 적용 가능하다. 지하철의 경우 터널 단면적을 줄일 수 있어 사업비를 크게 줄일 수 있다.


액화수소 기관차 기술은 세계적으로 전무한 상태로 철도연이 세계 최초로 시도하고 있다. 상용화 시 시장 선점과 함께 국제표준 주도할 수 있으며, 이를 통해 친환경 수소기술의 선진국가라는 국가 이미지 제고에도 기여할 수 있다.


▲ 액화수소 기반 수소기관차 디자인



■우리나라 수소철도 기술 개발이 나아가야 할 방향과 수소철도 산업발전을 위한 고견은


국내 도시철도를 건설하는데 1km당 약 1,200억원 이상이 소요된다. 이처럼 높은 비용이 드는 이유는 전차선에 전기를 공급하기 위한 전차선 이격거리가 필요하고 이로 인해 터널 단면적이 커지기 때문이다. 또한 전력 공급용 변전소, 가공지선 등의 설치비용으로 인해 건설비용이 높아진다. 이 같은 이유로 최근 도시철도 신설노선 건설은 적어지고, 비용이 저렴한 경량전철, 트램 노선을 건설 하다보니 혼잡률이 높아 시민들의 불편함이 있고, 교통 분담률이 낮아 수송에 한계가 있다.


수소 철도차량은 전차선이 필요 없어 터널의 단면적을 획기적으로 줄일 수 있어 토목 건설비용을 30% 이상 절감할 수 있다. 전기설비, 변전소비용 등이 필요치 않아 저렴한 건설비로 도시철도 건설이 가능해 신규노선 증설이 활성화될 수 있다. 더불어 수소 철도차량은 차량기지에서 출발해 운행 후 다시 차량기지로 되돌아가는 구조로 운행하기 때문에 수소충전소를 차량기지 한곳에서만 설치해 운영할 수 있다. 이에 수소철도 확대가 필요하다고 본다.


현재 프랑스는 수소열차를, 중국은 수소 전기트탬을 상업운전하고 있고, 미국, 일본, 영국, 캐나다 등 선진국들도 곧 실용화할 계획이다. 우리나라 또한 현대로템이 수소전기트램 테스트 플랫폼을 제작해 시험 운행을 준비 중이고, 철도연도 수소하이브리드 철도차량을 개발해 현재 오송시험선에서 시운전을 진행하고 있다. 개발 차량의 실증운행과 관련 법적 안전체계 등이 마련되면 6년 내 수소 철도차량의 상용화가 가능할 것으로 생각된다.


현재 국내 수소 차량 개발연구는 기체 수소와 액화수소를 이용한 방식으로 개발하고 있다. 기체 수소 방식으로는 경량전철용 수소트램과 도시철도용 수소 열차가 있고, 액화수소를 이용한 방식으로는 수소기관차기술이 개발되고 있다.


기체수소는 액체수소에 비해 저장 및 관리가 유리하고 사용성이 편리한 장점이 있지만 대용량 운송에 어려움이 있다. 철도차량은 장거리 운송과 많은 연료를 사용한다는 관점에서 액화수소를 이용한 방식이 더 효율적이라고 본다.


따라서 액체수소를 생산지에서 수요지까지 공급할 수 있는 액체수소 이송용 철도차량이 개발된다면 수소경제는 활성화될 수 있으며, 이를 위해 국토부의 국가 기간교통망 계획에 수소 철도의 도입을 연차별로 반영하고 수소 철도의 운영을 선언하는 정책검토가 필요하다고 생각한다.


또한 현재 수소 관련 기본법이 시행 중이지만 철도차량에 대한 관련 기준이 부재한 상황이며, 특히 액체수소에 대한 국내 관련 기준은 전혀 없는 상태이다. 수소 철도 분야 산업발전을 위해서는 기술개발과 관련 기준 마련이 함께 진행돼야 상용화가 가능하므로 연구기관과 민간업체, 관련 정부와의 업무 협력이 절실하다. 그리고 관련 기준을 제정하기 위해서는 다양한 실증 데이터 확보가 필요하므로 규제샌드박스 및 특례 등이 더욱 신속히 이루어질 필요가 있다,


더불어 수소 관련 기자재 및 부품의 국산화가 시급하다. 특히 액체수소 분야에서는 관련 기준이 없어 국내 인증이 불가능한 상황이므로 전량 수입하고 있으며, 해외에서도 액체수소 관련 기자재가 개발단계에 있는 경우도 많다. 따라서 수소 철도를 개발할 때 기자재 및 부품도 포함하여 개발해 표준화한다면 에너지 패러다임이 변화되는 시점에 국내 기준을 국제 표준화할 수 있어 국가 경쟁력을 확보할 수 있다고 본다.

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