수소, 차를 넘어 열차까지 수소열차의 개발

 

수소, 차를 넘어 열차까지 수소열차의 개발

대학생신재생에너지기자단 18기 정동호, 19기 권도현

 

수소 차를 넘어 수소 열차로

친환경 에너지원으로 각광 받고 있는 수소, 수소는 고갈 염려가 아주 적은 에너지원이며 에너지 연소 시 오염물질을 거의 배출하지 않는다. 이러한 점 때문에 화석연료를 대체할 차세대 에너지 원이며 수소를 이용한 교통수단인 수소차는 현재 많이 상용화되어있다. 심지어 이 수소차를 넘어 또 다른 수소를 이용한 교통수단을 개발 중인데 바로 “수소열차”이다. 수소 열차는 말 그대로 수소를 이용하여 운행되기에 친환경에너지 교통수단이며 그렇기에 현재 많은 나라에서 차세대 열차로 떠오르고 있다.

[자료 1. 현대 로템에서 개발 중인 수소열차(트램)]

출처 : 매일경제 

수소 열차가 가진 장점은?

현재 우리나라에서 열차를 운행하는 방식에는 총 3가지 방식이 있다. 먼저 디젤연료(화석연료)기차이다. 이는 말 그대로 화석연료를 이용한 일반적인 내연기관 기차로 많은 탄소를 배출한다. 예전 새마을호 기차가 디젤 연료를 이용하여 운행되었지만 현재 예전 새마을호는 더 이상 운행하지 않아 디젤기관 100%의 기차는 더 이상 우리나라에 존재하지 않으며 지금은 무궁화호 기차 중의 일부만 전기와 디젤기관을 혼용하여 사용 중이다. 다음으로 우리나라 기차 운행 방식은 바로 전기 운행 방식이다. 전기 운행 방식은 지하철처럼 위에서 철도 위에 존재하는 전기선에 의해 전기를 공급받아 기차가 작동하는 방식으로 현재 운행되고 있는 고속철도는 100% 전기 철도 시스템이며 지하철 또한 대부분 이러한 전기 운행 방식으로 운영되고 있다. 마지막으로 자기부상열차가 있는데 이는 자기의 반발력을 이용해 공중에 약간 떠서 운행하는 방식으로 현재 우리나라에서는 인천공항 자기부상철도에서만 소규모로 운영 중이다.

기존의 디젤 기차와 전기 기차는 각각 화석연료를 사용한다는 단점과 전기 설비를 설치해야 한다는 단점이 있고 자기부상열차의 경우 기존의 기차선로와는 다른 특수한 선로를 사용해야 해서 기존의 선로에서는 이용할 수 없다는 단점이 있다.. 수소 열차의 경우 디젤연료와 같은 화석연료를 사용하지 않고 친환경에너지를 사용한다는 장점, 선로마다 전기 설비가 필요 없어 쉽게 철도시스템을 구축할 수 있다는 장점과 또한 기존의 선로 또한 그대로 이용할 수 있다는 우리나라에서 운행 중인 3가지 기차의 모든 단점을 보완할 수 있는 장점들을 가지고 있다.

또한 수소열차는 방사능 오염, 환경 문제를 일으키지 않는다. 핵융합 반응은 일반 수소와는 달리 중성자를 포함한 이중수소나 삼중수소를 태양 중심의 온도인 1억°C 이상으로 가열할 때 발생하게 된다. 우리가 흔히 알고 있는 방사능 오염은 이러한 과정에서 원자폭탄을 터뜨리기 때문에 생기는 것이다. 하지만, 수소 연료전지는 핵융합이 아닌 ‘전기분해’의 원리로 전기를 생산하기 때문에 방사능 오염에 대해 걱정할 필요가 없다. 오히려 수소 연료전지는 공기를 정화하는 작용을 하기도 하는데,

[자료 2. 공기 정화 작용을 하는 수소연료전지]

출처 : 현대로템 공식블로그

수소 연료전지는 수소와 반응을 일으키기 위해 공기 필터와 막 가습기, 기체 확산층 원리를 이용하여 먼지와 초미세먼지는 물론 화학물질을 99.9% 이상 꼼꼼히 걸러내게 된다. 이러한 과정을 통해 전기를 생산하는 수소 연료전지에서는 오로지 순수한 물만 배출된다.

[자료 3. 수소전기트램 운행을 통해 청정공기를 생산할 수 있다.]

출처 : 현대로템 공식블로그

디젤 버스 1대가 40μg의 미세먼지를 발생시킬 때, 수소전기트램 1대는 되려 미세먼지 800μg를 정화하게 된다. 수소전기트램 1대가 1시간 운행할 때마다 성인 107.4명이 1시간 동안 호흡할 수 있는 청정공기를 생산하는 셈이다. 수소전기트램 1천 대가 도심을 누비면 디젤차 4천 대 분의 미세먼지를 정화하게 되고, 나무 2만 그루를 심는 것과 동일한 탄소 저감 효과를 얻게 되는 것이다.

수소 열차의 원리

(1)수소열차(트램)의 연료는 수소일까, 전기일까?

현재로템에서 현재 연구 개발중인 수소전기트램을 바탕으로 설명을 하려고 한다. 수소열차의 핵심 부품 중 하나인 수소연료전지는 말 그대로 수소를 이용해 전기를 발생시키는 전지를 말한다. 순수한 수소 분자가 전지 내 고분자 전해질 박막(Membrane)을 통과하면 각 두 개의 수소 이온으로 분리되며 전자를 내놓게 되는데 이 과정에서 전자가 이동하면서 전기를 얻게 된다.

[자료 4. 수소로 인해 전기가 발생하는 수소연료전지의 원리]

출처 : 현대로템 공식블로그

수소연료전지는 에너지를 생산할 때 박막으로 공기를 거르게 되므로 자연스럽게 공기도 정화되는데다가 수소 이온과 산소가 결합해 물이 생기는 것 외에 어떤 공해 물질도 배출하지 않는 청정에너지원이다. 하지만 생산한 에너지를 저장할 수 없다는 단점이 있는데 현대로템에서는 이를 ‘수소-배터리 하이브리드 전동차’로 해결하였다.

(2)수소연료전지와 배터리가 전동차 속으로

수소-배터리 하이브리드 전동차는 수소연료전지와 배터리를 모두 탑재한 전동차이다. 현대자동차그룹에서 개발한 수소연료전지는 최대 90kW의 용량에 440V의 전기를 생산한다. 컨버터를 거치며 750V로 승압된 전기는 인버터를 통해 모터를 구동시키게 되는데. 먼저 열차가 출발하거나 부하가 별로 걸리지 않는 구간에서는 배터리로 차량을 움직이게 된다. 이후 가속 구간 등 에너지를 많이 필요할 때 연료전지로 운전하게 되고 남는 전기는 배터리에 충전된다. 

[자료 5. 수소연료전지에서 생산된 전기의 이용]

출처 : 현대로템 공식블로그

[자료 6. 수소전기열차의 작동 원리]

출처 : 동아사언스

차량이 감속 구간에 들어갔을 때는 모터에서 전기가 발생한다. 이때는 배터리와 연료전지를 모두 중지시키고 생산되는 전기를 배터리에 충전한다. 수소-하이브리드 전동차의 핵심은 수소연료전지와 배터리의 역할을 효율적으로 배분해 최대한 멀리, 그리고 오래 운행할 수 있도록 하는 것이다. 

현대로템에서는 수소-배터리 하이브리드 전동차 1회 연료 충전에 200km 이상 주행을 목표로 테스트할 예정이라고 하는데. 다양한 환경에서 시험 차량 운행 요원이 안전하게 테스트할 수 있도록 리모트 조종석을 만들어 주간, 야간 주행과 여러 위험요소까지 반영해 수소연료전지의 실용성을 확인할 계획이라고 한다.

해외의 수소 열차 개발 현황

유럽의 경우 활발하게 수소열차가 연구, 상용화 되어있다. 프랑스 알프톰사에서 가장 먼저 수소전기열차가 개발, 상용화되어 현재 Coradia iLint가 운행 중이다. 100%수소 연료로 운행되며 최대 시속 140km/h 완충시 1,000km운행이 가능하다. 독일을 첫 시작으로 덴마크, 네달란드, 캐나다 오타와에서도 운행중이다.

[자료 7. 알프톰에서 개발한 수소열차 Coradia iLint]

출처 :알프톰

다음으로 일본의 경우 동일본여객철도주식회사에서 개발,연구중이며 2024년 140km주행 최대시속 100km의 열차를 상용화 목표로 하고 있다.

[자료 8. 동일본여객철도에서 개발 중인 수소열차]

출처 : 동일본여객철도

이를 중국의 경우 중국중차(CRRC)가 연구, 개발하여 2017년 10월 26일 처음으로 허베이 성에서 수소연료트램 상업운행을 실시하였다.

[자료 9.  중국중 차(CRRC) 에서  운행 중인  수소연 료전지  구동 열차]

출처 : 연합뉴스

수소 열차의 가능성

이렇게 세계 여러 나라에서 연구가 진행되고 있는 수소 열차는 전기 설비가 어려운 지역이나 새로 열차 선로를 운행해야하는 지역에서 특히 많은 장점을 가져올 것이라 생각한다. 전기 설비가 어려운 지역은 어쩔 수 없이 디젤(화석연료)을 연료로 하는 열차를 운행 중인데 수소열차를 이용할 경우 기존의 선로를 그대로 이용하여 운행할 수 있으며 또한 새로 열차 시스템을 구축해야 하는 곳도 전기 선로와 같은 전기 시스템을 구축하지 않아도 되기에 환경적인 면에서도 경제적인 면에서도 많은 이점이 있을 거라 예상된다.

우리나라 수소 열차의 현주소

현재 우리나라에서는 한국철도기술연구원에서 수소열차를 개발, 연구중에 있으며 2022년 상용화를 목표로 수소 열차를 연구 중에 있다.

물론 아직 이러한 상용화를 이루기엔 아직 더 연구해야 할 부분이 있다. 현재 상용화된 수소차와는 다르게 수소열차는 수소차와는 다르게 큰 질량을 가지고 있으며 차량에 탑승하는 승객과 화물의 양도 수소차와는 비교할 수 없을 만큼 크기 때문에 수소 저장용기에 대량의 수소를 저장해야 하며 전기 추진시스템이 소형화 경량화 고효율화가 되어야 한다.

하지만 이러한 점이 보완되어 상용화 된다면 우리나라의 모든 열차는 차후 탄소중립을 실현하는 친환경 열차의 나라로 탈바꿈할 수 있을 것이라 생각한다. 수소열차 아직은 보완해야 할 부분들이 있고 모든 지역에 실제로 사용하기엔 어려움이 있지만 지금처럼 많은 관심을 가지고 연구, 개발한다면 언젠가 전세계에서 수소열차가 제일 보편적인 열차가 되어 친환경 열차가 일상화된 세상이 될 것이라고 생각한다.

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참고문헌

[수소 열차가 가진 장점은?]

1) 과학쿠키,  "수소로 열차를 움직이는 기술?", 2020. 12. 29 , www.youtube.com/watch?v=6GoYedmheOA

[수소 열차의 원리]

1) 동아사이언스, "2020년대 환경파괴 없는 '수소열차' 시대 열린다, 2018. 11. 02, dongascience.donga.com/news.php?idx=24781

2)현대로템 공식블로그, "현대로템이 제시하는 철도산업의 미래 : 친환경 열차", 2019. 06. 26, blog.hyundai-rotem.co.kr/324

3) 현대로템 공식블로그, "현대로템이 주목한 미래형 철도! 수소전기트램을 만나다.", 2019. 07. 25, blog.hyundai-rotem.co.kr/334

[해외의 수소 열차 개발 현황]

1) 동일본여객철도, "JR東日本 燃料電池ハイブリッド試験車両FV-E991系を製造", 2019. 06. 04 , railf.jp/news/2019/06/04/153000.html

2) 송경은 기자, "환경파괴 없는 '수소열차'타고 여행 가자!",동아뉴스, 2018. 11. 02, www.donga.com/news/article/all/20181102/92696117/1

3) 진병태 기자, "中, 수소연료전지 구동 트램 상업운행 시작",연합뉴스, 2017. 10. 28 ,www.yna.co.kr/view/AKR20171028029200083?input=1195m

 

[우리나라 수소 열차의 현주소]

1) 과학쿠키,  "수소로 열차를 움직이는 기술?", 2020. 12. 29 , www.youtube.com/watch?v=6GoYedmheOA