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[기획] 우진산전, 한번에 600km 달리는 110km/h급 수소열차 개발 성공

√ 수소연료전지로 자체 발전, 리튬이온배터리에 남은 전기 저장ㆍ보조장치 역할
√ 내년부터 시운전 착수, 내구연한 도래한 기존 국내 디젤철도차량 대체 기대

장병극 기자 | 기사입력 2021/12/29 [17:00]

[기획] 우진산전, 한번에 600km 달리는 110km/h급 수소열차 개발 성공

√ 수소연료전지로 자체 발전, 리튬이온배터리에 남은 전기 저장ㆍ보조장치 역할
√ 내년부터 시운전 착수, 내구연한 도래한 기존 국내 디젤철도차량 대체 기대

장병극 기자 | 입력 : 2021/12/29 [17:00]

▲ 우진산전 도안 철도차량시험센터에서 시험운행을 앞두고 있는 수소연료전지 하이브리드 열차 (2021년 12월 22일 촬영).   © 철도경제

 

[철도경제신문=장병극 기자] 4년 간의 연구 끝에 국내 기술로 개발한 수소연료전지 하이브리드 열차(이하 수소열차)가 내년부터 시험운행에 착수한다. 정부의 그린뉴딜정책에 있어 핵심 과제인 수소모빌리티 실현에도 속도를 낼 수 있을 것으로 기대된다. 

 

국토교통부(이하 국토부)는 지난 2018년부터 철도교통이 탄소중립 이행에 선제적으로 대응할 수 있도록 국책 연구과제로 수소열차 개발을 시작했다.

 

한국철도기술연구원(이하 철도연)은 '수소연료전지 기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발'을, 우진산전은 '수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발'을 맡아 영업선 운행을 위한 실용화에 중점을 뒀다.

 

충북 증평군 도안면에 소재한 우진산전 철도차량종합시험센터에서는 29일 국토부ㆍ국토교통과학기술진흥원(KAIA) 및 연구개발에 참여한 기관ㆍ기업ㆍ대학 등이 참석한 가운데 수소열차 개발 현황을 점검했다.  

 

이번에 개발한 수소열차는 2량 1편성으로 최고속도 110km/h(설계최고속도 121km/h)급이며 2.5km/h/s의 가속 성능을 갖췄다. 한번 수소를 충전하면 최대 600km까지 달릴 수 있게끔 제작했다.

 

▲ 시험 운행 전 차량 하부에 장착된 리튬이온배터리 정상 가동 여부 등을 최종 점검하고 있는 모습.이번에 개발한 수소열차는 2량 1편성으로 최고속도 110km/h, 1회 수소를 충전해 600km를 주행할 수 있도록 설계됐다.  © 철도경제

 

현재 내구연한이 도래해 2차례나 정밀안전진단을 받으며 영업선에 투입하고 있는 디젤동차(RDC) 등을 대체하기에 충분한 사양이다. 전철화가 되어 있지 않은 철도노선이나 도심부 광역ㆍ도시철도 등에서 운행하기에도 적합하다는 평가를 받는다.

 

우진산전 관계자는 "디젤기관차나 디젤동차는 소음이 클 뿐만 아니라, 매연과 탄소를 배출하기 때문에 환경적 측면에서 사용하기에 적합하지 않다"며 "디젤을 동력원으로 하는 열차의 사용을 줄이고 친환경 수소열차로 대체하면 탄소배출량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 소음ㆍ미세먼지에서도 자유로울 수 있다"고 말했다.

 


수소를 원료로 전기 생산, 움직이는 철도차량 발전기 '110km/h 속도로 한번에 600km 달려'


 

▲ 연속정격 200KW 출력을 가진 수소연료전지(上)와 14대의 수소저장탱크(下). 차량 옥상에 탑재됐으며, 수소연료전지는 1량 당 1대, 수소탱크의 저장용량은 1량 당 83kg이다. © 철도경제

 

철도연과 우진산전이 주축이 돼 개발한 수소열차는 외형만 보면 일반적인 간선형 전기동차와 크게 다르지 않다. 하지만 수소연료전지와 전기배터리를 사용한 '독립전원' 방식이기 때문에 외부에서 전기를 공급받는 팬터그래프가 없다. 

 

대신 열차 옥상에 1량 당 83kg(1편성 166kg)의 수소를 저장할 수 있는 14대의 수소탱크와 연속적으로 200KW를 출력할 수 있는 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식의 수소연료전지 1대를 탑재했다. 이를 통해 별도로 외부에서 에너지원을 공급받지 않고, 수소를 에너지원으로 스스로 전기를 생산해 열차의 추진ㆍ보조동력으로 사용한다.

 

열차 하부에는 리튬이온배터리를 장착해 보조 에너지저장장치 역할을 수행한다. 우진산전 관계자는 "열차가 가속할 때 순간적으로 에너지를 많이 사용하게 되는데, 수소연료전지에서 발생한 전기에너지와 함께 배터리에 저장된 전기에너지를 추가로 공급한다"며 "반대로 열차가 감속할 때 발생하는 회생에너지를 배터리에 저장해 필요 시 재사용함으로써 에너지 효율성을 높였다"고 설명했다.

 

▲ 열차 하부에 배치한 리튬이온배터리.  © 철도경제

 

차량 설계 시 상부에 수소연료전지 및 수소저장탱크를, 하부에 리튬이온배터리를 장착하기 때문에 전장품 등을 재배열하고 무게 중심을 다시 맟출 필요가 있었다. 우진산전측은 "기존 열차에 비해 상부가 무겁기 때문에 곡선부 등에서도 안정적으로 주행할 수 있도록 열차 구조를 해석ㆍ설계했다"고 말했다. 

 

열차가 수소를 에너지원으로 자체적으로 전기를 생산해 움직이기 때문에 전력 사용도 최적화할 필요가 있다.

 

열차 설계 및 제작을 담당한 우진산전 관계자는 "추진제어장치의 경우 SiC(실리콘카바이트) 기반 IGBT 소자와 영구자석동기전동기를 적용해 단위부피당 전력 밀도를 높여, 출력 성능을 향상할 수 있도록 했다"고 말했다. 

 

이와 함께 수소열차에서 발생한 전기에너지를 외부에 공급할 수 있는 '계통연계기능'도 갖추고 있다. 연구진 관계자는 "열차가 운행하다가 선로 외부ㆍ인근 지역에서 비상 상황이 발생했을 때 리튬이온배터리리와 보조전원장치를 통해 필요한 전력을 공급할 수 있어, 일종의 움직이는 미니발전소인 셈"이라고 덧붙였다. 

 


수소열차 개발, 전세계적으로 초기 단계 수준 '실용화 서둘러야 해외시장 선점'


 

▲ 차량에 장착된 수소충전설비. 인프라 환경에 따라 열차 양쪽에서 모두 충전할 수 있도록 했다.  © 철도경제

 

해외 철도 선진국과 비교해볼 때 우리나라의 수소열차 기술 확보 및 실용화 속도는 빠른 편이다.

 

철도연 관계자는 "국내 연료전지나 배터리 기술은 세계 최고 수준으로 현재 자동차나 화물차 등을 중심으로 수소차 개발이 활발하게 진행되고 있다"며 "수소와 전기배터리 에너지원을 잘 조합하면 철도차량용 동력시스템을 충분히 만들 수 있다"고 말했다.

 

이번 연구과제의 책임자인 철도연 류준형 연구단장은 "유럽에서는 수소열차 상용화를 위한 연구개발이 활발하다"며 "프랑스 알스톰사에서 개발한 수소열차가 지난 2018년부터 상업운행을 시작했으며, 올해 말까지 독일에 14편성이 새로 투입되고 영국에서도 자체적으로 수소열차 제작에 착수했다"고 설명했다.

 

수소열차 개발에 참여한 연구진은 세계적으로도 수소연료전지열차 개발이 아직 초기단계이기 때문에 국내에서 실용화를 앞당기면 전기인프라가 열악한 개발도상국 등 해외 철도시장 진출에 청신호가 켜질 것으로 기대하고 있다. 

 

연구진 관계자는 "개발도상국 등에서는 철도에 전기인프라를 구축하는게 비용이 만만치 않아 부담스러울 수 있고, 전기 공급도 불안정하다"며 "각국의 철도 운용 환경에 맞춰 수소열차를 수출ㆍ공급한다면 실용적으로 철도를 운영할 수 있을 것"이라고 언급했다. 

 

승객 입장에서도 기존 디젤기관차나 디젤동차에 탑승했을 때와 비교하면 쾌적한 승차감을 느낄 수 있다.

 

우진산전 관계자는 "외부에서 전기에너지를 공급받지 않고, 수소를 연료로 자가 발전해 열차에 전기를 공급한다는 점에서 차이가 있을 뿐, 열차 자체에서 발생하는 소음이 적어 승객 입장에선 현재 운행 중인 간선형 전기동차(EMU-150)급과 차이가 없다"며 "차량 운영사에서도 노선별 인프라 구축 환경에 따라 외부 전기를 사용하지 않는 수소열차를 운영한다면 더욱 경제적이다"고 말했다. 

 

▲ 시험용 수소열차 운전실(上)과 객실 내부(下).  © 철도경제

 

한편, 이번에 개발한 수소열차는 올해 말까지 완성차 시험을 마친 후 내년부터 오송에 소재한 철도종합시험선로에서 본격적으로 시운전에 들어갈 예정이다. 

 

우진산전 김상용 부회장은 "이번에 개발한 수소열차는 탄소배출 등의 문제로 신규 도입이 쉽지 않은 디젤기관차나 디젤동차 등 디젤철도차량을 대체해 비전철화 구간이나 광역ㆍ도시철도 등의 구간에 투입할 수 있을 것으로 기대한다"며 "실증사업을 통해 영업 운행 실적을 확보해 나간다면 가격ㆍ성능면에서 우수한 수소열차의 해외 수출도 기대해볼만 하다"고 말했다.

 

김 부회장은 "1974년 회사 설립 이후 철도차량용 전장품에서 출발해 철도차량ㆍ전기버스ㆍESS 분야로 사업을 확장한 우진산전은 ESG평가에서 A등급을 받으며 올해 중소벤처기업부가 선정하는 '명문 장수기업'에 선정됐다"며 "앞으로도 친환경 모빌리티 구현에 기여할 수 있는 다양한 기술을 확보해 실용화하겠다"고 밝혔다.      

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  • 철덕의성지 2022/01/02 [20:11] 수정 | 삭제
  • 와 진짜..우진산전은 갑자기 혜성처럼 등장하더니 철도를 갈아엎는구만