세계최초의 연료전지 하이브리드 철도차량의 개발
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 정 현 갑 (99102@reseat.re.kr)
1. 서 론
○ 일본 철도차량회사(JR 동일본)는 VVVF인버터 제어나 회생 브레이크 등 에너지절약 전차의 개발을 추진하여 왔지만, 환경부하 저감 및 성 능향상을 위해 새로운 철도차량 동력원개발을 목적으로 뉴 에너지 트 레인 개발을 추진하고 있다. 우선 제1단계로 디젤 하이브리드 철도차 량을 개발하였고, 실용화 계획으로 뉴 에너지 트레인의 제2단계인 세 계최초로 연료전지 하이브리드 철도차량의 개발을 시작하였다.
2. JR 동일본의 환경문제 추진
○ JR 동일본은 일본철도의 약 4분의 1을 점하고 있으며, 2산화탄소 배출 량이 일본 철도업계의 약 30%를 점하고 있다. 또 열차운행을 중심으로 연간 사용하는 전력은 56.6억kW(2005년도)에 달하며, 이것은 일반 가정 151만 세대분의 소비전력에 상당한다. 따라서 JR 동일본이 지구환경에 주는 부하가 결코 작지 않다는 의식 하에 환경보전을 추진하게 되었다.
○ JR 동일본의 열차운행으로 2산화탄소 배출량이 전 배출량의 71%를 점 하여 열차운행 에너지삭감을 최대과제로 하고 있다. 따라서 회생 브레 이크나 VVVF인버터를 탑재한 생 에너지 전차를 2005년도까지 전 차량 의 81%, 2008년도까지 82%를 목표로 하고 있다. 이를 통해 2005년도의 단위수송량 당 운전에너지는 1990년도 대비로 15% 삭감할 수 있었다.
3. 뉴 에너지 트레인의 개발
○ 디젤차의 환경부하 저감을 목표로 한 뉴 에너지 트레인 개발로, 철도차
량에서는 세계최초로 하이브리드 시스템을 탑재한 시험차를 제작, 2003 년 5월부터 차량의 기본성능, 하이브리드 시스템성능, 에너지절약 효과 등을 확인하기 위한 주행시험을 하였다. 시험결과 종래의 디젤차와 비 교하여 약 20%의 에너지절약 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
○ 디젤 하이브리드 효과가 확인됨으로써 영업용으로서는 세계 최초의 하 이브리드 철도차량이 되었다. 키하E200형 철도차량 3량으로 2007년 여 름부터 영업운전을 개시하였고, 앞으로 2년간 영업운전을 통하여 각종 데이터를 확인할 계획이다.
– 또 2005년부터 환경부하 저감과 자율분산형 에너지 시스템 차량 개 발목표로 연료전지 하이브리드 차량의 개발을 시작하였다. 유럽에서 도 하이브리드 기술에 대한 관심이 고조되고 있으며, 국제철도연합 (UIC: International Union of Railways)에서 2007년 2월부터 Hybrid and Fuel Cell Traction에 관한 전문위원회를 설립하였다.
4. 연료전지 하이브리드 철도차량의 개발
○ 개발목표: 연료전지는 지구환경에 뛰어나고, 화석연료의 대체 동력원으 로 주목받고 있다. 그래서 환경부하저감을 목표로 수소를 연료로 하는 연료전지탑재 철도차량의 개발을 추진하기로 하였다. 첫째, 종래 연료 전지기술에 대응 가능한 연료전지를 사용한 철도차량 시스템기술의 개 발, 둘째, 연료전지 시스템을 철도에 사용할 경우의 과제파악을 개발목 표로 하였으며, 연료전지제어기술과제 이외에 고압수소가스를 취급하기 위한 법령상의 과제나 안전대책상의 과제도 포함하였다.
○ 연료전지 철도차량은 각 차량이 발전하여 에너지관리를 하고 주행하는 자율분산형 시스템이다. 기존차량은 발전소로부터 가선(架線)까지 전력 공급을 위한 많은 지상설비가 필요하지만, 연료전지 철도차량의 개발로 이들의 설비가 불필요하게 되며, 지상설비의 슬림화, 연선의 경관향상, 선로상공 이용이 가능하게 된다.
○ 연료전지의 선정: 개발에서는 고체고분자형 연료전지를 사용하였다. 이 유는 고체고분자는 운전온도가 낮고, 기동 정지시간이 짧으며, 발전효
율이 높고 소형화가 가능하며, 진동에 강한 점 등 철도차량 탑재에 적 합하기 때문이다. 고체고분자형 연료전지는 자동차용으로 연구개발이 진행되고 있으며, 신뢰성도 높다. 그래서 이번에는 자동차용으로 개발 된 출력 65kW의 연료전지를 2대 탑재하였다.
5. 연료전지 하이브리드 차량의 개요
○ 차량개조 시스템구성의 개요: 디젤 하이브리드 철도차량으로 개발한 뉴 에너지 트레인을 연료전지 하이브리드 철도차량으로 개조하였다. 디젤 엔진과 발전기를 연료전지로, 경유탱크를 고압수소 탱크로 교체함과 동 시에 컨버터를 승압장치로 개조함으로써 연료전지 하이브리드 철도차 량으로의 개조가 가능하였다.
– 연료전지 하이브리드 시험차량의 주행성능은 디젤하이브리드 철도차 량과 같게 하였다. 개발한 연료전지 하이브리드 철도차량에는 연료전 지를 2대 탑재하였기 때문에 연료전지 1대가 고장 났을 경우 건전한 연료전지로 주행이 가능하여, 고장에 강한 시스템구축이 가능하였다.
○ 에너지관리 제어시스템: 하이브리드 시스템은 주행에 필요한 에너지를 얻기 위한 발전장치와 축전지의 에너지 밸런스를 제어하고 있어 에너 지관리 제어시스템 개발은 중요한 개발요소이다.
○ 에너지관리 제어시스템은 차량의 가감속, 연료전지 발전량 및 축전지의 충방전 량의 제어를 위해 연료전지, 축전지, 수소탱크, 승압장치, 인버 터 등 각종 장치로부터 정보를 집약하고 있다. 개발한 연료전지 하이브 리드 철도차량에서는 디젤하이브리드 철도차량에서 개발한 에너지관리 제어시스템을 개수하여 연료전지의 특성에 맞는 에너지관리를 하였다.
○ 정차시는 연료전지로부터 축전지에 축전하고, 가속 시에 필요한 에너지 를 축적한다. 가속 시에는 주행에 필요한 에너지를 연료전지와 축전지 양쪽에 공급한다.
– 타행(惰行)시에는 축전지에 충전하고, 다음 가속 시에 필요한 에너지 를 충전한다. 제동시는 회생제동전력을 축전지에 충전한다. 이와 같
이 연료전지와 축전지를 조합함으로써 효율이 좋은 에너지관리를 실 현하였다.
○ 수소저장 용기: 현재70MPa고압용기의 개발이 진행되고 있지만, 법령 적합성이나 취급성 등을 고려하고 또 연료전지자동차에 많이 사용되고 있으므로 35MPa고압수소용기를 채용하였다. 연료전지 자동차에서는 알루미늄합금 라이너, 탄소섬유 복합용기를 사용하지만, 철도차량에서 는 강철제 이음이 없는 용기를 사용하였다.
○ 고압수소 안전대책: 연료로 사용되는 고압수소는 철도차량에 사용실적 이 없기 때문에 안전대책에 만전을 기하기 위하여 지상 측과 차량 측 으로 나누었다. 지상 측에는 주로 차량에의 고압수소 충전시의 대책이 필요하다. 충전작업은 고압가스 보안법에 준하고, 화기 거리나 보안거 리의 확보, 수동형 수소검지 센서에 의한 누설검지, 소화기의 설치, 작 업자에의 안전교육 등, 다양한 안전대책을 실시하였고, 차량 측에는 연 료전지자동차의 안전대책을 참고로 하였다.
○ 연료탱크는 수소취성을 고려한 고압배관이나 탱크를 선정하고, 차량주 행시의 진동안전성을 검증하기 위해 수소탱크 유닛의 진동시험을 실시 하였다. 또 수소누설시의 대책으로 수소탱크 유닛이나 연료전지 격납상 자에 수소검지 센서를 설치하고, 누설 검지 시에 수소탱크로부터의 수 소공급을 차단하는 기능을 설치하였다.
○ 구내 주행시험: 연료전지 하이브리드 철도차량은 2006년 7월에 완성, 연료전지의 기초데이터 수집과 안전성 확인을 위해 정치(定置)시험이나 구내 주행시험을 하였다. 구내주행시험의 주요 확인항목은, 연료전지의 기동특성과 냉각성능, 연료전지와 2차 전지와의 조합시험, 차량 가감속 성능, 안전한 수소공급이다. 구내주행시험에서는 약 300m의 시운전선 로에서 50km/h로 주행, 일반 전차와 동등한 가감속 성능을 갖는지의 확인시험이다.
○ 본선 주행시험: 2007년도는 영업용 선로를 사용한 주행시험을 실시하였 다. 시험 항목은 연료전지발전효율의 측정, 주행연비의 측정, 여름, 겨 울의 기상조건에 대한 성능시험, 주행안전성평가 등이다.
○ 2007년도 4월에는 세계에서 처음으로 연료전지를 동력원으로 하여 영 업용 선로를 주행하였고, 6월부터는 100km/h까지 가속하여 영업운전 에 가까운 상태의 성능을 평가하였다. 앞으로는 기기의 소형화, 경량화 나 에너지관리 제어시스템의 최적화, 연료전지 탑재과제의 파악 및 더 많은 에너지 절약을 추진할 예정이다.
○ 과제: 연료전지 하이브리드 방식은 세계최초의 시도이기 때문에 많은 과제가 있으나 이번 연료전지 하이브리드 철도차량개발에 있어서 검토 해야할 주요과제는 연료전지의 철도차량에의 적용가능성, 주행시의 고 효율 최적인 에너지관리 제어수법의 확립, 수소누설에 대한 안전대책 평가, 수소공급 방식의 타당성과 장래의 공급방식검토 등이다. 이들 과 제는 각종주행시험을 통해 해결할 계획이다.
6. 결론
○ 연료전지 하이브리드 철도차량의 개발에 있어서 연료전지나 고압수소 의 안전한 취급에 대하여는 일본 관련기관과 (주)철도총합기술연구소로 부터 조언을 받았다. 연료전지 철도차량의 실용화에는 연료전지의 수명 이나 코스트 및 2산화탄소를 배출하지 않는 수소인프라 등의 기술적인 파악이 필요하지만, 이번 기술개발을 통하여 연료전지 제어시스템, 수 소의 안전대책, 수소공급기술 등의 내재화에 노력하였다.
출처 : 古田 良介, 中神 匡人, “世界初の燃料電池ハイブリッド鐵道車輛の開發“, 「自動車技術(日 本)」, 61(9), 2007, pp.107~112
◁전문가 제언▷
○ 철도차량은 항공기나 선박, 자동차와 같이 다량의 여객이나 화물을 수 송하는 공공성이 강한 교통기관이지만, 다른 교통기관과는 기본적으로 다른 다양한 제약이나 특성이 있다. 그 중에서도 정해진 진로성과 2방 향 주행성 및 최대 편성운용은 철도만이 갖는 구조적 특성이다. 이러한 특성을 살려 철도는 운용상의 안전성, 정시성, 속도 도달성 등 여러 가 지 요청되는 기능을 충족해야 하는 복잡한 시스템으로, 조직적 종합기 술로 기능이 유지되고 있는 것이다.
○ 철도차량의 분류는 궤도를 갖는 운송시스템으로 궤도의 상태 등에 따 라 분류된다. 근래의 일반적인 철도차량 시스템은 철궤도 위를 철차륜 으로 차체를 지지, 철차륜의 회전운동이 철궤도와의 마찰력에 의하여 직선운동으로 변환되어 주행하게 되는 철도차량 시스템이 있으며, 최근 각국에서 개발 또는 실용화 되고 있는 시스템으로 자기부상열차 시스 템이 있다.
○ 자기부상열차에는 상전도 방식의 전자석을 사용한 흡인식이 있으며, 초 전도 방식의 전자석을 사용하는 반발식 방식이 있다. 흡인식은 300km/h전후의 속도를 목표로 하고 있는 반면에 초전도 방식은 500km/h이상의 속도를 견양하고 있다.
– 또 철도차량 시스템의 분류는 사용되는 에너지의 종류에 따라 화석 연료를 사용하는 디젤기관차, 석탄을 연료로 하는 증기기관차와 지상 에 설치된 가선으로부터 공급되는 전기에너지를 이용한 전동차량 시 스템이 있다. 이들 중 친환경부하가 적은 것이 전기에너지의 전동차 량 시스템이라 생각되지만, 효율측면에서 검토해야 할 부분이 많다.
○ 제시된 논문은 효율을 증대시키고 친환경적인 철도차량 시스템으로 수 소연료에너지를 사용한 연료전지 하이브리드 철도차량 시스템을 개발, 시험주행을 무사히 끝내고 영업운행에 돌입했다는 보고이다. 우리나라 도 궤도차량 시스템보급이 많은 나라로서 보다 효율 좋고 친환경적인 철도차량 시스템 개발투자에 노력해야 할 것으로 생각된다.
