2022.10.31 (월)

FOCUS

獨 수소열차시대 개막…후발주자들은 개발 한창

독일 니더작센주서 세계 최초 수소열차 정식운행 개시
美·日·EU서도 수소열차 개발 박차
한국은 기체수소열차, 액화수소열차 개발 한창

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[월간수소경제 박상우 기자] 국제철도연맹은 지난 2014년 UN 기후정상회의에서 ‘저탄소 철도수송 도전’이라는 슬로건을 공표하고 1990년 대비 철도부문의 탄소배출량(승객 인킬로 및 화물 톤킬로 기준)을 2030년까지 50%, 2050년까지 75% 감축한다는 목표를 제시했다. 


여기에 전세계에서 탄소중립을 실현하고자 높은 비중을 차지하는 수송부문의 탄소배출량을 줄이는데 역량을 쏟고 있다. 그 일환으로 전기 또는 수소를 동력원으로 사용하는 전동화 열차 비중을 확대하고 있다.


전동화 열차는 매연이 없는 데다 수송 능력 향상, 소음 저감, 고속 운행 등 많은 장점을 가진 친환경적인 교통수단으로 주목받고 있기 때문이다.


이에 국가철도공단은 철도 전철화율을 2021년 74.4%에서 2025년 83.9%, 2035년 100% 달성하겠다는 목표를 세웠다. 즉 모든 열차가 전 구간을 전기로 다닐 수 있도록 모든 철도를 전차선로(철로 위 전철선)로 대체한다는 것이다. 


그러나 산간 지역과 같이 전철화로 전환하기 어려운 곳은 전차선이 필요 없는 배터리열차와 수소열차로 대체될 것으로 보인다. 


이 중 수소열차는 배터리열차보다 충전시간이 짧고 주행거리가 긴 데다 전차선, 변전소 등의 급전설비가 필요하지 않아 전력인프라 건설 및 유지비용을 절감할 수 있다.


이에 여러 나라에서 디젤열차를 대체할 전동화 열차 개발에 착수했고 지난 8월 독일에서 수소열차 시대가 개막했다.
 
독일서 수소열차 상업운행 시작
지난 8월 24일 독일 서북부에 있는 니더작센주 브레머뵈르데시에서 세계 최초로 수소열차 정식운행이 시작됐다. 해당 프로젝트를 시작한 지 10년 만이다. 

 


니더작센주정부는 디젤열차를 수소열차로 대체하기 위해 지난 2012년 린데, 독일의 철도·버스 운영회사인 EVB, 프랑스의 철도차량 제조업체인 알스톰과 해당 프로젝트를 시작했다.


주정부는 프로젝트에 총 8,500만 유로를 투입했으며 독일 연방정부는 국가 수소·연료전지 기술 혁신 계획의 일환으로 수소열차 구매비용 840만 유로와 수소충전소 구축비용 430만 유로를 지원했다.


이 프로젝트에 투입된 열차는 알스톰이 세계 최초로 개발한 수소여객열차인 ‘코라디아 아이린트(Coradia iLint)’로, 2량 1편성으로 제작돼 총길이가 54미터이며 좌석은 155석이다. 


파워트레인은 커민스의 자회사인 하이드로제닉스가 공급한 200kW급 연료전지와 독일의 전기차 배터리 제조업체인 아카솔(Akasol)이 공급한 220kW급 리튬이온배터리가 결합된 수소연료전지 하이브리드가 탑재됐다. 연료전지는 차량 지붕에, 배터리는 차량 하부에 설치됐다.


여기에 94kg 용량의 수소저장용기와 엑스페리온이 공급한 액화수소저장용기가 지붕에 배치됐다. 이를 통해 열차는 완충 시 1,000km를 주행할 수 있으며 1km당 수소 소비량은 200~300g이다. 또 최고속도는 140km/h이다.


알스톰은 지난 2018년 9월부터 약 2년간 오스트리아, 폴란드, 스웨덴, 네덜란드 등에서 10만km 이상의 시험운행을 진행했다. 특히 지난 9월에는 1회 충전으로 독일 브레머뵈르데(Bremervörde)에서 뮌헨까지 총 1,175km를 주행하는 테스트에 성공하기도 했다.


EVB는 초기물량으로 5대의 코라디아 아이린트를 도입했으며 올 연말까지 총 14대를 해당 노선에 순차적으로 투입해 기존 디젤열차 15대를 완전히 대체할 계획이다. 


EVB는 코라디아 아이린트를 독일 니더작센주 서북부에 있는 쿡스하펜(Cuxhaven)을 출발해 브레머하펜(Bremerhaven), 브레머뵈르데를 거쳐 북스테후데(Buxtehude)에 도착하는 약 100km 길이의 노선에 투입했다. 


아울러 린데는 해당 노선의 중간지점인 브레머뵈르데역 인근에 수소열차용 충전소를 구축했다. 이 충전소는 64개의 500bar 중압 저장탱크, 6대의 압축기, 2대의 연료펌프를 갖추고 있으며 하루 최대 충전용량은 1,800kg이다.


알스톰은 EVB뿐만 아니라 독일 프랑크푸르트 메트로폴리탄 지역 노선에 27대, 이탈리아 롬바르디아 지역 노선에 6대, 프랑스 4개 지역을 연결하는 노선에 12대를 공급할 예정이다.
 
美·日·EU서 수소열차 개발 박차
이같이 독일에서 세계 최초로 수소열차 정식운행이 시작된 가운데 여러 나라에서 수소열차 개발에 박차를 가하고 있다.

 


지난 2월 동일본철도는 도요타자동차, 히타치와 개발한 일본 최초의 수소열차인 ‘HYBARI(히바리)’를 공개했다.
히바리는 지난 2020년 6월부터 총 40억 엔을 투입해 개발한 연료전지와 배터리를 전기 공급원으로 하는 수소열차로 2량 1편성으로 제작됐다. 열차 디자인과 설계는 일본의 철도차량 제작업체인 종합차량제작소가 담당했다. 또 연료전지 개발은 도요타가, 주회로용 배터리와 하이브리드 드라이브 시스템 개발은 히타치가 맡았다.


도요타는 수소전기차 미라이 등에 탑재되는 연료전지를 기반으로 60kW급 연료전지 4개를 개발해 히바리 2호차 하부에 배치했다. 700bar 충전이 가능한 수소저장탱크는 히바리 2호차 지붕에 설치됐으며 용량은 1,020리터다. 


또 1호차 하부에는 120kWh 리튬이온배터리 2개와 하이브리드 드라이브 시스템이 탑재됐다. 배터리에 충전되는 에너지는 구동모터인 4개의 95kW 트랙션 모터에 공급된다. 이를 통해 히바리는 1회 충전으로 최대 140km까지 주행할 수 있다. 최고속도는 100km/h이다.


동일본철도는 지난 3월 요코하마와 가와사키의 공업지대를 달리는 쓰루미선(鶴見線) 등에서 히바리의 시험운행을 시작했으며 2030년에 상업운전을 개시한다는 계획이다.


도요타, 독일 항공우주센터 차량연구소, 스페인 공영철도기업인 렌페, 포르투갈 국영철도·도로인프라기업인 IP 등 총 8개 기업으로 구성된 FCH2RAIL 컨소시엄은 지난해 1월부터 유럽에서 운행되고 있는 디젤 동력 열차를 바이모달 수소연료전지 열차로 전환하는 프로젝트를 수행하고 있다.


FCH2RAIL이 개발 중인 시비아(CIVIA)는 전력공급선이 있는 구간에서는 일반 전기열차처럼 전력을 공급받으면서 주행하다 전력 공급선이 없는 구간에서는 수소연료전지 배터리 시스템으로 주행한다. 이 시스템은 모듈 및 수소탱크의 수에 따라 운행 범위가 결정되도록 설계돼 여객 수송 및 화물 운송에 모두 사용할 수 있다.


유럽의 철도 노선 중 일부는 지리적 조건에 따라 전력공급선이 설치되지 않아 순수 배터리로만 움직이는 열차를 운행하지만, 경로와 외부 온도에 따라 운행 범위가 제한적이다. 또 기존 디젤열차는 전동열차보다 최고속도와 가속력 면에서 성능이 떨어진다.


이에 FCH2RAIL은 바이모달 수소연료전지 열차인 시비아 개발에 착수했다. 시비아에 탑재될 연료전지 모듈 개발은 도요타가 맡았다. 도요타는 자사의 2세대 연료전지시스템인 Gen2를 기반으로 모듈을 개발하고 있는 것으로 알려진다.

 


FCH2RAIL은 이를 기반으로 지난 5월 말 시비아 프로토타입 모델 제작을 완료하고 스페인 사라고사에 있는 CAF 공장에서 정적시험을 진행했다. 약 두 달간 진행된 정적시험이 성공적으로 완료됨에 따라 지난 8월 동적시험에 돌입했다.


FCH2RAIL은 향후 4년 안에 시비아 개발과 상업운행 승인을 모두 완료한다는 계획이다. 이를 위해 총 1,400만 유로가 투입될 예정이며 이 중 1,000만 유로는 유럽연합의 클린 하이드로젠 파트너십(Clean Hydrogen Partnership)에서 지원된다.


스위스의 철도차량 제조회사인 슈타들러 레일(Stadler Rail)은 미국 캘리포니아주에 있는 샌버너디노 카운티 교통국(SBTCA)과 협력해 북미 최초의 수소열차인 ‘FLIRT H2’를 개발하고 있다.


슈타들러는 지난 2019년 SBTCA와 수소열차 납품 계약을 체결하고 수소열차 개발에 착수, 지난 9월 독일 베를린에서 열린 세계 최대 국제철도기술 박람회인 이노트란스(InnoTrans)에서 ‘FLIRT H2’를 공개했다. 


FLIRT H2의 특징은 연료전지, 수소저장탱크, 냉각시스템이 차량 지붕이나 하부가 아닌 앞차와 뒤차를 연결하는 중차에 배치된다는 것이다. 중차 내부는 연료전지, 수소저장탱크, 냉각시스템이 좌우로 나눠 배치됐으며 중앙에는 승객이 지나다닐 수 있는 통로가 마련돼 있다. 배터리와 컨버터는 승객이 탑승하는 객차의 지붕에 배치됐다. 


연료전지는 캐나다의 발라드파워시스템즈가 맡았다. 발라드는 지난 9월 슈타들러부터 연료전지시스템에 대한 주문을 받았다고 발표했다. 이에 따라 발라드는 100kW급 FCmove™ HD+ 연료전지모듈 6개를 납품할 예정이다.


이를 통해 FLIRT H2는 1회 완충 시 최대 460km까지 주행할 수 있으며 최고속도는 127km/h다. 좌석수는 2량 1편성 기준으로 116석이다. 


슈타들러는 FLIRT H2를 오는 2024년에 상용화한다는 계획이다. SBTCA는 이 열차를 로스앤젤레스 동쪽에 있는 샌버너디노와 레들랜즈 대학교를 연결하는 14.5km 길이의 애로우 라인(Arrow Line)에 투입해 하루 최대 16회 운행한다는 방침이다.

 


캘리포니아주에서는 대규모 수소열차 인프라 구축 사업인 ‘밸리 링크 레일(Valley Link Rail)’ 프로젝트도 진행되고 있다. 


이 사업은 샌프란시스코 동쪽 더블린·플레전턴(Dublin·Pleasanton) 베이와 스톡턴을 연결하는 42마일(67.6km) 길이의 수소열차 전용 노선을 구축하는 것이다. 특히 열차에 공급할 그린수소를 직접 생산·공급하기 위한 시설도 구축될 예정이다. 


사업은 더블린, 맨티카, 스톡턴 등 지자체와 샌프란시스코 도시철도공사, 리버모어 아마도르 밸리 교통국 등 15개 기관이 이사회를 구성해 지난 2018년 1월 1일에 설립한 트라이밸리-샌 호아킨밸리(Tri-Valley-San Joaquin Valley) 지역 철도청이 주관하고 있다. 


철도청은 지난해 5월부터 해당 사업을 진행하고 있으며 노선 공사는 2단계에 걸쳐 진행된다. 1단계는 더블린·플레전턴 베이에서 트레이시(Tracy) 베이까지 연결하는 26마일(41.8km)의 노선을 구축하는 것으로 2025년에 공사를 시작할 예정이다. 


2단계 공사 일정, 수소열차 공급 업체, 수소생산시설의 세부 사항은 아직 확정되지 않았으나 2040년 안에 모든 공사를 완료한다는 목표를 세웠다.
 
국내 수소열차 상용화는 언제?
한국에서도 수소열차 개발이 한창 진행되고 있다. 

 


국토교통부 산하 한국철도기술연구원(이하 철도연)을 비롯해 한국철도공사, 우진산전 등 7개 기관은 지난 2018년 4월부터 ‘수소연료전지 하이브리드 동력시스템을 적용한 철도차량 추진시스템 최적화 및 운용기술 개발 과제’를 수행하고 있다.


이 과제는 최고속도 시속 110km, 1회 충전으로 600km 이상 주행할 수 있는 수소열차를 개발하는 것으로, 올 12월에 완료할 계획이다. 사업비는 정부예산 220억 원을 포함해 총 250억 원이다.


주관기관인 철도연은 연료전지 기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발을, 우진산전은 연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발을 맡아 과제를 수행, 지난해 말 시제품 제작에 성공했다.


이 열차는 2량 1편성으로 제작됐으며 지붕에 총 166kg(1량당 83kg)의 수소를 저장할 수 있는 14개의 수소저장탱크와 200kW를 출력할 수 있는 PEMFC 1기가 배치됐다. 차량 하부에는 배터리가 설치됐다. 


철도연은 현재 충북 오송에 있는 철도종합시험선로에서 안정성과 효율성 등에 대한 성능검증을 진행하고 있으며 올 연말에 완료할 계획이다. 성능검증이 끝나면 실제 노선에 투입해 실증을 진행할 예정이다. 철도연은 경원선 연천~월정리 구간(30km)과 경기북부교외선(고양~양주~의정부 31km) 내 비전철 구간에서 실증을 추진하고 있다. 


이와 함께 철도연은 지난해 1월부터 현대로템, 브이씨텍, 패리티 등과 액화수소열차를 개발하는 ‘액화수소 기반 수소기관차 핵심기술 개발’ 과제를 수행하고 있다.


철도연은 700bar 기체수소 열차 대비 운행거리 1.6배 향상, 충전시간 20% 단축을 목표하고 있다. 이를 통해 최고속도 150km/h, 1회 충전으로 1,000km 이상 주행할 수 있는 액화수소열차를 개발할 예정이다. 


현재 철도연은 상용 디젤기관차 대체가 가능한 2.7MW(390kW 모듈 기반)급 연료전지 추진기술과 액화수소 공급기술을 개발 중이며 향후 트램에 장착해 시험할 계획이다. 이후 대용량 기관차 구현을 위한 액화수소 기반 추진기술 및 액화수소 공급기술을 개발해 전차선이 없는 구간에서 운영할 수 있는 액화수소기관차 실용화를 진행할 예정이다. 


철도연은 오는 2024년 12월까지 정부예산 145억 원을 포함해 총 186억 원을 투입해 과제를 수행한다. 


이같이 수소열차 개발이 활발하나 상용화까지는 넘어야 할 산이 많다. 


먼저 수소열차 개발과 상용화에 필요한 기술기준이 마련돼야 한다. 현행 철도안전법령에는 디젤과 전기를 동력원으로 하는 철도차량에 대한 기술기준이 있으나 연료전지를 동력원으로 하는 철도차량에 대한 기술기준이 없다. 


이에 정부는 지난해 6월에 열린 7차 신산업 현장애로 규제혁신방안에서 수소열차 기술기준을 마련하기로 했다. 지난해 8월까지 철도차량 기술기준안 마련을 위한 R&D 기획연구를 진행했으며 올해부터 2025년까지 R&D 본연구를 진행해 2026년 12월 철도차량 기술기준을 개정할 계획이다.


또한 수소열차 전용 충전 인프라 구축 속도가 더디다. 

 


지난 9월 철도연은 충북 오송 철도종합시험선로에 국내 첫 수소열차용 충전시설인 ‘K-수소철도 오송충전소’를 개소했다.


철도연은 전세계적으로 수소열차용 충전시설에 대한 기술기준이 마련되지 않음에 따라 지난해 4월 규제샌드박스를 신청, 7월에 승인받았다. 이후 관련 업계·학계·관계기관 전문가로 안전관리위원회를 구성해 국내외 사례조사 및 정성적·정량적 위험성 평가 등으로 시설기준, 기술기준, 충전방법, 안전기준과 안전관리위원회 구성 및 운영 등이 포함된 추가안전기준안을 제출해 그해 11월 승인을 받아 본격적인 충전소 구축에 돌입, 지난 9월에 완공했다.


충전소는 35MPa의 압력으로 수소를 충전할 수 있게 설계됐다. 고압수소압축기(41.3MPa), 수소저장용기(사용압력 50MPa), 충전기(35MPa) 등으로 구성됐고, 수소열차 시험차량과의 인터페이스 확인 및 단계적 충전시험을 거쳐 운영할 계획이다.


이를 통해 철도연은 실증 데이터 수집 및 분석을 통한 철도 분야 기술기준 제정 등을 추진할 계획이다.


지난 10월에는 경남 창원시 성산구 대원동 덕정공원에 통합형 충전소인 ‘대원수소충전소’가 개소했다. 이 충전소는 승용차, 상용차뿐만 아니라 드론, 이륜차, 건설기계, 트램 등 모든 수소모빌리티의 충전이 가능하다.


창원시는 당초 이 충전소를 수소버스용 충전소로 구축할 예정이었으나 수소트램을 비롯한 다양한 수소모빌리티의 개발과 실증을 지원하기 위해 현대로템 창원공장 인근 덕정공원을 대상지로 선정, 환경부 승인을 거쳐 통합형 수소충전소를 구축하는 방향으로 사업을 추진해왔다.


그러나 기존 법령과 규제로는 승용차와 버스 이외의 모빌리티에 대한 수소충전이 불가능함에 따라 창원시는 창원산업진흥원을 통해 규제샌드박스를 신청, 산업부 실증특례를 승인받았다. 이후 지난 9월 창원국가산단 개발계획 변경 및 실시계획 승인 고시 등 행정 절차를 밟았다.


이같이 수소열차 충전 인프라 구축이 시작됐으나 본격적인 인프라 확대는 규제샌드박스를 통해 수집된 데이터로 관련 기준이 만들어진 이후에나 이뤄질 것으로 예상된다. 


즉 수소열차 개발 속도는 빠르나 관련 규제 개선과 인프라 구축 속도가 느려서 국내 수소열차 상용화 시점을 가늠하기가 어렵다.





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