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HOT ISSUE

수소열차 시대 머지않았다

현대로템, 수소트램 컨셉카 첫 공개…시험운전 중
2023년까지 1세대 양산형 모델 개발 예정
수소트램 양산 대비 통합형 수소충전소 구축
2024년부터 동차・간선형 수소열차 개발 착수

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[월간수소경제 이종수 기자] 향후 4~5년 내로 국산 수소열차가 상용화 시대를 맞이할 것으로 전망된다. 해외 첫 수출도 예정되어 있다. 철도차량 중 트램이 수소철도 시대의 포문을 연다. 


지난 2019년부터 수소전기트램 개발에 착수한 현대로템은 자체 연구개발 과제로 수소트램 콘셉트카(성능시험 플랫폼 차량)를 개발하고, 지난 4월 19일 처음으로 대외에 공개한 바 있다. 성윤모 전 산업통상자원부 장관과 최기주 국토부 대도시권광역교통위원회 위원장은 이날 현대로템 창원공장을 찾아 수소전기트램 개발 경과를 듣고, 원격주행 시험을 관람했다.


<월간수소경제>도 지난 5월 11일 현대로템 창원공장을 찾아 수소트램 콘셉트카의 주행 시험을 지켜봤다.


이번에 공개된 수소트램 콘셉트카는 규제샌드박스를 통해 ‘수소트램 상용화를 위한 주행시험’에 대한 실증특례(관련 부처: 산업부, 국토부)를 승인받아 개발될 수 있었다. 


특히 콘셉트카는 정부 연구개발 과제로 진행되는 ‘수소트램 실증사업’과 ‘해외 수출형 장거리 운행 수소트램용 연료전지 핵심기술 개발 및 실차검증 사업’을 통해 양산 모델로 발전하는 것은 물론 액화수소열차 개발에도 활용된다는 점에서 의미가 있다. 


현대로템은 6월 부산 벡스코에서 열리는 ‘2021 부산국제철도기술산업전’에 수소트램 콘셉트카를 선보이며, 수소철도차량 개발 의지와 로드맵을 널리 알릴 예정이다. 

  

전 세계서 트램 각광     

현대로템에 따르면 트램은 노면 위 도로 또는 분리된 전용궤도를 주행하는 경량 철도로, 초기 건설비와 인건비가 다른 철도시스템에 비해 적게 들고 친환경성과 이동편의성, 도시미관 개선 등으로 인해 전 세계적으로 새로운 도시교통 시스템으로 각광을 받고 있다. 트램 1대는 버스 3대, 승용차 174대와 맞먹는 수송 능력을 제공한다. 


현재 세계 404개 도시에서 트램을 운영 중이며, 85개 도시에서 건설 중이다. 향후 10년간 200개 이상 도시에서 트램을 도입할 예정이다. 




국내에서도 서울, 부산, 대전, 인천, 울산 등 여러 지자체에서 트램 도입을 추진 중이다. 국내 트램의 예상 발주량은 총 276편성으로, 이중 151편성(55%)은 단거리 노선으로 배터리 트램 적용이 우세하지만 나머지 125편성(45%)은 중장거리형 노선으로 수소전기트램의 경제성과 운용효율이 높아 상호 보완적으로 운행될 것으로 예상되고 있다. 


특히 울산시를 포함한 6개 노선에서는 수소트램을 우선 적용하기 위해 실무 협상이 진행 중이다.

 

수소트램 콘셉트카 시험운전

현대로템은 유가선 트램뿐만 아니라 국책과제로 무가선 배터리 트램을 개발한 바 있다. 무가선 배터리 트램을 개조해서 현대차의 수소연료전지 기술을 적용한 게 이번에 처음으로 공개한 수소트램 콘셉트카다.    


수소트램 콘셉트카는 저심도 트램 플랫폼을 활용한 것으로, A-C-B 3모듈로 편성됐다. 차량 길이는 21.09m, 높이 3.537m, 폭 2.65m, 중량은 약 21톤으로 구동대차 1대와 부수대차 1대로 구성됐다. 


A 모듈에는 구동대차와 추진시스템 배터리가 탑재됐다. 철도용 리튬이온 배터리팩 1세트(55kWh)와 함께 에너지효율을 높이기 위해 PMSM 공랭식 영구자석동기모터 4대(60kW)가 설치됐다.  


B 모듈에는 수소연료전지, 수소탱크, 제어배터리를 각각 탑재했다. 연료전지는 수소버스와 같이 수소 승용차 ‘넥쏘’에 탑재된 95kW급 2세트가 병렬로 설치됐고, 철도차량제어(TCMS)로 제어된다. 수소버스용 700bar 고압 수소탱크(타입4 104리터 8개, 약 33kg)는 지붕에 탑재됐다. 


C 모듈은 고객이 탑승하는 곳으로, 양문형 도어를 설치하고 실내 의장 작업을 진행했다.  


현대로템은 동력분배제어를 포함한 최적 주행제어 알고리즘 선행 연구를 통해 콘셉트카를 완성했다. 수소트램 충전시간은 10~15분 정도 걸린다.  


현대로템은 트램을 비롯한 과거 열차의 외관 디자인을 외부에 의뢰했지만 수소트램에 대해서는 현대차의 상용차 디자인 부문과 협업해 외부스타일링을 진행했다. 




내부 디자인도 현대차와 협업을 했다. 불을 켜면 LED로 행선지와 미세먼지, 온도, 날씨 현황 등 다양한 정보들이 실시간으로 표시된다. 넓은 창(통창)으로 바깥 풍경을 볼 수 있고, 중간에 가림막이 없어 탁 트인 뷰도 특징이다. 기존 트램에 없는 이동식 카페같은 분위기의 펌프시트도 설치됐다.  


<월간수소경제>는 지난 5월 11일 수소트램 콘셉트카 시운전을 지켜봤는데, 시동을 켰는지 모를 정도로 아주 조용하게 움직였다. 이 콘셉트카는 최대 시속 70km로 설계됐다.  


현대로템 철도기술연구소 스마트시스템팀 조연호 책임연구원은 “처음에는 배터리로 가동하고 배터리 양이 줄거나 속도가 높이지는 등 부하가 높아지면 자동으로 수소연료전지가 가동된다. 어느 정도 정속 구간이 되면 아예 배터리는 차단되고 연료전지로만 움직이게 된다. 적절하게 동력을 분배하는 게 수소트램의 핵심기술”이라며 “트램은 레일로 가는 것이라서 일반 자동차처럼 밑에서 올라오는 진동이 전혀 없어 ‘수평 엘리베이터’로 불리기도 한다”고 설명했다.   


수소트램 콘셉트카는 시험차량이라서 리모컨으로 간이 운전을 한다. 실제 차량에는 별도의 원격 운전대(와이파이 무선 운전 시스템)가 설치되는데, 이를 체험할 수 있는 기회가 마련된다. 현대로템은 6월 16일부터 19일까지 부산 벡스코에서 열리는 ‘2021 부산국제철도기술산업전’에서 수소트램과 함께 현대로템이 개발한 스마트 수소충전설비(디스펜서 등)를 선보인다.   




또한 이번 수소트램 콘셉트카는 한국철도기술연구원이 주관하는 국책과제인 ‘액화수소 기반 수소기관차 핵심기술 개발’ 사업에도 활용된다. 


철도기술연구원은 지난 4월 현대로템, 브이씨텍, 패리티와 함께 올해 1월부터 2024년 12월까지 이번 연구과제를 통해 최고속도 시속 150km, 한번 충전으로 1,000km 이상 운행하는 액화수소열차를 세계 최초로 개발할 예정이라고 밝힌 바 있다.  


조 연구원은 “수소트램 콘셉트카의 여유 공간에 액체수소 탱크, 기화기 등 액화수소 관련 장비를 장착해서 검증시험을 할 것”이라며 “수소저장용기(기체수소 저장탱크) 앞 폭 2.5미터, 길이 2미터 정도의 공간이 있는데 거기에 액체수소 저장탱크 설치를 위한 검토를 진행 중”이라고 밝혔다. 


조 연구원은 “차량 중간에 선택밸브를 설치해서 기체수소로 사용할 때는 기체수소 모드로 하고, 액체수소로 할 때는 액체수소에서 기화된 기체수소가 특정한 장소에 저장되었다가 그 기체수소가 다시 들어가는 방식으로 시험을 진행하게 된다”고 설명했다. 

 

수소충전은 어떻게?

수소트램 시험운전은 수소연료 충전이 핵심 관건이다. 현재 국내에는 철도차량에 수소를 충전할 수 있는 곳이 없다. 법적으로 수소충전소에서는 자동차만 충전이 가능하고 수소트램은 금지되어 있다. 


이에 따라 현대로템은 정부의 규제샌드박스를 활용해 산업통상자원부에 수소트램 주행시험에 대한 실증특례를 신청, 지난해 10월 승인을 받았다. 이미 운영 중인 사업용 수소충전소에서 수소트램 충전을 허용해 달라는 내용이었다. 이로써 시험기간 동안 창원 성주동에 있는 수소충전소에서 충전이 가능해졌다. 




현대로템은 지난해 11월부터 올해 1월까지 수소트램 콘셉트카 제작을 완료하고, 지난 2월 25일 처음으로 트레일러에 수소트램을 싣고 성주충전소에서 수소연료를 충전하고 현대로템 창원공장 시험선로로 돌아왔다. 지난 4월 6일 정차상태 수소기동시험을 마치고 4월 19일부터 동적기동시험을 진행 중이다.  


강광호 현대로템 철도기술연구소 스마트시스템팀 책임연구원은 “수소트렘 콘셉트카에는 완충 시 33kg의 수소가 들어간다. 시험운전을 위해 20kg을 충전했는데 충전가격이 27만 원 정도 나왔다. 그런데 수소트램 운송비용은 약 2,000만원(왕복 1회) 정도 들어 배보다 배꼽이 더 큰 셈”이라고 밝혔다.    


현대로템은 향후 수소트램 양산에 대비한 수소충전소도 고민해야 한다. 창원산업진흥원이 지난해 10월 현대로템과 함께 실증특례를 승인받은 ‘수소 이동수단 통합형 수소충전소’가 그 해결의 실마리가 될 전망이다.

   

창원산업진흥원은 수소트램을 포함해 수소차, 수소버스, 수소건설기계, 수소이륜차, 수소드론 등 다양한 수소 이동수단이 한 곳에서 충전이 가능한 통합형 수소충전소를 도시공원인 창원시 덕동공원 일대에 구축할 예정이다. 그러나 ‘도시공원 및 녹지에 관한 법률 시행령’에 수소충전소가 점용허가 대상에 포함되어 있지 않아 설치가 불가능했다. 이번 실증특례를 통해 통합형 수소충전소를 구축할 수 있게 된 것이다.  


조연호 연구원은 “현대로템이 향후 수소트램을 양산하게 되면 양산하는 모든 차량에 한번씩 수소충전을 해야 하는 데 공장 내에 수소충전소를 짓기는 힘들다”라며 “현대로템 창원공장 내 시험라인부터 덕정공원에 지어지는 복합 수소충전소까지 이어지는 철도라인을 구축해 창원공장에서 만든 수소트램을 복합 수소충전소로 이동시켜 수소를 충전한 뒤 다시 공장으로 돌아와 시험트랙에서 시험을 하고 납품(수출)을 할 수 있도록 진행할 예정”이라고 설명했다.  


때마침 현대로템이 창원시가 발주한 덕정공원 복합 수소충전소 구축사업자로 선정되어 수소충전소 구축역량까지 확보할 수 있게 됐다. 올해 말 준공을 목표로 하고 있다.  


현대로템은 향후 수소트램 확산에 대비해 수소트램 및 충전소 패키지 공급 역량을 확충할 계획이다. 트램은 전용 선로를 운행하고, 배차시간 준수는 물론 안전하고도 안정적인 수소연료 공급이 필수적이기 때문이다. 수소트램과 충전시스템 통합설비 일괄보증이 필요하다는 얘기다. 글로벌 시장에서는 철도차량 운영사들이 이 같은 방식을 요구하는 추세다.   


트램 및 충전소 패키지 공급방식은 장애 발생 즉시 조치가 가능하고, 시스템의 안정화와 유지 보수 인력의 최소화(일원화)는 물론 열차와 충전시스템을 연계한 통합설비 공급・보증이 가능하다는 장점이 있다는 게 현대로템 측의 설명이다. 


이에 따라 현대로템은 차량과 수소충전소의 설계・제작・시험・실증・유지보수 등의 통합관리시스템을 구축해 고객사에 공급할 예정이다.  

 

올해 양산형 모델 개발 착수 예정

현대로템은 이번 수소트램 콘셉트카를 기반으로 올해 6월 산업부가 지원하는 국책과제 입찰에 참여할 예정이다. 이 과제는 ‘해외수출형 수소연료전지 핵심요소기술 개발 및 검증사업’으로, 오는 2023년 12월까지 진행된다.  


국비 290억 원과 민간투자금액이 투입되는 이번 사업을 통해 1회 수소충전 40kg으로 최고속도 70km/h, 150km 이상의 무가선 주행을 목표로, 약 33m 길이의 5모듈로 구성된 해외수출형 수소트램(1세대 모델)을 개발해 성능 및 안전성을 검증할 예정이다. 95kW급 4세트 총 400kW급의 연료전지를 탑재해 주전원으로 사용하고, 배터리를 이용한 회생에너지 저장과 추진 시 동력을 보조하는 하이브리드 시스템으로 구성된다.   


기존 차량용 연료전지는 철도차량용으로 리뉴얼하여 제작하고, PMSM(견인전동기), 추진인버터·보조전원장치(일체형), 수소탱크, 연결튜브, 통합냉각장치, 통합제어디지털서비스 등의 핵심요소기술을 철도차량 환경에 맞게 개발할 예정이다.   


현대로템 철도기술연구소 이원상 연구개발실장(상무)은 “수소전기트램은 모듈별로 수소전기버스와 유사한 운행조건과 동력성능을 가지고 있어서 우선 현대자동차의 수소전기버스 기술을 활용하되 각종 인터페이스에서 다른 면이 있어 고려해야 할 엔지니어링 이슈를 해결하기 위한 새로운 최적화 개발이 필요하다”고 밝혔다. 


조 연구원은 “수소트램 양산 모델 개발에서는 수소연료전지 등 주행에 필요한 시스템을 모듈화해 차량 지붕에 탑재하기에 연료전지의 경우 기존 차량용보다 높이를 낮추어서 별도로 제작할 예정”이라고 설명했다. 


이처럼 주행 시스템을 차량 지붕에 탑재함에 따라 저상형 구조를 실현할 수 있어 객실 공간 효율성이 우수하고, 지면과 차량 바닥의 높이가 낮아 일반 승객은 물론 휠체어, 유모차 등 교통약자의 승하차가 편리한 장점도 있다. 




또한 수소전기트램에는 수소연료전지가 발생시키는 물(반응수)을 활용하는 기술이 적용된다. 수소트램의 경우 수소 사용량의 절반만큼 물이 나온다는 게 현대로템 측의 얘기다. 트램은 곡선을 통과할 때 차륜과 레일 사이의 접촉으로 인해 마모와 소음이 발생하는데, 연료전지에서 발생한 물을 곡선에 적절히 분사하면 차륜과 레일 사이에서 발생하는 소음과 마모를 크게 감소시킬 수 있다. 


2023년까지 개발되는 양산형 수소트램은 폴란드로 처음으로 수출될 예정이다. 양산형 모델이 수출형으로 개발되지만 국내 공급도 가능하다. 


조 연구원은 “수출용이나 국내용은 기술이 동일하다. 다만 나라마다 철도차량에 관한 법규와 규정(기준)이 다르기에 한국형으로 만들면 된다”라며 “이번 사업은 폴란드 트램을 기준으로 하고 있기에 해외 규정을 준수해 실증한 후 폴란드로 수출하게 된다”고 말했다. 


그는 이어 “국내용은 별도로 국내 관련 법규와 규정이 마련되어야 하는데 아직 정비가 되지 않은 상태이다. 현재 철도기술연구원이 국토부 지원 국책과제를 수행하고 있는데, 이를 통해 수소철도 관련 법규나 규정안을 도출할 예정”이라며 “현재 부산 오륙도에서 무가선 배터리 트램 실증사업이 진행 중인데, 그 과정에서 트램 관련 규정이 정비되고 있다. 배터리 트램에 수소 관련 내용을 추가해서 국내에서 바로 적용될 수 있도록 긴밀히 협력하고 있다”고 밝혔다.   


한국철도기술연구원은 지난 2018년부터 2022년까지 1.2MW 이상 수소연료전지를 적용해 수소 1회 충전으로 최고속도 110km/h, 600km 주행이 가능한 철도차량을 개발하고 있다.


현대로템은 해외수출형 양산 모델을 개발한 후 국내에서도 바로 실증사업에 들어갈 예정이다. ‘범부처 수소 R&D 사업’에 포함된 수소도시 기반 통합실증과제의 일환이다. 


이와 관련해 현대로템은 지난해 8월 울산시와 ‘수소전기트램 실증 및 보급 활성화 업무협약’을 체결했다. 울산시는 실증노선 확보와 수소충전소 설치를 위한 행정지원을, 현대로템은 수소전기트램의 설계・제작, 수소충전소 설치 및 시험운전, 궤도, 신호 등 시스템 개량・신설 분야를 각각 담당한다. 


조 연구원은 “실제로 차량을 특정 정차역에서 운용하고, 중간에 갑자기 고장이 났을 때 고장 조치 등 운용상의 문제점을 확인해야 한다. 수소트램의 핵심기술은 동력분배・제어 기술이다. 어떻게 배터리와 수소연료전지를 운용해야 적은 수소량으로 많이 운행할 수 있는지, 수소연료전지와 배터리의 수명을 적절히 유지하면서 차량을 운용할 수 있는지 등이 관건인데, 이런 것들은 차량 기능 실증만으로는 안 되고 운행 실증이 반드시 필요하다”고 말했다.

 

현대로템의 향후 계획

현대로템은 1세대 양산 모델 개발에 이어 2024년부터 2세대 수소철도차량(동차・간선형 수소열차) 개발에 나설 예정이다. 1~2MW급 연료전지를 탑재한 수소열차로, 중형 철도차량에 해당한다. 2세대 수소열차는 디젤동차를 대체하는 수소전기 동차나 기존 도시형 전동차 급의 신규노선 또는 개조사업, 입환기관차급의 소형기관차 등으로 활용될 수 있다.  


2세대에 이어 2030년까지 3세대 수소전기철도(기관차・고속철도)를 개발할 계획이다. 차량 1량에 3MW급의 대형연료전지 모듈이 필요한 철도차량으로, 기존 디젤전기기관차를 대체할 수 있다. 대용량 파워팩을 이용해 화물운송 또는 여객 운송을 장거리로 운행할 수 있는 차량인 수소전기기관차로 고려할 수 있다. 남북경협 등 국책과제로 개발한다는 계획이다. 특히 전 세계 디젤기관차 교체 수요에 맞춰 해외 주력수출품으로 육성도 가능할 것으로 기대된다. 


조연호 연구원은 “현대로템이 개발한 수소트램 콘셉트카는 성능시험 플랫폼으로, 사유지로 분류된 현대로템 창원공장 내 시험선에서 제한적인 시험을 수행하기 때문에 실증특례만으로 시험이 가능하지만 양산 모델 개발부터는 영업노선에서 실제 운행조건과 동일한 시험을 수행해야 하므로 철도안전법 등에 관련 법규와 규정이 마련되기 전에 선제적으로 임시허가 제도를 이용해 차량 운행 및 시험이 가능하도록 제도적인 보완이 필요하다”고 강조했다. 




수소전기기관차는 대용량 수소연료전지 파워팩을 사용해 움직이는 발전소의 역할도 기대할 수 있다. 


이원상 실장은 “기존의 철도차량이 에너지를 소모하는 소비자의 역할이었다면 수소전기기관차는 분산형 파워그리드 망을 이용한 에너지운반 시스템으로 변신을 하고, 최종적으로 대용량 이동형 발전소 역할을 수행하면서 에너지공급 기능을 담당하는 것까지도 기대할 수 있다”고 말했다. 


이 실장은 “일단 3세대 수준의 수소연료전지 시스템을 보유하게 되면 현재 도입을 고려하고 있는 GTX 급의 준고속 전동차나 EMU250 고속열차에 적용하는 것도 바라볼 수 있을 것이고, 향후 대륙철도망까지 연계해 장거리 운송을 담당하게 되는 날도 올 것으로 기대한다”고 밝혔다. 






한편 독일 알스톰은 디젤동차를 수소철도(최고속도 80km/h)로 개조해 2018년부터 시험운행 중이다. 독일 지멘스도 수소전동차 개발 계획을 발표했다.  


일본에서는 JR East, 히타치, 도요타가 공동으로 400kW급 수소전동차(최고속도 100km/h)를 개발 중으로 올해 시험운행에 나설 계획이다.  


영국 Poterbrook과 BCRRE, 오스트리아 Zillertal Railway가 오는 2022년 각각 수소철도 운행을 개시할 예정이다. 중국 CRRC는 수소트램 도입 연구 및 시범운행 중으로, 포산・루저우・타이저우 시에 순차적으로 도입할 예정이다.





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