기관차

기관차(機關車, Locomotive)는 객차나 화물차(貨物車)를 여러개 연결하여 동력의 힘으로 궤도 위를 달리는 차량 및 기차를 말한다. 대개 화물이나 승객을 태우지 않고, 순수하게 열차에 동력만을 공급하는 철도 차량을 의미한다.

기원

18세기 중엽 산업혁명으로 비약적으로 증가하는 공산품의 수송수요를 해결하기 위해 영국에서 발명된 것이 증기기관차이다. 증기기차가 개발된 것은 증기의 힘이 동력을 제공하는 부분인 증기기관차 부분이 발명되었기 때문이다. 증기기관차는 증기기관의 증기 힘을 바퀴 회전에 이용했으며, 증기기관차가 생기면서 사람은 가축이나 사람의 힘에 의존하지 않고 증기의 힘만으로 이동을 할 수 있게되었다. 기차에 알맞게 증기기관을 적용시키는 데에는 오랜 세월이 걸렸다. 제임스 와트(James Watt)가 만든 증기기관을 기차의 바퀴에 단순히 연결하기만 한다고 기차가 움직일 수 있는 것은 아니었다. 초기의 증기기관은 철로 된 무거운 보일러와 피스톤이 달린 실린더로 구성되어 있었으며, 그 자체로도 무게가 상당했다. 증기기관차는 아래 달린 바퀴를 이용하여 이 무거운 기관을 움직이게 해야 했고, 무거운 기관을 움직이는것은 어려운 일이었다. 와트의 증기기관을 이용하여 무거운 기관을 움직이는 힘을 만들기 위해서는 보일러와 실린더의 크기가 커져야 했다. 하지만, 이동을 위해 보일러와 실린더의 크기가 무한정 커질 수도 없었다. 또한, 증기기관차는 높은 압력을 필요로 했는데 와트의 증기기관은 공기 압력 정도를 만들어낼 수 있는 저압 기관이다. 따라서 증기기차를 위해서는 부피가 작으면서 높은 압력을 만들어낼 수 있는 고압 증기기관이 필요했다. 이에 영국인 리처드 트리비틱(Richard Trevithick)은 트레비식 고압 증기기관을 제작해 증기기관차를 처음으로 시험 운전하는 데 성공했다. 트레비식 고압 증기기관은 와트의 증기기관에 있던 응축기를 제거하고 보일러에서 발생하는 증기로 움직이는 피스톤이 장착된 실린더를 적용했다. 트레비식 증기기관은 실린더 모양의 보일러에 수평으로 장착된 한 개의 실린더와 보일러 연소에 쓰이는 석탄 가스가 배출되는 연통 및 실린더 피스톤 봉에 연결된 바퀴로 구성되어 있다. 트레비식은 자신의 증기기관을 이용하여 최초의 기관차를 만드는 데 성공했다. 1804년에 영국 웨일즈에서 첫 선보인 이 기관차는 무게가 5t이었고, 70명의 사람과 석탄차를 포함하여 모두 25t이 나가는 차량을 시속 8km로 이동시켰다. 웨일즈 탄광촌 사람들은 말이 아닌 기계가 사람을 나르는 광경을 처음으로 구경했다. 트레비식의 기관차를 발전시켜 본격적인 철도의 시대를 연 사람은 엔지니어였던 조지 스티븐슨(George Stephenson)이다. 스티븐슨은 트레비식과 달리 실린더를 수직으로 장착하고 보일러 등을 개량했다. 이를 통해 시속 39km를 낼 수 있는 증기기관차인 로코모션(Locomotion)을 개발하여 최초의 석탄 수송 철도 노선인 스톡턴과 달링턴에 투입했다. 당시 발달했던 제철 공법을 활용하여 기차가 다니는 선로도 개량했으며, 육중한 무게의 기관차가 제대로 이동하기 위해서는 튼튼한 선로가 필요했기 때문이다.

이후, 1829년에 발명한 로켓호는 기관차의 3대 요소인 내연 다연관식 기관과 배기촉연장치 및 수평직결 기통을 지닌 기관차로서 밸브장치와 과열장치 등이 개량되어 150년간 육상수송기관의 중요한 위치를 차지했다. 증기기관차는 증기보일러에서 증기를 발생시켜 실린더 양쪽에 교대로 공급하면, 그 속의 피스톤이 전후로 왕복운동한다. 이것이 연결봉(連結棒)과 크랭크를 거쳐 바퀴를 회전시키면 견인력이 발생되어 객차나 화차를 끌게 되는 구조이다. 사용이 끝난 배출증기는 과열관(過熱管) 주위를 지나면서 보일러에서 발생한 포화증기를 과열증기로 바꾸어 굴뚝으로 내보낸다. 동시에 보일러 안의 석탄과 연탄 및 경유 등의 연료는 더욱 연소가 잘 되며, 발생한 가스도 굴뚝으로 빠지게 된다. 여기에 사용되는 연료 및 급수용 물은 기관차 자체가 탄수차(炭水車)를 달고 다니면서 공급한다. 기관차의 견인력은 바퀴가 레일 위를 공전(空轉)하지 않고 회전견인하는 힘인 점착(粘着) 견인력, 실린더에 비례하고 회전하는 바퀴지름에 반비례하는 실린더 견인력, 보일러에서 증기를 발생시킬 수 있는 능력인 보일러 견인력의 세 가지로 구분한다. 실제 발생하는 견인력은 이 중 가장 작은 것에 제한을 받게 된다. 실제 견인력은 차량의 주행속도의 제곱에 비례하는 저항 및 선로의 경사곡선에 의한 저항 등을 상쇄한 값이다. 실제 견인력이 각 저항의 합보다 클 때는 가속, 작을 때는 감속, 같을 때는 동속이 된다. 전기기관차는 직류형과 교류형이 있으며, 발전소로부터 변전소를 거쳐 가선(架線)을 통하여 받은 전력을 차내에서의 변전과 변류시킨 다음 모터에 공급하여 모터와 기어 등으로 연결된 바퀴가 회전하면서 움직이게 된다. 차내에 제어기, 저항기, 차단기, 발전기, 송풍기 등 여러 가지 보조기기를 갖추고 있다. 디젤전기기관차는 기관차에 디젤기관을 탑재하여 전력을 발생시켜 사용하는 전기구동 기관차일 뿐이며, 한국은 1889년 당시의 주한미국대사관 이하영 대리대사가 미국에서 정교한 철도 모형을 가져와 철도에 많은 관심을 갖게 했다. 1894년 8월에한일잠정합동조관(韓日暫定合同條款)이 당시의 외무대신 김윤식과 일본 특명전권공사 오토리(大鳥圭介) 사이에 체결되어 일본의 경부 및 경인 양 철도부설권을 인정했다. 하지만, 청일전쟁 후의 일본의 경제난으로 경인철도는 1897년 3월 22일에 미국인 모스(Mores,J.R.)에 의하여 기공되었다. 이후, 부설권은 일본인의 손으로 넘어가서 1899년 9월 18일에 한국에서도 노량진에서 제물포 사이 33.2㎞가 개통된 것이 최초이다.

종류

증기기관차

증기기관차(蒸氣機關車)는 세계 철도가 최초로 탄생한 1899년부터 있었으며, 한국의 철도시대를 연 기관차도 미국의 브룩스 사에서 제작한 모걸(Mogull)형 탱크기관차이다. 1905년에 푸러형 탱크기관차 및 터우형 텐더기관차를 미국에서 수입했고, 1911년에는 아메리칸형 텐더기관차와 1914년에 과열증기기관차를 도입했다. 1919년에는 미카형, 1921년과 1923년에는 미국에서 수입한 파시형, 1915년부터 1919년 사이에 바티형과 터우형을 남만주철도의 사허공장[沙河工場]에서 제작하여 운행했다. 국내에서는 1927년에 서울공작창에서 처음으로 터우형 2량을 제작했고, 그 후 8월 15일 광복 전까지 파시형과 미카형 기관차를 만들어 왔다. 증기기관차의 수는 계속 증가되어 광복 무렵에는 166량의 증기기관차를 보유하고 있었으며, 8.15해방 직후 남한 및 북한이 분단될 당시 남한에는 488량의 증기기관차를 보유하고 있었다. 1945년 12월 27일에는 처음으로 한국의 기술로 만든 기관차 해방 제1호가 영등포에서 수원사이에서 시운전되었으며, 객차 20량을 연결하고 100km/h 달릴 수 있는 2,000HP 파워를 가지고 있었다. 당시 100km/h 정도만 넘어도 고속열차에 속하했으며, 철도는 약 160km/h 정도 이상이 기술적인 한계라고 생각되었다. 이후, 부족한 기관차를 지속적으로 투입하여 1946년 5월 7일에 사설철도의 국유화에 따라 사철에서 보유중인 58량의 기관차가 국유 철도에 편입되었다. 이에 1948년에 총 631량의 기관차를 보유하게 되어 반세기 동안 철도교통을 이끌어나간 중요한 기관차였다. 하지만, 6.25 전쟁이 일어난 이후에 미국에서 기증한 디젤기관차가 들여여오기 시작했다. 디젤기관차가 증기기관차보다 더욱 효율적이고, 증기기관차가 달리기 힘든 곳을 디젤기관차가 제대로 운행하는 등 여러 면에서 증기기관차보다 월등한 면을 보였다. 지속적으로 투입됨으로 인해 디젤전기기관차의 다량 출현으로 1967년 8월 31일 이후부터 증기기관차의 본선 운행이 중지되었다. 이후, 한국철도공사에서 서울에서 의정부까지의 서울교외선에서 증기기관차 운행을 재개하기도 했다. 1994년 8월 5일에는 중국 창춘 기차공장에서 1,500HP 증기기관차 1량을 도입하여 1994년 8월 21일부터 매주 일요일이나 공휴일에만 운행했다. 이 기관차는 무궁화호 객차 4량을 견인하여 최고 80km/h정도의 속도로 운행했다. 특히, 무궁화호는 예식객차운행으로 이용객으로부터 호응을 얻었지만, 2004년에 고속철도 개통 이후로는 운행이 잠정적으로 중단된 상태이다.

포화와 과열

포화 증기기관차는 포화증기를 실린더로 보내어 구동력을 발생시키는 기관차이다. 20세기 이전의 오래된 증기기관차는 모두 이러한 타입이며, 이후부터의 증기기관차는 거의 과역 증기기관차이다. 포화증기 또는 포화수증기는 곧 차가워져 물 상태에 부분적으로 돌아오는 수증기를 의미하며, 포화증기는 물과 기체가 공존하고 있는 상태를 뜻한다. 증기는 물질이 증발하여 기체가 된 것으로, 수증기를 간단하게 증기라고도 한다. 과열 증기기관차는 보일러 안에 연관가 있어 연기의 열로 물을 비등시키고 연관 속에 다시금 포화수증기를 통과시키는 관을 만들어 연소가스로 열을 가하여 과열증기로 만든다. 이 연관은 직겨이 커져 대연관이라고도 하며, 포화증기를 통과시키는 관을 과열관이라고 부른다. 석탄을 태우고 부지런히 모은 포화증기는 가감변으로 조절하여 이 과열관을 지나 과열증기가 되어 실린더에 보내는 형태이다. 실린더 내에 들어간 과열증기는 피스톤을 운동시키고 동륜을 회전시켜 기관차를 달리게 한다. 포화증기에 더욱 열을 가하게 되면 섭씨 300도에서 400도까지의 높은 온도를 가지는 기체가 과열증기 또는 과열수증기이다. 과열증기는 포화증기보다 큰 열에너지를 가질 수 있다.

탱크와 텐더

탱크기관차는 기관차 자체에 탄조와 수조를 비치한 형태의 증기기관차이며, 텐더기관차는 석탄과 물을 적재한 타수차를 연결하는 형태의 증기기관차이다. 증기기관차는 각국의 철도에 채택되어 장거리주행을 위하여 석탄과 물을 다른 차량에 적재하여 견인하는 텐더기관차가 출현했으며, 속도를 증가하기 위하여 동륜 지름을 크게 하는 등의 시도가 이루어져 모두 실용화되었다. 기관차의 대형화는 19세기 말까지 크게 진척됨에 따라 견인력도 점점 증대했다. 한국의 증기기관차는 1889년에 주미대리공사 이하영이 철도모형을 궁중에서 관람시켰으며, 1899년에 서울에서 인천까지의 경인선 개통 때 미국 브룩스에서 제작한 증기기관차는 모걸형 탱크기관차이다. 그 후 1905년 푸러형 탱크기관차 및 터우형 텐더기관차를 미국에서 수입했고, 1911년에는 아메리칸형 텐더기관차를 1914년에는 과열증기기관차를 도입했다.

단식과 복식

증기에 사용방법에 따라 분류하여 증기를 실린더 내에서 1회만 사용하는 형식의 증기기관차는 단식기관차, 실린더에서 사용한 증기를 또 다른 실린더에서 사용하는 형태의 증기기관차는 복식기관차이다. 보일러로 만든 증기를 고압 실린더에 먼저 통하여 아직 압력에 남는 고압 실린더의 배기를 저압 실린더에 통한다는 2단계로 나누어 이용하는 방식이다. 복식에 대해서 종래의 방식은 단식이라고 하며, 복식에는 증기의 열 에너지를 유효하게 이끌어 내고 열 효율을 향상시킬 수 있다. 복식의 발상도 증기기관차의 역사도 비교적 초창기부터 있었으며, 1850년에 영국의 이스턴 카운티 철도 죠은 및 니콜송과 제임스 사무엘슨으로 특허가 되어 있다. 하지만, 실용에 충분한 기관차가 실제로 만들어 진 것은 1876년의 일로 스위스 아나톨 말레이의 설계에 따른 프랑스의 기관차이다. 증기기관차를 2차체 연결하고 고압 실린더로 사용한 후에 증기를 저압 실린더의 탑재도니 차체에 보내고 쓰는 아나톨 말레이식 증기기관차가 개발되었다. 아나톨 말레이식을 포함한 복식 기관차는 각국에서 이용되기도 했지만, 과열증기 시스템이 보급되면서 부터는 조작 및 보수의 불편함으로 프랑스를 제외하고는 볼 수 없게 되었다. 프랑스에서는 정밀한 증기기관차에서 성능을 최대한으로 활용하겠다는 발상에서 끝까지 복식기관차를 이용했으며, 소형 기관차에서도 세계 최대의 아메리카 기관차에 필적하는 출력을 실현할 수 있을 정도로 발전되었다. 증기기관차의 길린더 수는 보통 좌우 각각 1개씩 2개이며, 복식의 경우에는 고압과 저압이 조합되어 4개로 구성되어 있다.

전기기관차

전기기관차(電氣機關車)는 궤도 위에 전차선을 가설하고, 전차선에서 전력을 받아 운행하는 기관차이다. 전기기관차는 소음 공해 외에는 특별히 지적할 만한 문제가 없다. 한국에서 전기기관차 시대는 디젤기관차 시대보다 먼저 있었다. 1924년에 경원선 일부구간과 금강산선에 전철화 직류 3,000V가 완료었으며, 이 구간은 산악 지형이 험하여 증기기관차가 이를 감당해내기에는 어려웠다. 이에 일제에서는 경원선과 금강산선을 전철화하여 전기기관차를 운행을 시작하게 되었다. 이 기관차는 데로1 기관차라고하며, 일제강점기 동안과 해방 이후에도 운행이 지속적으로 이루어졌다. 하지만, 분단 전쟁 이후에 이 지역은 북한 영토에 포함되어 북한에서만 운행을 지속하게 되었다. 한국의 기관차는 다시 증기기관차가 주를 이루게 되었고, 그 뒤를 이어 6.25 전쟁 직후에 지속적으로 투입된 디젤기관차가 자리잡았다. 하지만, 강원 지역의 풍부한 자원을 이용하여 경제를 발전시키고자 1968년 5월 10일에 산업철도 전철화 계획에 따라 1969년 9월 12일부터 산업철도인 중앙과 태백 및 영동선 전철화를 착공했다. 이에 1972년 6월 9일에 고한에서 증산간 10.7Km 전절화가 완공되어 전기기관차가 시운전에 들어갔으며, 한국에서도 본격적인 전기 철도시대가 시작되었다.

수소전기

수소전기기관차는 기존의 디젤전기기관차의 대체 운송수단으로, 대용량 파워팩을 이용하여 화물운송 및 여객운송을 장거리로 운행할 수 있는 기관차이다. 수소전기기관차 개발은 국내의 철도산업 분야가 하나의 팀으로 나서 대형 국책과제 등을 통하여 공동개발과제로 수행해야 가능한 것으로 보고있다. 대용량 수소연료전지 파워팩을 사용하여 움직이는 발전소의 역할도 기대할 수있다. 기존의 철도차량이 에너지를 소모하는 소비자의 역할이었다면, 수소전기기관차는 분산형 파워그리드 망을 이용한 에너지운반 시스템 및 최종적으로 대용량 이동형 발전소로서의 역할을 수행하는 에너지공급 기능의 담당을 기대할 수 있다. 또한, 유럽의 일부 국가에서 추진하는 것처럼 디젤기관차가 환경오염으로 인식되어 그 운행이 제한된 상태인 경우 및 전원공급이 되지 않는 비상시에 경우에는 전기기관차와 KTX, 전동차 등과 같이 기존의 전기를 기반으로하는 철도차량도 움직일 수 없다. 같은 조건에서 수소전기기관차는 자유롭게 수송용 모빌리티로 움직일 수 있어 전기가 필요한 장소로 이동하여 즉시 전기를 공급할 수도 있는 등 에너지원으로서의 역할까지도 수행할 수 있다. 3세대 수소전기기관차는 향후 전개될 남북협력 시대를 맞아 노후화 되어 있고, 다른 전력 시스템을 가진 북한 철도망에도 직접 접근하여 승객과 물류 이송을 담당하는 동시에 발전소로써 전력공급의 역할도 수행할 수 있다.

디젤기관차

디젤기관차(Dissel 機關車)는 크게 기어식, 전기식, 액체식으로 구분된다. 한국에서 운행 중인 기관차는 전기식기관차를 주로 사용하고 있으며, 한국에서 운행되는 디젤기관차를 일반적으로 디젤전기기관차라고 부른다. 6.25 전쟁이 일어난 후에 미국 군수물자 수송을 위해 디젤전기기관차 50여 량을 운용했으며, 1953년 휴전과 더불어 미국군이 철수하여 SW8형 2000호대 기관차 4량을 한국에 기증했다. 디젤기관차는 증기기관차보다 기대이상의 효율성을 나타냈고, 당시 구배가 심하고 터널이 많아 증기기관차운전에 어려움이 많던 중앙선 등지의 구간을 운행했다. 당시 증기기관차에 비해 기대 이상의 효과를 거두었다. 그 이후, 미국 GMC(지엠씨)와 알코(ALCO)에서 제작한 디젤기관차를 도입하여 한국철도 수송은 거의 디젤기관차가 전담했다. 디젤기관차의 폭발적인 증가로 1899년 이래 68년 동안 수송을 전담해 왔던 증기기관차는 1967년 8월 31일에 종운식을 거행하여 본선 운행을 중단하게 되었다. 그 후에도 계속 디젤전기기관차는 외국에서 도입했으며, 1980년부터는 현대차량㈜에서 미국 GMC에게 기술 제휴 받아 국산 디젤전기기관차를 조립 생산할 수 있었다. 디젤기관차 중에서 7,000번 계열의 기관차가 가장 많이 운행되고 있으며, 경부선과 호남선 등 주요 간선에서 운행이 이루어지고 있다. 디젤기관차는 석유 자원의 고갈과 국제 유가가 급등 등 도시 등지에도 디젤기관차가 고속으로 달려 소음 문제가 심각하다. 이에 소음이 적고 가벼운 전기기관차로 교체하고 있는 추세이다.

기계식

기계식 디젤기관차는 기관과 동륜을 기어로 연결한 기관차로, 초기의 소형 기관차에서 사용되었다. 무게가 가볍고 구조가 간단하다는 특징이 있으며, 동력전달 효율 또한 뛰어나다. 하지만, 클러치를 사용하기 때문에 대마력의 기관차에는 적합하지 않다는 단점이 있다. 기계식 디젤기관차는 엔진 출력을 클러치, 기어변속기, 추진축, 감속기, 동륜 등 기계적인 방법으로 동륜을 구동한다. 기어식 자동차와 유사한 방식이며, 변속레버로 조작하여 단계적 변속하기 때문에 운전에도 숙련이 필요하다. 또한, 기동과 변속 시에도 쇼크가 크고 총괄제어가 곤란하여 중련운용 및 편성 운전에는 부적합하다는 단점이 있다. 100hp에서 200hp 정도의 소형 산업용 기관차 이외에는 거의 사용되지 않는다.

액체식

액체식 디젤기관차는 액체변속기를 사용하여 기관과 동륜을 연결한 기관차이다. 초기에는 중형 기관차에서 사용되었으며, 대마력의 기관이 개발됨에 따라 대형기관차의 표준화가 진행되어 전기식 디젤기관차보다 더욱 발달한 방식의 디젤기관차이다. 액체식 디젤기관차는 엔진 출력을 액체변속기, 역전기구, 감속기, 동륜 등 기계적인 방법으로 동륜을 구동하는 방식이다. 운전이 원활하고 중련운전이 가능하여 액체의 압력을 이용하기 때문에 기동 시에는 엔진에 무리가 없어야 한다. 또한, 충분한 토크를 얻는 것이 가능하여 연속 변속도 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 동력전달 효율은 비교적 기계식에 비해 떨어지며, 전기식에 비해서는 중량이 가볍고 제작비가 저렴하여 광범위한 범위내에서 사용되어 지고 있다.

전기식

전기식 디젤기관차는 탑재된 디젤기관으로 전기를 발생시키고, 동축에 주전동기를 작동하여 동륜을 회전시키는 방식의 디젤기관차이다. 발전장치를 차량 자체에 장치한 전기기관차로, 다수의 동축을 일제히 작동시킬 수 있어 대마력의 대형기관차에서도 사용할 수 있다. 효율이 좋고 보수가 용이하여 선진국과 개발도상국에서 널리 사용되어 지고 있다. 전기식 디젤기관차는 디젤엔진의 회전력으로 발전기를 돌려 직류 및 교류의 전기를 얻고, 발생전력을 견인 전동기에 공급하여 동륜을 구동하는 방식이다. 엔진, 방전기, 전동기 등 중량 고가의 장치를 탑해하여 차량의 중량이 무겁고 제작비가 많이 든다는 단점이 있다. 액체식 디젤기관차는 대형 액체변속기 제작이 어렵지만, 전기식 디젤기관차는 2,000hp 이상의 대형 엔진의 사용이 가능하여 한국에서도 미국 EMD의 디젤엔진을 탑재한 전기식을 다수 사용하고 있다.

특징

운전속도

• 균형속도(Balance speed) : 기관차의 견인력과 견인차량의 열차저항이 서로 같아서 등속운전을 할 경우에 속도는 견인력과 열차저항이 동일하게 작용한다. 가속도가 발생하지 않아 동일 속도를 유지할 수 있으며, 견인력이 열차저항보다 클 경우에는 가속되고 적을 경우에는 감속된다. 또한, 최고운전속도는 바로 균형속도에 의해서 결정되어 진다. 제한 기울기 결정 시에도 고려해야 하며, 열차저항은 기울기저항 및 곡선저항을 포함하여 선로상태에 따라 균형속도가 달라지는 형태이다.

• 표정속도(Commercial speed) : 전체 운전 거리를 정차시간 및 제한속도 운전시간 등을 포함한 운전시분으로 나눈 값이다. 열차속도 향상은 표정속도 향상을 의미하며, 각 속도의 크기는 표정속도, 평균속도, 최고속도 순서이다. 개념식은 '표정속도 = 운전거리평균속도 / (순수운전시분 + 도중정차시분) (정차시간 등을 포함한 운전시분)'이다.

• 평균속도(Average speed) : 역간 운전 거리를 정차시분을 제외한 운전시분으로 나눈 값이며, 주로 기울기 상태의 영향을 받는다. 개념식은 '평균속도 = 운전거리 / 정차시간을 제외한 순수 운전시분'이다.

• 최고속도(Maximum speed) : 5초 이상 지속되며, 운전 중 낼 수 있는 최고속도이다. 교통기관의 이미지 제고상 상징적으로 중요하고, 기관차의 성능 및 선로조건의 영향을 받는다. 열차종별과 궤도구조에 의해 제약을 받으며, 프랑스 테제베(TGV)와 일본의 신간선열차가 최고운전속도 경쟁을 벌이고 있다. 영업 중인 열차의 최고속도는 350㎞/h이며, 독일과 일본 자기부상열차인 마그레프(Maglev)의 경우에는 최고속도 500㎞/h 이상 주행할 수 있다.

• 제한속도(Limit speed, Control speed) : 곡선부와 분기부의 선로조건, 운행선 인접공사, 유지보수 등 여건에 따라 속도를 제한하는 경우의 속도를 의미한다.

시장 현황

2021년 4월 28일, 한국철도기술연구원은 최고속도 시속 150km 및 한번 충전으로 1,000km 이상 운행하는 액화수소 기반 수소기관차 핵심기술을 개발 중이다. 한국철도기술연구원은 디젤기관차를 대체할 기술로 이 기술이 완성되면 세계최초 액화수소 기반의 수소기관차가 될 것이라고 밝혔다. 액화수소열차는 에너지 변환 과정에서 오염물질을 전혀 배출하지 않고, 고성능 필터로 공기 중의 미세먼지까지 걸러내기 때문에 친환경적이다. 또한, 액화수소는 수소를 영하 253도 이하의 초저온 상태로 액화시킨 것으로 기체상태의 고압 수소에 비해 압력이 훨씬 낮아서 안정적인 상태로 수소를 보관 운송할 수 있다. 액화수소는 기체상태일 때보다 저장밀도가 약 2배 높고, 운송효율도 7배 이상 경제적이다. 한국철도기술연구원이 개발 중인 액화수소 열차는 외국의 700 bar * 기체수소 열차 대비 운행거리 1.6배 향상, 충전시간 20% 단축을 목표로하고 있다. 여기서 bar는 면적 1㎡ 당 10만 N의 힘을 받을 때의 압력을 의미한다. 상용 디젤기관차 대체가 가능한 2.7MW급 연료전지 추진기술 및 액화수소 공급기술을 연구개발 중이다. 액화수소 하이브리드 추진시스템과 고단열 극저온 액화수소 저장기술 및 고속 충전기술 등을 개발하여 2022년 하반기 트램에 장착 및 시험할 계획이다. 이후, 대용량 기관차 구현을 위한 액화수소 기반 추진기술 및 액화수소 공급기술을 개발하여 전차선이 없는 구간에서 운영할 수 있는 액화 수소기관차 실용화를 진행할 예정이기도 하다. 독일, 프랑스, 일본 등 선진국을 중심으로 수송 부문 탄소 배출량 규제에 대응하여 친환경 수소 열차가 개발되고 있다. 2019년 수소경제 활성화 로드맵 발표 이후, 2021년 2월부터 세계최초로 수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률의 수소법이 시행되면서 수송수단에도 액화수소를 적용을 위한 기술개발이 가속화되고 있다. 국내에서 액화수소를 이용한 운송방식은 드론을 운전할 수 있는 1kg 미만 소용량에 국한되어 있으나, 철도연은 모듈당 70kg급, 총 420kg의 액화수소를 적용할 예정이다. 한국철도기술연구원이 개발 중인 장거리 운행이 가능한 대용량 액화수소 기반 기관차 및 관련 핵심기술이 개발되면 세계 최초가 된다. 개발 중인 액화수소 추진기술은 배터리 공급방식으로 한계가 있는 장거리운행 노선에 강점이 있으며, 전철화가 되어 있지 않은 구간을 운행하는 디젤 철도차량을 점진적으로 대체하여 탄소 배출과 미세먼지를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 액화수소 공급·제어·저장에 대한 원천기술을 철도 및 선박 등 대형 모빌리티 수소경제 생태계를 구축하고 지속 가능한 수소경제 시장을 확대해 나가고 있다.

수소기관차 개발 및 실용화

구 분	연료방식	최고 설계 속도	연료전지 용량	기 타	내 용
한국	액화수소	150km/h	300kW X 6모듈	탱크압력 2~3bar 1회충전 1,000km 주행	액화수소 기반 수소 기관차 핵심기술 개발(2021년~2024년), 상용화사업(2025년 ~)
	기체수소	110km/h	1.2MW	1회충전 600km 주행	수소연료전지 하이브리드 철도차량 개발(2018년~2022년)
일본		100km/h	120kW	탱크압력 350bar	수소연료전지 하이브리드 철도 차량 개발 (2007년 세계 최초, 2칸 1열차 편성)
프랑스, 독일		140km/h	125kW X 2	탱크압력 350bar 1회충전 800km 주행	수소연료전지 철도 차량 영업운행 시작(2018년 9월)
중국		70km/h	150kW X 2	탱크압력 350bar 1회충전 100km 주행	상업용 수소트램 출시(2016년), 루저우 및 타이저우에서 운행 예정

참고자료

• 〈열차(列車)〉, 《한국민족문화대백과사전》
• 〈우리나라 기관차 역사〉, 《철도산업정보센터》, 2015-09-16
• 〈증기기관차의 발명〉, 《사이언스올》, 2012-02-02
• 〈운전속도의 종류〉, 《철도산업정보센터》, 2014-09-26
• 굄돌, 〈오븐과 증기기관차〉, 《네이버 블로그》, 2011-03-15
• 최경수 기자, 〈철도차량의 역사(4)〉, 《레일뉴스》, 2019-04-12
• 〈증기기관차 소개〉, 《코레일관광개발 곡성지사》
• 〈디젤기관차(diesel locomotive)〉, 《사이언스올》, 2010-08-13
• 최경수, 〈철도시스템 (차량 2)〉, 《레일뉴스》, 2013-01-30
• 이원상 객원기자, 〈한국형 수소전기트램 개발 열기 '뜨겁다'〉, 《월간수소경제》, 2019-08-04
• 사이언스타임즈, 〈탄소중립 위한 세계최초 액화수소열차 개발 시작〉, 《사이언스타임즈》, 2021-04-28

같이 보기

• 화물차

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