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수소열차
수소열차(水素列車, Hydrogen powered train, Hydrogen fuel cell train, Hydrail, Hydrolley)는 수소와 산소로 전기를 발생시켜 동력을 얻는 열차로, 수소를 연료로 사용하기 때문에 대기오염물질을 배출하지 않아 차세대 친환경 교통수단으로 각광 받고 있다. 세계 최초의 수소전기열차는 2018년 9월 독일에 도입된 바 있다. 한편, 국내에서는 한국철도기술연구원이 2018년 4월부터 연구개발 사업을 추진하고 있는데, 이 사업은 2022년까지 1단계 개발 사업을 완료한 후 2단계 실용화 사업 추진 여부를 결정하게 된다.
수소를 연료로 하는 고속열차, 기관차, 동차, 트램을 현재 모두 개발 중이다.
개요
수소열차는 수소자동차처럼 수소가 연료전지에서 산소와 만나 물로 바뀌는 과정에서 생기는 에너지를 전기로 변환해 동력원으로 쓴다. 수소는 에너지를 만드는 과정에서 물만 배출하기 때문에 대표적인 친환경 에너지원으로 꼽힌다.
보통 열차는 공중에 달린 전력선에서 전력을 공급받는 전차와 디젤을 연료로 쓰는 디젤기관차로 나뉜다. 수소를 연료로 쓰는 수소열차는 전력선이 없는 곳에서 운행되는 디젤기관차를 대체할 수 있다. 디젤기관차와는 달리 탄소를 배출하지 않는 데다 공기 중 산소를 빨아들일 때 필터로 미세먼지까지 걸러내는 효과도 있다.
독일, 프랑스, 일본 등 철도 강국들은 이미 노후 디젤차를 대체할 수소열차를 개발해 운행 중이다. 일본은 2007년 세계 처음으로 수소연료전지로 달리는 2량 열차를 개발했다. 프랑스와 독일도 2018년 시속 최고 140km로 달리는 열차를 운행하기 시작했다. 국내에서도 현대로템이 3량으로 만들어진 수소 노면전차(트램) 시제품을 처음 공개했다. 42kg의 기체수소를 연료로 채워 시속 70km로 150km의 거리까지 달릴 수 있도록 개발됐다.
세계에서 운영 중인 모든 수소열차는 기체수소를 저장해 연료로 쓴다. 철도연은 액화수소를 저장해 연료로 쓰는 열차를 개발하기로 했다. 액화수소는 고압 기체 상태의 수소를 저장하는 대신 영하 253도 이하의 초저온 상태로 액화시켜 저장하는 것이다.
액화수소를 연료로 쓰면 더 많은 연료를 안전하게 보관할 수 있다는 장점이 있다. 우선 수소는 액체 상태일 때 기체일 때보다 저장밀도가 2배 높아진다. 동일한 부피의 용기에 수소를 2배 저장할 수 있는 셈이다. 안전성도 좋아진다. 액화수소를 저장할 때 필요한 압력은 기체수소를 저장할 때 압력보다 40분의 1에 불과하기 때문이다.
원리
열차의 상단에 수소탱크와 연료전지를 두어 전기를 만든다. 만들어진 전기를 열차의 하단의 축전지에 공급하고, 축전지의 전기는 인버터를 거쳐 모터에 공급하여 열차를 움직인다. 최고속도는 연료전지의 성능으로 결정되고, 주행거리는 수소탱크의 용량으로 결정된다고 보면 쉽다. 물론 최고속도는 전동기가 결정하지만, 투입되는 전력의 양을 연료전지가 결정하기 때문이다. 수소탱크는 압축기체가 담긴 트레일러 형태가 일반적이나, 한국이 세계 최초로 액화수소를 사용하고자 한다.
수소를 연소시키는 엔진 또는 터빈을 이용하여 동력을 만드는 방식도 있을 수 있겠으나, 이는 2030년대 이후의 먼 미래의 일로, 이 나무위키 문서 및 언론기사에서 수소 열차는 당분간 연료전지를 이용하는 것만으로 본다. 이는 수소자동차도 마찬가지이다.
효능
- 디젤 열차의 대체 : 유엔기후변화협약 당사국총회의 지구 온난화를 막기 위해 탄소 중립을 목표하는 환경 규제들에 의해, 화석 연료를 사용하는 차량, 열차, 선박, 비행기의 신규 생산은 근미래 중단될 것이 예상된다.
- '전차선 없는 철로의 디젤 열차의 대체 : 전차선이 있는(전철화된) 구간에선 전기 열차(전기 기관차, 전기동차)를 도입하는 것이 경제성으로도 에너지효율로도 좋다. 하지만 세계적으로 전철화율은 높지 않다. 가선이 없는 곳에 쓰이는 내구연한이 다 된 노후한 디젤 기관차 및 디젤동차의 대체를 위해서, (1) 바로 수소열차를 투입하는 것, (2) 바로 배터리(무가선)열차를 투입하는 것, (3) 전차선과 전기열차(가선)를 투입하는 것, 셋이 검토되고 있다.
- 기존과 다른 형태의 철로 설계에 유리 - 수소 열차는 터널-교량 공사비가 저렴해지고, 2층 열차를 창의적으로 도입하기도 자유롭다. 또한 가선 때문에 속도가 제한되는 고속열차를, (1) 열차 하단에서 무선급전하는 방식과, (2) 자기부상열차와, (3) 하이퍼루프와, (4) 수소 열차가 경쟁할 수 있다.
- 전차선 전압이 다르거나 없는 지역과 왕래에 유리 : 국가마다(예컨대 남북한, 유럽) 운영회사마다(미국, 호주 등 영토가 큰 국가 내) 전철 가선의 전압이 다르다. 따라서 가선 전압이 다른 지역을 왕래할 때는 양쪽의 전압을 모두 사용할 수 있는 전기 열차를 이용하거나, 디젤 열차를 이용하는데, 이 디젤 열차의 위치를 수소 열차가 대체할 수 있다. 전철화된 지역과 전철화 안 된 지역 간의 왕래를 맡던 디젤 열차의 위치도 수소 열차가 대체할 수 있다.
전차선이 없는(무가선) 트램 건설에 사용될 것이 논의된다. 도시의 미관을 위해 당연히 무가선 방식이 선호되는데, 배터리전기트램과 수소전기트램이 있으며, 각각 일장일단이 있다. (으레 따라 붙는 '저상' '굴절' '이층' 'n량' 등은 동력과는 무관하다.)
- 울산 도시철도 전 노선 - 2020년 현대로템과 추진사업을 발표한다. 이에 앞서 울산항선 폐선 구간에 2023년 국내 최초 운행할 예정이다.
- 부산-양산-울산 광역철도
- 창원 도시철도
- 제주 트램 - 원희룡 제주지사는 2016년 '제주교통 혁신계획'에 트램을 포함해 연구를 진행한다. 하지만 2021년 4월 최종적으로 트램 설치가 어렵다고 결론을 내린다. 하지만 2021년 8월, 3차 제주국제자유도시종합계획안은 수소 트램을 포함한다.
- 열차의 1량당 차량가격을 비교하면 다음과 같다.
- 고속열차 : 하이퍼루프 (세계 사례 없음)> 자기부상열차 400~450억원 > 수소 (세계 사례 없음) > 전기(가선) 동차(KTX 등) 350~400억원
- 기관차 : 수소 (세계 사례 없음) > 전기(가선) 64.0억원 > 디젤 57.5억원
- 동차 : 수소 (국내 사례 없음) > 전기(가선) 13.7억원 > 디젤 9.5억원
- 트램 : 수소 (국내 사례 없음) > 배터리(무가선) 45~55억원 > 전기(하단 무선급전) 40~50억원 > 전기(가선) 35~45억원
- 버스 : 수소 6~7억원 > 배터리 3~4억원 > 디젤 1~2억원
동향
주체 프랑스 알스톰 한국 철기연 일본 JR East 중국 CRRC 한국 현대로템 한국 철기연 도입연도 2016 2022 2022 2022 2023 2024 연료 기체수소 기체수소 기체수소 기체수소 기체수소 액체수소 동력규모 동차 동차 동차 트램 트램 기관차 연료전지 125kW 2개 1.2MW 60kW 4개 150kW 2개 400kW 2.7MW 최고속도 140km/h 110km/h 100km/h 70km/h 80km/h 150km/h 수소탱크 250kg x00kg 25kg - 40kg x00kg 주행거리 1000km 600km 140km 150km 150km 1000km 축전지 110kWh 2개 - 120kWh 2개 - 130kWh 2개 -
2002년 캐나다, 2006년 일본, 2007년 대만, 2009년 미국, 2010년 인도네시아, 2011년 스페인, 2012년 덴마크, 영국, 남아프리카공화국에서 시범도입이 있었다.
하지만 수소 열차는 2014년 프랑스 알스톰의 코라디아 아일린트 모델부터 본격적으로 관심을 받기 시작한다.
- 독일: 2014년 9월, 프랑스 알스톰의 수소 열차를 상업화 도입할 것을 발표한다. 2016년 9월, 코라디아 아일린트 (Coradia iLint) 모델이 공개된다. 2018년 9월, 독일 슐레스비히홀슈타인에서 수소 동차를 세계 최초로 상업화한다.
- 영국: 2018년 12월, 영국 리버풀에도 도입하였다.
- 프랑스: 2021년 3월, 프랑스국영철도에서 도입을 결정한다. 2021년 9월, 시범운전하고, 2025년 상업화를 예고한다.
- 폴란드: 2021년 7월, 폴란드 브로츠와프에도 도입하였다.
2017년 4월, 중국 중국중차(CRRC)가 칭다오의 12정거장짜리 8km 노선과 탕산시의 4정거장짜리 14km 노선에 66석(최대 366명 탑승)짜리 수소 트램을 상업화한다. 충전시간 15분, 최고속도 70km/h, 350bar의 수소탱크 12kg, 주행거리 40km, FCveloCity 연료전지 100kW 2개, 축전지 20kWh 2개, 슈퍼캐피시터 45kWh 2개 등의 스펙을 가진다. 2022년까지 개량 모델을 내놓을 예정이다.
2018년 4월, 한국철도기술연구원이 수소 동차 연구를 시작했고, 2022년 선보일 예정이다. 이를 2019년 6월 국회 토론회에서 선보인다. 2021년 5월 31일, 스펙이 더 자세히 공개되었는데, 1.2MW 연료전지, 최고속도 110km/h, 주행거리 600km를 목표한다고 밝혔다.
2019년 6월, 일본이 2007년 이후 명맥이 끊긴 수소 동차 연구를 되살려, JR 동일본(동일본여객철도, JR East) 주관으로 히타치, 도요타 등과 함께 2021년 내 최고속도 100km/h 이상의 수소 동차 시운전을 목표한다고 밝힌다.
2019년 11월, 미국은 스위스의 스테들러 레일(Stedler Rail)으로부터 납품받아 캘리포니아에 첫 수소 동차 노선을 설치한다.
2020년 7월, 한국은 제3차 규제자유특구를 선정, 지자체 중 강원도가 수소 열차 연구를 규제 없이 자유롭게 할 수 있게 선정되었다. 10월에 국무총리가 방문했다. # 정부의 수소 3대 사업은 '규제자유특구', '수소도시', '수소클러스터'가 있는데, 강원도 삼척시가 셋 다 채택되었다.
2020년 7월, 린데(Linde)가 세계 최초의 고정된 여객열차용 수소 충전소를 건립해, 2021년 중반 완공한다. 기존의 상업 수소열차 노선들 및 현재 한국의 연구 열차는 모두 임의의 모바일 충전 솔루션, 쉽게 말해 트럭으로 가져와 충전하는 것. 하루에 1600kg을 충전할 수 있는 시설로, 하루에 알스톰 열차 14대를 충전한다.
2020년 11월, 현대로템이 향후 개발 방향을 밝힌다. 트램은 5량, 최고속도 70km/h, 연료전지 95kW×4, 배터리 130kW×2, 수소탱크 21kg×2 가량을 목표한다. 동차는 2량, 최고속도 100km/h, 연료전지 95kW×4, 배터리 130kW×2, 수소탱크 78kg×2 가량을 목표한다. 준고속열차는 3량, 최고속도 150km/h, 연료전지 760kW×2, 수소탱크 78kg×2 가량을 목표한다. 기관차는 최고속도 150km/h, 연료전지 3000kW, 주행거리 800km 가량을 목표한다. 철도학회 추계 발표내용
2021년 4월, 한국철도기술연구원이 세계 최초로 액체수소를 이용하는 기관차 연구를 시작했다고 밝힌다. 기존은 모두 기체수소를 이용하는 형태다. 액체수소 열차를 2024년까지 1.8MW 연료전지, 40kg 수소탱크를 통해 최고속도 150km/h, 주행거리 1000km를 목표한다고 밝혔다. # 출시되면 세계 최초의 수소 기관차 상업화다.
2021년 6월, 현대로템이 부산국제철도기술산업전에서 수소 트램의 콘셉트카를 공개한다. 95kW 현대자동차 넥쏘 연료전지 2개를 실었고, 60kW PMSM(영구자석형 전동기) 4대로 동력을 내며, 최고속도 80 km/h이며, 700bar 타입4 104L 탱크 8개에 각 4.18kg이 실려서 총 33kg의 수소를 싣고, 55kWh 리튬이온배터리팩을 싣고, 주행거리는 수소연비 5km/kg을 가정하여 150km 가량이다. 2023년 울산에서의 실증까지 400kW 연료전지, 40kg의 수소탱크를 목표한다고 밝혔다.
2021년 9월, 현대자동차가 수소모빌리티플러스쇼 내의 하이드로젠웨이브 전시장에서, 기존 넥쏘 95kW급보다 부피가 30% 줄고 비용도 50% 줄은 100kW급, 200kW급 연료전지를 선보인다. 그리고 두께가 25cm 밖에 안 되는 105kW 연료전지를 공개하는데, 이는 공간이 적은 수소 열차용임을 밝힌다. 같은 달, 산업부는 2030년까지 글로벌 수소 열차 시장을 4조원으로 판단하여, 424억원을 추가로 투입해 2024년을 수소 트램의 양산 시점으로 앞당기기로 한다.
2021년 9월, 산업통상자원부가 2023년까지 424억원을 들여서 "수소전기트램실증사업"을 실시한다.
2021년 11월, 국토교통부가 액화수소철도와 기체수소철도의 장단점을 비교, 연료별 도입 타당성 연구를 시작한다. 2030년 이후 디젤 열차를 퇴출하고 수소 열차로 교체할 계획이다.
2021년 12월, 현대로템과 울산광역시가 수소 트램 디자인을 공개했다. 길이 35ｍ, 폭 2.65ｍ, 높이 3.7ｍ의 5개 칸으로, 차량 바닥 높이는 지면으로부터 35㎝이며, 최고 속도는 시속 70㎞로 설계되었다. 2022년 10월 차량 제작에 착수, 2023년 9월 태화강역~울산항역 구간을 운행할 예정이다.
동영상
2016년 프랑스 알스톰의 코라디아 아일린트 (Coradia iLint) 모델
2021년 한국 현대로템의 수소 열차
참고자료
- 〈수소 열차〉, 《나무위키》
- 〈수소전기열차〉, 《시사상식사전》
- 조승한 기자, 〈1000km 거뜬히 가는 액화수소열차 나온다〉, 《동아일보》, 2021-04-26
같이 보기
