현대로템이 제시하는 철도산업의 미래 : 친환경 열차

모두가 금방 고갈될 것이라 말하던 에너지원인 석유는 원유 공급 과잉이라는 이야기까지 나올 정도로 넉넉해 보입니다. 그러나 오염물질을 배출하는 등 환경에 나쁜 영향을 끼치는 화석연료 사용을 줄이기 위한 노력은 계속되고 있습니다. 이는 철도산업에서도 마찬가지입니다. 

오늘 현대로템 블로그에서는 2019년 부산국제철도기술산업전(Korea RailLog Fair 2019)에서 현대로템이 제시한 ‘친환경 열차’ 기술을 통해 철도산업이 나아갈 방향을 알아보도록 하겠습니다. 

오염물질 없이 청정한 수소연료전지

전세계 수많은 연구진과 업체들이 석유를 대체할 에너지를 찾으려 노력하는 가운데, 2019 부산국제철도기술산업전에서 현대로템은 ‘수소연료전지’를 그 대안으로 제시했습니다. 

▲ 박막을 통과하며 이온화된 수소로 인해 전기가 발생하는 것이 수소연료전지의 원리. 수소 이온과 산소가 결합한 물만이 부산물로 배출된다

수소연료전지는 말 그대로 수소(H₂)를 이용해 전기를 발생시키는 전지를 말합니다. 순수한 수소 분자가 전지 내 고분자 전해질 박막(Membrane)을 통과하면 각각 두 개의 수소 이온으로 분리되며 전자를 내놓게 됩니다. 이 과정에서 전자가 이동하면서 전기를 얻게 되는 것이죠.

수소연료전지는 에너지를 생산할 때 박막으로 공기를 거르게 되므로 자연스럽게 공기도 정화되는 데다가 수소 이온과 산소가 결합해 물이 생기는 것 외에는 어떤 공해 물질도 배출하지 않는 청정 에너지원입니다. 하지만 생산한 에너지를 저장할 수 없다는 단점도 있는데 현대로템은 이를 ‘수소-배터리 하이브리드 전동차’로 해결했습니다.

수소연료전지와 배터리가 전동차 속으로

수소-배터리 하이브리드 전동차는 수소연료전지와 배터리를 모두 탑재한 전동차입니다. 현대자동차그룹에서 개발한 수소연료전지는 최대 90kW의 용량에 440V의 전기를 생산합니다. 컨버터를 거치며 750V로 승압된 전기는 인버터를 통해 모터를 구동시키게 되는데요. 먼저 열차가 출발하거나 부하가 별로 걸리지 않는 구간에서는 배터리로 차량을 움직이게 됩니다. 이후 가속 구간 등 에너지를 많이 필요할 때 연료전지로 운전하게 되고 남는 전기는 배터리에 충전됩니다. 

▲ 수소연료전지에서 생산된 전기로 동력을 공급하고 남은 전기나, 감속 시 모터에서 발생한 전기 등은 모두 배터리에 충전된다

차량이 감속 구간에 들어갔을 때는 모터에서 전기가 발생합니다. 이때는 배터리와 연료전지를 모두 중지시키고 생산되는 전기를 배터리에 충전합니다. 수소-하이브리드 전동차의 핵심은 수소연료전지와 배터리의 역할을 효율적으로 배분해 최대한 멀리, 그리고 오래 운행할 수 있도록 하는 것입니다. 

 

▲급곡선 주행 시험용 차량을 활용해 만든 수소-배터리 하이브리드 트램. 올해 9월부터 본격 테스트에 들어갈 예정이다

▲테스트 요원이 보다 안전하게 다양한 환경에서 시험하기 위해 만든 리모트 조종석

수소-배터리 하이브리드 전동차는 1회 연료 충전에 200km 이상 주행을 목표로 테스트할 예정이라고 하는데요. 다양한 환경에서 시험 차량 운행 요원이 안전하게 테스트할 수 있도록 리모트 조종석을 만들어 주간, 야간 주행과 여러 위험요소까지 반영해 수소연료전지의 실용성을 확인할 계획입니다.

무선 네트워크와 클라우드가 선사하는 최적의 운행 시스템

새로운 에너지원과 효율적인 기관을 개발하려는 노력은 꼭 필요합니다. 하지만 새로운 기술이 개발되기 전까지 현재 상황을 개선하기 위한 노력 또한 필수입니다. 2019 부산국제철도기술산업전에서 현대로템은 그러한 노력의 일환으로 ‘실시간 고효율 운전지원 시스템(Real-time Eco Driver Assistance System, 이하 RTEDAS)’을 선보였습니다. 똑같은 차량이라도 운전하는 사람마다 그 연비가 차이나는 것처럼, 철도차량 역시 기관사의 운전 습관에 따라 에너지 소비에 차이를 보입니다. 

▲ 2019 부산국제철도기술산업전 현대로템 부스에 방문해 RTEDAS 관련 설명을 듣는 관람객

RTEDAS는 기관사들의 운행 기록과 엔진 상태, 연료 소비량을 면밀히 분석해 가장 에너지를 덜 소비하면서도 정해진 시간에 맞춰 정숙하게 운행할 수 있는 패턴을 찾아주는 알고리즘을 적용한 시스템입니다. RTEDAS 시스템과 통신으로 연결된 전동차 기관사는 RTEDAS가 분석한 차량의 경로와 선로를 분석해 최적의 운행 패턴을 실시간으로 제공받게 됩니다. 기관사는 패턴대로만 운행하면 운행 시간표를 철저히 지키면서도 차량에 소비되는 에너지를 최소화할 수 있는 것입니다.

만약 기관사가 RTEDAS에서 제공하는 운행 패턴과 다르게 움직인다면 어떻게 될까요? RTEDAS는 클라우드 서버에 업로드되는 차량의 운행 정보를 실시간으로 분석해 해당 시점에 맞는 새로운 운행 패턴을 기관사에게 지속적으로 제공해 운행 시간을 지키면서도 에너지를 아낄 수 있도록 해줍니다. 차량의 운행 데이터는 물론 고장 이력, 부분별 상태 등을 시뮬레이팅에 포함해 중앙 관제소와 유지보수 인력의 업무에도 도움을 줄 것입니다.

▲터키 이스탄불 카바다쉬-마흐뭇베이 구간 왕복 노선의 데이터를 적용한 RTEDAS 시스템의 제어 화면

2019 부산국제철도기술산업전 현대로템 부스에서는 올해 개통된 터키 이스탄불 메트로의 카바타쉬-마흐뭇베이 구간을 왕복하는 노선에 적용된 RTEDAS 시스템의 시뮬레이션을 구현했는데요. 부스에서 시연하는 디스플레이를 통해 실제 열차를 운행할 때처럼 변화하는 속도와 차량 상태 등을 확인해 볼 수 있었습니다.

고효율에 에너지 소비도 적은 영구자석 동기전동기

▲서울 메트로 6호선 전동차에 PMSM을 적용할 경우, 약 358억 원의 에너지 비용을 절감할 수 있다

현대로템 부스에 전시된 영구자석 동기전동기(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)와, 이를 제어하는 추진 제어장치(1C1M VVVF 인버터) 역시 친환경 열차 트렌드를 반영하는 시스템입니다. 

소음이 적고 에너지 효율이 뛰어나며, 밀폐형 구조로 청소가 불필요한 PMSM은 실내 소음이 저속 10dB, 고속 3dB 감소와 전동기 효율 4% 증가, 에너지 소비도 26% 저감되는 효과를 냅니다. PMSM을 서울시 6호선 열차에 적용하면 30년간 약 358억 원의 에너지 비용이 절감되고 유지보수 비용 역시 38억원을 절감할 수 있을 전망입니다.

2019 부산국제철도기술산업전에서 현대로템은 미래에 그려질 철도 산업의 청사진을 제시하는 동시에, 다가올 자원 문제와 환경에 대비하는 최첨단 기술을 소개하는 대한민국을 대표하는 철도차량 제작사의 위용을 보여주었습니다. 앞으로도 현대로템은 한국은 물론 전 세계를 달려나가는 철도 전문기업으로 성장하기 위해 더욱 노력하는 모습을 보여드릴 것입니다. 2년 뒤 열릴 2021년 부산국제철도기술산업전에서는 과연 어떤 기술들을 선보이게 될지, 많은 기대 부탁드립니다.