현대로템이 주목한 미래형 철도! 수소전기트램을 만나다

이제 전 세계는 화석연료와 원자력 등을 넘어 새로운 에너지 대안인 ‘수소’에 주목하고 있습니다. 수소를 에너지원으로 삼는 ‘수소 사회’에 본격적으로 진입했다고 할 수 있는데요. 현대로템 역시 수소 사회로의 진입에 발맞추어 새로운 철도를 향해 한발 한발 나아가는 중입니다. 그 중심에 있는 것이 바로 ‘트램’인데요. 오늘 현대로템 블로그에서는 수소전기트램을 비롯해 변화하는 시대를 대표하는 트램의 에너지 기술에 대해 알아보도록 하겠습니다.

수소전기트램의 연료는 수소일까, 전기일까?

현대로템이 생산하는 트램은 모두 전기를 에너지로 하고 있습니다. 에너지 공급 방식에 따라 ‘가선식’과 ‘무가선식’으로 크게 분류할 수 있는데요. 가선식은 선로 옆에 전신주를 세워 상단의 팬터그래프를 통해 전기를 공급받습니다. 반면, 무가선식은 전선이나 팬터그래프 없이 차량에 탑재한 전기 공급원에서 에너지를 공급받아 달리는 트램을 말하죠.

또한, 트램은 에너지원인 전기를 어떻게 공급해주냐에 따라서도 구분되는데요. 배터리와 슈퍼커패시터로 구성된 차상 에너지 저장시스템 ESS(Energy Storage Systems, 이하 ESS)를 사용하는 ‘ESS 트램’과 수소 연료전지를 사용하는 ‘수소전기트램’으로 구분할 수 있습니다.

▲추진 동력에 따라 달라지는 트램의 종류

가선식과 ESS, 가선식과 수소 연료전지, ESS와 수소 연료전지 등 두 가지 방식을 한꺼번에 탑재한 하이브리드 트램도 생산하고 있는데요. 가선 시설 공사가 쉽지 않은 도심 내에서는 ESS나 연료전지 방식으로 운행하고, 교외 선로에서는 가선 방식으로 트램을 운행하면 탑재되는 ESS나 연료전지의 무게와 크기를 줄일 수 있어 효율적인 운행이 가능하기 때문입니다. 이미 전철화된 구간에서는 가선 방식으로 운행하고 비전철화된 구간에서 ESS나 연료전지를 활용하는 등 다양한 조합으로 트램을 구성하는 것도 이 때문입니다.

수소전기트램, 왜 대세일까?

▲가선 구간이 없는 수소전기트램이 대세로 떠오르고 있다

특히 최근에는 수소전기트램이 대세로 떠오르고 있습니다. 가선 - ESS 트램이나 가선 - 수소 연료전지 트램은 지역 특징에 따라 여러 가지 조합으로 설계할 수 있다는 장점이 있지만, 가선으로 인한 여러 문제를 야기할 수 있기 때문입니다. 사실 무가선 방식으로 ESS 트램이나 수소 연료전지 트램의 에너지원을 증설할 경우, 에너지 효율도 떨어질 뿐만 아니라 차량의 무게까지 증가한다는 문제가 있었는데요. 기존의 가선 트램과 무가선 트램이 지닌 한계를 극복하고, 효율성을 획기적으로 높인 대안이 바로 ‘수소전기트램’이라고 할 수 있습니다.

수소전기트램을 한마디로 정의하면, ESS와 수소 연료전지를 동시에 탑재한 트램이라고 할 수 있습니다. 수소전기트램은 처음에 기동할 때나 가속 구간 등과 같이 힘이 많이 필요할 때 ESS를 활용하고, 등속 구간이나 감속 구간 등에서는 수소 연료전지를 가동했을 때 나오는 에너지로 운행하게 됩니다. 이때 남는 잉여 에너지로는 ESS를 충전하는 데 활용할 수 있어, 매우 효율적으로 차량을 운용할 수 있죠. 수소 연료를 1회 충전 시 200km 이상 장거리를 운행할 수 있다고 하니, 가히 압도적인 대세 트램으로 떠오를 만합니다.

▲ ESS 트램과 수소 연료전지 트램의 효율성을 극대화한 수소전기트램

수소전기트램은 도시철도망이 확대되면서 도시철도와 교외선이 혼용되는 구간에 운용 가능할 것으로 예상되는데요. 운행 거리가 먼 장거리 노선에도 끄떡없이 적용될 수 있기 때문에 다양한 활용 방안이 논의되고 있습니다. 단거리 노선과 장거리 노선이 섞여 배차되는 구간에서는 ESS 트램과 상호 보완적으로 운용할 수 있어 더욱더 기대를 모읍니다.

▲ 현대로템이 제시하는 철도산업의 미래: 친환경 열차(바로가기)

수소전기트램은 수소폭발의 위험이 있다?

▲수소 연료전지를 에너지원으로 삼는 수소전기트램은 안전 문제에서도 자유롭다

수소를 에너지원으로 사용한다고 하면 많은 사람이 ‘그거 위험하지 않아? 수소폭탄도 있잖아!’라며 걱정을 하곤 합니다. 결론부터 말하자면, 수소는 ‘전혀’ 위험하지 않습니다. 현대로템의 트램은 현대자동차그룹의 수소전기차 ‘넥쏘(NEXO)’의 연료전지를 에너지원으로 사용하는데요. 수소 연료전지는 연료의 폭발력을 통해 힘을 얻는 일반 내연기관이나 수소 엔진과는 전혀 다릅니다. 수소 이온과 산소가 결합하면서 생기는 전위차로 인해 전류를 발생시키는 원리로 폭발과는 무관하죠.

또한, 수소 연료전지의 수소탱크가 깨지더라도 안전상에는 문제가 없습니다. 발화점이 575°C로 휘발유나 경유의 발화점보다 높고, 우주에서 가장 가벼운 물질이기 때문에 빠르게 대형 폭발사고로 이어지지 않는 것입니다.

수소전기트램, 방사능 오염 등 환경 문제를 일으키지 않을까?

▲공기 정화 작용을 하는 수소 연료전지

핵융합 반응은 일반 수소와는 달리 중성자를 포함한 이중수소나 삼중수소를 태양 중심의 온도인 1억°C 이상으로 가열할 때 발생하게 됩니다. 우리가 흔히 알고 있는 방사능 오염은 이러한 과정에서 원자폭탄을 터뜨리기 때문에 생기는 것이죠. 하지만, 수소 연료전지는 핵융합이 아닌 ‘전기분해’의 원리로 전기를 생산하기 때문에 방사능 오염에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 오히려 수소 연료전지는 공기를 정화하는 작용을 하기도 하는데요.

수소 연료전지는 수소와 반응을 일으키기 위해 공기 필터와 막 가습기, 기체 확산층 원리를 이용하여 먼지와 초미세먼지는 물론 화학물질을 99.9% 이상 꼼꼼히 걸러내게 됩니다. 이러한 과정을 통해 전기를 생산하는 수소 연료전지에서는 오로지 순수한 물만 배출됩니다.

▲수소전기트램의 운행을 통해 청정공기를 생산할 수 있다

디젤 버스 1대가 40μg의 미세먼지를 발생시킬 때, 수소전기트램 1대는 되려 미세먼지 800μg를 정화하게 되죠. 수소전기트램 1대가 1시간 운행할 때마다 성인 107.4명이 1시간 동안 호흡할 수 있는 청정공기를 생산하는 셈인데요. 수소전기트램 1천 대가 도심을 누비면 디젤차 4천 대 분의 미세먼지를 정화하게 되고, 나무 2만 그루를 심는 것과 동일한 탄소 저감 효과를 얻게 되는 것입니다. 이렇듯 환경친화적인 특성을 지닌 미래형 교통수단 수소전기트램! 현대로템이 주목하는 이유를 아시겠죠?

국토교통부 김현미 장관은 지난 4월 12일, 고속도로 최초의 수소 충전소 3기의 개장 행사에 참여해 ‘지금이 친환경 에너지인 수소 사회로 한 발짝 더 도약할 골든타임’이라고 발표했습니다. 그동안 수소 사회의 걸림돌이었던 충전소 문제를 본격적으로 해결하면서, 수소 사회에 한 걸음 더 다가가겠다는 정부의 강력한 의지를 전 국민에게 공표한 셈인데요. 현대로템 역시 현대자동차그룹이 발표한 중장기 수소 및 수소 전기차 로드맵 ‘FCEV 비전 2030’에 맞추어, 수소 사회의 로드맵을 그려나가고 있습니다. 앞으로 수소 사회 안에서 미래의 철도기술을 선도해 나갈 현대로템의 다양한 활약에 많은 응원과 관심 부탁드립니다!