알아두면 쓸데있는 열차 동력 상식

우리가 일상에서 늘 이용하는 지하철은 '전기'를 이용해 달리는 '전기 열차(전동차)'입니다. 지금만 해도 전차선으로 전기를 공급받아 열차가 움직이는 것이 당연하지만, 몇십 년 전까지만 해도 우리나라에는 디젤기관차와 증기기관차만이 달리고 있었습니다. 또한, 가까운 미래에는 수소 등 친환경 에너지를 연료로 하는 열차가 다니게 될 것으로 예상되고 있죠. 오늘 현대로템 공식 블로그에서는 이처럼 빠르게 변화해 온 열차의 동력원을 함께 살펴봅니다.

증기기관에서 시작된 열차 동력의 역사

말이 끌던 수레인 마차(馬車)가 수증기로 움직인다는 뜻의 기차(汽車)로 발전한 배경에는 증기기관의 발명이 있었습니다. 증기기관은 수증기의 열에너지를 운동에너지로 전환하는 시스템입니다. 나무나 석탄 등을 태워서 보일러를 데우고, 가열된 물이 기화되면 수증기의 압력으로 피스톤을 움직여서 바퀴를 돌리는 방식이죠. 

19세기 초 등장한 증기기관차는 산업화의 일등공신으로 여겨집니다. 말보다 몇 배나 빠른 속도로 엄청난 양의 화물을 실어 나를 수 있었고, 사람들은 저렴한 비용으로 멀리까지 여행을 갈 수 있게 되었습니다. 당시 증기기관차의 발명은 이동 수단의 패러다임을 바꾼 엄청난 사건이었고, 증기기관차가 사라진 지금까지도 많은 사람이 기차 하면 증기기관차를 떠올리곤 하죠.

1899년 우리나라에 철도가 개통되면서 처음으로 운행한 열차도 바로 증기기관차였는데요. 옛 철도 역마다 급수탑이 세워져 있는 것도 보일러를 사용하는 증기기관차가 많은 양의 물을 필요로 하기 때문이랍니다.

증기기관은 가솔린이나 디젤기관 같은 내연기관과 달리 외연기관에 속합니다. 외연기관은 외부에서 연료를 태워서 열을 공급하는 기관으로, 많은 양의 기체를 필요로 하는 만큼 부피가 커집니다. 한 번 가동하기 위해서는 1~2시간 충분한 예열이 필요하며 무겁고 연비가 나쁘다는 단점도 있죠. 또한, 증기기관차는 일반적으로 석탄을 태워서 가동하기 때문에 심각한 매연이 발생합니다. 

19세기 말에 디젤기관이 발명되면서 빠르게 증기기관을 대체하기 시작한 것도 이러한 단점들 때문인데요. 그 결과 증기기관은 발전소나 대형 선박 등 큰 출력을 필요로 하는 시설에서만 모습을 찾아볼 수 있게 되었습니다.

현재 열차에 사용되는 동력의 종류

증기기관 이후 열차에 사용되는 동력원은 크게 4가지로 정리할 수 있습니다. 지금부터 각 동력의 특징을 간단히 살펴보고, 주요 열차들의 히스토리를 알아보겠습니다. 

먼저 전기는 가장 익숙한 동력원이며 AC(교류, 25kV)와 DC(직류, 1.5kV, 750V 등) 구간으로 분류됩니다. 디젤은 디젤기관차와 디젤동차로 구분되며 견인력이 뛰어나고 전기 인프라를 갖추기 어려운 지역에 유리하다는 특징을 지닙니다. 

한편, 지속 가능한 친환경 열차 동력원도 개발되어 열차에 적용되기 시작했습니다. 대표적인 것이 바로 수소인데요. 탄소 등 오염물질을 배출하는 타 동력 기관과 달리 오직 물만 배출하며 충전시간이 빨라 열차와 자동차 등의 동력원으로 적합합니다. 수소충전소 등 인프라만 갖춰지면 어떤 열차보다도 탄소 발생량이 적으며, 전차선 등 시설물이 필요하지 않다는 것도 장점으로 꼽힙니다. 

생성된 전기를 저장장치(ESS, Energy Storage System)에 저장했다가 전력이 필요할 때 공급하는 배터리 역시 친환경 동력원에 속합니다. 배터리를 충전한 후에는 일정 구간 배터리 동력만으로 운행 가능하여 충전 구간을 제외하고는 시설물이 불필요합니다. 태양광 발전, 풍력 발전 등 친환경 에너지가 확대될수록 전기를 사용하는 배터리 열차의 친환경성도 높아질 전망입니다. 

전기 차량과 디젤 차량의 시대

▲2004년 현대로템이 납품해 운행 중인 이란 디젤동차

증기기관차 다음으로 주된 열차 동력원이 된 디젤기관은 독일의 기술자 디젤이 발명한 내연기관입니다. 실린더 안에서 공기를 고온으로 압축하고 경유나 중유를 분사해 폭발시킨 힘으로 피스톤을 움직이죠. 디젤기관은 폭발 후 잔여 연료가 없어 연료 효율이 높고 타 내연기관보다 열효율이 높은 것이 특징인데요. 그만큼 진동이 심하고 배기가스 배출이 많다는 단점이 있습니다.

제2차 세계대전 전후로 디젤기관차가 널리 보급되었지만, 전기 열차가 개발되고 철도 분야에서 환경 이슈가 대두되면서 현재는 디젤기관차의 비중이 많이 줄어들었습니다. 하지만 전기가 끊어지거나 전차선이 없는 극단적인 상황에서도 디젤기관차는 운행이 가능하기 때문에 유사시를 대비한 디젤 차량 수요는 계속 존재할 것으로 보입니다. 

▲알아두면 쓸데있는 디젤열차 상식 

▲전동 열차에는 전기를 공급하는 팬터그래프가 필수적이다

전기를 동력으로 하는 열차는 전동 열차라고도 부르며 현재 가장 많이 운행하는 차량입니다. 최초의 전기 기관차와 전기 철도 노선은 19세기에 등장했으나, 전기 인프라 설치의 어려움으로 전 노선 전철화까지는 시간이 걸렸습니다. 우리나라의 경우 1960~70년대 경제성장과 함께 산업철도 전철화가 본격화되었고 국가철도공단에 따르면 2026년까지 전철화율 82%를 달성할 계획입니다. 

전철화율이 중요한 이유는 전기 열차 운행에 ‘전차선’이 필수적이기 때문입니다. 공중에 가설된 전차선은 팬터그래프와 상호작용하며 전동 열차에 전기를 공급합니다. 지속적으로 전기를 공급받아 동력원으로 사용하는 열차는 연료를 적재할 필요가 없어 에너지 효율도 뛰어난 것이 특징입니다.

▲알아두면 쓸데있는 전차선 상식

▲알아두면 쓸데있는 팬터그래프 상식

미래의 친환경 동력, 수소전기열차

▲현대로템이 개발하는 친환경 수소전기트램

마지막으로 소개해 드릴 차량은 수소와 배터리(전기)가 만난 수소전기열차입니다. 수소는 그린 뉴딜과 함께 가장 주목받는 친환경 동력원으로, 현대자동차그룹의 수소자동차 기술과 현대로템의 철도차량 경쟁력이 시너지를 내고 있죠. 수소전기열차는 운행 중에 오직 물만을 배출하며 공기 정화 기능까지 있어 탄소 배출 제로 시대의 철도로 주목받는 기술입니다. 

수소열차 주행에 필요한 모든 시스템은 모듈화되어 지붕에 탑재되고, 저상형 구조로 공간 효율이 우수한 것이 특징입니다. 수소충전소에서 빠른 충전이 가능하고 별도의 시설물이 필요하지 않은 것도 장점으로 꼽힙니다. 충전된 에너지는 ESS에 저장되어 전차선 없이도 일정 구간 운행이 가능하기 때문에 도시 미관에도 긍정적이라는 평가입니다.

▲무가선 수소전기트램에는 수소연료전지와 ESS가 함께 탑재된다

현대로템은 2021년 수소연료전지로 동작하는 시제차량을 시작으로 본격적인 수소전기트램 개발을 진행할 계획입니다. 무가선 방식의 트램 기술은 이미 개발되어 있으며, 수소트램에 대한 수요가 높아짐에 따라 2~3년 내에 상용화까지 가능할 것으로 보입니다.

▲미래 모빌리티 동력원, 수소연료전지 VS 배터리 비교분석

지금까지 철도차량의 다양한 동력 방식을 소개해 드렸습니다. 어떠한 노선에서 운행할 열차의 종류와 운영 방식을 결정하기 위해서는 다양한 조건을 고려해야 하는데요. 환경영향 평가와 전차선과 변전소 등의 시설물 설치 가능 여부, 열차의 수송률 등이 주로 논의되는 사항입니다. 

미래 철도 모빌리티에서는 환경과 기술적 측면을 모두 고려한 열차가 대세가 될 것입니다. 이에 현대로템은 그린 뉴딜에 발맞추어 수소와 배터리(전기)를 동력원으로 하는 친환경 열차를 제작하는 것은 물론, 디지털 뉴딜에 걸맞은 스마트 열차 개발에도 역량을 집중하고 있습니다. 현대로템이 만들어 나갈 미래형 열차에 많은 관심 부탁드립니다!

참고 자료

▲사이언스올

▲한국철도기술연구원

▲한국민족문화대백과사전

▲국가철도공단