[공학저널 전찬민 기자] 전 세계적으로 탄소중립을 비롯한 친환경에 대한 관심은 높아짐에 따라 탄소 중립 실현을 위해 기존 화석연료를 대체하는 수소 모빌리티에 대한 관심도 높아지고 있다. 이에 따라 자동차 중심의 수소 모빌리티가 대형 승객 수송수단인 철도까지 확대되고 있다.
철도는 특성상 지정된 노선을 주기적으로 반복 운행하고 차량기지 내 수소충전 인프라 구축과 활용이 가능해 수소경제 활성화 측면에서 유리하다. 지난 2019년 발표된 수소 경제 활성화 추진방안에서 수소 열차 R&D를 통한 안정성, 효율성 등에 대한 검증을 통해 상용화 계획이 추진됐으며, 환경오염을 유발하는 디젤 철도에서 점차 친환경 수소 철도로 대체될 것으로 예상되고 있다.
특히, 수소전기트램은 화석연료나 전기를 사용하는 일반 열차와 달리 수소와 산소의 반응으로 전기를 발생하는 수소연료전지를 동력원으로 사용해 운행 중 대기 오염물질이나 온실가스 등을 직접 배출하지 않는 차세대 친환경 교통수단이다.
또한, 트램의 ‘무가선식’은 배터리 전기트램과 수소전기트램으로 구분되며 전원을 공급하는 가선이 필요하지 않아 전원 공급을 위해 필요한 전차선과 구조물이 적용되지 않는다. 이에 환경적인 개선뿐만 아니라 건설비를 줄일 수 있는 방식으로, 기존의 무가선 트램이 지닌 한계까지 극복하고 효율성을 획기적으로 높일 수 있는 수소전기트램에 대한 개발을 활발히 진행하고 있다. 이러한 수소전기트램 개발의 선두에 있는 기업이 현대로템㈜이다.
현재 현대로템이 개발 중인 수소전기트램은 현대자동차의 넥쏘에서 기 검증된 95kW 연료전지 4기(380kW)를 적용하며 고출력 리튬 이온 배터리, 750bar 수소탱크 6대(수소 약 42kg), 스택/전장 통합 냉각장치와 최신 전장 기술이 적용하게 된다. 1개 편성에는 연료전지와 배터리, 수소탱크, 냉각장치 조합의 독립적인 2개 동력원을 제공해 비상시에도 운전이 가능한 구조로 설계된다.
또한 수소전기트램은 연료전지, 배터리 하이브리드 방식으로 설계되며, 연료전지와 배터리의 최적 전력분배제어를 통해 효율을 높이는 방안에 대한 연구도 진행 중이다. 연료전지는 고효율 영역을 최대한 사용해 효율을 높이고, 회생에너지에 의한 배터리 충전으로 에너지 재 사용률을 높이며 연료전지의 수명 연장을 위한 통합제어기술이 적용된다. 이러한 기술을 바탕으로 개발된 수소전기트램은 수소 소모량 최소화와 주행거리 150km 이상을 목표로 하고 있다.
수소전기트램의 연료전지는 내연기관과는 달리 연료의 연소를 통해 동력을 얻는 방식이 아니고, 순수한 수소와 산소와의 화학반응에 의해 생산된 전기를 주동력원으로 한다. 수소를 고압으로 보관하는 수소 탱크에 대한 안전성 관련 시험만 17여종에 이른다. 만에 하나 수소가 누설되더라도 매우 가벼운 물질인 수소는 급속하게 공기에 희석되며, 수소공급계통 곳곳에 수소누출감지 센서를 설치해 실시간으로 감시하기 때문에 매우 안전하다.
이처럼 현대로템은 자체적으로 수소전기트램에 필요한 기술의 선행연구를 통해 수소전기트램 컨셉트카를 선보인 바 있으며, 이를 기반으로 수소전기트램 실증사업에 참여하고 있다. 이를 통해 2023년까지 수소전기트램 개발을 완료하고 국내외 수소전기트램 수요에 대응하고자 노력을 기울이고 있다.
현대로템 수소전장개발팀 최열준 팀장은 “현대로템은 유가선 트램 수주에 만족하지 않고 더 나아가 차세대 고효율 에너지인 수소에너지를 트램과 결합해 미래형 철도 운영 체계인 수소전기트램으로 확장하고자 한다”며 “이를 기반으로 국내외에 수소전기트램을 필요로 하는 국가나 기관에 제공함으로써 현대로템의 우수한 기술력을 제공하고 경쟁업체와의 차별화를 확대해 나갈 것”이라고 말했다.
한편, 수소전기트램의 개발은 산업통상자원부 주관의 정부지원과제로써 양산형 모델 개발을 목표로 진행되고 있으며, 수소전기트램 실증사업은 2023년 12월까지 진행될 예정이다. 이 실증사업 과제는 한국산업기술진흥원의 주관하에 4개의 주요과제로 구성돼 컨소시엄형태로 진행되며, 현대로템이 총괄과제를 담당하고 한국자동차연구원, 철도기술연구원, 울산시(울산TP)가 각각 세부를 담당하고 있다.
수소전기트램용 연료전지시스템 관련 핵심기술/부품개발, 추진/주행/차체 시스템의 핵심 기술/부품 개발을 비롯해 개발 부품 인터그레이션과 실증용 시험차량 개발, 오송 시험선에서 해외수출을 위한 기술인증 기준 개발과 성능 평가가 진행된다. 이를 거쳐 울산시의 태화강역에서 울산항역 구간의 시험선에서 성능 검증, 주행 안전성 평가와 운영 최적화를 통해 수소전기트램 핵심 기술에 대한 실증을 수행할 예정이며, 2023년까지 수소전기트램 차량 제작, 시험선 시험을 통해 개발을 완료할 계획이다.
현대로템은 수소전기트램을 시작으로 수소전기열차의 시장수요에 대응하기 위해 단계별로 차종을 개발해 라인업을 구축할 계획이다. 2024년 이후에는 시속 100km급의 동차를 개발, 2030년까지는 대용량 연료전지를 통해 시속 160km 이상의 수소전기기관차를 비롯해 수소전기고속철 등 다양한 차종 개발의 로드맵을 구상하고 있다.
최 팀장은 “미래 환경을 고려한 수소 인프라 확대에 따른 수소전기트램 도입 수요가 증가할 것으로 예상됨에 따라 현대로템이 개발하는 수소전기트램의 가치도 높아지고 해외 수출의 발판도 마련할 수 있을 것으로 기대된다”며 “수소전기트램 개발을 위해 현대로템의 많은 연구원들이 새로운 기술 확보를 위해 노력하고 있다. 현재 진행 중인 수소전기트램 실증 사업을 통해 그 성과를 보이기 위해 최선을 다하겠다” 고 말했다.
