현대차그룹의 그룹사로 국내와 해외에 철도차량을 공급하고 있는 현대로템은 수소전기철도차량의 개발을 미래 철도의 중요한 기술로 선정해 R&D 로드맵에 포함시켜 개발에 착수했으며, 그 첫걸음이 수소전기트램이다.

본고에서는 현대로템의 수소전기철도차량 개발 로드맵 중에서 수소전기트램 개발 현황을 주요한 주제로 설명하고 전반적인 수소전기철도차량의 개발계획까지 개략적으로 소개하고자 한다.

철도시스템의 특장점과 트램 소개
먼저 철도시스템의 특징과 트램에 대한 이해가 필요하다. 현대로템은 글로벌 최고 수준의 100% 저상형 트램을 이미 개발하여 해외에 수출, 상업운행을 성공적으로 수행하고 있다. 하지만 국내에서는 트램이 아직 상업용으로 도입되지 않았으니 생소한 개념일 것이다. 일반인 중 일부는 트램을 예전 영화에서 종로를 지나가는 전차 수준으로 이해하는 경우도 있으니 말이다.

철도시스템은 크게 안전성, 친환경성, 경제성, 편리성 등 4가지 특장점을 가지고 있다. 철도는 고정된 선로를 따라 움직이며, (따라서 1차원 Longitudinal Dynamics가 된다) 주로 철로 이루어진 차륜은 플랜지라는 구조적 안전장치가 있어 여간해서는 탈선하지 않는다. 전용선로에는 자동운전, 자동제어 등의 신호시스템이 설치되어 있는 관계로 아주 안전하다. 100만km당 도로의 사고율은 0.6건이고 철도는 0.02건으로 철도는 도로대비 30배 이상 안정성이 높다.

또한 수송부문 온실가스 배출 비율이 도로의 경우 78%인 반면 철도는 1.1%, 해운 13.8%, 항공 7.2%인 점에서 알 수 있듯이 철도는 다른 운송시스템에 비해 월등히 온실가스 배출량이 적다.

경제적인 측면에서 1톤 1km당 소요되는 수송에너지를 보면 철도는 도로의 1/10, 항공기의 1/53의 에너지를 사용한다. 이는 기본적으로 철도가 철제 차륜이 철제 레일 위에서 구르는 시스템으로 이루어져 도로-타이어 대비 상대적인 마찰계수가 작고, 열차는 기본적으로 여러 차량이 열을 이뤄 동시에 운행하기 때문에 주행저항도 작으며, 전기에너지를 동력원으로 고효율 추진 제어를 하는 등의 여러 장점을 가지고 있기 때문이다.

경제성을 비용으로 단순 비교한다면 KTX로 1,000명을 서울에서 부산까지 이동하는데 전기료가 100만 원 정도 소요되는 데 비해 버스로는 유류비 500만 원, 자가용으로는 1,500만 원이 소요돼 15배 이상 운송비 차이가 난다고 할 수 있다. 편리성 측면에서도 정시운영, 손쉬운 탑승, 높은 표정속도, 전체 좌석제 등 대중의 교통수단으로 철도는 편리하다고 할 수 있다.

이러한 철도시스템의 장점을 일반 도로에 적용한 것이 트램이다. 트램은 노면 위 도로 또는 분리된 전용궤도를 주행하는 경량 철도를 말하는데 도심 부흥과 친환경성을 앞세우며 새로운 도시교통 시스템으로 적극 수용하는 추세이다.

특히 트램 중에서도 전체 차량 길이의 바닥 높이를 일반 도로의 보도 높이인 350mm로 맞춰 100% 저상화 한 저상트램은 휠체어나 유모차, 자전거 등을 별도 시설이나 장비 도움 없이 그대로 승하차할 수 있어 기존의 도로 운송수단과 대비해서도 매우 편리한 대중 교통수단이라고 할 수 있다.

트램은 초기 건설비와 인건비가 다른 철도시스템에 비해 적게 들고 저렴한 운영비와 저공해, 친환경성으로 신개념 대중교통으로 각광을 받고 있다. 대기오염을 개선하기 위한 환경문제, 교통안전 문제, 이동 편의성 제공의 대안으로 전 세계가 트램에 주목하고 있다. 최근에는 국내에서도 여러 지자체에서 트램을 도입하기 위한 준비가 한창이다.

트램 1대는 버스 3대, 승용차 174대와 맞먹는 수송 능력을 제공한다. 대중교통 수단 선정 시 운행속도와 시간당 수송 인원을 고려해 버스, 트램, 경전철, 지하철, 준고속 및 고속철도시스템 중 하나를 선정하는데, 트램은 버스와 철도의 중간 정도의 수송능력을 보유하고 있어 대도시는 물론 중소 도시에서도 인기가 높다.

트램은 시간당 3,000명 이상의 승객 이동에 적합하고 최대 1만2,000명까지도 수송이 가능하며 운행거리가 늘어날수록 투입비용이 줄어드는 경향이 있어 도시 확장 시 유리하다. 도로 수송량 증대 대안 외에도 도시 이미지 개선 및 도심 상권 활성화를 위해 트램 도입이 활발하다.

특히 대도시 권역에서도 도심 내 교통망 구축 시 버스와 트램을 혼합 운용하면 조밀하고 유연한 교통 서비스를 제공할 수 있어 유동인구와 운용거리 운영비를 고려하여 버스, 트램의 단독운용 또는 혼합운용이 가능한 것도 장점이다. 운용 측면에서 기존 버스 시스템 대비 적은 운전자로도 대량 수송이 가능하며 유지보수를 고려했을 때 차량의 수명도 거의 30년까지 사용할 수 있다는 장점도 있다.  

현대로템의 트램 라인업
현대로템이 보유하고 있는 트램 라인업은 크게 4가지 종류로 구분할 수 있다. 판토그래프를 이용해 가선으로부터 전력을 공급받아 주행하는 유가선 트램, 에너지저장시스템 (ESS-Energy Storage System: 배터리 또는 슈퍼캐퍼시터)을 탑재해 주 전력원으로 주행하는 무가선 ESS 트램, 수소연료전지를 주요 동력원으로 사용하며 배터리 또는 슈퍼캐퍼시터를 보조동력원으로 하여 주행하는 무가선 수소전기트램, 그리고 앞의 3가지 트램의 장점을 혼용하여 하이브리드 방식으로 운행하는 트램이 있다.

최근에는 기존의 유가선 방식과 더불어 도심 거리의 가선을 제거한 무가선 방식도 선호되고 있다. 현대로템은 이미 국책과제로 무가선 배터리 트램을 개발한 바 있다. 배터리 방식의 무가선 트램은 유가선 대비 단거리 노선에서 저렴한 공사비와 운영비가 장점이다. 배터리는 충·방전 및 관리에 따라 그 수명이 변동되므로 차량의 효율적인 운행이 중요하다.

그러나 배터리 방식의 무가선 트램은 상대적으로 충전 시간이 길고 차량에 탑재할 수 있는 배터리의 용량이 제한적이므로 일반적으로 유·무가선 하이브리드 방식으로도 사용한다. 이는 전철화 구간에서는 가선으로 운행하고 비 전철화 구간에서는 배터리를 사용하는 방식이다. 도시 외곽에서는 가선을, 도심 내의 일부 구간에서만 무가선을 각각 적용하는 경우가 일반적이지만 도시 내에서만 주로 운행하는 경우엔 가선과 무가선 구간의 선정 시에 지역 민원 등의 문제가 있을 수도 있다.

도심 전체를 배터리만으로 긴 노선을 운행하는 경우 장거리 주행을 위해서 많은 용량과 큰 부피의 배터리를 차량에 적재해야 하는 문제가 부각될 수 있다. 대부분 트램을 비롯한 철도시스템은 가용성을 고려할 때 1일 18시간 운행을 기본으로 하기 때문에 전체 노선을 무가선 방식으로 고려할 경우 배터리 차량은 가용성 측면에서 단점이 제기될 수 있다.

단순 계산으로 1시간 운행하고 1시간 충전해야 한다면 차량의 가용성을 맞추기 위해서는 차량의 보유 수량을 대폭 늘려야 하니 장거리 노선이나 빈번한 운행이 필요한 노선에서는 운영이 적합하지 않을 수 있다는 것이다.

이에 반해 수소전기트램은 또 다른 무가선 방식의 트램으로 주목받고 있다. 이는 배터리 트램의 단점을 보완할 수 있는 시스템으로 친환경성을 더욱 높인 무공해 에너지원인 수소연료전지를 주 동력원으로 이용한 이동수단이다. 수소는 에너지 밀도가 높은 에너지원으로 충전시간이 비교적 짧고 1회 수소 충전으로 주행 가능한 거리가 길어 많은 승객을 실어 나르는 중·장거리용 대중교통 수단으로 적합하다.

수소전기트램은 가선을 제거한 무가선 효과와 장거리 운행이 가능하고 더욱 친환경적인 연료전지 효과의 2가지 장점을 모두 발휘할 수 있다. 무가선 방식은 고압전선과 급전 설비가 불필요하며 가선을 제거하여 도시미관을 개선하는 효과가 있고, 유지보수 사업비가 절감된다.

또한 총 공사비가 경전철에 비해서도 1/2~1/3 수준으로 저렴하며 환경 개선 및 에너지 절감효과가 우수하다. 연료전지 방식은 운행거리 대비 투자비용 절감효과가 있고 고성능 필터를 적용한 우수한 공기정화 기능을 부가적으로 제공한다. 반응과정에서 발생하는 반응열을 이용한 난방이 가능해 에너지 절감효과를 누릴 수 있다.

향후 디젤동차나 디젤기관차 대체용으로 대용량 연료전지를 적용할 경우 기존 디젤 차량 대비 CO2 감축 효과가 매우 우수하며, 이동 발전시스템으로도 활용이 가능하다.

현대로템 수소전기트램 개발 현황과 계획
현대로템의 수소전기트램은 수소연료전지를 주요 동력원으로 사용하며, 배터리 또는 슈퍼캐퍼시터를 보조동력원으로 하는 추진시스템을 적용한다. PMSM 영구자석형 견인전동기를 사용해 에너지효율을 높였으며, 타력운행 및 제동운행 시에는 회생에너지를 배터리에 저장한 후 추진동력이 부족할 때 보조로 이용하는 방식으로 에너지효율을 더욱 증대시킨다.

연료전지 동작 과정에서 공기정화 기능을 포함하고 있으므로 공해배출 제로화와 더불어 도심 공기 정화기능을 제공한다. 수소연료를 공급하기 위한 수소 공급 인프라가 확충되므로 수소경제 활성화에도 이바지할 수 있다. 향후 수소 공급 비용이 저렴해지면 운영비 측면에서도 기존 전기에너지 대비 경쟁력을 가질 것으로 기대된다.

현대로템은 수소전기트램과 배터리 트램을 수소전기차와 배터리 전기차처럼 서로 경쟁관계가 아닌 상호 보완 관계로 보고 두 방식의 트램을 모두 고려하고 있다. 노선거리가 길고 운행 횟수가 빈번한 환경에는 수소전기트램이 적합하고, 노선거리가 짧고 운행 횟수가 적은 환경이나 가선과 일부 무가선 혼용 환경에는 배터리 트램이 적합하다. 배터리 트램은 기본 장치가 배터리 외엔 기존 트램과 동일하므로 초기 투자비용이 저렴하고 충전 인프라 구축 및 사용 전력요금이 저렴해 운영비가 적게 든다는 장점이 있다.

하지만 주행거리 증대 시 예상 에너지 소요량만큼 배터리를 추가해야 하므로 중량 및 부피를 많이 차지하게 되고 비용 또한 크게 증가하게 된다. 반면 수소전기트램은 운영을 위한 기본 장치비용과 충전소와 같은 별도의 인프라 구축비용이 필요하지만 주행거리 증대가 필요한 경우 수소탱크만 차량에 추가하면 되므로 노선길이 증가에 따른 추가 비용 부담이 적다. 

그리고 유가선 트램과의 경제성을 비교하더라도 유가선 트램의 경우 사용전력요금도 점차 인상되고 수소 비용은 점차 낮아지는 경향이 있어 향후 운영비 비교 측면에서 상세한 검토가 필요하다.

최근 미세먼지 문제가 심각해지면서 수소전기트램의 공기정화 기능이 주목받고 있다. 수소연료전지는 순수한 산소와 수소를 이용해 전기를 발생시키는 시스템이다. 외부 공기는 고밀도 필터를 포함한 3단계 공기정화 기능을 거쳐 순수한 공기가 되고 이 공기에 포함된 산소를 연료전지에 공급한다. 이 과정에서 99.9%의 미세먼지가 제거되므로 부수적인 공기 정화기능을 제공하게 된다.

공기필터는 외부 공기에 포함된 분진 및 화학물질과 초미세먼지를 97% 이상 제거한다. 필터를 통과한 공기는 막가습기를 거치게 되는 데 건조한 공기를 가습하게 하는 것이다. 이 과정에서 막 표면을 통과하면서 초미세먼지가 제거된다. 마지막으로 연료스택 내부의 기체확산층을 통해 전극 막에 수소와 공기를 공급하는 과정에서 미세공기층에서 초미세먼지가 완전히 제거된다.

트램 1,000대가 도시를 달리면 디젤차 4,000대분의 미세먼지를 정화하고 나무 2만 그루를 심는 것과 같은 탄소저감 효과가 발생한다. 디젤 버스 1대는 40μg의 미세먼지를 발생시키지만 수소전기트램 1대는 미세먼지 800μg을 정화한다. 수소전기트램 1대가 1시간 운행 시 107.6kg의 청정공기를 생산하는데 이 공기는 성인 100여 명이 1시간 소비하는 공기량이다.

철도에는 또 다른 재미있는 수소연료전지의 특성을 활용한 응용 분야가 있는 데 그것은 수소연료전지가 발생시키는 물을 활용하는 방안이다. 트램은 곡선을 통과할 때 차륜과 레일사이의 접촉으로 인해 마모와 소음이 발생하는 데 연료전지에서 발생한 물을 이용해 곡선에 적절히 물을 분사하면 차륜과 레일 사이에서 발생하는 소음과 마모를 대폭 감소시킬 수 있다.

현대로템은 그동안 국가연구개발과제로 무가선 배터리 트램의 개발과 함께 15m R급 곡선을 주행할 수 있는 기술을 개발·확보했다. 유가선 트램의 경우 당사의 독자 모델을 터키에 수출해 성공적으로 상업운행 중이다. 최근에는 트램 기술의 우수성을 인정받아 폴란드 바르샤바에 공급할 신개념의 최신 트램을 수주해 현재 한창 설계가 진행 중이다.

이같이 100% 저상트램에 대해서는 이미 확보한 최고 수준의 기술력이 있기 때문에 여기에 현대차의 수소연료전지 기술을 더한다면 글로벌 철도차량 경쟁사 대비 기술 차별화를 달성할 수 있다고 자신한다. 이에 시장재편을 위한 기술개발의 일환으로 수소전기트램을 조기에 개발을 완료하고 상용화하고자 하는 것이다.

현대로템은 수소전기트램을 비롯한 수소전기열차가 국내는 물론 글로벌 철도차량 시장에서 향후 변화를 주도할 수 있는 게임체인저로서의 역할이 충분하다고 기대하고 있다. 현대로템은 현대자동차그룹 소속사로서 현대자동차와 협약을 맺고 수소전기트램의 공동개발을 진행하고 있다.

수소전기트램은 철도 부문에서 그룹사 시너지를 창출하는 대표적인 분야로 부상하고 있다. 예를 들어 트램을 비롯한 과거의 열차의 외관 디자인은 외부에 의뢰했던 것에 비해 수소전기트램은 현대차의 디자인 부문과 협업해 외부스타일링을 진행했다.

현대로템은 수소경제 활성화를 위한 수소연료전지 적용 수송시스템 공급 사업을 현대자동차와 더불어 전개해 나갈 예정이다. 현대차그룹은 수소도시에 수소전기모빌리티로써 수소전기승용차, 수소전기버스 및 수소전기트램을 공급할 수 있다.

특히 수소전기트램의 경우 수소연료전지를 적용한 친환경 대중교통 수단이기에 일반 다수의 대중이 수소전기기술을 직접 체험할 수 있는 모빌리티로서의 역할이 있기 때문에 수소도시 조성사업에 방점을 찍을 수 있다.

현대로템은 총 3단계의 개발 과정을 통해 수소전기트램을 개발하고, 실증을 거친 이후 본격적으로 시장진입을 추진할 계획이다.

1단계는 올해 말까지 수소전기버스에 적용한 연료전지 파워팩을 이용해 수소전기트램에 적합한 성능플랫폼을 개발하고 성능시험을 완료할 계획이다. 2단계는 2020년 말까지 철도차량용 수소연료전지 구동시스템을 개발해 수소전기트램 양산형 시제차량 제작을 완료하고, 마지막 3단계는 수소전기트램 운행을 위한 각종 법규 정비 등 시장진입을 위한 준비를 하면서 2021년부터 실증노선에서의 주행 시험을 실시할 계획이다.

이러한 3단계의 과정이 끝난 후에는 예를 들어 2023년에 국내나 해외에서 수소전기트램 사업을 수주하는 경우 2년간의 양산용 설계 및 제작 단계를 거쳐 2025년부터는 일반 승객을 태우고 상업운행이 가능할 것으로 기대된다. 물론 2021년에 수주하는 경우에는 2023년이라도 상업운행이 가능하다.

현대로템에서 개발 중인 수소전기트램은 수소 40kg 충전으로 200km 이상 주행(60kg 충전 시 300km)을 목표로 설계가 진행 중이다. 2020년까지 제작이 완료될 수소전기트램 양산형 시제차량을 이용해 수소전기트램 실증사업 또는 시범사업을 모색 중이며, 여러 지자체와 함께 사업구현 협의도 병행하고 있다.  

현대로템의 수소전기철도차량 개발 계획
현대로템이 구상 중인 수소전기철도차량 개발은 로드맵에 따라 크게 3세대로 구분한 차량개발 계획을 통해 구현할 예정이다.

앞서 설명한 수소전기트램은 1세대 수소전기철도 차량으로써 약 33m 길이의 5개 모듈로 구성된 트램 1편성에 총 400kW급 연료전지를 탑재하는 철도차량이다. 모듈별로 수소전기버스와 유사한 운행조건과 동력성능을 가지고 있어 우선 현대자동차의 수소전기버스 기술을 활용하되 철도용으로 최적화 개발이 필요하다. 수소전기버스와 수소전기트램의 동력파워 수준은 유사하지만 각종 인터페이스에서 다른 면이 있어 고려해야 할 엔지니어링 이슈를 해결하기 위해서다. 

2세대 수소전기철도차량은 1MW급의 중형 철도차량에 해당하며, 이 단계의 차량군으로는 디젤엔진을 동력으로 하는 디젤동차를 대체하는 수소전기 동차나 기존 도시형 전동차급의 신규노선 또는 개조사업, 입환기관차급의 소형기관차 등이 있다.

디젤동차, 전동차, 입환기관차는 서로 다른 철도차량 시스템이지만 수소연료전지의 파워는 유사하다. 수소전기트램과 마찬가지로 당사의 기존 철도차량 기술에 있어 중간용량 수소연료전지 패키지에 대한 인터페이스 이슈를 해결하고 최적화 설계·개발이 필요하다. 이 시스템은 국내외의 실제 운영사들의 요구사항을 반영해 개발을 진행할 예정이다.

다음으로 3세대 수소전기철도는 차량 1량에 3MW급의 대형연료전지 모듈이 필요한 철도차량이다. 현재 수준에서는 매우 도전적인 과제이지만 궁극적으로 수소전기철도차량이 달성해야 할 목표이기도 하다. 대상 차종은 기존 디젤전기기관차의 대체 운송수단으로써 대용량 파워팩을 이용해 화물운송 또는 여객 운송을 장거리로 운행할 수 있는 차량인 수소전기기관차로 고려할 수 있다.

현시점에서 수소전기기관차의 개발은 국내의 철도산업 분야가 하나의 팀으로 나서 대형 국책과제 등을 통해 공동개발과제로 수행해야 가능한 것으로 판단하고 있다.

수소전기기관차는 대용량 수소연료전지 파워팩을 사용해 움직이는 발전소의 역할도 기대할 수 있다. 기존의 철도차량이 에너지를 소모하는 소비자의 역할이었다면 수소전기기관차는 분산형 파워그리드 망을 이용한 에너지운반 시스템으로 변신하고, 최종적으로 대용량 이동형 발전소로서의 역할을 수행하면서 에너지공급 기능도 담당하는 것까지도 기대할 수 있다.

예를 들어 유럽의 일부 국가에서 추진하는 것과 같이 디젤기관차가 환경오염원으로 인식돼 그 운행이 제한된 상태인 경우를 고려하고, 거기에 전원 공급이 되지 않는 비상시를 가정해 생각해보자. 이 경우는 전기기관차, KTX, 전동차 등과 같이 기존의 전기를 기반으로 하는 철도차량은 움직일 수도 없다. 같은 조건에서 수소전기열차는 자유롭게 수송용 모빌리티로써 움직일 수 있을 뿐만 아니라 전기가 필요한 장소로 이동해 즉시 전기를 공급할 수도 있는 등 이동 에너지원으로서의 역할까지도 수행할 수 있다.

이 얼마나 멋진 대안인가. 3세대 수소전기기관차는 향후 전개될 남북협력 시대를 맞아 노후화돼 있고, 우리와는 다른 전력시스템을 가진 북한 철도망에도 직접 접근해 승객과 물류 이송을 담당하는 동시에 이동 발전소로써의 전력공급의 역할도 가능할 수 있을 것이다.

일단 3세대 수준의 수소연료전지 시스템을 보유하게 되면 현재 도입을 고려하고 있는 GTX급의 준고속 전동차나 EMU250 고속열차에 적용하는 것도 바라볼 수 있을 것이고, 향후 대륙철도망까지 연계해 장거리 운송을 담당하게 되는 날도 더 이상 꿈이 아니게 될 것이다.

이처럼 현대로템의 수소전기열차 기술개발은 로드맵에 따라 수소전기트램을 시작으로 수소전기 동차를 거쳐 최종적으로 수소전기기관차까지 확대할 계획이며, 그 이상의 비전까지도 내다볼 수 있다.

현대로템 철도기술연구소는 현대자동차의 세계 최고 수준의 수소연료전지 기술과 그동안 축적된 철도차량 최신기술을 융합해 글로벌 최고 수준의 수소전기철도차량을 개발함으로써 향후 철도 분야의 게임체인저와 대한민국 수소경제의 주요 일원으로서의 역할을 수행하고자 노력할 것을 약속한다.