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[기고] 수소철도차량용 하이브리드 동력시스템 설계 기술 동향

조인호 / 한국철도기술연구원 추진시스템연구팀 선임연구원

장병극 기자 | 기사입력 2020/07/01 [17:53]

[기고] 수소철도차량용 하이브리드 동력시스템 설계 기술 동향

조인호 / 한국철도기술연구원 추진시스템연구팀 선임연구원

장병극 기자 | 입력 : 2020/07/01 [17:53]

▲ 조인호 / 한국철도기술연구원 추진시스템연구팀 선임연구원  © 국토매일


[조인호 / 한국철도기술연구원] 전 세계적인 에너지 효율 향상 노력과 함께, 철도시스템에도 효율 향상에 대한 요구가 강해지고 있다. 이러한 사회적 요구에 발맞추어 철도차량 추진시스템에서는 대용량 에너지저장시스템(Energy Storage System, ESS)을 차량에 탑재하여 제동 시 발생하는 회생에너지를 저장하고, 이를 추진 에너지로 활용하여 시스템 효율을 높이고자 하는 연구가 활발히 이루어져 왔다. 

 

최근에는 기존 연구에서 더 나아가 전차선을 이용한 전력전송 과정에서 발생하는 손실을 제거하고 철도시스템에서의 화석에너지 사용을 줄이기 위한 목적으로 수소연료전지와 같은 친환경 에너지를 활용한 철도차량 추진시스템 연구도 활발히 진행되고 있다. 

 

이와 관련하여 프랑스 철도회사인 Alstom은 수소철도차량을 개발해 상업운전을 시작한 상황이고, 우리나라에서도 국토교통부의 R&D 사업으로 한국철도기술연구원이 주관이 되어 2017년도부터 수소연료전지 하이브리드 철도차량용 추진시스템 연구를 진행하고 있다.  

 

새롭게 연구되는 수소연료전지 기반 철도차량 추진시스템은 고에너지밀도 특성을 가지는 수소에너지를 기본 동력으로 하고, 추진 효율을 높이기 위한 방안으로 대용량 ESS가 수소연료전지와 하이브리드 구성되어 적용되고 있다. 

 

이러한 ESS에 적용 가능한 에너지 저장매체로 현재 가장 주목받는 에너지 저장매체에는 슈퍼커패시터와 리튬배터리가 있다. 

  슈퍼커패시터의 경우 높은 출력밀도(리튬이온배터리 대비 약 3~10배) 특성을 가지면서도 백만 사이클 이상의 긴 수명 특성을 보이고 있어 유지보수 비용 절감에 큰 장점을 가진다. 

 

이러한 장점을 기반으로 현재 철도차량 제동 시 발생하는 회생에너지를 저장하는 용도의 지상용 ESS가 개발되어 국내 도시철도 변전소에 설치, 운용되고 있다. 하지만, 리튬배터리에 비해 현저히 낮은 에너지 밀도 특성은 경량화가 요구되는 철도차량시스템 적용에 한계점을 가지고 있어 슈퍼커패시터만을 적용한 수소연료전지 철도차량 추진시스템 연구는 미진한 상황이다. 

 

스마트폰을 비롯한 휴대용 저장장치 시장의 성장과 함께 급속히 보급이 확산된 리튬전지는 슈퍼커패시터에 비해 상대적으로 높은 화재 위험성, 낮은 출력밀도·수명 특성을 가지는 단점을 가진다. 하지만 높은 에너지 밀도(슈퍼커패시터 대비 약 20~40배) 특성으로 인해 시스템의 경량화에 큰 장점이 있어 현재 다양한 산업 분야에서 가장 널리 사용되고 있으며, 성능 향상을 위한 연구도 꾸준히 진행되고 있다. 

 

수소철도차량에 적용되는 대용량 ESS의 설계에 있어 △차량의 운영 효율 향상을 위한 경량화 △사고 예방을 위한 안전성 강화 등을 가장 중요한 설계 기준으로 꼽을 수 있다. 

 

먼저 경량화를 위한 연구로는 슈퍼커패시터와 리튬이온 배터리를 하이브리드 구성한 ESS 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구는 슈퍼커패시터가 가진 고출력 밀도 특성과 리튬이온배터리가 갖는 고에너지밀도 특성을 동시에 활용하고자 하는 목적으로 연구가 시작되었다. 하지만, 서로 다른 특성의 에너지저장매체를 결합하고 각각의 장점을 충분히 활용할 수 있는 조건으로 ESS를 설계할 경우 전력변환장치의 사이즈 증가가 발생하여, 이를 줄이고자 하는 전력변환장치 회로 연구가 이 분야에서 주된 연구 방향이 되고 있는 추세이다.  

 

대용량 ESS의 안전성 강화를 위한 연구로는 배터리의 상태진단기술 연구가 진행되고 있다. 이러한 기술은 주로 배터리를 관리하는 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)의 기능을 강화하고 보완하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 이에 따라 최근의 BMS는 기존의 셀 불균형 완화(Cell balancing), 배터리 용량 추정(SOC estimation) 기능에서 더 나아가 정확한 수명 평가(SOH estimation)기능과 셀의 위험도를 판단(Prognostics & Health Management)하는 기능이 추가적으로 연구되고 있다. 

 

오늘날 고효율 추진시스템을 요구하는 국제적 요구에 따라 철도차량에 있어서 대용량 ESS의 적용은 분명한 변화의 추세가 되고 있다. 이렇게 변화하는 기술적 흐름에 있어서 국내 기술의 경쟁력 강화를 위해서는 관련 분야의 선행적인 연구가 적극적으로 요구되는 상황이다.

 

이를 위해 철도차량의 운행 조건을 고려한 대용량 ESS 설계 기술 연구가 필요하며, 더 나아가 수명이 도래한 철도차량용 ESS을 재활용하는 기술 역시 미래에 열릴 새로운 산업 분야의 기술 선도를 위한 연구로 필요하다고 판단된다.


원본 기사 보기:철도경제신문

 
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