1. 도입

 

○ 유럽연합 철도 네트워크는 세계에서 가장 복잡하며 전철화가 거의 50%를 차지하고 있음

- 전체 교통량의 약 80%가 전기를 동력으로 함

○ 그렇지만, 디젤 구동시스템도 철도 서비스에 중요한 역할을 하며 영국, 에스토니아/라트비아/ 리투아니아 등 발틱해 국가, 아일랜드와 그리스 같은 나라는 전철화가 거의 되어 있지 않은 나라에서는 디젤시스템이 철도 운영의 바탕을 이룸

- 디젤기관차는 화물 운송과 물류 시장의 자유화에 중요한 역할을 하고 있음

○ 다른 교통수단에 비해 철도시스템이 제공하는 환경적 편익은 이러한 교통수단에 대한 사회적, 정책적 지원의 핵심적인 요소임

- 철도시스템에서 배출되는 대기오염 배출량이 교통 분야 전체의 배출량 중 작은 부분을 차지하지만, 철도의 디젤 배기가스 배출 문제에 대해 이제 대중들과 관련 정부기관의 관심이 높아지고 있음

○ 디젤구동 철도시스템의 전체 배출가스양은 전체 교통 분야보다 매우 낮음(2.5% 이하)

- 질소산화물과 입자상 물질의 배출도 1990년부터 2008년 사이에 이미 35%까지 감소했고 앞으로도 더 감소할 것으로 예상함

- 그 이유는 더 청정한 기술의 도입, 디젤 구동 차량의 축소와 낮은 주행거리, 전철화 때문임

 

2. 문제 극복을 위한 협력

 

○ [CleanER-D] 프로젝트의 탄생

- European Directive 2004/26/EC에 의해 규정된 새로운 배출기준이 곧 시행될 것이며, 이러한 새로운 규제 프레임워크에 부응하기 위한 기술적 솔루션을 모색하기 위해 시작

- 규제가 더욱 강화될 것이며 미래에 적용될 장치에 대한 동적이며 혁신적인 솔루션을 제공하는 것이 목적임

- 이러한 목적으로, 하이브리드 기술과 그 기술이 에너지 소비량과 이산화탄소 배출량의 감소에 미치는 영향을 분석할 것임

- 더욱 청정한 디젤 차량을 위해, 유럽 대륙에서 26개의 파트너들이 굳게 협력하고 있음

○ [CleanER-D] 프로젝트의 최종 목표

- NRMM(비도로 이동기계, Non-Road Mobile Machinery) Directive의 stage IIIB 요구조건을 만족하는 디젤엔진을 장착한 철도차량 운행서비스에 대한 타당성 및 신뢰성 분석을 실증화 시험하는 것임

- 프로젝트의 성공적 목표 달성을 위해, 3개의 서브 프로젝트가 있음

- 기존의 디젤 차량 즉, 저-배출가스 엔진을 장착한 기관차와 일반 철도차량 개량의 2개 분야와 새롭게 설계된 기관차 내에 stage IIIB 엔진을 장착하는 것으로 구분됨

 

3. CleanER-D 철도차량 실증화 시험

 

○ 실증화 시험의 목표

- 300kW 출력 이하의 TD242 RH TA2 엔진을 포함한 디젤 파워팩을 장착한 철도차량에 대한 설계, 통합 그리고 시험

- 또한, 디젤 철도차량의 저 배출가스 배출에 관심이 있는 엔지 제작업체, 통합회사 그리고 운영회사에 가치 있는 정보를 제공하는 것임

○ 실증화 시험의 장애 : 대차에 장착될 공간의 제약

- Stage IIIB 필요조건을 만족하기 위해, 운영회사는 2개의 유체 솔루션 즉, SCR 후처리장치 (SCR aftertreatment equipment)가 필요한 소위 SCR 시스템과 Adblue 탱크가 필요한데, 이에는 제한된 공간이라는 한계가 존재함

- 이러한 측면과 궤간이 좁아서, 영국의 디젤열차(DMUs)에 적절한 디자인 솔루션을 제공하기 위한 특수한 시험이 시행되어야 함

○ 체코 철도(Czech Railways)에서 제공된 Class 842 차량이 개조되기로 결정됨

- 이 개조시험의 목표는 거의 20년 정도 사용한 엔진을 stage IIIB 엔진으로 교체하는 것임

- 동시에, stage IIIA 엔진을 장착한 동일한 Class 842 디젤차량을 사용하여, stage IIIA 엔진과 stage IIIB 엔진 양쪽 모두의 측면에서 배출가스 측면에서의 비교와 기술적 성능을 비교하게 될 것임

○ 현재, 타당성 분석, 차량 필요조건 시방 그리고 엔진 사양이 결정됨

- 연구 결과, 철도차량의 무게는 상당히 증가하지 않음

- 테스트 베드와 영업시운전이 2011년에 계획되어 있음

- 이 시험결과는 엔진 패키지 시스템의 내구성, 신뢰성 그리고 내구연한에 관한 중요한 정보를 제공할 것임

 

4. CleanER-D 중량철도 실증화 시험

 

○ 실증화 시험의 목표

- 엔진 제작회사가 주행 중인 본선용 기관차에서 stage IIIB용 엔진 솔루션을 시험할 기회를 제공하는 것임

- 이미 stage IIIA 등급에 들어맞게 제작된 새로운 기관차에 stage IIIB 등급의 엔진을 설치하여 효율성에 관한 실제 데이터를 획득하는 것임

○ 프로토타입 기관차는 아래의 사전 조건을 만족시킨 후에, 특별한 모니터링 프로그램에 따라 영업 운행을 수행하고 운영될 것임

- 새세대 2.800kW 시리즈 엔진 장착

- 16기통 실린더 C175 철도엔진은 엄격한 stage IIIB 배출가스 기준에 맞게 설계되고 새롭게 설계된 디젤-전기 기관차에 통합될 것임

- 일단 설치가 완료되면, 배출가스 측정과 같은 광범위한 시험이 기관차에 대해 시행될 예정임

○ 이 시험은 철도차량 중량 문제에 직면할 것임

- 즉, 전형적인 유럽의 4축 기관차 규격에 고출력의 stage IIIB 디젤엔진을 장착하면서 최대 축중 제한을 초과하지 않아야 함

- Stage IIIB 기준의 배출가스 방출을 위한 배출감소 기술은, 추가적인 엔진 중량 문제를 일으키고 기관차의 다른 부분에 중량 감소가 필요해짐

- 이 프로젝트는 시험을 통해, 새로운 저 배출 기술에 관한 유용하고 가치 있는 기술 정보를 추출할 것임

○ 이 프로젝트의 출발과 함께, 새로운 Stage IIIB 부합 엔진 패키지에 대한 일반 사양이 규정되고 이것은 특수한 기관차 사양과 유지보수 주기 필요조건으로 보완됨

○ 디젤엔진에 사용될 배출기술의 선택 : EGR(배기가스 재순환장치, exhaust gas recirculation) 기술과 입자상 물질 후처리장치인 DPF 장치 선택

- EGR 기술은 질소산화물을 감소시키고, DPF 장치는 입자상 물질(수트와 재)을 감소시킬 기관차 소음기를 대체할 것임

- 더 낮은 배출가스 온도에서 DPF에 축적된 수트를 제거하기 위해, 사전-산화(pre-oxidation) 촉매가 장착될 것임

- 이를 통해, 재생을 위한 버너의 사용을 피하고 유지보수를 감소시킬 것임

○ 설계 수정의 주요 목표는 부품이 원래 차량에 추가로 장착되더라도, 2.800kW라는 같은 고출력을 유지하면서 동시에 낮은 축중을 유지하는 것임

- 또한, 새로운 후처리 장치의 설치와 관련된 유지보수와 운영비용을 최소화하는 것도 중요한 목표임

○ 2011년에, 실제 운행조건에서 새로운 저 배출 부품의 정확한 성능에 대한 최적화와 평가를 위해, 영업 운행에 돌입하기 이전에 엔진 패키지가 기관차에 설치되고 상세한 설치작업과 작업에 대한 모니터링이 진행될 것임

 

5. CleanER-D 경량철도 실증화 시험

 

○ 실증화 시험의 목표

- 40년 동안 가동된 주 본선의 기관차 엔진을 미래의 배출가스 규제기준인 Stage IIIB에 들어맞는 디젤엔진으로 전원공급 체계를 다시 구성하는 것임

- 새로운 배출가스 기준을 충족하기 위해서, 이 작업에는 디젤 입자용 필터와 배기가스 재순환장치와 같은 새로운 기술이 적용되어야 함

○ 연구팀은 기관차에 배기가스 후처리 기술을 장착한 프로토타입 12V4000R84 엔진을 설치하여 실제 작동조건에서 14개월 동안 시험을 할 예정임

- 이 엔진의 용량은 1.800kW이며 배기가스 후처리 시스템은 수동 재생 DPF를 통합시키고 파트너의 엔지니어에 의해 설계됨

○ 높은 품질의 현장시험을 위해, 엔진과 DPF시스템은 현재 전문가들에 의해 시험 현장에서 정밀하게 튜닝되고 있으며, 이것은 배출가스 방출과 차량의 사양 측면에서 모든 요구사항을 만족한다는 사실을 보증하기 위해서임

○ Type BR225 화물기관차의 시스템을 통합하는 작업도 진행 중임

- 현재 이 기관차는 1971년부터 사용되고 있는 12V956TB10 엔진으로 전원을 공급받음

- 엔진 베드, 기어박스, 냉각시스템과 다른 조립부품의 수정은 미래에 필요한 새로운 엔진의 설계 기준에 맞추는 데 필요한 것임

- 모든 참여자의 강력한 협동이 매우 유망한 콘셉트의 개발을 도와줄 것임

○ 2011년 1/4분기에, 새 엔진과 DPF가 프로토타입 기관차에 설치될 것이며, 이는 전원공급 시스템 개조가 완료된 이후에 영업운행에 투입될 예정임

- 전원시스템 개조가 이루어진 이후의 성능에 관한 정보를 얻고자, 현장시험 중에 엔진과 배기가스 후처리시스템은 광범위한 검사와 배출가스 측정 프로그램이 진행될 예정임

○ 또한, 이 서브 프로젝트의 목표는 Stage IIIA 엔진을 장착한 입환기관차에 사용되는 DPF 시스템에 관한 신뢰성 있는 기술 데이터를 제공하는 것임

 

6. 지속가능성과 통합

 

○ [CleanER-D] 프로젝트는 철도시스템에 디젤을 사용하는 장치의 사회경제적 그린 측면에 강력한 초점을 맞추고 있음

- 철도는 가장 친환경적인 교통수단으로 증명됨

- 그러므로 여전히 현재 유럽지역 운영의 약 20%를 구성하는 디젤-전원의 철도차량 배출가스 성능을 향상하는 것에 집중이 이루어져야 함

- 추가로, 유럽연합 철도분야는 증가하는 에너지 가격의 도전과 유럽연합에 의해 세팅된 더욱 엄격한 환경 프레임워크를 만족하게 할 준비를 해야 함

- 생애주기비용의 계산과 비용/편익 분석 방법론의 개발이 이 특수작업의 중요한 핵심요소임

- 결국, 기술적 솔루션과 가능한 트레이드-오프 간의 최적화가 연구되고 제안될 것임

○ 소위 [지속가능성 연구(Sustainability Study)]는 유럽연합 디젤 철도차량과 관련된 미래의 디젤 배출가스 방출에 영향을 끼칠 수 있는 중요한 요소들을 방해함

- 법률규정화, 시장의 개발, 경쟁 교통수단의 배출가스 감소기술의 개발과 운영과 같은 푸시-풀 요소들에 특히 초점이 맞추어질 것임

- 미래의 배출가스 감소기술에 대한 평가와 더불어, [지속가능성 연구(Sustainability Study)] 연구는 영향 평가(Impact Assessment)를 최종적으로 진행할 것임

- 최종적으로, [CleanER-D] 프로젝트는 유럽의 철도차량 디젤구동방식에 대한 미래의 배출가스 감소 접근과 전략에 대한 권고사항을 담게 될 것임

 

7. 새로운 기술 적용

 

○ 기존 그리고 잠재적인 배출가스 감소기술을 기관차, 디젤동차, 철도차량, 디젤 발전 및 전원공급 팩에 통합시켜 이러한 기술에 대한 권고사항을 제시하는 것이 이번 프로젝트 파트너들에 의해 수행될 과제임

○ 이 서브프로젝트의 목표

- 철도차량에 적용 가능한 저 배출 기술에 관한 최신 기술의 구분

- 다른 교통수단에 적용된 저 배출가스 기술의 벤치마킹

- 혁신적인 저 배출가스 기술을 사용할 경우, 엔진과 철도차량 성능과 통합에 관한 영향 및 타당성 평가

- stage IIIB를 벗어난 잠재적인 시나리오에 기반을 둔 디젤 철도차량의 배출가스 감소를 위한 기존 및 대체 솔루션의 권고사항 제시

○ 현재까지, 특히 철도와 자동차 산업에서 최신식의 후처리기술은 구별됐고 가장 유망한 솔루션을 평가하기 위해 가장 최신의 stage가 사용될 것임

○ 현재 강력하게 초점이 맞추어진 분야는, 연료의 성격과 품질이 배출가스에 미치는 영향, 디젤 DPF 전략의 평가 그리고 기본적 베이스라인으로 stage IIIB 배출가스 기준을 사용하여 최근의 후처리 기술을 평가하는 것이지만, stage IIIB를 벗어날 경우에서의 이 솔루션의 적정성도 평가함

- 컴퓨팅 유체 다이나믹스와 같은 수학적 시뮬레이션들이 이 작업을 위해 개발 중임

○ 추가로, 이러한 기술을 사용하는 통합작업과 관련된 차량에의 문제에 대한 조사가 시행될 예정임

- 차량과 관련된 문제에는, 엔진으로부터 발산되는 열의 최적 관리와 이용, 패킹, 제어, 내구성 그리고 유지관리 등이 포함되어 있음

- 이 활동은 디젤 철도차량 장치에 대해 stage IIIB를 벗어난 미래의 척도에 대한 기술혁신 평가 작업을 완료하게 될 것임

 

8. 하이브리드화

 

○ 하이브리드 솔루션을 통해 디젤로 구동되는 철도장치의 이산화탄소와 오염물질 감소 모두를 최소화하고 연료소비량 감소를 통해 에너지 효율성이 최적화될 수 있다는 사실은 여러 분야에 광범위하게 합의된 사항임

- 파트너들은 온 보드 에너지 저장시스템 콘셉트를 통한 에너지 절약의 가능성을 평가할 것임

- 기존의 디젤-구동 열차는 주로 브레이크 레지스터를 통해 브레이크 에너지를 열로 발산시켰음

○ 이 서브프로젝트는 철도차량에 적용될 하이브리드 구동시스템에 대한 기술과 아래의 목표를 통해 연료 소비량과 배출가스 감소에 미치는 영향을 조사하는 것임

- 최신의 하이브리드 기술의 구분

- 서로 다른 철도차량 형식에 따른 표준 듀티 사이클(standard duty cycles)의 정의

- 에너지 사용과 구동시스템의 배출가스 그리고 보조시스템의 관리에 미치는 영향의 조사

- 혁신적인 에너지 저장시스템의 비교

- 하이브리드 기술에 의한 영향의 평가

- 혁신적인 하이브리드 기술을 사용하여 연료 소비량과 배출가스 감소를 더욱 하기 위한 권고

○ 플라이휠, 유체정역학적 축압 장치(hydrostatic accumulator), 2층 커패시터 그리고 축전지와 같은 온 보드 저장시스템을 위한 최신의 하이브리드 기술의 구별에 특별한 강조가 있었음

- 특히 도시철도 차량과 트램 그리고 메트로 시스템과 같은 다양한 철도시스템 적용을 위한 혁신적인 개발이 최근에 이루어져 왔으며 본선 철도차량 그리고 디젤-구동 철도차량 그리고 특히 도로교통과 정지된 영역에서 사용되는 개발 연구결과로부터 이전된 기술도 검토되어 오고 있음

○ 에너지 성능과 배출가스를 결정하기 위해, 도시 간, 지역 간, 고속 디젤 전기동차, 도시 간 기관차, 화물용 기관차 및 입환기관차와 같은 다양한 디젤-전원의 철도차량 수명주기가 세부적으로 규정됨

○ 게다가, 배출가스와 에너지 소비량을 비교하기 위한 표준화된 수명주기를 세부적으로 결정하려면 철도차량에 대한 정밀한 데이터가 준비되어야 함. 목표는 아래와 같음

- 기존의 구동 사이클에 대한 평가와 [Railenergy] 프로젝트의 결과에 기반을 둔 배출가스 시뮬레이션을 위해서는 수명주기 사이클과 파라메타의 규정

- 이 표준 수명주기를 유럽연합 표준을 위해 유럽표준위원회(CEN, Committee European de Normalisation)에 제안

- 필요한 오염 값 효과의 구별

○ 디젤 하이브리드 철도차량에 대한 다양한 에너지 저장기술이 평가됨

- 다양한 철도차량의 세부 수명주기가 열차 행동과 차륜에 가해지는 힘을 구별하고자 분석될 것임

- 몇 개의 에너지저장시스템과 디젤 엔진 사이의 재분류 작업이 엔진 정지 기간과 전체 수명주기 동안 에너지 형평성을 고려하는 보조 공급회사들의 통합으로 정리됨

 

9. 향후 전망

 

○ 유럽연합환경위원회(European Environment Agency)가 제시한 지표에 의하면, 유럽에서의 기존 디젤 철도차량이 배출하는 전체 대기오염물질 배출은 글로벌 수준에서 낮고 특히, 다른 교통 분야나 산업분야와 비교했을 때에는 더욱 그러함

- 추가로, 철도차량 분야(전기 그리고 디젤)의 특별한 이산화탄소 배출은 1990년대 이후로 감소하여, 여객열차는 11% 그리고 화물열차는 35% 감소를 나타냄

○ 실증화 시험 서브프로젝트의 사전연구 결과에 의하면, 철도 산업이 현재의 요구조건을 만족시키며 전체 배출가스에서 중요한 역할을 할 수 있음을 보여 줌

- 이러한 목표에 도달하지만, 해결해야 할 기술적, 재정적 문제가 존재함

○ 결국, 모든 기존의 불확실성의 영향을 알지 못하기 때문에, 철도차량의 구동으로부터 발생하는 질소산화물과 입자상 물질의 전체 배출량은 아마도 2020년까지 약 20% 더 감소할 것으로 대략 평가됨

○ 분명히, 디젤은 유럽연합 철도 분야의 한 구동 모드로 남을 것임

- [CleanER-D] 프로젝트는 실제 도전적인 문제와 제약사항의 백그라운드에 대한 가능성을 실증화할 것임

- 최종적으로, 프로젝트와 파트너들은 구동 모드의 적용가능성을 증명할 것이며 유럽연합 궤도에 디젤의 사용에 관한 논의를 위해 사용될 다양한 기술적 솔루션과 연구 결과를 제공할 것임

 

 

 

 

▣ 원문제목 : CleanER-D puts diesel propulsion on the right track

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

 

1. 도입

2. 문제 극복을 위한 협력

3. CleanER-D 철도차량 실증화 시험

4. CleanER-D 중량철도 실증화 시험

5. CleanER-D 경량철도 실증화 시험

6. 지속가능성과 통합

7. 새로운 기술 적용

8. 하이브리드화

9. 향후 전망