？ 이 보고서는 연방 철도청의 E3(Energy, Environment, Engine) 프로그램의 지원을 받아 미국 및 국제 철도산업의 에너지 효율 개선 및 환경 지속가능성 달성을 위한 기술 개발, 장비 개선, 모범 사례를 조사 분석한 보고서임.

？ 철도의 상대적 에너지 효율성, 새로운 에너지 효율적 기술, 대체 연료에 대한 자료를 수록하고 있음. 또한 방대한 문헌 검토와 전문가의 의견을 바탕으로 모든 철도 산업 부문에 대해 환경 및 경제적 편익과 함께 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는 기업의 지속가능한 계획, 철도 장비 개선 방법, 시스템 차원의 개선 사례와 성공 사례를 제시함.

？ 지역 간 철도, 통근 철도, 화물 철도의 요구 및 목적에 맞되, 비용 효과적이며 에너지 효율과 환경성이 개선되는 결과와 권고 사항을 제시함.

？ 주요 개선 방향으로는 공공-민간의 연구개발 협력, 연방기관, 국제 철도 기구, 지역 및 주 환경부 등의 협력을 통한 장비 개선, 기업 간 연계에 의한 지속가능성 향상 등이 포함됨. 

？ DOT/RITA Volpe 센터에서는 연방철도청(FRA)의 지원을 받아 국제 및 국내 철도 시스템의 에너지 효율 현황과 동향에 대한 방대한 조사를 수행하였음. 이를 통해 철도 산업 및 정부의 모범 사례와 에너지 효율 개선 전략을 파악하였음.

？ 미국 내 철도 에너지 효율 개선을 위해 추천하는 전략은 다음과 같음.

- 에너지 효율 및 지속가능성 개선 계획의 성공적 개발, 시연, 실행을 위한 공공-민간 협력의 강화

- 국제 지속가능성 심포지엄 및 관련 연구개발 사업과 같은 국제 고속철도 에너지 효율 개선 이니셔티브에 적극 참여

- 첨단 기관 동력 및 에너지 저장 기술, 대체 연료, 운영 제어 최적화 수단에 관한 다년간의 협력 연구, 개발, 실험, 평가 이니셔티브 및 활동에 참여

- 에너지 효율, 기업 간 지속가능성 공조 및 이와 관련된 기후변화 완화 노력에 참여하고, 이를 실행, 공인, 표창

- 산업 부문 및 관련 기관이 주도하는 철도산업 지속가능성 이니셔티브에 참여

- 표준개발기구(SDOs)에 참여하여 산업 부문의 합의를 이끌고 관련 기술 및 대체 연료 개발을 촉진

- 연방, 주, 지방 정부와 공동 투자하는 대기질 개선 및 에너지 소비 절감을 위한 철도산업 협력 사업에서 적극적 역할을 수행

？ 이 연구의 목표는 에너지 효율을 개선하기 위한 모범 사례와 기술적 방법을 알아보고, 기존 철도 및 계획된 고속 철도 서비스의 계획 및 운영 주체에게 지침을 제공해 주는 것임.

？ 철도교통은 현재 가장 에너지 효율적이며 환경 친화적인 교통수단 중 하나임. Class I 화물열차는 트럭에 비해 연료효율이 2~5.5배이며, 지난 30년 간 480 ton-mi/gal으로 높아졌음. 지난 10년 간 기관차, 화차, 선로 구조, 신호 및 제어 체계 등의 장비 개선과 운영 관리 개선을 통해 연료 효율이 매년 1% 개선되었음. 미국의 지역 간 여객열차의 에너지 집약도(Btu/passenger-mile)는 매년 1.9% 감소하였음. 전 세계 고속철도 시스템은 민간 항공기에 비해 에너지 효율이 8배 높으며, 차량에 비해서도 4배 효율적임. 기술 수준이 앞선 유럽과 일본에서는 고속철도가 차량에 비해 각각 3분의 1, 6분의 1의 에너지를 사용함.

？ 미국의 화물 및 여객 열차의 에너지 효율은 차량 형태, 기관차 연령, 적재율, 선로 혼잡 등 여러 요인에 따라 매우 다양함. EPA에서는 중량을 늘리고 에너지 효율을 떨어뜨리는 추가적인 오염물질 저감 장치를 요구하고 있음. 또한 연료 비용의 증가로 인해 운영 비용을 줄이면서 에너지 소비와 오염물 배출을 줄이는 다양한 신기술과 전략이 활용되고 있음. 성장이 예상되는 여객 수요는 에너지 효율 개선과 배출 저감에 악영향을 미칠 수 있음. 추진되고 있는 고속철도 사업은 단위 수송량 당 에너지 소비의 증가를 완화하는데 바람직함.

？ 미국에 적용 가능한 세계의 철도 에너지 효율 개선 사례로는 다음을 들 수 있음

- 캘리포니아 주립대의 철도 에너지 온라인 계산기와 95가지 기술을 포함한 데이터베이스를 활용하면 여객 및 화물 철도의 에너지 효율이 향상될 수 있음.

- 고속철도 에너지 효율과 속도에 대한 스웨덴의 연구 결과, 속도가 높아짐에 따라 비용이 25~45% 감소하는 것으로 나타남.

- 일본에서는 교류 급전 및 회생제동을 이용한 EMUs나 에너지 저장기를 탑재한 하이브리드 전기 기관차를 사용하여 전철화함으로써 에너지 효율이 20~30% 개선되었음.

- 빈번히 정차하는 통근 열차의 경우 회생제동기는 매우 좋은 대안임. 미국의 지역 간 또는 통근 열차는 전철화율이 낮아 아직 회생제동을 적용하기 어려우나, 회생제동 능력을 갖춘 새로운 전철 시스템을 도입한다면 10~20%의 에너지 소비를 줄일 수 있을 것임.

- 이 외에도 에너지 효율 개선 장치로서 EPA의 배출 기준을 만족하기 위해 철도 장치장에서 발전기 활용이 증가하고 있으며, 필요할 때 작동시킬 수 있는 2~4 오프로드 디젤엔진을 장착한 스위칭 전동차나 울트라 클린 디젤 전기 기관차 등도 활용 가능함.

？ 공회전 저감 장치와 에너지 사용 모니터링 능력이 결합된 분산 전력 배분 구조의 DMUs는 연료 소비를 줄임. 전철화 된 선로 상에서 운행되는 EMUs와 하이브리드 전기-듀얼 전력 기관차는 중거리 수송에서 에너지 효율을 개선시킬 수 있으며, 단거리 배터리형 전기 기관차는 시험 중이며 장거리에서도 개선이 가능함. 원활한 운영을 돕는 소프트웨어도 자산관리, 물류, 에너지 효율에 도움이 됨. 공유 선로에서 운영되는 열차에서 GPS와 PTC(Positive Train Control)을 이용하면 안전과 자산관리는 물론 에너지 효율도 개선됨. 바이오디젤, 수소연료전지, CNG, LNG 등 환경적 지속가능성을 위해 도입이 검토되고 있는 대체 연료도 에너지 효율 개선에 도움이 됨. 

？ 미국 철도청(FRA)에서는 철도 시스템의 에너지 효율과 환경적 지속가능성을 개선하기 위한 기술 개발과 적용을 장려하기 위해 E3(에너지, 환경, 엔진) 연구 사업을 수행하고 있음. 여러 관계자들과 협력하여 연구 결과를 전파하고 사용자에게 기술 이전을 수행하고 있으며, 2010년에는 국제적 경험에서 얻은 기술적 대안, 전략, 교훈을 정리하고 고속철도 투자를 견인하기 위한 Volpe 센터 E3 실행계획을 수립하였음. 이 실행계획의 주요 전략 및 기술은 다음과 같음.

- 선로 전철화, 추진 전력 변전소 현대화 등 전력 및 추진 장비와 시설의 현대화

- 기관차 및 화차 및 객차의 현대화(중량 경감, 공기동역학적 외형, 효율적 디젤 전기 기관)나 편성 교체, EMUs, 이중 하이브리드 기관차 이용

- 열차 개량 및 장비 개선(공회전 제한을 위한 자동 시동기, 속도 제한 장치, 전자 속도 제어기, GPS, 자동 신호 및 제어기와의 라디오 통신 장치)

- 운영 상 모범 사례(추적 및 자산 관리를 위한 GPS 사용, 효율적 배차 및 경로배정을 위한 물류 차원의 최적화 도구, 연료 소비 모니터링, 유지관리 개선, 기술자 교육 등)의 채택

？ 이 보고서는 이러한 E3 실행계획을 현실화하고 E3 사업 목표를 달성하기 위해 철도 계획가와 운영자에게 지침을 제공하고자 함.  

？ 일리노이 주립대학(이하 UIC)에서는 95가지 에너지 효율 개선 기술을 정리하여 미국 철도 산업에 적용 가능한 기술의 모범 사례로 다음을 제시하였음.

- 기반시설, 철도 추진 방식, 환경제어 기술의 표준화

- 기관차 및 객차 경량화, 경량 소재 및 디자인 적용

- 병목지점에서의 불필요한 운행을 없애고 교통 흐름을 개선하기 위한 열차 제어와 배차 관리 개선

- 효율적인 건설 및 유지관리를 위해 단위(modular) 시스템 적용

- 진동 저감장치, 방음벽, 동역학적으로 설계된 차량 등을 통한 소음 저감

？ 영국의 철도 안전 및 표준화 위원회(RSSB)에서는 디젤 및 전기 동력 철도 시스템과 다른 교통수단의 에너지 효율과 배출량을 비교하고, 에너지 소비량 비교표(T618-Traction Energy Metrics) 및 기술별 에너지 소비량 자료(T618-Improving the Efficiency of Traction Energy Use) 보고서를 발간하였음. 또한, 추가적인 에너지 절감을 위한 장기적 전략으로서 다음을 제시하였음.

- 공기저항 감소

- 열차 중량 감소

- 냉난방 시스템 개선

- 디젤 열차의 통신 및 제어 고도화

- 배출량을 줄이고 완전 연소를 돕는 연료 첨가제

- 이중 동력 차량

- 전기-디젤, 디젤-회생제동 배터리 등 하이브리드 엔진

？ ELECRAIL Spanish의 연구에 따르면, 회생제동 기능이 있는 직류 전원 통근열차와 교류 전원 고속철도를 통해 모은 에너지를 재사용하면 에너지를 9.5% 절감할 수 있음. 여기에 효율적 운전을 더하면 18~34%의 총 에너지가 절감됨.

？ 스웨덴 고속철도의 연구에서는 고속철도가 일반열차에 비해 25~45%의 에너지가 절감되며, 이는 공기 저항 감소(25%), 회생제동(11~17%), 효율적 전력 공급(3~7%) 등에 의한 것으로 분석하였음.

？ 일본에서는 대부분의 철도 시스템이 전철화되어 있으며 회생제동을 이용하고 있음. 교류 전력과 회생제동 기능이 있는 EMU 차량이 도입된 1980년대부터 회수된 전기의 비효율적 이용을 해결하기 위해 이중 전력 변환기와 차량 내 및 외부 전력 저장장치가 이용되었음.대부분의 여객 열차가 EMU나 DMU 차량이며, 리튬 이온 배터리나 울트라 축전기라 불리는 Electric Double Layer Capacitor를 이용한 차량 내 에너지 저장시스템(ESS)이 개발됨. 리튬이온 배터리는 에너지 밀도와 충전 용량이 크지만, 파워와 수명 측면에서서는 울트라 축전기에 비해 떨어짐. 빈번하게 정차하는 열차에는 충전식 에너지 저장시스템(RESS)이 적절하지만, 정차 빈도가 낮은 고속 지역 간 철도에는 회생 제동 에너지 활용이 어려움.

？ 미국 내 철도시스템의 에너지 효율을 비교한 결과, 통근열차의 에너지 집약도는 2007년 자료에서 2,679 Btu/pass-mile로, 2010년의 자료에서는 2,923 Btu/pass-mile로 보고되었음.

？ 미국 내 고속철도에 대한 자료를 살펴보면, KW시 당 170km를 주행하여 항공기(21km), 승용차(39km), 버스(55km)에 비해 에너지 에너지 효율이 높으며, 오염물 배출량도 CO2 0.17 kg/pass-km로 타 수단에 비해 적음.

？ 미국 내 화물 열차의 2009년 에너지 소비량은 540조 Btu이며, 철도 화물의 90% 이상을 Class I 화물열차가 수송하고 있는데, Class I 열차는 지난 30년 간 에너지 효율이 계속 개선되었음. AAR에서는 통계 분석을 통해 화물열차가 가장 연료 효율적 육상운송수단임을 입증하였음. AAR의 백서에서 제시한 화물열차 에너지 효율 개선 기술의 성공사례는 다음과 같음

- 평균 적재 중량을 늘리도록 화차 재설계

- 단거리, 장거리 기관차, 선로변환기이 에너지 효율 개선 위한 점검 또는 교체

- 자동 엔진 정지-시동 장치 및 기타 장비 개선을 통한 공회전 감소

- 첨단 엔진 제어 시스템에 대한 기술자 교육

- 열차 운행 모니터링 및 제어를 위한 경로 최적화 및 속도 프로파일 관리 컴퓨터 제어 장치 도입

- 휠과 기어 부품 개선, 연료 첨가제 사용, 회전력이 낮은 베어링 등 점진적이며 시너지를 가져올 수 있는 연료 및 장비 개

？ Gensets(출력 확장형 입환용 기관차)

- 분진 필터가 장착되어 문진을 감소시키며, 출력 확장이 가능한 여러 개의 소형 오프로드 디젤 엔진을 포함하여 필요에 따라 일부 엔진을 끌 수 있음

- 기존 입환용 기관차에 비해 20~40% 연료가 절감되는 것으로 알려져 있으나, 가격이 비쌈

？ DMUs(총괄제어 디젤열차)와 EMUs(총괄제어 전기열차)

- 차축 구동식 DMUs는 기관차 견인식 열차에 비해 에너지 효율이 높고 가속 능력이 뛰어나며 제동거리가 짧음.

- EMUs는 EMUs에 비해 속도가 높고 환경 오염이 적으나 가격이 비쌈.

- EMUs는 통근 전철과 경전철 시스템 중 가장 에너지 효율이 높은 대안으로 파악됨.

？ 에너지 사용 모니터링 및 공회전 제어 장치

- EPA에서 승인한 공회전 저감 기술 또는 제품으로는 히터 등을 사용하기 위해 엔진을 덥혀야 할 때 공회전을 대체하는 지주연결시스템(SCS), 터보과급 디젤엔진과 전원차단 타이머로 구성된 보조전원장치(APUs), 노후 기관차의 성능 개선이 가능한 자동 엔진 정지 및 시동(AESS) 시스템, 연료 효율 기록, 모니터링 및 통계분석이 가능한 NS 기관사 보조화면 및 사건 기록장치(LEADER), GIS 및 통신 기술을 이용하여 연료 효율, 성능, 안전성을 개선할 수 있도록 돕는 CSX 사건 기록 자동 다운로드장치(ERAD) 등이 있음.

？ 이중 전력 하이브리드 기관차

- Bombardier 사는 버튼만 누르면 디젤에서 전기로 운행 모드가 변경되는 디젤-전기 하이브리드 기관차를 개발하였음.

？ 하이브리드 전기 기관차

- 장래에는 제동 에너지 활용을 위해 배터리를 이용하는 하이브리드 전기 기관차의 전망이 밝음. 현재 디젤 엔진으로 운행 중 충전이 가능한 납축전지 탑재 기관차나 제동 에너지를 저장할 수 있는 나트륨-염화니켈 배터리를 이용한 기관차 등이 개발되었으며, 고용량 나트륨-황 배터리를 이용한 기관차도 개발 중임.

？ 고효율 청정 디젤-전기 기관차

- GE에서는 질소산화물과 분진을 크게 저감하는 기관차를 개발하고 있으며, Brookville Equipment Corporation에서도 저공해 고효율 신형 여객 및 다목적 기관차를 개발 중임.

？ 화물열차의 출력 분산 관리 및 제어 기술

- 중량, 장대열차의 열차 후미 뿐만 아니라 중간에도 기관차를 배치하면 부드러운 제동으로 안전성을 높이고 휠과 선로의 마모도 줄이며, 연료 소모도 줄일 수 있음. 

？ 연료전지 하이브리드 기관차를 위한 수소 연료

- 환경성 개선을 위한 대체 연료 기술로서 분진과 온실가스 배출을 줄일 수 있는 수소 연료전지 기관차가 개발되고 있음.

- BNSF, 미 육군, Vehicle Projects의 협력 하에 프로토타입이 개발되었으며, 2012년에는 연료전지 기관차 디자인에 대한 특허를 취득하였음. 디젤 하이브리드 플랫폼을 기반으로 기관차 상부에 배터리를 장착하고 70kg의 수소를 저장할 수 있는 탱크를 장착하였음. 기존 디젤 탱크 대신 9톤의 밸러스트를 장착하여 공기 저항과 소음을 줄이고 비상시에 200kW의 이동식 예비 전력을 공급함. 기술적 난관은 수소 저장 용량과 제한된 운행거리임.

？ 천연가스(CNG, LNG) 기관차

- BNSF에서 4대의 LNG 스위치 기관차를 운행 중이며, 1999년에 Napa Valley 와인 열차에 60% CNG 기관차가, 2008년에는 100% CNG 기관차가 투입되었음.

？ 바이오연료

- 바이오디젤을 석유와 혼합(통상 6~20%)하면 기존의 디젤 기관차를 거의 손보지 않고도 이용이 가능하며, 연료 효율은 약간 떨어질 수 있으나 오염물질 배출을 줄임. 2012년의 실험에서는 20% 바이오디젤 혼합연료가 오염물 배출, 출력, 연료 소비 성능 면에서 일반적인 디젤에 비해 기관차와 유사한 것으로 분석됨.

？ 이 보고서에서는 철도 산업에서 환경 문제를 개선하며 연료 소비를 줄인 다양한 사례를 제시하였음. 앞으로 적용될 EPA의 기관차 환경규제에 부합하고 에너지 소비를 줄일 수 있는 하나의 만능 해결책은 존재하지 않지만, 철도 부문이 진보하고 있음을 확인하였음.

？ 자동 시동 장치를 통한 공회전 저감 기술과 스케줄링 최적화 소프트웨어를 함께 이용하는 것처럼 소개된 에너지 효율 개선 기술을 적절히 조합하면 연료 절감의 시너지 효과를 기대할 수 있음.

？ 장배와 위치추적 및 운영 관리 소프트웨어의 개선, 장비 및 선로와 신호제어 시설의 유지관리 개선, 운영 최적화와 인력 훈련을 함께 실시하면 대규모 철도 시스템 차원의 에너지 효율 개선이 이루어질 수 있음. 또한 공유 선로에 PTC(능동적 열차제어, Positive Train Control)를 도입하면 연료 절감뿐만 아니라 안전, 이동성, 혼잡 관리 등 다양한 편익을 얻을 수 있음.

？ 이러한 에너지 효율 개선 전략들은 해당 철도 구간에 맞게 선택되어야 하며, 장비와 운영, 시설, 그리고 인적 요인을 모두 포함한 전략 수립이 필요함.

？ 에너지 효율 개선을 위해서는 공공-민간 협력이 중요하며, 연방철도청의 역할이 중요함. 합리적인 목표와 지속적인 개선이 가능하도록 전략적 실행 계획을 수립하고, 정량화된 지표로 지속적인 모니터링을 수행해야 함.

？ 에너지 효율 개선을 위한 전략 계획의 주요 고려요소는 다음과 같음.

- 운영 중인 차량의 연령 및 성능

- 장비, 선로, 신호제어 시설의 유지관리 상태

- 혼잡 관리 및 최적 스케줄링, 운전자 및 자산 관리

- 시설 투자비용과 운영비용, 유지관리 비용, 연료 소비와 배출량을 동시 최소화할 수 있는 가능성

- 새로운 기술, 장비, 연료와 기존 차량, 기반시설 간의 호환 가능성

- 새로운 장비에 대한 시장 형성 여부

- 운영상의 안전성, 지속적인 유지관리 가능성, 신뢰성, 경제적 도입 가능성이 입증된 기술의 채택