1. 도입

가. 중량전철과는 달리, 트램 인프라시설을 도시의 경관에 흡수한 도시가 레일 위를 달리는 차량만을 보여주는 것은 인상적인 광경임
1) 더욱 인상적인 것은 일부 거리가 트램의 전차선도 흡수하는 것으로, 주요 트램 차량 제작회사는 현수전차선을 제거함으로써 트램을 더욱 매력적으로 만들고 있음
2) 이것은 거리 아래의 도관에서 전류를 수전(conduit system)하는 초기 트램과는 다른 정말로 새로운 콘셉트로, 기존의 시스템은 트램 궤도 중앙에 위치한 슬롯을 통해 연결되었지만, 그 자체가 노동집약적이고 설치에 비용이 많이 들고 슬롯에 물체가 빠질 위험이 있었음
3) 영국 블랙풀은 세계에서 가장 빨리 전철화가 이루어진 트램 중의 하나로, 1885년에 개통했을 때 지하 도관을 통해 전력을 공급받았으며 14년 이후가 지나서야 현수전차선을 사용함
(블랙풀의 도관은 바다와 모래에 적절하지 않았음)

나. 현대식 트램에는 다양한 2세대 무가선 시스템이 존재하는데, 지상 급전방식과 최신식 에너지 저장장치 기술 그리고 정거장에서 가선을 통해 집전하는 방식 등이 존재함
1) 이 모든 것은 트램이 반드시 현수전차선으로부터 전력을 공급받아야 한다는 기존 아이디어에 도전하는 제작회사들의 기술혁신 노력의 결과임
2) 이러한 기업들은 세계적인 경전철 시장 확장으로 경쟁이 치열해짐에 따라, 그들의 솔루션이 소비자와 해당 지자체에 매력적으로 보이도록 노력하는 중임
3) 현수전차선의 제거는 역사적인 도시에서 중요한 요소인 미관 저해를 해결하며, 주민들이 본인의 집 건물에 전주나 관련 구조물을 설치하는 작업을 반대할 수도 있음
4) 공공의 의견이 중요한 문제이지만, 에너지 효율성과 낮은 인프라시설 설치비용도 무가선 시스템을 선호하는 충분한 이유가 됨

2. 궤도활용 방식 : 프랑스 방식

가. 알스톰의 APS(Alimoitere Par le Sol) 시스템은 최초의 2세대 무가선 트램시스템임
1) 이 시스템은 2003년에 유네스코 세계문화유산인 프랑스 보르도에서 운행을 시작했는데, 1958년까지 보르도의 트램은 도관시스템(conduit system)을 사용했었고, 새 트램도 비슷하게 운영될 것이라는 생각이 일반적이었음
2) 그런데 기존의 트램 급전방식이 부적절하고 새로운 트램은 현수전차선을 사용해야 한다고 결정되었지만, 시민과 프랑스 문화부 모두의 항변으로 보르도 총 44km의 트램 네트워크 중의 12km는 APS 시스템이 개발되어 설치됨

나. 알스톰의 APS 시스템은 도관(conduit), 그라운드의 플러시(flush)로 구성되며, 플러시(flush) 위에는 8m 길이의 접촉 스트립이 교대로 3m 길이의 절연 세그먼트를 가지고 설치됨
1) 이 도관 내에는 공급 케이블과 안테나가 있으며, 각 절연 세그먼트에 인접한 전원공급박스가 설치되어 인접한 접촉부 스트립에 전원을 공급함
2) 트램 차량이 접촉부 스트립 상부에 완전히 위치할 때만 안테나가 이를 검지하여 활성화되는 방식임
3) 전력 전송 시간을 극대화하기 위해, 접촉부 슈가 트램 중앙부에 있음

다. APS 시스템은 초기에는 접촉하는 방식의 문제가 있었는데, 1885년 블랙풀의 경우처럼 최초의 문제는 누수와 습기 문제였음
1) 이 문제는 전기적 하우징과 인슐레이터 재설계를 통해 해소되어 현재는 이러한 문제가 해결되었고, 보르도의 트램시스템은 99.8%의 신뢰도를 유지하면서 시 정부는 이 시스템에 대단한 만족을 표하는 상태임
2) 알스톰의 주장으로는, APS 시스템의 설치비용은 이 시스템이 슬라브 궤도보다 약간 높으므로 최소한의 토목작업을 요구하여 현수전차선의 비용과 비슷함
3) 특히 복잡한 도시 지역을 감안하면, 현수전차선은 인접한 건물에 고정하기 위해 상당한 법률적인 비용과 전주 설치를 위한 유틸리티 작업이 필요할 수도 있음

라. 큰 비용을 차지하는 것은 22m마다 거리에 임베딩된 전력공급 스위치 박스인 스위치기어(switchgear)의 유지보수 문제임
1) 알스톰은 이것이 신속하게 교체될 수 있는 모듈형 유닛이라고 권고하지만, 장시간에 걸쳐 교체되도록 유지보수 프로그래밍이 되고 서비스 센터에서 오버홀됨
2) APS 시스템은 프랑스 앙제, 라임 그리고 오를레앙에서 일부 사용 중이며, 브라질리아와 두바이에서 설치가 시작되어 2014년에 사용될 예정임
3) 두바이 트램 시스템은 모래로부터 접촉부 스트립 청소를 위해 브러시를 설치할 예정임

마. 알스톰의 APS 시스템은 시장에서 유일한 그라운드 기반의 접촉 솔루션은 아니며, 이탈리아의 안살도(Anasaldo)도 현대식 버전을 개발함
1) 이 시스템은 트램 노선 중앙부에 플러시(flush) 컨덕터와 귀선 레일(return rails)을 가지며, 아래쪽의 트러프에는 플렉시블한 강자성 벨트가 있어서 컨덕터 레일 에너자이징을 위해 트램 차량의 자석에 의해 리프팅됨
2) 주행 레일은 귀선 전류를 다루지 않아서 버스에도 사용 가능하며, 최초로 2012년 말에 이탈리아 나폴리 트램에 사용될 예정임

3. 루프파워 방식(Looped power)

가. 그라운드 기반 시스템의 하나인 봄바르디어의 PRIMOVE 시스템도 도시 거리에서 완전히 숨겨져 있는 시스템임
1) 이 루프는 수지, 아스팔트 또는 비강화 콘크리트와 같이 매립된 40mm 층의 비전도체 재료를 사용하며, 주위에 깊게 설치되거나 혼잡한 교통에 취약할 수도 있음
2) 각 루프 케이블 세그먼트는 길이 8m로, 200kW 전력을 전송함
가) 이것은 DC 750V를 200kHz AC로 변환시키는 인버터에 의해 전원이 공급됨
나) 이 시스템은 90%~95%의 전송 효율성을 가지며, 봄바르디어는 이것이 기존 접촉시스템보다 2% 정도 떨어진다고 주장함

나. APS 시스템처럼, PRIMOVE 시스템은 유지보수가 거의 필요없는 고체 상태의 유닛에 의해 트램 차량이 그 위에 있을 때만 스위칭 됨
1) 전력 전송 루프는 일반적으로 트램 궤도의 요구에 따라 정거장과 경사부에 설치되며, 침목 상부에 고정되어 추가적인 토목비용이 불필요함
2) APS 시스템과는 달리 연속적으로 트램에 전력을 공급하지는 않기 때문에, 에너지 저장장치가 필수적임
3) 봄바르디어의 [MITRAC Energy Saver] 시스템은 슈퍼커패시터를 사용하며, 원래 이 시스템은 차량의 회생제동에서 에너지를 저장하도록 설계된 것임

다. PRIMOVE 콘셉트는 봄바르디어의 저상 트램이 2010년부터 독일 아우크스부르크의 박람회장으로 가는 800m의 연장 노선에서 시험되어, 성공적으로 실용화시험이 완료됨
1) 추가 시험이 2011년 9월에 문을 연 맨하임의 봄바르디어 [e-mobility] 허브에서 진행되고 있으며, PRIMOVE 버스, 미니밴 그리고 자동차를 3.6kW에서 200kW까지의 전력으로 시험 중임

4. 가선이 없는 트롤리 버스

가. PRIMOVE 차량은 철도나 고정 노선에 제한되지 않으며, 이 장치는 도로용 자동차에 쉽게 적용할 수 있음
1) 예를 들어, 축전지 전원의 버스 주행이 매일 250km를 달린다면 6~7톤의 축전지가 필요한데, 봄바르디어는 [PRIMOVE] 시스템을 사용하게 되면 단 1톤의 축전지가 필요하고 버스 네트워크의 중앙부에 있는 충전지점 1개소에서 매일 20회의 충전으로도 버스 서비스에 지장이 없다고 밝힘
2) 이러한 방식으로, 충전 버스는 축전지의 생명을 연장할 수 있고 최소의 인프라시설 투자로 디젤 버스와 같은 성능의 전기버스를 도시에서 운행하는 것이 가능함

나. PRIMOVE 버스가 대단한 환경적 편익과 비용 절감을 제공하는 것처럼 보이지만, 아직 실용적으로 실증화되지는 못함
1) 이를 실증화하기 위해, 2013년에 벨기에의 브뤼즈, 롬멜 그리고 독일의 아우크스부르크, 브라운슈바이크 그리고 베를린 총 5개의 도시에서 PRIMOVE 버스 운행 파일럿 프로그램이 예정되어 있음
2) 이 파일럿 프로그램에는 200kW 용량 그리고 18m 길이의 다양한 형태의 버스가 관련되어 있음
3) 브라운슈바이크에서는, 독일 교통부가 2013년 가을 운영을 위해 12km 버스 네트워크 구간에서 파일럿 시험을 하도록 2.9백만 파운드의 자금을 지원함

다. PRIMOVE 시스템의 가장 큰 효과는 자동차에로의 적용에 있는데, 이 콘셉트의 시험을 위해 롬멜시 파일럿 버스 계획에는 22kW 용량의 볼보 C30 차량이 포함되어 있음
1) 지금까지, 축전지 크기와 이동거리 그리고 1회 충전에 걸리는 시간은 전기자동차의 광범위한 도입을 위해 해결해야 할 제약조건으로, 이것을 해결하기 위해 PRIMOVE는 모터링 방식을 변화시킬 필요가 있음

5. 저장장치 솔루션

가. 지멘스는 1881년 5월 베를린의 교외지역인 리히터펠데에 현수전차선으로부터 전력을 공급받는 최초의 전기 트램을 공급한 이후 계속하여 트램시스템을 개발해 오고 있음
1) 그러므로, 지멘스가 하이브리드 에너지 저장시스템인 [Sitras HES](Hybrid Energy Storage)를 사용하여 무가선 트램을 공급한다는 것이 놀라운 일은 아님
2) 이 시스템은 2008년 11월 이후부터 포르투갈의 리스본에서 사용 중이며, 2022년 월드컵 준비의 일부로서 2015년에 운영 예정인 카타르 도하 트램에 설치될 시스템임

나. [HES]는 신조 차량 또는 기존 트램에 설치되어, 약 2.5km를 무가선으로 운행할 수 있도록 함
1) 이 시스템은 2개의 820kg 무게의 지붕에 설치된 시스템으로 구성되는데, 니켈-수소합금(NiMH) 축전지와 2중층 슈퍼커패시터를 사용하는 MES(Mobile Energy Storage)가 그것임
2) 축전지는 슈퍼커패시터보다 에너지 밀도가 높지만, 충전에 시간이 더 걸림
3) [HES] 시스템 내에서, 축전지와 슈퍼커패시터의 저장에너지 용량은 18kWh와 0.85kWh이며, 각각의 출력은 105kW와 288kW임
4) 이러한 이유로, [HES] 시스템은 가속용으로 슈퍼커패시터를 그리고 안정적인 속도에서는 축전지를 사용하며, 이러한 저장시스템의 다른 장점은 몇 대의 트램 차량이 동시에 가속할 때 발생하는 전력 스파이크를 없앨 수 있다는 것임

다. [APS]나 [PRIMOVE]와는 달리, 지멘스의 [HES] 트램은 현수전차선이 필요함
1) 이것은 [Sitras LCU](Local Charging Unit)나 네트워크의 일부인 기존 현수전차선이 될 수도 있으며, [LCU]는 20초의 정거장 정차시간 동안에 1,000A의 충전전류를 제공할 수 있는 정거장 사이에 있는 짧은 길이의 현수전차선 컨덕터 레일임
2) [HES] 시스템은 회생제동을 통해 충전할 수 있으며, 지멘스에 의하면 이를 통해 에너지 소비를 30%까지 줄일 수 있다고 함

라. 비슷한 시스템으로 스페인 차량 제작회사인 [CAF]가 개발한 시스템이 있음
1) 이 시스템은 무가선 구간 1.4km에서 운영할 수 있으며, 회생제동을 통해 에너지를 절감하도록 개발된 [ACR evoDRIVE]와 결합하여 사용되는 [ACR freeDRIVE]를 사용함
2) 이 시스템은 2010년부터 세비야의 1.6km 트램 구간에서 사용 중이며, 스페인 사라고사와 그라나다시에서 사용 중임

마. 프랑스 니스에서, 알스톰은 2개의 역사적인 광장에 무가선으로 500m를 운행하기 위해 여분의 니켈-수소 함금 축전지를 보유한 [Citadis] 트램 차량을 운행 중임
1) 파리 T3 트램 노선에서, [Citadis] 트램은 무가선 운행을 시뮬레이션하기 위해 48개의 슈퍼커패시터 뱅크를 설치함

바. 알스톰은 네덜란드 로테르담 트램에서 플라이휠 저장장치를 시험 중임
1) 이것은 차량 지붕에 설치되고 외부와 단절된 상태에서 약 2만rpm의 속도로 주행하며 순수 에너지 저장은 4kWh 그리고 피크 파워에서는 325kW임
2) 현대식 플라이휠 기술이 슈퍼커패시터의 급속한 증가와 어떻게 경쟁하게 될지를 보는 것도 흥미로운 것임

6. 최후의 승리자

가. 유럽철도산업연맹(UNIFE)의 향후 5년 동안 세계 도시 철도차량 시장은 9.3% 증가가 예상되며, 트램 차량 제작회사들은 시장점유율 확보에 매진하고 있으며 그러한 노력 중의 하나가 무가선 트램임
1) 그런데 이 기술은 매우 심오한 것으로, 알스톰의 [APS] 시스템은 10년이 채 되지 않았지만, 현재 서비스가 진행 중임(물론, 지금은 해결되었지만, 초기에는 상당한 티씽(teething) 문제가 있었음
2) 다른 시스템은 잠재성은 많지만, 아직은 새롭고 신뢰성을 실증화할 정도의 상당한 사용이 되지는 못하고 있음

나. 여기에서 논의된 시스템들은 장단점이 있으며, 어느 것이 한 도시에서 최상의 것인가는 다른 차원의 문제임
1) 이러한 이유로 최상의 시스템이라고 칭하는 것은 부적절하지만, 도로의 전기자동차 증가에 따라 [PRIMOVE] 기술이 상당한 환경적 편익을 가진 것으로 보임

다. 진정한 승리자는 도시 중심부에 트램용 전차선 전주를 설치하지 않은 도시들로, 이것은 역사적인 공간의 보존뿐 아니라 복합적인 도심부에서도 적용되고 있으며 건설비용과 유틸리티 비용을 절감하고 있음(그렇지만, 도심 내부에서의 무가선 트램 운영 케이스는 불명확함)
라. 장기간을 고려해 본다면, 다른 흥미로운 승리자는 오늘날의 자동차 성능과 주행거리 정도를 가진 [PRIMOVE] 전기자동차를 운행하며 연료 비용을 과거의 문제로 되돌려버릴 자동차 운전자들일 것임
1) 이러한 방식의 철도에서 도로로의 기술 이전이 철도차량 제작회사들이 하는 노력을 보여주고 있으며, 앞으로 기술혁신은 계속될 것임