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과제기본정보

수소연료전지 하이브리드 동력시스템(1.2MW이상)을 적용한 철도차량 추진시스템 최적화 및 운용 기술개발5년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 철도기술연구사업 과제번호 22RTRP-C146008-05
국가과학표준분류 1순위 에너지 자원 | 신재생에너지 | 수소 적용분야 제조업(자동차 및 운송장비)
2순위 건설 교통 | 철도교통기술 | 철도시스템 엔지니어링 실용화대상여부 비실용화
3순위 전기 전자 | 중전기기 | 전력변환기기 과제유형 개발
과제명 수소연료전지 하이브리드 동력시스템(1.2MW이상)을 적용한 철도차량 추진시스템 최적화 및 운용 기술개발
주관연구기관 한국철도기술연구원
총괄연구 책임자 성명 류준형
소속 한국철도기술연구원 직위 팀원
전화번호 031-460-5000 FAX 031-460-5814
총 연구기간 2018-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
5차년도 2,826,000,000 79,760,000 553,840,000 633,600,000 3,459,600,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 파리협정(‘15.12)에 따른 우리나라 탄소배출량 저감 목표(탄소배출전망치 대비 37% 감축) 및 미세먼지 배출기준 신설에 따른 선제적 대응이 필요함.
○ 신재생에너지를 통해 발생이 가능한 수소를 적용한 연료전지는 자동차 및 버스등의 수송용 전원으로서 이미 상용화되어 있고 미국, 일본, 중국을 비롯한 유럽에서 철도차량의 수송용 전원으로 적용하려는 연구 및 실용화가 빠르게 진행되고 있음.
○ 수소연료전지를 이용한 수송용 전원은 기존 에너지 효율이 30%인 내연기관보다 높은 50%이상의 효율을 나타내고 공해배출이 전혀 없는 친환경 전원으로서 수소연료전지와 배터리를 조합한 하이브리드 기술을 적용하면 화물 또는 승객 수송용 철도차량에서 요구하는 부하조건하에서 1회 수소충전시 주행거리를 충족시킬 수 있으며 비전철화 구간의 효율적 운용을 통한 인프라 건설 및 유지비용 절감
○ 수소연료전지를 적용한 하이브리드형 철도차량의 주요 핵심기술은 배터리를 결합한 수소연료전지 하이브리드 동력시스템 및 관련 제어기, 발전된 에너지 또는 회생에너지에 대한 에너지 흐름을 용이하게 제어하기 위한 전력변환시스템, 전동기를 효율적으로 제어하기 위한 추진제어시스템 그리고 기타시스템을 IoT기술을 이용하여 데이터를 수집하고 수집된 데이터를 실시간 처리와 통합적 관리를 위한 스마트 에너지 관리시스템 등으로 구성됨.
○ 수소연료전지를 적용한 하이브리드 철도차량의 최적 적용을 위한 고효율/경량 추진시스템 개발과 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기반 마련을 위한 기술 개발
최종목표 수소연료전지 하이브리드 동력시스템(1.2MW이상)을 적용한 철도차량 추진시스템 최적화 및 운용 기술개발
○ (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발
- 수소연료전지 하이브리드 철도차량 시스템 엔지니어링
- 수소연료전지-2차전지 하이브리드 동력시스템 개발
- 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 개발
- 고출력밀도 추진제어장치 개발
- 계통연계형 보조전원장치 개발
○ (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발
- 수소충전소 구축방안 도출 및 성능 검증
- 수소연료전지 하이브리드 철도차량 기술기준(안) 개발
- 수소연료전지 하이브리드 철도차량 성능 검증기술 개발
- 시험차량 설계 및 제작(또는 개량)
- 수소연료전지 하이브리드 철도차량 테스트베드 운영방안 도출
연구내용 및 범위 ○ (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발
1) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 시스템 엔지니어링
· 철도차량 및 주요 구성품 요구조건 분석
· 철도차량 및 주요 구성품 설계목표 도출
· 하이브리드 동력시스템 관리 제어기 개발
· 철도차량 및 주요 구성품 성능검증용 계측시스템 구성
· HIL을 활용한 제어기설계 검증기술 개발
· 주요 구성품 조합시험
2) 1.2MW급, 600km 이상 연속주행을 위한 수소연료전지-2차전지 하이브리드 동력시스템 개발
· 최대부하, 연속주행거리 및 차량내부 설치공간 최소화 등을 고려한 수소연료 저장 용기 설계·제작·성능검증
· 연료전지 및 2차전지 사양 도출 및 선정
· 연료전지-2차전지 최적 비율 도출
· 수송용 수소연료전지 열화상태 진단기술 적용 방안 연구
· 연료전지-2차전지 하이브리드 최적 관리·제어 알고리즘 개발
· 연료전지-2차전지 하이브리드 동력시스템(제어기, 냉각장치 등 부대장치 포함) 설계·제작·성능검증
3) 고효율 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 개발
· 토폴로지 및 제어기법 분석 및 선정
· DC/DC컨버터 제어알고리즘 개발 및 DC/DC컨버터 설계·제작·성능검증
4) 고출력밀도 추진제어장치 개발
· 고효율 영구자석동기전동기 설계·제작·시험검증
· 고정밀 영구자석동기전동기 제어알고리즘 개발
· 추진용 인버터 설계·제작·성능검증
· 전동기-인버터 조합시험을 통한 성능검증
5) 계통연계 소요시간 3초 이내인 계통연계형 보조전원장치
· 전력계통 연계 요구사항 분석 및 사양 도출
· 전력계통 연계형 보조전원장치 설계·제작·성능검증
· 전력계통 연계전략 및 운영방안 도출
○ (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발
1) 만충 소요시간 15분 이내인 수소충전소 구축방안 도출
· 수소충전소 성능 및 안전 요구사항 분석
· 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영시나리오별 충전소 구축 방안(사양포함) 도출
· 시험차량 시운전을 위한 수소충전방안 도출 및 적용
2) 최고속도 110km/h 시험차량 설계 및 제작
· 전장품(DC/DC컨버터, 추진제어장치, 보조전원장치) 제작
· 추진제어장치 및 DC/DC용 전력반도체 소자 구동 드라이버 기술개발 (이건산전)
· DC/DC 및 보조전원장치용 냉각시스템 최적화 기술개발 (엘케이엔)
· 보조전원장치용 고효율, 고주파용 변압기 기술개발 (코아전기)
3) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 기술기준(안) 및 성능검증 기술 개발
· 국제표준 부합화 및 WTO/FTA TBT 분석을 통한 기술기준(안) 개발 (시험절차서 및 해설서 포함)
· 유관기관 공청회를 통한 의견수렴 및 기술기준 최종안 도출
· 시험차량 완성차시험, 예비주행(5,000km) 및 시운전시험을 통한 성능검증
4) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 및 관리방안 연구
· 운영(시운전포함)을 위한 방안 마련
· 상태진단 유지보수 요소기술 및 관리방안 도출
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
5차년도 ○ (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발
- 주관연구기관(한국철도기술연구원):
1) 조합시험 설비 제작 및 시운전을 통한 성능검증
2) 하이브리드 동력시스템 제작, 구성품시험을 통한 성능검증, 2차전지 안전성 강화 기술 연구
3) 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 단품기능 및 조합시험을 통한 성능검증
4) 추진시스템 전동기-인버터 단품기능 및 조합시험을 통한 성능검증 및 알고리즘 최적화
5) 보조전원장치 단품기능 및 조합시험을 통한 성능검증

○ (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발
- 협동연구기관(우진산전):
1) 시험차량 설계 및 제작
- 공동연구기관(한국철도기술연구원):
2) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 기술기준(안) 및 성능검증 기술 개발
- 공동연구기관(한국철도공사):
3) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 및 관리방안 연구
- 공동연구기관(우진기전):
4) 수소충전소 구축방안 도출 및 성능검증
- 공동연구기관(코아전기):
5) 고효율,고주파용 변압기 기술개발
- 공동연구기관(엘케이엔):
6) 냉각시스템 최적화 기술개발
- 공동연구기관(이건산전):
7) 전력반도체 소자 구동 드라이버 기술개발
○ (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발
- 주관연구기관(한국철도기술연구원):
1) 조합시험 설비 제작 및 시운전을 통한 성능검증
? 수소연료전지 하이브리드 철도차량 주행 안전성 검토
? 스마트 에너지 관리시스템 성능검증
? HIL 시스템 기반의 통합 플랫폼 운영
? 주요 구성품 성능검증을 위한 조합시험 설비 구축
? 수소철도차량 신뢰성 분석 및 안전관리체계 설계
2) 하이브리드 동력시스템 제작, 구성품시험을 통한 성능검증, 2차전지 안전성 강화 기술 연구
? 수소연료전지시스템(수소저장용기 포함) 설계, 제작 및 상세시스템 모델링
? 2차전지 시스템 제작
? 하이브리드 동력시스템 구성품 시험
? 배터리 화재 예방 및 진단기술 연구
? 화재 검지 기술 적용방안 검토
3) 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 단품기능 및 조합시험을 통한 성능검증
? DC-DC 컨버터 단품(구성품)시험을 통한 기능 및 성능검증
? 전체 추진시스템 조합시험을 통한 목표성능 확인
? 개선사항 도출 및 보완
4) 추진시스템 전동기-인버터 단품기능 및 조합시험을 통한 성능검증 및 알고리즘 최적화
? 추진제어장치 목표 출력밀도 (0.13kW/L) 달성을 위한 시제차량용 추진용인버터 제작 지원
? 인버터-제어기 기능시험 및 견인전동기-인버터 연계 추진시스템 조합시험을 통한 성능확인 (효율포함)
? 시험환경에서 개발된 견인전동기-인버터 제어알고리즘의 주행모드별 최적화 및 인버터 스위칭소자 고수명 운전방안 연구
5) 보조전원장치 단품기능 및 조합시험을 통한 성능검증
? 보조전원장치 단품시험을 통한 성능검증
? 동력시스템 연계 조합시험을 통한 목표성능 확인
? 개선사항 도출 및 시작품 보완 지원

○ (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발
- 협동연구기관(우진산전):
1) 시험차량 설계 및 제작
? 차량제작사양서(1차년도) 수정·보완
? 시험차량 프레임 제작
? 차량용 주요 전장품 제작 및 검증
? 시험차량 의장 조립 개시
- 공동연구기관(한국철도기술연구원):
2) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 기술기준(안) 및 성능검증 기술 개발
? 주요 구성품별 개발사양(안) ?기술기준(안) 및 성능검증절차 수립
- 공동연구기관(한국철도공사):
3) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 및 관리방안 연구
? 수소연료전지 하이브리드 철도차량 유지보수 대상부품 사양도출
- 공동연구기관(우진기전):
4) 수소충전소 구축방안 도출 및 성능검증
? 시험차량용 수소 충전소 설계서
? 시험차량용 수소 충전소 발주
- 공동연구기관(코아전기):
5) 고효율,고주파용 변압기 기술개발
? 주전장품용 권선물 제작
- 공동연구기관(엘케이엔):
6) 냉각시스템 최적화 기술개발
? 주전장품용 냉각기 제작
- 공동연구기관(이건산전):
7) 전력반도체 소자 구동 드라이버 기술개발
? 주전장품용 게이트 드라이브 제작
연구성과 기술적 기대성과 - 철도차량 적용을 위한 대용량 고전압 수소연료전지-2차전지 하이브리드 동력시스템 패키징 및 BMS 설계기술 확보를 통한 국가 기술력 향상
- 신재생에너지 기반 철도차량에 적합한 고효율 DC-DC 컨버터 토폴로지 선정 및 제어알고리즘 검증 방법 확립
- 장거리 운행 철도차량을 위한 고출력밀도/소형화 추진제어장치 개발에 있어 WBG(Wide-Band-Gap) 기반 차세대 반도체소자 및 영구자석동기전동기 적용에 대한 노하우를 축적하고 고효율/경량화 추진시스템에 대한 새로운 설계기술 확보, 독자적인 기술을 보유함으로 고부가가치 철도시스템의 국내 및 국외 시장 선점에 대한 기반 마련
- 철도차량 내부 전력을 필요에 따라 역사에 전원으로 공급하거나 비상시 예비동력원으로 사용할 수 있는 계통연계형(T2G; Train to grid) 보조전원장치 설계 및 운영기술 확보
- 수소연료전지와 2차전지로 구성되는 동력시스템의 소모에너지 최적 관리 기술을 스마트 에너지관리시스템에 구현함으로써 에너지원 다변화에 따른 활용 기반기술 확보
- 수소연료전지 하이브리드 철도차량 관련 신기술 분석 결과 기반 철도차량 형식승인 기술기준(안) 마련
- 가상철도차량환경시스템 구축을 통한 실차 제작 시 설계변경을 최소화하고 제작 오류 저감 효과를 바탕으로 국가적으로 새로운 철도차량 도입에 있어 신뢰성 향상 및 기술경쟁력 확보에 기여
- 국내에서 보유하고 있는 수준 높은 수소연료전지 하이브리드 동력원 기술을 바탕으로 철도차량을 적용을 위한 기술개발 및 시장 선점을 통하여 해외로 기술수출을 추진하고 철도차량 수소연료전지 적용기술 선도국가로 발돋움함
사회 경제적 파급효과 ○ 경제적ㆍ산업적 측면
- 내구연한 도래에 따른 디젤철도차량 대체 시(2025년 기준) 예상되는 물량은 디젤기관차 153량(58억/대), 디젤동차 80량(9억/대) 등 총 9,594억원 규모로 수입 대체 등 경제적 파급효과가 높음.
* 2016년 기준 충무 4600 국토해양시행계획(철도수송 및 긴급 복구계획)따른 전시대비용 디젤기관차(내구연한 25년)는 288량을 보유하고 있고 이중 내구연한 15년 이상인 기관차가 211량이며, 2025년 기준 전시의무보유량 227량 확보를 위해서는 독립전원 방식 철도차량 153량 도입 필요
* 2016년 기준 디젤동차(내구연한 20년)는 총 195량이 운행되고 있고 이중 내구연한 10년 이상인 디젤동차가 80량이며, 2025년 기준 동일한 운송서비스 유지를 위해서는 80량 도입 필요
- 전차선 등 급전설비가 필요 없어 경원선 등의 비전철화 구간이나 신규 노선 적용 시 인프라 구축비용 및 유지보수비가 절감되고 내연기관 대비 높은 에너지효율을 갖는 수소 활용으로 운영기관의 에너지비용 경감
* 전철화 사업비: 경원선(연천-월정리, 29.9㎞) 371억원(일반/도시비율=9:1)
* 전철화 비용(복선): 일반지역 24.3억원/km, 도시지역 29.1억원/km, [한국개발연구원] 도로 및 철도부문 비용 추정 지침(2014)
* 에너지효율: 가솔린 내연기관 16%, 전기기관 21%, 수소연료전지 36%
* 에너지비용: 디젤 3,000원/km, 수소: 1,730원/km (디젤 1,200원/L, 수소연료 6,000원/kg 기준)
- 수소에너지 활용 증가에 따라 관련 부품 및 적용 산업 확장으로 신시장 구성, 기업 참여 확대 및 고용 창출효과 발생

○ 사회적 측면
- 파리협정(‘15.12)에 따라 우리나라 온실가스 감축 목표(2020년까지 배출전망치 대비 30% 감축) 달성을 위해 철도분야 온실가스 배출 감축 필요
- 에너지 생산 전 주기에서 전기차 대비 수소차의 CO2 배출은 13.7% 낮아 전기철도차량을 수소철도차량으로 대체 시 탄소배출량은 기존대비 13.7% 저감 가능하며, 디젤철도차량을 대체할 경우 기존대비 51.9% 저감 가능
- 장항선(160.2km)에 운행 중인 디젤철도차량으로 인해 발생하는 탄소배출량은 24,430tCO2e/yr*이며 전철화를 통해 전기철도차량으로 대체할 경우 탄소배출량은 13.629tCO2e/yr**으로 44% 감소하고 수소연료전지 하이브리드 철도차량을 적용할 경우 탄소배출량은 11,762tCO2e/yr***으로 감소 효과(52%)가 더욱 큼
* 노선별 년간 탄소직접배출량 통계자료 활용: [교통안전공단-보고서] 2011년도 교통물류 온실가스 배출량 조사(철도부분)
** 디젤기관차 탄소직접배출량과 전기철도 탄소간접배출량 비교자료 활용(디젤철도차량 19kg/km, 전기철도차량 10.6kg/km): [국토교통부-보고서] 철도전철화 효과분석(2007)
*** 전기차와 수소차 탄소간접배출량 비교 활용(전기차 대비 CO2 배출 13.7% 낮음): [Union of Concerned Scientists] How Clean Are Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicles
- “미세먼지 관리 종합대책”(‘17.09)에 따라 2019년 이후 신규 제작·수입되는 디젤철도차량을 대상으로 배출가스 인증 및 배출허용기준 준수 의무가 부여될 계획으로 대응 필요
* 환경부공고 제2017-694호(2017.10.20.) 대기환경보전법 일부개정법률(안) 입법예고
- 철도 분야가 직면한 환경부담 문제에 대한 해법으로 온실가스 저감을 위해 가장 우수한 수단인 수소연료전지를 적용한 철도차량 도입 필요
- 국내 에너지는 95.2%(2014년도 기준)를 해외에서 수입하고 전체 사용량 중 수송부문은 약 17.6%를 점유하고 있어 수소를 활용함에 따라 에너지 해외의존도를 줄이고 에너지 자립도 확보 가능
- 신재생에너지 수소의 활용 증진을 위해서는 수소충전소 구축 및 활용분야 확장이 필요하며, 수소철도차량 개발을 통하여 수소에너지 활용에 대한 국민들의 인식변화 및 충전소 구축에 이바지하여 친환경 국가로 시발점 역할 기대
- 수소철도차량은 외부 전력공급이 필요 없는 에너지 독립형 차량으로 기존 및 신설 노선에 쉽게 적용이 가능하여 중/소도시의 교통서비스 확대를 통한 국민의 삶의 질 향상 및 전력설비에 인한 사고발생 원인 제거로 안전향상과 철도 주변 도시 미관 향상
- 대용량 수소연료전지 동력시스템과 추진시스템 기술개발 및 실차 적용 과정을 통한 전문 인력 양성 효과
활용방안 ○ 신재생에너지를 통해 발생이 가능한 수소를 적용한 연료전지는 자동차 및 버스 등의 수송용 전원으로서 이미 상용화되어 있고 미국, 일본, 중국을 비롯한 유럽에서 철도차량의 수송용 전원으로 적용하려는 연구 및 실용화가 빠르게 진행되고 있음.
○ 시운전시험 결과를 토대로 기존 노선, 신규 노선에 대한 수소연료전지 실용화기술 적용을 추진하고 개발한 기반기술을 토대로 파생 기술 등에 대한 연구를 진행함
○ 선도적으로 확보한 기술에 대한 기술선점을 통하여 해외로 기술수출을 추진하고 철도차량 수소연료전지 적용기술 선도국가로 발돋움 함
○ 친환경 연료인 수소를 원료로 사용하는 수소연료전지 및 2차전지를 하이브리드 동력원으로 적용한 철도핵심기술을 이용하여 탄소 및 미세먼지 배출을 없애고 관련기술의 실용화를 통한 기업참여기회 확대를 통하여 철도분야에 새로운 시장을 개척하고 국내시장의 확대에 따른 경쟁력확보로 해외시장으로의 진출을 위한 초석이 되고자 함.
○ 기존 전차선을 통한 전력공급 방식은 변전소, 전차선 등 전력인프라가 필요하고 그에 따른 건설비용 등이 수반되므로 별도의 외부전력설비로부터 에너지를 공급받지 않는 에너지 자립형 철도시스템인 대용량 수소연료전지를 활용한 철도차량 추진시스템 기술 적용 필요
- 전력설비가 불필요하여 인프라 구축비용 및 터널 단면적 축소 가능하며,
- 철도 인프라가 낙후된 지역에서도 운행이 가능하여 남북철도 또는 대륙 간 열차로 활용 가능
- 또한 기존 노선에서도 운행이 가능함
○ 통근형 철도차량으로 활용
- 디젤동차는 경전선을 비롯한 11개 노선에서 약 131량이 운행 중이며 대부분 비전철화 구간으로 국가철도망구축계획*에 따라 전철화 등이 예정되어 있으나 수소철도차량 적용 시 전철화에 따른 인프라 비용 절감 가능
* 제3차 국가철도망 구축계획(2016-2025)(국토교통부 고시 제2016-374호, 2016.06.27.)
○ 국내 내구연한 도래 노후 디젤철도차량 대체
- 국내 운영 중인 디젤철도차량은 철도분야 오염물질 배출의 주요 원인을 제공하고 있으므로 수소철도차량을 활용함으로써 디젤기관차를 대체하여 환경오염 저감 가능
- 디젤철도차량의 기대수명은 20년~25년으로 현재 기대수명을 초과한 디젤철도차량이 운행 중에 있음
○ 차세대 경전철차량으로 활용
- 철도 노선 구축은 인프라 비용이 많은 부분을 차지하고 있기 때문에 비교적 인프라 구축비용이 적은 경전철의 적용이 증가하고 있으며, 현재 용인경전철, 김해경전철, 의정부경전철, 우이경전철 등이 운영되고 있음
- 수소철도차량은 전력인프라가 필요 없기 때문에 기존 경전철 대비 인프라 구축비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 기존 노선을 자유롭게 운행할 수 있어 차세대 경전철로 활용 가능하고 비전철화 구간의 철도교통 서비스 제공, 전차선을 제거하여 도심 경관 개선 등 자연친화 철도로 고객 삶의 질 향상에 기여
○ 차세대 철도차량의 핵심기술로 활용
- 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 핵심기술의 적용가능성은 디젤철도차량과 경전철이 현재는 높다고 할 수 있으나, 향후 모든 고속철도, 도시철도 등에도 충분히 활용 가능
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 철도차량 추진시스템 계통연계 연료전지 수소충전소
영문 Rolling stock Propulsion system Distribution system link Fuel Cell Hydrogen station
최종보고서
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