| 1차년도 |
○ (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발 - 주관연구기관(한국철도기술연구원): 1) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 및 주요 구성품 요구사항 분석, 설계목표 도출 2) 하이브리드 동력시스템 특성 분석 및 시스템구성 개념설계 3) 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 사양선정, 토폴로지 선정, 시뮬레이션 검증 4) 추진시스템 구성을 위한 인버터와 영구자석동기전동기 사양선정 및 제어알고리즘 시뮬레이션 검증 5) 전력계통 연계 요구사항 분석 및 보조전원장치 사양 도출 ○ (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발 - 협동연구기관(우진산전): 1) 시험차량 요구사항 분석 및 시스템 기본설계 - 공동연구기관(한국철도기술연구원): 2) 수소연료전지 하이브리드 철도차량관련 법규조사 및 철도차량 성능검증 요구사항 분석 - 공동연구기관(한국철도공사): 3) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 방안 조사분석 - 공동연구기관(우진기전): 4) 수소충전소 구성 및 개념설계 - 공동연구기관(코아전기): 5) 고주파용 변압기 설계 기법 연구 - 공동연구기관(엘케이엔): 6) 냉각방식 분류에 따른 최적화 방안 수립 - 공동연구기관(이건산전): 7) 주회로 소자 구동 드라이버 인터페이스 연구
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○ (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발1) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 및 주요 구성품 요구사항 분석, 설계목표 도출· 수소연료전지 하이브리드 철도차량 및 주요 전장품 요구사항 분석· 수소연료전지 하이브리드 철도차량 및 주요 전장품 설계목표 도출· HIL 요구사항 분석 및 설계사양 결정· 수소연료전지 하이브리드 철도차량 추진시스템용 조합시험설비 요구사항 분석· 수소연료전지 하이브리드 철도차량 추진시스템용 조합시험설비 설계사양 결정2) 하이브리드 동력시스템 요구사항 분석 및 구성 개념설계· 하이브리드 동력시스템 기술조사 및 특성 분석(수소연료 저장용기 포함) · 1.2MW급 연료전지 및 2차전지 시스템 모델링 (하이브리드 구조 특성 분석)· 수소연료전지-2차전지 시스템 최적 구성 비율 도출 및 설계사양 결정· 2차전지 시스템용 에너지 저장매체 비교/분석, 최적 구성방안 도출 (배터리 단독사용, 배터리+슈퍼커패시터 하이브리드 사용 비교)· 철도차량에 적합한 2차전지 시스템 에너지 저장매체 선정· 고전압 2차전지 시스템에 적합한 BMS 구성 및 제어방안 검토· 수송용 수소연료전지 열화상태진단기술 적용연구3) 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 사양선정, 토폴로지 선정, 시뮬레이션 검증· 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 사양 선정 - 정격 용량, 정격 입·출력 전압, 전압/전류 리플 등· 선정된 사양에 적합한 토폴로지 기술조사· - 비절연형, 절연형 컨버터 등 적합성 검토 (적용사례, 부피, 효율 등) · 적합성 검토를 통한 DC-DC 컨버터 토폴로지 선정 및 기본설계 - 토폴로지 소자 파라미터(전력반도체, 자성체, 커패시턴스 등) 설계· DC-DC 컨버터 시뮬레이션 검증(PSIM) - 토폴로지 소자 파라미터 적용을 통한 동작검증 (입·출력 이득비, 전압/전류 리플, 정적/동적 동작성능 등)4) 추진시스템 구성을 위한 인버터와 영구자석동기전동기 사양선정 및 시뮬레이션 검증· 고효율 달성을 위해 소자특성을 고려한 손실분석 기반의 차세대 전력반도체(WBG) 소자 선정 및 인버터 설계사양 선정· 추진시스템 주행모드(가속-타행-감속) 내에 고효율 운전을 위한 영구자석동기전동기 설계사양 선정· 주행모의부하 기반의 선정사양의 전동기-인버터 기본(가속특성) 제어알고리즘 검증을 통한 검증(가속도, 토크특성, 손실)5) 전력계통 연계 요구사항 분석 및 보조전원장치 사양 도출· 보조전원장치 사양선정 (고효율/고밀도/경량화 회로 검토)· 전고조파 왜율 및 계통연계 소요시간 (< 3초)을 위한 다양한 계통연계 알고리즘 비교/분석 · 보조전원장치용 계통연계 알고리즘 개발○ (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발1) 시험차량 요구사항 분석 및 시스템 기본설계· 시험 차량 추진제어장치 및 보조전원장치 용량 검토· 시험차량 모의 주행시뮬레이션 수행· 시험 차량 동력 요구사항 검토· 주요 전장품 규격 검토2) 수소연료전지 하이브리드 철도차량관련 법규조사 및 철도차량 성능검증 요구사항 분석 · 수송용 수소연료전지 하이브리드 시스템관련 국내외 관련법규 조사 분석· 수소연료전지관련 기술기준 조사 분석· 수소연료전지 하이브리드 철도차량 성능검증 요구사항 분석 - 철도차량 기술기준 및 국내외 표준규격 적용 타당성 연구 - 수소연료전지 동력시스템 성능평가용 시험항목 및 시험방안 연구3) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 방안 조사 분석· 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 방안 조사 분석 - 국내외 수소연료전지 철도차량 및 유관산업 현황 조사 - 기존 철도차량 유지보수 체계 조사 - 철도차량 동력시스템 특성을 고려한 운영 요구사항 조사 분석 - 상태진단 유지보수(CBM) 요소기술 적용방안 검토 - 철도차량 하이브리드 관련 고장 유형 요소 분석 - 상태진단 유지보수 현황 조사4) 수소충전소 구성 및 개념설계· 수소 공급방식 협의 및 확정· 수소충전소 개념도 설계· 압축기, 저장용기 등 충전소 구성품 용량 검토5) 고주파용 변압기 설계 기법 연구· 고주파용 최적화 변압기 설계· 코아별 고주파 손실 특성 연구· 코아별 자속밀도 비교 연구· 코아 형상별 온도 특성 연구6) DC/DC 및 보조 전원 장치 냉각 요구 사항 분석 및 목표 도출· 발열 용량에 따른 방열 방안 연구· 냉각 방식에 따른 최적화 구조 연구· 각 장치에 따른 방열 요구사항 분석 7) 주회로 소자 구동 드라이버 인터페이스 연구· 주회로 소자용 종류에 따른 드라이버 인터페이스 항목 선정 및 조사 · 소자용 구동 드라이버 전원효율 향상 방안 조사
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
- 가상철도차량환경시스템 구축을 통한 실차 제작 시 설계변경을 최소화하고 제작 오류 저감 효과를 바탕으로 국가적으로 새로운 철도차량 도입에 있어 신뢰성 향상에 기여 - 대용량 고전압 수소연료전지-2차전지 동력시스템의 철도차량 적용 기술 확보로 국가 경쟁력 향상 - 철도차량 운행패턴에 따른 특성을 고려한 고효율, 소형화 전장품을 설계하기 위해 필요한 토폴로지 선정, 회로설계 및 부품선정 그리고 제어 알고리즘 적용에 대한 노하우 축적
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| 사회 경제적 파급효과 |
○ 경제적ㆍ산업적 측면 - 전차선 등 급전 설비가 없어 전력 인프라가 불필요함에 따른 비용 절감 - 제3차 국가철도망구축계획(2016년)에서 전철화 사업으로 계획된 장항선과 경북선에 수소연료전지 하이브리드 철도차량을 적용할 경우 장항선은 비전철화구간 145km에 필요한 전철화 사업비용 1,797억원*, 경북선은 비전철화구간 115km에 필요한 전철화 사업비용 1,425억원* 절감 * 전력 인프라 비용 일반지역 24.3억원/km, 도시지역 29.1억원/km 저감 [도로 및 철도부문 비용 추정 지침(한국개발연구원, ‘14)]으로 전철화비용 산정에 있어 일반지역과 도시지역의 비율을 9:1로 선정 - 타 동력(가솔린 내연기관 16%, 전기기관 21%) 대비 높은 에너지 효율을 갖는 수소에너지(수소연료전지 36%) 활용으로 운영기관 에너지비용* 절감 * 디젤전기기관차 0.33km/천원, 수소연료전지철도차량: 0.578km/천원(디젤 1,200원/L, 수소연료 6,000원/kg 기준)○ 사회적 측면 - 에너지 생산 전 주기에서 전기차 대비 수소차의 CO2 배출은 13.7% 낮아 전기철도차량을 수소연료전지철도차량으로 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
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| 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○ 차세대 철도차량의 핵심기술로 활용- 수소연료전지 하이브리드 철도차량의 핵심기술의 적용가능성은 디젤기관차와 경전철이 현재는 높다고 할 수 있으나, 향후 모든 고속철도, 도시철도 등에도 충분히 활용 가능○ 국내 내구연한 도래 노후 디젤기관차 대체- 국내 운영 중인 디젤철도차량은 철도분야 오염물질 배출의 주요 원인을 제공하고 있으므로 수소연료전지 철도차량을 활용함으로써 디젤기관차를 대체하여 환경오염 저감 가능- 디젤기관차 기대수명은 25년으로 현재 기대수명을 초과한 디젤기관차 26대가 운행 중에 있으며, 2022년 이후 92대의 디젤기관차가 추가적으로 기대수명을 초과할 것으로 예상- 현재 국내 운행 중인 디젤기관차는 총 292대이며, 이중 7000호대(233대)는 경유자동차 약 70만대에 맞먹는 오염물질을 배출○ 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- 신재생에너지 철도차량은 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○ 통근형 철도차량으로 활용- 디젤동차는 경전선을 비롯한 11개 노선에서 약 131량이 운행 중이며 대부분 비전철화 구간으로 국가철도망구축계획*에 따라 전철화 등이 예정되어 있으나 수소연료전지 하이브리드 철도차량 적용 시 전철화에 따른 인프라 비용 절감 가능 * 제3차 국가철도망 구축계획(2016-2025)(국토교통부 고시 제2016-374호, 2016.06.27.)
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