| 2차년도 |
○ (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발 - 주관연구기관(한국철도기술연구원): 1) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 및 조합시험 설비 기본설계 및 상세설계 2) 수소연료전지 시스템 설계/제작, 2차전지 안전성 검증 시험항목 도출 및 모듈단위 2차전지 단품 제작/성능 시험 3) 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 구성부품 상세설계 및 제작 4) 추진시스템용 인버터-영구자석동기전동기 설계분석 및 구동알고리즘 개발 5) 전력계통 연계방안 연구 및 보조전원장치 상세 설계/제작 ○ (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발 - 협동연구기관(우진산전): 1) 차량시스템 상세 설계 - 공동연구기관(한국철도기술연구원): 2) 수소연료전지 하이브리드 철도차량관련 표준조사 및 주요 구성품별 성능검증절차 수립 - 공동연구기관(한국철도공사): 3) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용요구사항 분석, 차량 유지보수 및 설비 기술조사 - 공동연구기관(우진기전): 4) 수소충전소 기본 설계 및 관련 규제/법규 조사 - 공동연구기관(코아전기): 5) 고주파용 변압기 기본 설계 및 상세 설계 - 공동연구기관(엘케이엔): 6) 냉각장치 상세 설계 - 공동연구기관(이건산전): 7) 주회로 소자 구동 드라이버 상세 설계
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○ (1세부) 수소연료전지기반 하이브리드 추진시스템 최적화 기술개발- 주관연구기관(한국철도기술연구원):1) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 및 조합시험 설비 기본/상세설계？ 수소연료전지 하이브리드 철도차량 기본설계 및 상세설계？ 수소연료전지 하이브리드 철도차량 경제성분석관련 국내외 자료조사？ 스마트 에너지 관리 시스템 설계 및 제작？ HIL 시스템 기본설계 및 상세설계, 시스템 구축2) 하이브리드 동력시스템 상세설계, 제작 및 단품 성능검증？ 수소연료전지시스템(수소저장용기 포함) 설계, 제작 및 상세시스템 모델링？ 2차전지 시스템 성능 및 안정성 검증을 위한 기술기준 조사. 시험항목 도출？ 철도차량용 BMS 알고리즘 설계？ 열해석을 통한 2차전지 특성분석？ 가속수명시험을 통한 리튬 2차전지 모듈의 단품 성능 확인 시험？ 2차전지 시스템 구성품 시험방안 연구, 시험 계획 수립3) 수소연료전지 하이브리드 DC-DC 컨버터 구성부품 상세설계 및 제작？ DC-DC 컨버터 부품단위 최적화설계？ DC-DC 컨버터 전압/전류 제어알고리즘 개발？ 20kW급 축소형 DC-DC 컨버터 제작 및 성능검증？ 시제차량용 DC-DC 컨버터 제작지원4) 추진시스템용 인버터-영구자석동기전동기 설계분석 및 구동알고리즘 개발？ 주행모드별 고효율 달성을 위한 전동기-인버터 제어알고리즘 개발 및 시뮬레이션을 통한 성능 확인(가속도, 토크특성, 효율) ？ 영구자석동기전동기 기본/상세설계 및 시작품 제작？ 철도차량용 영구자석동기전동기 설계 모델 분석을 통한 주행모드별 견인전동기 특성분석(토크특성, 손실분석, 전기적특성(전압/전류)) ？ 인버터 전력변환부 온도모델기반 주행패턴별 열분석을 통한 방열설계 사양에 따른 방열성능분석 및 시제차량용 추진제어인버터 냉각장치 상세설계지원5) 보조전원장치 기본 설계 및 전력계통 연계방안 연구？ 보조전원장치 상세설계 (방열설계 포함) 및 제작 지원？ 보조전원장치 기본 동작 및 계통연계 동작 시뮬레이션 검증 (출력전압 regulation, 전고조파왜율 성능, 계통 연계 시간, 위상 추종 transient 확인)？ 전력계통 연계전략 및 운영방안 연구？ 알고리즘 구현/검증을 위한 축소형 보조전원장치 제작○ (2세부) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용 기술개발- 협동연구기관(우진산전):1) 시험차량 시스템 상세설계？ 시험차량 대상차종 선정？ 시험차량 제작 일정 수립？ 수소 동력시스템(연료전지, 연료 탱크) 옥상 탑재 검토？ DC/DC 컨버터, 2차전지, 추진제어장치, 보조전원장치 설치 검토 ？ 동력시스템 인터페이스 식별？ 주전장품 구조 설계/제작？ 추진제어장치 시작품 제작？ 차량 Exterior/Interior 설계, 구성품 외형 설계- 공동연구기관(한국철도기술연구원): 2) 수소연료전지 하이브리드 철도차량관련 표준조사 및 주요 구성품별 성능검증절차 수립 ？ 수소연료전지 하이브리드 철도차량관련 국내외 표준 조사 및 분석？ 주요 구성품 성능검증방안 수립？ 주요 구성품별 성능검증용 시험절차서 작성- 공동연구기관(한국철도공사):3) 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운용요구사항 분석, 차량 유지보수 및 설비 기술조사？ 수소연료전지 하이브리드 철도차량 운영 요구사항 조사분석？ 차량 상태진단 유지보수(CBM) 및 유지보수설비 기술조사- 공동연구기관(우진기전):4) 수소충전소 기본 설계 및 관련 규제/법규 조사？ 수소충전소 구축 부지 확정？ 수소충전소 구축방안 확정(충전소 구축 방식)？ 수소충전소 설비 용량 등 기술사양 확정？ 수소충전소 기본설계？ 수소충전소 구축 관련 제도 및 법령 조사 (인허가 절차 등)？ 수소충전소 구축 부지의 제반 법령의 저촉 여부 조사 ？ 수소충전소 안전 요구사항 분석- 공동연구기관(코아전기):5) 고주파용 변압기 기본 설계 및 상세 설계？ 보조전원장치용 고주파 변압기용 코아 형상 연구 ？ 보조전원장치용 고주파 변압기용 자성재료 연구 ？ 보조전원장치용 고주파용 최적화 변압기 기본 설계 및 상세 설계？ 보조전원장치용 고주파 리액터용 코아 설계？ 보조전원장치용 리액터 상세 설계- 공동연구기관(엘케이엔):6) 냉각장치 상세 설계？ INVERTER 소형 시뮬레이터용 방열설계, 방열판제작？ INVERTER 구조 검토？ INVERTER 방열구조 기본설계 및 상세설계？ 보조전원장치 방열구조 검토？ 보조전원장치 방열구조 설계 및 상세설계？ DC/DC 컨버터 방열구조 검토？ DC/DC 컨버터 방열구조 설계 및 상세설계？ INVERTER, 보조전원장치 DC/DC 컨버터용 히트블록 시제품 제작- 공동연구기관(이건산전):7) 주회로 소자 구동 드라이버 상세 설계？ 주회로 소자용 구동 드라이버 전원회로 및 구동 회로 상세 설계？ 소자용 구동 드라이버 전원효율 향상 방안 상세 설계
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| 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
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| 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
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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○ 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
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