| 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
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○ (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 설계2) 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 검토3) 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 보완4) 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 연구5) 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
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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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