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Bye 디젤! 수소, 태양광 에너지로 달리는 친환경 열차 시대의 개막

6월 28일은 제131회 철도의 날입니다. 산업 전반적으로 탄소중립이라는 시대적 과제를 안고 있는 가운데, 세계 각국은 보다 친환경적인 철도 시스템으로의 전환을 시도하고 있습니다. 빠른 속도보다 지속가능성에 주목하며 수소, 태양광 등의 친환경 에너지를 활용한 열차기술 개발에 박차를 가하고 있죠. 이미 일부 국가에서는 상용화 단계에 진입하기도 했습니다. 환경보호와 에너지 효율성을 동시에 추구하며 미래 친환경 이동수단이자 철도산업의 미래를 이끌어갈 핵심기술로 떠오르고 있는 수소‧태양광 에너지. 경제성과 효율성 측면에서 우수한 미래 운송수단인 수소‧태양광 열차는 지금 어디까지 발전했을까요?

철도, 친환경 에너지에 주목하는 이유는?

석탄을 태워 움직인 증기기관차와 경유를 연료로 사용하는 디젤기관차 시대를 지나 현재 우리는 일상적으로 전기열차를 이용하고 있습니다. 환경 규제 강화와 대기질 개선 요구가 커짐에 따라 전기열차 보급이 점차적으로 확대된 것인데요. 그럼에도 기관차 시장에서 디젤기관차는 약 45%(global growth insight, 기관차 시장 규모, 점유율 및 분석 2033 보고서)라는 높은 비중을 차지하며 세계 곳곳에서 운행되고 있습니다. 그 이유는 바로 전기 공급이 어려운 산간지역 등의 비전철화 구간이 존재하고 있기 때문입니다. 특히 전기화가 잘 되어 있는 유럽이나 일본에 비해 미국, 중국, 인도 등은 전기 철도 인프라가 부족해 디젤기관차의의 비중이 높은 편입니다.

출처: 위키피디아

기관차 시장에서 절반 가까운 비중을 차지하고 있는 디젤기관차는 전력 시설의 제약을 받는 전기 기관차를 대체할 수 있다는 장점이 있지만, 여전히 탄소와 각종 공해 물질을 배출한다는 문제가 있습니다. 반면 전기 기관차는 비교적 친환경적이지만, 전력 설비 설치에 많은 비용이 들고 전력 공급이 중단될 경우 운행에 큰 지장을 받을 수 있다는 단점이 존재하죠. 그래서 각국에서는 디젤기관차의 공해 문제와 전기기관차의 인프라 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나로 수소나 태양광같은 친환경 에너지를 연료로 사용해 달리 열차 개발에 몰두하고 있습니다.

전 세계가 수소에너지에 주목하는 가장 큰 이유는 바로 ‘수소 그 자체’에 있습니다. 수소는 특정 국가나 지역에 집중적으로 매장되어 있는 화석에너지와 달리 지역적 편중이 없으며, 지구 표면에서 세 번째로 많은 원소이기 때문에 기술적 문제만 해결된다면 이를 활용하여 에너지원을 다각화할 수 있는 장점을 가지고 있죠. 또한 기후에 따라 편차가 심한 태양광, 풍력 등의 재생에너지의 한계를 보완해주는 역할도 할 수 있어 재생에너지의 확산을 촉진하는데 도움을 줍니다. 수소는 전기에 비해 저장과 운반이 수월해 유통 및 충전소 등의 인프라 구축에도 유리하다는 점도 빼놓을 수 없습니다. 현재 기체 상태로 수소를 압축해 저장하는 기술이 상용화된 상황이며, 부피를 800배나 줄일 수 있는 액화수소 저장 기술도 빠르게 발전하고 있는 상황입니다.

수소열차는 수소연료전지와, 전기를 저장할 수 있는 배터리 시스템, 전기모터로 구동할 수 있는 구동부로 나눌 수 있습니다. 수소연료전지에서는 수소의 화학적인 반응을 이용해서 전기를 만들고, 만들어진 전기가 배터리에 저장되고, 배터리에서 전기를 사용해서 전기 모터로 구동을 하게 됩니다. 주행에 필요한 모든 시스템은 모듈화하여 지붕에 탑재하고, 공간효율이 뛰어난 저상형 구조를 갖추고 있는 수소열차는 기존 화석연료보다 2~4배 정도 에너지 밀도가 높아 장거리 운행에 적합하죠. 또한 충전시간도 짧아 효율도 높습니다. 충전을 통해 자체 동력으로 주행할 수 있기 때문에 전차선 없이 일정 구간 운행이 가능해 도시 미관에도 도움을 준다는 이점이 있습니다. 열차 제조사들은 수소열차의 가격이 디젤열차에 비해 10~20% 정도 높은 수준이지만, 전철화가 필요 없기 때문에 초기 충전소 구축만 제외하면 다른 곳에 드는 비용이 거의 없어 장기적으로 인프라 투자 부담을 줄일 수 있다고 언급하고 있습니다.

이처럼 수소열차는 탄소배출 없이 친환경 운행이 가능해지고, 전기 관련 설비를 따로 설치하지 않아도 되기 때문에 경제성과 지속가능성 측면에서 가장 현실적이고 효과적인 방향으로 평가받고 있는데요. 앞으로 이러한 이유로 철도 운영은 전기화된 구간에서는 기존의 막대한 인프라 투자를 고려해 전기열차를 그대로 유지하고, 전기화되지 않은 구간에서는 디젤열차를 수소열차로 대체해 두 개의 열차가 혼합된 체제로 운영될 가능성이 높습니다.

빠른 상용화로 앞당겨지는 글로벌 수소 열차 시장 

수소 에너지는 철도산업뿐만 아니라 자동차, 선박, 드론 등 다양한 모빌리티에 적용되며 탈탄소화를 위한 글로벌 주류 에너지원으로 부상하고 있습니다. 수소 모빌리티 분야에서 처음 개발된 것은 수소자동차(1960년 미국 제너럴 모터스가 최초로 수소연료전지 자동차 개발을 시작)로, 1990년대부터 본격적으로 승용차, 버스, 트럭 등 다양한 형태로 연구되어 왔습니다.

그에 비해 수소 열차의 기술 개발은 20~30년 정도 늦게 시작되었지만, 자동차보다 더 빨리 상용화가 진행될 수 있었는데요. 그 이유는 열차는 정해진 노선만 운행하기 때문에 고정 노선에만 수소 충전소를 집중 설치할 수 있어 막대한 인프라 구축 비용과 시간을 줄일 수 있으며, 정부의 친환경 저책과 연계되어 대규모 예산 투자로 이루어지는 경우가 많아 기술 개발과 상용화가 촉진되고 있기 때문입니다. 또한 전기차보다 차량에 들어가는 부품 수가 많은 수소열차는 협력 부품업체가 많고, 화학·금속·기계 설비 등 다양한 산업과 연계되어 있다 보니 활용이 확대됨에 따라 협력 기업들의 성장과 고용창출 및 시장 확대를 촉진하는 역할을 할 수도 있죠.

우리나라 국토교통부가 지난 5월 발표한 자료에 따르면, 수소열차의 세계 시장이 2025년 약 3조 7천억 원(26억 7천만 달러) 규모에서 연평균 25% 이상 성장해 2035년에는 36조 6천억 원(264억 달러)에 이를 것이라고 보고 있습니다.

친환경 교통 혁신을 이끄는 글로벌 경쟁 본격화

독일은 EU에서도 가장 적극적으로 탈탄소화 정책을 추진하고 있는 나라 중 하나로, 2016년부터 탈탄소 교통 인프라 구축을 주요 국정 과제로 삼을 만큼 철도 부문에서도 온실가스 배출을 줄이는데 초점을 맞추고 있습니다. 또한 독일 전체 철도망의 40% 이상이 전철화 되지 않았기 때문에, 수소 열차를 즉각 실용화할 이유도 충분했죠. 이러한 배경 속에 2018년 독일에서 세계 최초로 수소열차가 상업운행을 시작했습니다. 독일 정부와 파트너십을 맺은 프랑스의 알스톰(Alstom)은 Coradia iLint를 개발해 2016년 9월 베를린 이노트랜스 박람회에서 처음 선을 보였고, 2년 후 독일 니더작센 주에서 첫 운행을 시작했습니다. 2022년까지 디젤열차 14대를 Coradia iLint로 교체하기도 했죠.

출처: Alstom 홈페이지(Coradia iLint)

Coradia iLint는 천장에 수소 탱크와 연료 전지가 있으며, 연료 전지는 수소와 공기 중 산소를 결합해 직접 전기에너지를 생성하며, 이렇게 생성된 전기는 리튬 이온 배터리에 저장돼 동력으로 사용됩니다. 펌프를 연결하고 약 20~30분 동안 수소를 주입하면, 탱크 1대분의 수소로 하루 약 1,000㎞까지 주행이 가능하죠. 최대 속력은 140㎞ 정도입니다.

현재 수소열차는 독일, 프랑스, 이탈리아 등 유럽 국가들이 개발을 선도하고 있으며, 중국이 빠른 개발 속도와 자율운전 기술을 앞세워 뒤를 바짝 쫓고 있는 상황인데요. 한국과 일본은 상용화를 위해 시제품 시험을 준비 중에 있죠. 유럽이 국가 교통의 중심인 반면, 미국은 철도보다 비행기와 자동차 사용률이 현저히 높아 전기철도 인프라 자체가 적고, 주 정부 간 정책 통일이 어려워 수소열차 개발이 상대적으로 더디지만, 캘리포니아 등 일부 주에서 수소열차, 수소기관차, 수소트램 도입을 준비 중입니다.

출처: 서울시립대학교 교통물류연구실

차세대 부산형 급행철도 사업을 통해 바라본 한국 수소열차의 현주소)수소 열차의 상용화 이후 세계 각국에서는 초기 상용화 모델을 보완하기 위해 연료 전지 효율 향상과 수소 저장 용기의 안전성 및 용량 개선 등을 통해 기술의 완성도를 높여가고 있으며, 이와 함께 인프라 확장 및 정책 지원을 강화하는 등 연구개발과 사업화를 활발히 추진 중입니다. EU는 2030년까지 수소 열차 도입과 인프라 구축을 목표로 정책 및 기술 등 수도 철도 생태계 조성에 박차를 가하고 있으며, 영국 또한 마찬가지로 2040년까지 수소 철도차량으로 대체할 계획이라고 밝혔습니다. 스페인은 수소 고속차량 개발 및 수소 공급 설비 구축에 97억 원의 정책 자금을 지원하며 개발에 착수했고, 일본은 탈탄소화 차원에서 철도 안전 규정을 개정하고 순차적으로 수소 차량으로의 전환을 위한 작업에 돌입했습니다.

열차의 새로운 트렌드, 속도에서 친환경으로!

2024년 독일에서 열린 세계 최대 규모의 철도운송기술 무역박람회인 이노트랜스(Inno Trans)에서도 환경친화를 추구하는 세계 철도의 트렌드를 확인할 수 있었습니다. ‘지속가능성과 전기화’라는 주제 안에 다양한 친환경열차들이 대거 등장했는데, 박람회에 전시된 열차들은 ‘빠른 속도’보다 ‘어떤 에너지를 쓰느냐’에 초점을 둔 모습이었죠.

스위스 기업 슈타들러는 수소와 배터리만을 사용해 주행하는 RS Zero 열차를 선보이며 눈길을 끌었습니다. 수소연료전지가 아닌 수소 엔진을 적용했으며, 배터리로 교체 가능한 구조로 설계된 것이 특징입니다. RS Zero는 시속 120㎞대로 운행되며 최대 1,000㎞를 주행할 수 있습니다.

출처: 슈타들러 홈페이지(RS Zero)

독일의 보슬로(Vossloh)는 하이브리드 구조의 수소기관차인 Modula BFC를 내놓았습니다. BFC는 Battery+Fuel Cell의 약자로, 배터리와 수소 연료전지로 만든 버전을 뜻합니다. 이 열차는 화물 운송전용으로, 전차선이 있는 구간에서는 기관차 위에 설치된 팬터그래프를 통해 전기를 공급받으며, 비 전철화 구간에서는 차량에 탑재된 수소 배터리에서 전력을 공급받아 운행합니다.

중국의 중국중차(CRRC)도 수소 연료전지를 기반으로 한 Cinova H₂를 전시했죠. 이 열차는 시속 160㎞/h로 움직일 수 있으며, 대용량 수소배터리를 탑재해 한 번 충전으로 최대 3,000㎞까지 주행이 가능합니다. 수소 연료전지에서 발생한 열은 겨울철 난방에 활용하고 있으며, 연료전지에서 나오는 물도 정수를 통해 화장실 등에 재사용하는 등 다양한 친환경 기술로 연간 약 730톤(연 30만㎞ 운행 기준 시)의 이산화탄소를 줄이는 효과가 있다고 알려져 있습니다. 지능형 고장 진단 및 유지 보수 의사 결정 기능을 지원하는 첨단 스마트 케어 통합 지능형 운영 및 유지 보수 플랫폼을 장착해 운영 안정성을 높이고 차량 유지 보수 비용도 절감할 수 있습니다.

(좌) Cinova H₂                                      (우) Modula BFC

국내 유일 고속 차량 제조사인 현대로템은 박람회에서 수소전기트램 실차를 전시해 관람객들의 발길을 이끌었습니다. 수소전기트램은 수소연료전지에서 생산된 전기에너지를 동력으로 쓰며, 냉난방 등에 사용되고 남은 전력은 배터리에 저장됩니다. 설계 최고 속도 시속 70㎞, 3모듈 1편성 기준 최대 승차 인원은 305명이며, 15분 만에 충전할 수 있고, 1회 충전으로 150㎞ 이상 주행 가능합니다.

철도 인프라와 결합한 태양광 열차의 발전

수소와 함께 태양광 에너지 또한 여러 나라에서 주목하는 친환경 기술입니다. 태양광열차는 태양광 패널을 통해 자체적으로 전력을 생산할 수 있어, 외부 전력망에 대한 의존도가 낮으며, 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있습니다. 수소와 마찬가지로 전력 공급이 어려운 지역에서 활용할 수 있으며, 전통적인 전력 공급 방식에 비해 유지 관리 비용이 낮아 운용비 절감 효과도 큽니다.

출처: Byron Bay Solar Train 홈페이지

Byron Bay Solar Train은 세계 최초 태양광 열차로, 2017년 12월 호주 뉴사우스웨일즈주 바이런베이에서 운행을 시작했습니다. 열차 객실 지붕과 기차역 지붕에 설치된 태양광 패널에서 6.5kW의 전기가 생산되는데, 이 에너지의 25% 정도만으로 기차를 운행하고 남은 에너지는 지역 공동체의 생활전기로 공급하고 있죠. 관광용 열차가 아닌 상용 여객 열차로서 친환경 교통수단 개발에 대한 관심을 이끌어내기도 했습니다.

최근에는 특히 철도 인프라를 활용한 태양광 에너지 생산이 각광받고 있는데, 기존 철도 시설물을 이용하면 별도의 부지를 확보할 필요가 없어 환경을 훼손시키지 않아도 되기 때문에 효율성이 높아 큰 호응을 얻고 있는 것이죠. 지난 10월에는 스위스 서부에 세계 최초로 철도 위에 탈부착식 태양광 발전소가 가동했다는 소식이 들려왔습니다. 친환경 에너지 스타트업 선웨이즈(Sun Ways)가 탄소중립을 위해 스위스 로잔연방공과대학교와 공동으로 태양광 패널을 제작한 것인데요. 놀라운 점은 철도 선로 위에 48개의 태양광 패널을 설치했다는 점입니다. 선웨이즈는 연간 약 16MWh의 전력을 생산하는 것을 목표로 하고 있으며, 장기적으로 선로에서 얻은 전력을 열차에 직접 공급해 철도 시스템 자체를 거의 100% 에너지 자립형으로 만들어갈 계획입니다. 스위스 전역에 배치된 철로에 폭 1m 크기의 태양광 발전 패널을 총 5317㎞의 철길에 부착하면 축구경기장 760개 분량의 광범위한 태양광 발전소가 마련되는 셈입니다. 선웨이즈가 슈체처와 개발한 태양광 패널 전용 설치 열차로, 몇 시간 안에 1,000m² 규모의 패널을 설치할 수 있으며, 태양광 패널은 쉽게 탈부착이 가능해 유지보수 및 시공간소화 편의성이 높습니다.

출처: 선웨이즈 홈페이지(철도 선로에 설치된 태양광 패널)

인도 뉴델리에서는 2017년부터 열차 지붕에 16개의 태양광 패널을 설치해 열차를 운행 중(디젤 연료로 움직이지만 객실 내 전등, 모니터 등의 전기는 태양광으로 공급)이며, 일본 또한 태양전지로 만든 태양광 패널을 신칸센 철도 방음벽에 설치해, 패널에서 생산된 전력을 역사 조명 등 철도 시설의 전력 공급에 자체 조달할 계획이라고 밝혔습니다. 독일 철도청 역시 전기운반 열차 도입을 통해 신재생 에너지의 전력 수급 안정성을 높여갈 것이라 전했죠. 이렇듯 현재 일본, 스위스, 독일 등 여러 나라에서 태양광을 이용한 다양한 시도들이 이루어지고 있으며, 실용화 단계에서의 성과가 가시화되고 있는 상황입니다.

친환경 에너지 활용, 우리나라 상황은?

한국철도기술연구원은 디젤기관차 한 대가 배출하는 대기오염 물질은 자동차 233대와 맞먹는 수준이며, 디젤열차를 수소 열차로 대체할 경우 기존 탄소 배출량을 약 51.9% 줄일 수 있다고 밝혔습니다. 또한 한국철도공사는 전체 디젤열차 360량 중 약 180량을 수소 열차로 교체할 계획을 가지고 있다고 전했죠. 현재 우리나라 철도 노선 중 약 30%는 아직 전기 공급이 이루어지지 않고 있는데요. 전기열차(KTX와 SRT, 수도권 전철, ITX-청춘 등)는 전차선이 설치된 전철화 구간에서만 운행되고 있으며, 무궁화호 일부 구간이나 장항선, 경북선 등의 전기가 공급되지 않는 노선에서는 여전히 디젤기관차가 사용되고 있습니다. 이러한 비전철화 구간을 중심으로, 디젤기관차 대신 수소열차가 운행될 것으로 기대되고 있는 상황입니다.

이런 이유로 우리 정부 역시 수소열차와 태양광 철도 개발에 힘을 쏟고 있습니다. 지난 5월 수소열차 상용화를 위해 수소열차 실증 R&D 사업에 본격 착수한다고 밝힌 것이죠. 출력 1.2㎿, 최고운행속도 150㎞/h(실제속도 165㎞/h), 1회 충전 주행거리 600㎞ 이상의 성능을 갖춘 수소전기자동차 1편성(2량)을 2027년까지 제작하고, 안전성 검증을 거쳐 시범 운행할 계획입니다. 이와 함께 현재 운행 중인 비전철 노선에 수소충전소, 차량 검수시설 등의 수소열차 인프라를 구축하고, 수소열차의 원활한 도입을 위해 수소열차 기술기준과 운영·관리 규정을 마련하는 등 수소열차 지원을 위한 각종 제도개선과 불합리한 규제 해소도 동시에 추진할 예정입니다. 이와 함께 도시형 트램의 수소열차를 도입 준비 중인데, 울산(2028년), 대전(2029년), 제주(2030년) 등 몇몇 지자체들은 이미 수소트램 도입을 결정을 확정한 상태이기도 합니다.

태양광 발전 역시 철도 유휴부지를 활용한 시범사업이 활발히 진행 중입니다. 한국철도공사가 기차역이나 승강장 지붕 등에 태양광 발전시설을 설치할 수 있는 철도 유휴부지를 발굴해 철도시설을 지속가능한 에너지 생산기지로 바꾸고 있는데요. 전국 13개 철도 부지에 약 25MW 규모의 태양광 발전 단지를 구축해 철도를 에너지 생산의 거점으로 전환하려는 시도도 이어지고 있습니다.

<2022년 시험 제작된 수소열차와, 복합 수소 충전시설 조감도>

출처: 국토교통과학기술원(친환경 수소철도 기술개발 사업 기획 최종보고서)

이제 철도는 기술의 발전을 넘어, 미래 교통의 패러다임을 바꾸는 중대한 전환점에 서 있습니다. 이미 전 세계 여러 도시들과 기업들은 수소와 태양광 에너지를 바탕으로 새로운 철도 시대를 앞당기고 있으며, 단계적 전환을 위해 분주히 앞으로 나아가고 있습니다. 수소와 태양광은 더 이상 먼 미래의 가능성이나 꿈이 아닙니다. 많은 도시에서 친환경 에너지를 동력 삼아 달리는 철도가 일상 속 풍경이 되었기 때문입니다. 지속 가능한 내일을 향해 쉼 없이 달려가는 철도 산업. 수소와 태양광이 이끄는 친환경 열차의 시대는 어느새 우리 곁에 성큼 다가왔습니다.