1000km 거뜬히 가는 액화수소열차 나온다

기체수소보다 저장성-안전성 ↑
철도硏, 2025년까지 개발하기로

19일 경남 창원시 현대로템 창원공장에서 공개된 수소트램 시제품의 모습. 기체수소를 연료로 이용하는 현재 수소열차보다 주행거리를 늘린 액화수소열차 개발이 올해부터 시작됐다. 산업통상자원부 제공

한 번 충전하면 시속 150km로 서울∼부산을 왕복하고도 남는 1000km를 운행할 수 있는 액화수소열차가 2025년 첫선을 보인다. 한국철도기술연구원은 현대로템 등 민간 기업과 함께 2024년까지 186억 원을 투입해 액화수소 기반 수소열차 개발 사업을 시작한다고 20일 밝혔다.

수소열차는 수소자동차처럼 수소가 연료전지에서 산소와 만나 물로 바뀌는 과정에서 생기는 에너지를 전기로 변환해 동력원으로 쓴다. 수소는 에너지를 만드는 과정에서 물만 배출하기 때문에 대표적인 친환경 에너지원으로 꼽힌다.

보통 열차는 공중에 달린 전력선에서 전력을 공급받는 전차와 디젤을 연료로 쓰는 디젤기관차로 나뉜다. 수소를 연료로 쓰는 수소열차는 전력선이 없는 곳에서 운행되는 디젤기관차를 대체할 수 있다. 디젤기관차와는 달리 탄소를 배출하지 않는 데다 공기 중 산소를 빨아들일 때 필터로 미세먼지까지 걸러내는 효과도 있다.

독일, 프랑스, 일본 등 철도 강국들은 이미 노후 디젤차를 대체할 수소열차를 개발해 운행 중이다. 일본은 2007년 세계 처음으로 수소연료전지로 달리는 2량 열차를 개발했다. 프랑스와 독일도 2018년 시속 최고 140km로 달리는 열차를 운행하기 시작했다. 국내에서도 19일 현대로템이 3량으로 만들어진 수소 노면전차(트램) 시제품을 처음 공개했다. 42kg의 기체수소를 연료로 채워 시속 70km로 150km의 거리까지 달릴 수 있도록 개발됐다.

세계에서 운영 중인 모든 수소열차는 기체수소를 저장해 연료로 쓴다. 철도연은 액화수소를 저장해 연료로 쓰는 열차를 개발하기로 했다. 액화수소는 고압 기체 상태의 수소를 저장하는 대신 영하 253도 이하의 초저온 상태로 액화시켜 저장하는 것이다.

액화수소를 연료로 쓰면 더 많은 연료를 안전하게 보관할 수 있다는 장점이 있다. 우선 수소는 액체 상태일 때 기체일 때보다 저장밀도가 2배 높아진다. 동일한 부피의 용기에 수소를 2배 저장할 수 있는 셈이다. 안전성도 좋아진다. 액화수소를 저장할 때 필요한 압력은 기체수소를 저장할 때 압력보다 40분의 1에 불과하기 때문이다.

철도연은 상용 디젤기관차 대체가 가능한 2.7메가와트(MW)급 열차 개발을 위해 액화수소 하이브리드 추진 시스템과 고단열 극저온 액화수소 저장기술, 고속 충전기술을 개발하기로 했다. 액화수소열차 개발의 관건은 저장한 액화수소를 다시 기체로 만들어(기화) 연료전지에 전달하는 기술이다. 김길동 철도연 스마트전기신호본부장은 “액화수소에 맞는 용기를 새로 개발하고 수소를 연료전지에 보내기 위해 기화시키는 기술이 필요하다”며 “액화수소 연료전지가 내는 출력을 순간적으로 보완하는 배터리를 결합하는 하이브리드 방식으로 전력을 공급하는 제어 기술도 개발해야 한다”고 말했다.

현재 국내 기술력으로는 차량을 움직일 수 있는 만큼 저장할 수 있는 액화수소 양은 1kg에 불과하다. 이는 일반 드론을 간신히 움직일 수 있는 수준이다. 철도연은 70kg급 액화수소 저장 및 추진시스템 6개를 연결해 한 번 충전으로 20∼30량 열차가 1000km를 달릴 수 있는 액화수소열차를 개발할 계획이다. 해외의 기체수소열차보다 운행거리를 약 1.6배 늘리는 동시에 액화수소 충전시간도 20% 줄여 효율성을 확보한다는 목표다. 2022년까지 액화수소트램을 시험 개발하고 2025년에는 액화수소열차를 선보인다는 로드맵도 제시했다.

김 본부장은 “열차는 운행거리가 정해져 있기 때문에 연료 소비가 예측 가능하다는 장점이 있어 충전 인프라를 설치하기도 유리하다”며 “세계 최초로 액화수소열차를 개발해 노후 디젤기관차를 대체하고 철도 인프라가 낙후된 남북 철도 및 유라시아 대륙횡단용 장거리 열차로 활용할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.

조승한 동아사이언스 기자 shinjsh@donga.com