친환경 도시 교통수단 ‘수소트램’ 2023년까지 조기 상용화

총사업비 424억원 투자…실증사업 착수

수소모빌리티 영역 철도로 확대

글로벌 시장 선점 가속화

정부가 지자체와 민간기업, 전문연구기관 등이 협력체계를 구축해 전철의 대안으로 차세대 친환경 도시 교통수단으로 주목받고 있는 수소트램 상용화에 나선다.

산업통상자원부(장관 문승욱)는 2023년까지 정부예산 282억원을 포함 총사업비 424억원을 투자해 수소트램을 상용화하는 ‘수소전기트램실증사업’을 착수했다. 해당 프로젝트는 진정한 탄소중립 실현을 위해 자동차 중심의 수소모빌리티 영역을 철도까지 확대하고 글로벌 친환경 트램시장을 선점하기 위해 이뤄졌다.

정부는 수소트램의 빠른 상용화를 위해 세계 최고 수준의 수소차 기술력을 수소트램용 전용부품 개발에 활용하고 지자체가 보유한 유휴선로를 활용해 실주행 및 검증을 실시할 예정이다.

수소트램은 전철의 대안으로 부상하고 있는 교통수단으로 ESS와 수소연료전지를 동시에 탑재된다. 이 수소트램은 처음 가동할 때나 가속 구간 등과 같이 힘이 많이 필요할 때 ESS를 활용하고 등속 구간이나 감속 구간 등에서는 수소연료전지를 가동했을 때 나오는 에너지로 운행하게 된다. 이때 남은 잉여 에너지로 ESS를 충전하는데 활용할 수 있어 매우 효율적으로 차량을 운용할 수 있는 장점을 지닌다. 수소연료 1회 충전시 약 200㎞ 이상 장거리를 운행할 수 있는 것으로 알려져 있다.

이와 함께 수소트램은 차량 내 탑재된 수소연료전지를 통해 열차운행에 필요한 전력을 공급하므로 전철과 달리 전력설비 등 외부동력공급 인프라가 필요 없어 상대적으로 건설비가 저렴하다. 전력설비 건설비는 국가철도공단 고속철도 기준으로 ㎞당 31억원 수준이다. 또한 배터리방식의 전기트램은 주행거리가 길어질수록 고중량 및 고가인 배터리탑재량도 증가해 무게·부피와 생산비용도 상승하고 충전시간도 긴 단점이 있어 장거리 주행이 필요하거나 주행빈도가 높은 경우 수소트램이 전기트램에 비해 강점이 있다.

수소트램은 도시철도망이 확대되면서 도시철도와 교외선이 혼용되는 구간에 운용이 가능할 것으로 예상되고 있다. 특히 운행 거리가 먼 장거리 노선에도 적용될 수 있기 때문에 현재 다양한 활용 방안이 논의되고 있다.

현재 수소트램은 수소차대비 고내구성이 필요한 고난도 분야로써 글로벌 시장은 아직 초기단계로 확고한 선도기업이 없는 실정이다. 최근 독일, 일본 등 주요국이 수소트램 상용화를 위한 실증을 추진하고 있는 정도다. 독일 알스톰은 2018년부터 독일에서 시험운행 중이며 일본 철도회사인 JR동일본은 토요타와 협력해 올해까지 수소트램 개발을 완료하고 내년부터 3년간 시험운행을 계획하고 있다.

이에 우리기업이 보유한 세계최고 수준의 수소차 기술력과 경험을 활용하면 단기간에 수소트램을 상용화하고 글로벌 친환경열차 시장경쟁에서 우위를 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 글로벌 철도차량 시장 중 동력원을 수소연료전지로 대체가능한 시장은 2025년 7,000억원에서 2030년 4조원, 2050년에는 18조원 규모로 커질 것으로 전망되고 있다.

민·관·학·연 협력체계 구축

통합·검증기술, 주행성능평가, 운영기술 등 핵심기술 확보

해당 사업은 넥쏘용 수소연료전지(95㎾) 4개에 해당하는 380㎾급 수소트램을 상용화하기 위해 올해 9월부터 2023년 말까지 4대 분야 핵심기술을 확보하는 게 목표다.

우선 수소트램 시스템 통합·검증기술 분야는 철도전문기업인 현대로템이 주관하고 맥시스(모터), 코아칩스(센서), 푸름케이디(제동), 에스제이스틸(차체), 에이엔엠메카텍(냉각) 등 중소철도부품업계 5곳도 함께 참여해 유기적으로 협력해 수소열차분야에 도전한다. 특히 오는 2022년까지 수소트램에 탑재할 모터, 제동장치 등 부품을 제작하고 2023년에는 제작된 부품을 통합해 수소트램 실차를 제작하고 성능을 검증할 계획이다.

이와 함께 수소트램전용 수소연료전지 및 요소부품기술 분야는 수소차 부품 개조 경험과 노하우를 축적한 한국자동차연구원이 주관하고 지엠비코리아(연료전지 열관리), 에티스(연료전지 제어), 동희산업(수소저장용기), 화승알앤에이(플랙서블 튜브), 씨에스에너텍(배터리), 한양대·서강대(설계) 등 수소차부품 전문기업과 대학 7곳이 참여한다.

수소트램은 수소차와 달리 승차공간 확보를 위해 수소연료전지와 저장용기가 지붕에 탑재되어야 하는 특징이 있다. 이에 맞게 2022년까지 넥쏘용 수소연료전지를 구매해 높이를 낮춰 트램전용 수소연료전지로 개조하고 객차지붕마다 설치된 다수의 수소저장용기를 서로 연결하기 위한 플랙서블 고압튜브 등 요소부품을 개발할 예정이다.

수소트램 기술기준 및 주행성능평가기술 분야는 한국철도기술연구원이 주관하고 이번 사업이 수출을 염두에 둔 프로젝트인 만큼 유럽안전성 평가기관인 티유브이슈드(TUV SUD)의 한국지사도 참여한다. 이에 2022년 부품단위, 2023년 실차단위로 국내 및 유럽의 열차안전성기준을 충족하는지 면밀히 검증할 계획이다.

이밖에 수소트램 실주행 환경 실증 및 운영기술 분야는 울산TP가 주관하고 코비즈(비즈니스모델 발굴), 범한퓨얼셀(수소충전소 구축), 가스안전연구원(수소충전소 안전검증), 울산대(수소트램 최적운행패턴) 등 인프라·안전·분석기관 4곳이 참여한다. 이에 따라 내년까지 수소트램용 수소충전소를 구축하고, 2023년부터 울산역에서 울산항까지 구간의 울산시 유휴선로에서 누적 2,500㎞이상 주행하면서 연비 등을 고려한 최적주행패턴을 검증할 계획이다.

정부는 사업이 종료되는 2024년부터 수소트램 양산을 개시하고 국내·외 판로를 적극 개척해나갈 예정이다. 특히 국내는 울산, 동탄 등 신규 도시철도사업 계획이 있는 지자체와 수소트램 적용을 우선 협의해 나가고 유럽·동남아 등 트램수요가 있는 지역을 중심으로 해외 판로를 개척해나갈 방침이다.

산업부 관계자는 “국내 수소차 분야는 세계 수소차 기술을 선도 중이나 다른 모빌리티 분야는 수소로의 전환이 상대적으로 더딘 상황”이라며 “이번 프로젝트가 수소차 기술을 이종 업종에 성공적으로 적용하는 모범사례가 되고 수송 전 분야에서 수소 모빌리티 상용화가 가속화되는 계기가 되길 기대한다”고 밝혔다.

친환경 바람 타고 ‘수소비행기’가 뜬다

수소 이용한 항공기 개발 박차

항공업계, 2050년까지 탄소배출 75% 감축

탄소제로, 탄소중립 등의 열풍과 함께 최근 항공업계에도 친환경 바람이 거세게 불고 있다.

탄소 배출의 주범으로 낙인 찍혀온 자동차 업계가 전기와 수소를 동력으로 하는 차량을 개발한 것처럼 항공업계도 이른바 ‘친환경 항공기’ 개발에 열을 올리고 있다.

유럽환경청(EEA)이 분석한 각 운송수단의 1㎞당 이산화탄소 배출량은 제트여객기 285g, 버스 68g, 기차 14g으로 비행기가 버스의 4배, 기차의 20배에 달한다. 승객 1인당 배출량으로 따지면 그 격차는 더 커진다. 항공 산업이 전 세계 온실가스 배출량에서 차지하는 비율(3~4%)은 미미하지만 1대당 배출량이 너무 많은 것이 문제이다. 국제민간항공기구(ICAO)는 오는 2040년 항공기 운항 증가로 항공산업의 온실가스 배출량 비중이 4배 이상 증가할 것이라고 예상하고 있다. 친환경 자동차와 선박, 버스, 산업계의 탄소 저감 공법 등이 널리 상용화 되면 항공업계가 배출하는 탄소의 비중은 점차 높아질 수밖에 없는 현실이다.

이에 항공업계는 2050년까지 이산화탄소 등의 배출을 지금보다 75% 감축하겠다는 목표를 세웠다. 일각에서는 이 목표치가 정말 가능한 수치인지 의구심을 갖기도 하지만 최근 항공 분야에서도 ‘친환경 비행기’ 개발 움직임이 본격화하고 있어 기대를 갖기에 충분할 것으로 전망된다.

배터리 기반 전기항공기의 한계

내연기관 자동차를 대신해 전기차가 등장한 것처럼 항공 분야도 항공유를 대신해 초기에는 배터리 기반의 전기 비행기가 주목받았다. 미국 항공사 보잉이 2008년 리튬 이온 배터리를 이용한 하이브리드 항공기를 선보였고 에어버스는 2014년 시험용 2인승 전기 비행기 ‘이팬(e-fan)’을 선보였다. 아울러 미국 항공기 제조업체 키티 호크에서는 개인용 전기비행기를 설계 및 개발하고 있다. 현재 전 세계적으로 80여개의 전기비행기 개발 기업이 존재하고 있는 것으로 알려져 있다.

사실 전기 비행기는 전기 자동차의 발전과 그 맥을 같이해 왔다. 전기차에 들어가는 리튬이온 배터리의 성능이 개선되면서 자연스럽게 전기 배터리를 사용하는 항공기도 발전을 해왔기 때문이다. 하지만 자동차와 항공기는 무게와 크기, 주행 환경에서 큰 차이를 보인다. 현존하는 배터리 기술은 자동차를 이동시키기에는 충분하지만 배터리 기반의 전기비행기에는 치명적인 단점이 있다. 리튬 이온 배터리의 무게가 지나치게 무거와 큰 항공기를 띄우기에는 힘이 부족하다는 것이 바로 그 이유다. 현재 5인 미만의 승객을 태운 전기 항공기가 상용화된 상태이지만 전기배터리의 한계로 인해 이것이 마지노선이라고 보는 시각이 많다.

물론 전기배터리를 수천 개 이어 붙이면 힘이 있지만 배터리 무게를 항공기가 감당하기 어려울 뿐 아니라 배터리 수명과 배터리 처리 방식도 풀어야할 숙제로 남는다. 실제 항공사들도 도시와 도시를 연결하는 단거리 노선에 소형 전기항공기 도입 정도를 계획하고 있는 정도이다.

전문가들에 따르면 제트연료 1톤에 해당하는 에너지를 전기 배터리에 담으려면 30톤의 리튬 이온 전지가 필요하다. 이 때문에 기존 항공기에 비해 항속 거리나 승객·화물 탑재량에서 큰 손실을 본다. 관련 연구에 따르면 약 600명의 승객과 화물을 싣는 에어버스 A380이 제트유를 사용하는 터보팬 엔진으로는 1만5,000㎞를 비행할 수 있지만 제트유와 동일한 중량의 리튬이온 배터리를 이용하면 비행 거리는 고작 1,000㎞에 불과해진다고 한다.

현재 리튬이온 배터리보다 더 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 황과 연료전지를 사용하는 연구가 이어지고 있어 기술적으로는 중대형 항공기를 이차전지 등으로 날리는 건 가능하다. 하지만 기술적 발전이 된다고 해도 정부나 항공 당국의 감항인증을 받는 것과 경제성 문제로 이 비행기를 항공사들이 얼마나 도입할지 회의적일 수밖에 없는 시각이다.

하이브리드, 그리고 수소연료전지 항공기

친환경 원료로 리튬이온전지보다 가벼워

이러한 전기항공기의 한계로 인해 기존의 화석연료 기반 엔진과 전기모터 등을 결합한 하이브리드 방식의 여객기가 대안으로 제시되고 있다. 하이브리드 항공기는 하이브리드 자동차와 비슷한 원리로 이해할 수 있다. 친환경성을 강화한 기존 엔진으로 비행을 하되 필요에 따라 전기 동력으로 모터나 비행기 유지 장치 등을 돌리는 방식이다. 하이브리드 방식은 어느 정도 크기의 여객기를 멀리 또 오래 날릴 수 있을 것으로 기대됨은 물론 전기 에너지를 사용하기 때문에 탄소 배출 저감도 기대할 수 있다.

이와 함께 최근에는 수소를 기반으로 한 연료전지 항공기가 주목을 받고 있다. 수소항공기는 수소자동차와 비슷한 원리로 수소가 연료전지를 지나면서 산소와 만나게 되면 에너지가 발생하고 이 에너지의 일부가 전기로 바뀌면서 배터리를 거쳐 구동 모터를 돌리게 된다. 수소 기반의 동력 시스템은 리튬 배터리 기반과 비교해 힘도 좋고 무게도 절반 이하이기 때문에 중대형 항공기에 충분히 적용이 가능하다.

글로벌 컨설팅 기업 맥킨지에 따르면 18톤급 트럭의 동력 시스템을 디젤엔진에서 리튬이온 배터리 기반의 전기차로 바꾸면 2.5톤이던 동력 시스템 중량이 4.5~5.5톤으로 최대 220% 늘어나지만 수소 기반으로 바꾸면 디젤 대비 72~84%로 오히려 줄어든다.

이처럼 높은 무게 대비 효율 덕분에 전 세계 많은 기업들이 수소비행기 개발을 앞 다퉈 착수하고 있다.

수소를 에너지원으로 활용하는 항공기의 개발 방향은 크게 두 가지로 나뉘어 진행되고 있다. 가장 잘 알려진 것은 수소전기비행기다. 수소전기비행기는 전기비행기의 주동력원을 리튬이온전지에서 수소연료전지로 대체한 것이다.

리튬이온전지는 원자력·화력·수력 발전소나 태양광 설비 등의 외부 발전 장비에서 만들어진 전기를 충전해 보관하는 저장 탱크로 전기가 필요할 때마다 별다른 외부 장치 없이 전기를 바로 꺼내 쓸 수 있다. 반면 수소연료전지는 수소가 연료전지 내부의 촉매를 지나면서 산소와 결합할 때 전기를 발생시키도록 만들어진 작은 발전 설비다. 연료전지는 전기를 공급하려면 발전해야 하고 그 과정에서 수소를 공급받아야 하므로 연료전지 외부에 별도의 수소 저장 탱크가 필요하다. 이런 기능적 차이 때문에 수소연료전지 비행기의 구조는 리튬 이온 전지 기반의 전기비행기와 다르고 오히려 기존 비행기와 유사하다. 기존 비행기에 항공유 저장탱크가 적재돼 있듯이 수소전기비행기에는 수소 저장용 탱크가 내재돼 있기 때문이다. 비록 수소저장탱크를 추가하는 바람에 중량이 추가되기는 하지만 에너지 밀도 차가 워낙 커 많은 기업들이 연료전지 비행기에 주목하고 있는 것이다.

세계적인 항공기 제작업체인 보잉도 미 항공우주국(NASA)과 수소연료전지 비행기 개발 공동 연구를 진행하고 있다. 또한 미국 실리콘밸리에서 시작해 현재는 영국 정부의 지원을 받아 기술개발 중인 항공기 스타트업 제로아비아가 지난해 6월 세계 최초로 6인승 상업용 수소 비행기를 띄우는 데 성공했고 이후 700억원 규모의 투자를 유치했다. 이 비행기에는 350bar 수소탱크가 적용됐으며 이르면 2023년에 20석의 상용급 항공기를 개발해 500마일(약 800㎞) 비행에 도전하고 2026년에는 80인승 항공기로 500마일, 2030년까지는 100인승으로 1,000마일(약 1,600km) 비행을 계획하고 있다. 아울러 지난 4월 230억원을 투자받은 미국 스타트업 유니버설 하이드로젠도 1,120㎞를 날 수 있는 40~60석 크기의 수소비행기를 개발 중이다. 이밖에 지난 1월에는 영국 항공우주기술연구소(ATI)가 총 1,300억원 규모의 항공기용 수소시스템 연구개발 지원사업을 런칭하며 19인승 이하 항공기를 위한 액체수소 기반 연료전지 추진시스템, 수소연료전지 동력전달장치, 5톤이하 항공기용 전기추진모듈 개발 등의 프로젝트를 진행하고 있다.

이와 함께 수소를 내연기관의 연료로 삼는 수소 엔진 비행기의 개발도 추진되고 있다. 수소 엔진 비행기는 기존 터보팬 엔진이나 터보프롭 엔진의 연료를 항공유 대신 수소로 대체한 비행기다. 수소 엔진 비행기는 현재 사용 중인 비행기의 기체 구조나 내연기관 엔진 중 많은 부분을 큰 폭의 구조적 변화 없이 재활용할 수 있어 경제성이 뛰어난 것으로 평가받고 있다.

이와 관련 글로벌 항공기 제작 업체인 에어버스가 수소 엔진 비행기 개발을 추진하고 있다. 지난해 9월 에어버스는 수소를 주동력원으로 하는 세계 최초의 탄소 제로 상업용 비행기를 2035년까지 상용화할 계획을 공개했다. 에어버스는 총 3가지의 수소엔진 비행기를 개발할 예정이다.

먼저 약 200명의 승객을 태우고 2,000마일 이상의 대륙간 비행을 할 수 있는 중형 터보팬 엔진의 비행기다. 해당 기종은 기존 중형 비행기와 외형상으로 비슷하고 엔진의 연료를 기존의 제트유가 아닌 수소로 한다는 점에서만 다르다. 터보팬 비행기에서는 수소 터보팬 엔진이 추진력을 제공하고 액체수소 저장 및 분배 시스템을 항공기 뒤쪽에 배치에 운행한다.

이어 최대 100명의 승객을 태우고 1,000마일 내외의 중거리 비행을 할 수 있는 터보프롭 엔진의 비행기 역시 외형은 여타 터보프롭기들과 동일하고 단지 프로펠러를 돌리는 터빈 엔진의 연료가 수소라는 것만 다르다. 후방 압력을 주기 위해 액체수소 저장 및 분배시스템을 항공기 뒤쪽에 배치했으며 8개의 날개가 구동하는 하이브리드 터보 수소엔진 2개가 추진력을 제공한다. 아울러 주익과 동체가 일원화된 블렌디드 윙(BWB) 타입의 비행기는 최대 200명의 승객을 태울 수 있는 중형 비행기로 동력원은 수소를 연료로 하는 터보팬 엔진이 사용한다. 특히 이 항공기는 액체수소 저장탱크가 날개 아래 위치하고 터보팬 항공기와 동일하게 2개의 하이브리드 수소 터보팬 엔진이 추진력을 제공한다.

BWB 타입의 비행기를 제외한 두 가지의 기종은 기존 비행기 구조에서 많은 부분을 거의 그대로 활용할 수 있어 개발 기간과 비용을 줄일 수 있고 공항 시설 등 기존 항공 인프라도 크게 교체하지 않고 재사용할 수 있어 사용성 측면에서 상당히 우수할 것으로 전망되고 있다.

이같은 에어버스의 수소엔진 비행기는 에너지원으로 액화수소를 사용할 예정이다. 같은 크기의 탱크에 기체 대신 액화 수소를 넣으면 800배 많은 수소를 담을 수 있기 때문이다. 에어버스가 ‘어센드(ASCEND)’라는 이름의 초전도체 수소 동력기술을 개발 중에 있고 국내 현대자동차도 하늘을 나는 ‘플라잉카(Flying car)에 액체수소를 이용한 초전도체 기술을 적용하는 방안을 연구하고 있다.

수소의 생산·저장 문제 해결 숙제

이러한 차세대 친환경 항공기로 주목받고 있는 수소비행기도 한계가 있다. 리튬 배터리보다야 가볍지만 이를 항공기에 장착했을 땐 연료전지를 식힐 냉각시스템도 필요해 기존 항공기보다 여전히 무겁다는 단점이 있다. 수소연료전지를 사용하면 비행기 앞뒤에 배터리를 장착해야 해서 기존의 여객기와는 구조적으로 다른 항공기를 만들어야하기 때문에 수소 밀도에 관한 연구가 계속되고 저장 탱크의 무게, 경제성 등 다양한 측면에서 발전이 필요하다.

전문가들은 액화수소의 생산과 저장기술(초저온 기술)이 확보되면 친환경 수소비행기의 개발은 빨라질 것으로 보고 있지만 수소는 자연 상태에서 존재하는 것이 아니라 전기처럼 다른 에너지를 매개로 생산해야 하는 2차 에너지원이기 때문에 탄소 배출량을 최소화한 친환경적이면서도 저렴한 비용에 수소를 생산할 수 있는 방법을 찾아야 한다고 입을 모은다. 특히 경제적이면서도 신뢰할 수 있는 초저온 설비 기술은 액화수소의 활용 가능성을 높여 수소비행기의 상용화를 앞당길 기폭제로 작용할 수 있을 것으로 전망