1. 서 론

친환경 연료인 수소를 주에너지원으로 하는 수소연료전지 와 2차 전지를 하이브리드 동력원^{(1), (2)}으로 적용한 수소철도차량은 철도교통 운영에 따른 탄소 및 미세먼지 배출 이슈의 해소에 기여할 수 있을 것으로 예상된다⁽³⁾. 기존 전차선을 통한 전력공급 방식은 변전소, 전차선 등 전력설비 인프라가 필요하고 그에 따른 건설비용 등이 수반되는데 반해, 별도 외부전력설비로부터 에너지를 공급받지 않는 에너지 자립형 철도시스템인 수소철도차량의 도입은 철도 인프라 건설의 용이성을 높이고 친환경 대중교통으로서의 위상을 재고할 수 있다.

수소철도차량은 외부 전력설비 인프라 없이 기존 노선을 자유롭게 운행할 수 있어 차세대 경전철로 활용도가 높고 비전철화 구간 내 철도교통 서비스 제공, 전차선 제거를 통한 도심 경관 개선 등 자연 친화형 철도차량으로서 고객 삶의 질 향상에 기여가 가능하다. 이러한 측면에서 수소철도차량은 기존 도시철도 차량의 대체까지 가능할 것으로 판단되며, 향후 고속철도, 기관차 등에도 충분히 적용 가능한 기술개발이 있을 것으로 예상된다.

세계 최초의 수소철도차량은 프랑스 철도차량 제작사인 Alstom이 개발한 Coradia iLint로 2022년 8월부터 공식적인 영업운전을 시작했다. 국내의 경우, 한국철도기술연구원 주도로 2018년 4월부터 개발 중⁽¹⁾에 있으며 현재 수소철도차량 시운전 시험을 진행 중이다. 이러한 국내외 수소철도차량 기술개발에 맞물려 수소철도차량 기반 노선이 안정적이고 경제적으로 운영되기 위해서는 차량 기지 내 수소충전설비에 대한 효율적인 운영방안 개발이 필수적으로 요구된다.

수소충전설비는 크게 수소저장탱크와 수소충전장치 만으로 구성할 수 있지만 수소생산장치를 포함한 다양한 조합을 고려하여 활용도를 높일 필요가 있다. 다만, 수소생산까지 고려한다면 탄소중립을 위해 수소생산 과정에서 이산화탄소가 발생하지 않는 신재생에너지와 연계한 수전해 기술이 요구되므로⁽⁴⁾ 부가적으로 수전해 방식 수소생산, 수전해 설비 연계 신재생 보조 공급전원 등을 추가 고려할 수 있다.

수소충전설비의 효율적인 운영을 위해서는 수소생산, 저장, 충전과 관련된 장치들의 성능 사양들을 제약조건으로 반영하고, 철도 시스템에 적용되는 요금제를 고려한 최적 운영전략을 도출해야 한다.

따라서 본 논문은 수소충전설비 최적 운영전략을 도출하기 위해 다음과 같이 구성된다. 2장과 3장에서는 차량 1편성이 노선 전 구간 왕복에 요구되는 소비전력을 기준으로 필요한 수소 소비량을 최소화하는 최적 운영 1차 최적화 알고리즘을 제시하고 이를 통해 차량 1편성이 소비하는 수소량을 산출한다. 4장에서는 차량 운행 스케줄과 전력요금제를 기반으로 1일 차량 운행에 따른 수소 공급 비용 최적화를 위한 수소충전설비 운영 최적화 알고리즘과 이를 통한 최적 운행 방안을 제시한다. 또한 각 장은 도시철도 8호선의 데이터를 기반으로 최적 운영방안이 도출되는 과정의 사례연구를 포함한다.

2. 최적 수소 소비 주행 방안

수소철도차량은 운행에 필요한 주 에너지 공급원을 수소연료전지로 하고 차량의 급격한 소비전력 변화 대응 및 회생전력 저장은 차량 내 설치된 차상 에너지 저장장치로 보상하는 하이브리드 방식의 구조를 지니고 있다. 본 논문에서는 도시철도 노선에 수소철도차량을 적용한다는 전제하에 차량 1편성의 노선 주행에 필요한 수소 소비량을 산출한다. 그림 1은 서울교통공사 8호선 노선정보에 기반한 열차 모의주행 시뮬레이션(TPS, Train Performance Simulation)을 통해 계산된 차량 주행 소비전력을 보여준다. 이를 활용하여 전차선을 통한 외부 전력공급이 아닌 수소연료전지와 차상 에너지 저장장치만으로 주행에 필요한 전력을 제공하되 수소 소비량은 최소화하는 수소연료전지와 차장 에너지 저장장치의 최적 운영방안을 찾는다.

수소 소비량 최소화를 위한 두 전원 요소의 최적 운영방안을 도출하기 위해서는 우선, 그림 2의 수소연료전지 출력에 따른

전압-전류 관계로부터, 그림 3과 같은 수소연료전지 출력 전력-전류 관계를 도출하고 출력 구간별 선형화를 통해 수소 소비량을 산출하는 모델을 구성해야 한다. 그림 2의 수소연료전지 출력 전압-전류 관계식은 식(1)과 같이 피크점 정격전류 대비 %I가 56.25 이하인 구간에 대하여 3개의 구간으로 Piecewise Linear 함수로 표현하며, 해당 함수는 식(2)와 같이 출력(%P)에 대한 전류(%I)의 함수로 변환되어 적용된다.

식(3)은 차상 에너지 저장장치의 출력 제약을 나타낸다. 식(3)의 제약 범위 내 출력에 따른 차상 에너지 저장장치의 SOC(State Of Charge) 변화는 식(4)를 이용하여 계산한다.

여기서, $P_{ESS}^{\max}$: 차상 에너지 저장장치 최대 출력, $P_{ESS}^{t}$: t 시간에서 차상 에너지 저장장치 출력

여기서, $E_{ESS}^{t}$: t 시간에서 차상 에너지 저장장치 내 에너지, $\eta$: 차상 에너지 저장장치의 충방전 효율, $P_{ESS}^{t}>0$: 차상 에너지 저장장치 방전 모드, $P_{ESS}^{t}<0$: 차상 에너지 저장장치 충전 모드

계산된 SOC는 식(5)에 나타낸 차상 에너지 저장장치 SOC 제약에 적용된다. 차상 에너지 저장장치의 SOC 범위를 45∼55%로 제한한 이유는 차상 에너지 저장장치 수명을 최대한 확보하기 위해서이다⁽⁶⁾.

여기서, $E_{ESS}^{\max}$: 차상 에너지 저장장치 최대 용량

식(6)의 제약은 주행 종료 후 차상 에너지 저장장치의 충전에 관여할 수 있는 설비를 고려하지 않기 때문에 주행 전과 주행 후의 SOC 수준을 같은 값으로 유지하도록 하는 제약이다.

여기서, tdep: 주행 종료 시간

3. 차량 1편성 노선 주행에 필요한 수소 소비량 산출

차량 1편성의 노선 전구간 주행시 필요한 수소 소비량을 산출하기 위하여, 차량 내 수소연료전지(FC)의 운전모드를 크게 상시출력, 정격 25%, 50%, 75% 이상에서 FC 동작과 같이 네 가지 케이스들로 구분하여 수소 소비량을 산출하였다.

4. 수소충전설비 운영 최적화

차량 1편성의 수소 소비량 최적화 방안을 포함한 수소충전설비 운영 최적화 알고리즘을 그림 16에 나타내었다. 3장의 Case 4에서 산정된 가장 적은 수소 소비량과 그림 17의 서울교통공사 8호선 평일 차량 운행 스케줄을 기반으로 산출된 시간별 수소 소비량에 대해, 수소충전설비 사양을 제약으로 반영하여 가장 경제적인 수소충전설비 운영방안을 도출하였다.

여기서, 최적화 알고리즘 하단에 스케줄링 수소량과 실제 수소량 사이 차이가 일정 이상 벌어지면 재스케줄링하는 모듈이 포함되어 있지만, 실제 운영 시 발생하는 오차를 상정할 수 없으므로 본 논문에서는 해당 모듈 효과를 별도로 검증하진 않는다.

5. 결 론

수소철도차량 개발에 따른 수소 인프라의 최적 운영전략을 도출하기 위해, 차량 1편성의 노선 운행에 따른 수소 소비량을 산정하고 1일 차량 운행 스케줄을 기반으로 수소충전설비 시간대별 수소 소비량을 산출하였다. 수전해 기반 수소생산장치만으로 수소 생산하는 것을 전제로, 각 계절별 전력량 요금을 고려한 최소 비용으로 일간 수소 소비량에 대응하는 최적 운영방안을 도출하였다.

즉, 제시된 수소충전설비 운영 최적화 알고리즘은 차량 운행 시 수소 소비량을 최소화하기 위한 수소연료전지와 차상 에너지 저장장치의 부하 배분 방안과 비용 최적화된 수소충전설비 운영방안 도출의 두 단계로 구성되어 있다. 또한 최적화 알고리즘이 목적한 결과물을 보여주고 있는지 사례연구를 통해 확인하였다.

다만, 수전해 방식의 수소 생산비용이 현재로선 매우 높은 수준으로 아직 경제성을 논할 단계의 기술 수준에는 이르지 못하였고 본 논문 내 상정한 수소 활용기술 수준 또한 현재 기술 수준을 상회하여 설정된 부분이 있다고 판단된다.

하지만 신규 노선 건설 시 경제적인 무가선 노선 건설, 기존 노후 디젤 차량 교체 등과 같은 부분들을 고려하면 수소 철도는 여전히 매력적인 기술이며 수소 활용기술 발전에 대해 조기 대응하기 위해 본 논문에서 제시한 철도용 수소충전설비 최적 운영 알고리즘은 유용하게 활용될 수 있다고 본다.

또한, 향후 실용화 단계에서 수소철도차량 기지 내 수소생산장치, 수소저장탱크 및 수소충전장치 사양을 설계하고 장치별 효용성을 검증하기 위해 이용될 것으로 기대된다.