연료전지열차 : 미국, 중국, 일본

[미류나무]

잘 아시겠지만... 독일 MTU엔진(디젤)은 디젤이고 고속이 가능하여 경비정, 기관차 등에 사용됩니다.
부피는 작지만 고속이어서 출력이 높죠. 
중형 연료전지도 개발만 되면 기관차, 작은 선박에 사용할 수 있습니다.
기관차용 연료전지를 특별히 따로 개발해야 하는 것은 아닙니다.
물론 사용처가 선박이냐 기관차냐에 따라 약간의 손질은 필요하겠습니다만...

현재 여러나라가 선박용 연료전지를 연구하고 있으니까... 연료전지 열차도 생각보다는 빠르게 나타나리라 봅니다.
선박용 연료전지가 개발되면 이를 기관차용으로 개조하는 것은 크게 어려운 일이 아닐 겁니다.
연료로는 수소보다는 천연가스를 적절해 보입니다.
여러 여건상... 수소는 생산이나 운송, 저장이 아직은 부적절해 보입니다.

미국 블룸에너지는 최근 고성능의 세라믹 연료전지를 개발했는데...
이것이 검증 되면... 연료전지 기관차도 어렵지 않을 것이라 판단합니다.

증기기관차에는 기관차 바로 뒤에 석탄을 싣는 화차가 있었습니다.
연료전지기관차 뒤에 액화천연가스를 실은 화차를 붙이면... 장거리 운행도 가능하리라 봅니다.
선박용 액화천연가스 탱커는 프랑스 기술을 사용하다가 최근 국산화에 성공하였습니다.
잘은 모르지만... 이 기술을 화차에 적용할 수 있다면... 부산에서 블라디보스톡정도는 논스톱 운행도 가능하지 않을까... 기대해 봅니다.

아래는 최근의 미국, 중국, 일본 동향입니다.

BNSF Hydrogen Hybrid Train Meets Gov Arnold Schwarzenegger
Posted on January 29th, 2010 by admin

           


A Burlington Northern Santa Fe (BNSF) hydrogen train (hydrail) rolled into Southern California this week to meet Governor Arnold Schwarzenegger. The hydrail locomotive is powered by hydrogen fuel cell plus hybrid technology.

Now, it’s a sign of the times when Governor Schwarzenegger tweeted about his experience on Twitter. The H2 locomotive is a switch locomotive that moves other trains short distances around the rail yard.

The BNSF hydrogen train is seen as a clean alternative to those currently powered by diesel engines. In January 2008, I had talked about how BNSF was developing an H2 switch train in Kansas along with its partner Vehicle Projects LLC.

In October 2006, I had also talked about how JR East was developing the world’s first hydrogen powered commuter train in Japan. The BNSF hydrogen hybrid train is a welcome alternative to areas known for their poor air quality.

So, in the future you may not hear the rumble of a diesel engine and the belch of black smoke on the tracks, but rather the quiet hum of a hydrogen fuel cell and a little cleaner air surrounding it.

Filed under: Hydrail

First Hybrid Train Unveiled in Kansas

by Terrence O'Brien on July 1, 2009 at 06:59 AM

FILED UNDER: green

Fuel cells are supposed to be the future of power, but they've got a long way to go before they're mainstream. Companies have been tossing them in cars (so many cars), planes, cell phones, even MIDs (Mobile Internet Devices). So where is this supposedly game-changing technology showing up next? Well, if you're a locomotive-loving Kansas town with a healthy Department of Defense investment, the answer is obvious: trains.

BNSF Railway Co. and Vehicle Projects Inc. unveiled the world's first hydrogen fuel cell-powered locomotive in Topeka on Monday. The prototype ferried Kansan Senator Sam Brownback up and down the tracks in the BNSF rail yard in its maiden voyage before being shipped out to Colorado for further testing, and eventually will land in California for a feasibility study.

The Department of Defense is interested in the new locomotive technology not just because it hauls huge loads (without releasing greenhouse gases) but also for its ability to act as a backup generator to provide power for disaster relief efforts.

While it's exciting to see fuel cells creeping forward, it's sure to be years before they arrive in any practical capacity. [From: CJOnline.com, Via: Kansas City Star]

China Develops First Fuel Cell Light Rail Locomotive

중국이 세계최초로 경량 연료전지기관차를 개발하였다

by Timon Singh, 11/30/10

filed under: Green Transportation

It’s been an impressive year for Chinese railways as the nation unveiled the world’s fastest train and planned rail links from Asia to Europe — and recently the county unveiled its first fuel cell light rail locomotive. Jointly developed by the China North Vehicle Yongji Electric Motor Corporation and the Southwest Jiaotong University, the train is powered by an advanced permanent-magnet motor and hydrogen fuel cells, which are used to power the synchronous motor and frequency converter.

The fuel cell light rail locomotive has many benefits — its permanent-magnet synchronous motor can be used to efficiently generate power while reducing vibrations and noise, yielding a remarkable degree of energy efficiency. The magnetic motor is able to achieve higher performance than regular motors, while still cutting energy use by 10-20 percent.

It is expected that the new fuel cell train will provide China with a solution for the electrification of its urban public transportation networks(도시지역의 공용운송체계를 전기에너지로 운용하는 방안), helping the country wean itself off fossil fuels. The hydrogen-powered magnetic motor train also has a lot of potential for use in the nation’s subways, urban-suburban light-rail railways, and mining links(지하철, 도시 및 도시근교지역에 사용되는 경량열차, 그리고 광산의 궤도차량들). Rail links play an important part in China’s ever-expanding transit network, so it is crucial to make them as green as possible.

+ China North Vehicle Yongji Electric Motor Corporation

Via People’s Daily Online

Read more: China Develops First Fuel Cell Light Rail Locomotive | Inhabitat - Green Design Will Save the World

China launches hydrogen powered train


Susan DeFreitas
, EARTHTECHLING | Mon 6th Dec 2010, 12:39 pm

#china#hydrogen-fuel-cells#train

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Recently, we reported on China's new bullet train, thought to be the fastest in the world.



Now, we bring you yet another cutting-edge Chinese transport report: according to a recent release from the government-run People's Daily Online, the country's first fuel cell-powered light-rail locomotive is now up and running. (세계최초로 경량철도에서 연료전지기관차가 등장하여 지금 운용되고 있다)


This new light rail system, developed by the China North Vehicle Yongji Electric Motor Corporation and Southwest Jiaotong University, makes use of an advanced permanent-magnet motor and hydrogen fuel cells, leveraged to power its synchronous motor and frequency converter (according to Inhabitat).

The Chinese government believes that the permanent-magnet synchronous motor developed for this fuel-cell locomotive could help to electrify China's urban public transportation and alleviate traffic congestion in crowded urban areas.

It should also help point the way towards the development of more renewable energy in the country on a larger scale.

* Susan DeFreitas
, EarthTechling

China introduces first light-rail train with new-energy fuel cells

18:06, November 29, 2010      

Recently, China's first new energy fuel cell light-rail train, jointly developed by the China North Vehicle Yongji Electric Motor Corporation and the Southwest Jiaotong University, was successfully launched. (중국이 만든 세계 최초의 경량 연료전지열차가 성공적으로 출하되었다)

China's first new-energy fuel cell light-rail locomotive adopts hydrogen as the energy for the fuel cells as well as the world advanced permanent-magnet synchronous motor and frequency converter independently developed by the China North Vehicle Yongji Electric Motor Corporation as its main source of power.

Meanwhile, China North Vehicle Yongji Electric Motor also independently took on the tasks of vehicle design as well as research and development. As the comprehensive performance test results meet the requirements of various indicators, this new-energy fuel cell light-rail train has many potential applications as well as huge economic and environmental benefits in fields such as railways, subways, urban-suburban light-rail railways and mining.

The permanent-magnet synchronous motor adopted by the China's first new-energy fuel cell light-rail train has advantages, which include high power, high efficiency, remarkable energy conservation, low vibration and minimal noise. (높은 출력, 높은 효율, 현저한 에너지 절약, 적은 진동과 최소화한 소음)

It can achieve a level of performance that traditional motors cannot achieve and also can be developed into a special motor and highly-efficient energy-conservation motor to meet specific operational requirements. It can conserve 10 percent to 20 percent of integrated energy on average and has been successfully applied in many fields. It will also aid China's motor industry to adjust its industrial structure toward a new developmental direction.

Experts believe the successful application of the permanent-magnet synchronous motor in China's first new energy fuel cell light-rail train has provided a solution for the electrification of China's urban public transportation and the traffic congestion panic. It is also conducive to the promotion of China's new-energy industry in a larger scope. (중국 신재생에너지산업이 보다 광범위한 영역에서 발전하도록 기여한다)

By People's Daily Online (인민일보 온라인판)

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치입니다.
가령, 연료전지라는 기구장치에 에탄올(연료)를 부으면 전기가 생기고 이 전기로 모터를 돌려서 여러 작업을 합니다.
"연료-연료전지(장치)-모터"
이렇게 구성됩니다.
연료로는 수소가 대세입니다만... 개질기(수소를 뽑는 장치)를 설치하여 천연가스, 메탄올, 휘발유 등을 연료로 사용하기도 합니다.
최근에는 석탄을 연료로 사용하는 직접탄소연료전지도 연구개발하고 있습니다.

선박의 경우 동력원은, 노(인력)-바람(자연)-증기(외연)-디젤(내연)-연료전지로 보고 있습니다.
노를 저어서 배가 움직일 때 인력을 이용합니다. 다음은 자연의 힘 바람을 이용했죠.
이후 연료를 사용했는데 외연, 내연기관 순서로 발전했습니다.
여기서... 연료 형태를 보면 석탄(고체)-경유(액체)로 변해왔는데...이후 가스(기체)로 바뀔 것으로 보고 있습니다.
가정용 연료를 보면 석탄,연탄(고체)-석유(액체)-도시가스(기체)로 변해왔죠.
선박의 건조와 운영에서 처음에는 경제성이 가장 중요했습니다.
타이타닉호 침몰 이후 안전성이 가장 중요해졌습니다.
현재는 기름누출사고와 지구온난화, 이산화탄소배출규제 등의 이유로... 친환경성이 가장 중요한 요소로 부각되고 있습니다.
아무리 값싸고 안전한 선박이라도... 환경을 더럽히면 국제적인 규제를 받아 운용될 수 없게 됩니다.

이런 변화를 철도에 적용시켜 보면... 증기기관차(고체 석탄)-디젤기관차(액체 경유)에 이어 전기기관차(전기)+연료전지기관차(기체 가스)로 변할 가능성이 큽니다.
버스처럼 천연가스를 연료로 사용하는 폭발식 내연기관이 과도기로 사용될 수도 있겠습니다.

경제성이 중요하지만... 여러 나라가 모여 지구온난화를 이유로 온실가스배출규제에 합의하고 디젤기관차를 줄이자고 결정하면...  따르는 것 외에는 별 수 없습니다.

이런 변화가 내일모래 생긴다는 것은 아니고... 제가 보기에는 현재와 미래의 큰 흐름이라는 거죠.

연료전지를 열차에 도입하면...
연료탱크에는 경유,등유 대신에 수소나 천연가스, 메탄올 등을 싣습니다.
그리고 기관차에 실린 연료전지에서 직류전기를 만들고 모터를 돌려서 열차를 움직입니다.
연료전지에서 전기를 만드는 과정은 화학반응이기 때문에 소리가 나지 않습니다.
조용하죠. 그리고 매연을 만들지도 않습니다.
연료전지마다 차이가 있습니다만... 에너지 효율이 높습니다.
전철을 보면, 천연가스로 화력발전소를 가동하고 송배전한 뒤 기관차가 전기모터를 움직입니다.
연료전지열차에서는, 천연가스를 기관차에 적재된 연료전지에 넣고 여기서 생긴 전기로 모터를 움직입니다.
이 러면 송배전 과정이 없어지고... 연료전지가 뛰어난 이유는 기존의 증기, 터빈 방식보다 에너지 효율이 높다는 점입니다. 따라서 연료전지열차는 기존의 전철보다 에너지 효율이 높아질 수 있습니다. (아직 계산이나 검증된 단계가 아니라서 자신있게 말씀드릴 수는 없습니다)
게다가 소음이나 매연도 없고
그리고 전철에서는 송배전 전기공사를 해야 하지만... 연료전지열차에서는 그냥 선로만 깔면 됩니다. 이러면 공사비가 줄어들고 유지보수 비용도 줄어듭니다.
(쉽게 말해서 디젤전동차에서 디젤 대신 효율높고 조용한 연료전지로 바꾼다 생각하시면 됩니다)

연료전지는 비싼 가격이 문제입니다만... 기술의 발달로 제작비용이 계속 내려가고 있습니다.
연료전지도 종류가 많습니다.
백금을 이용하는 PEM은 너무 비쌉니다. 미국이 만든 열차는 PEM 방식입니다.
위 일본 열차는 PEM 방식일 가능성이 큽니다만... 알 수 없네요.
지난달 중국이 공개한 경량 열차는... 실용적이고 짠돌이인 중국이 백금을 이용하지는 않았을 것이라고 생각하는데... 아직 알 수가 없네요.
뜨거운 연료전지에서는 화학반응이 쉽게 일어나서 백금 촉매가 필요없습니다.
고온형 연료전지에는 탄산염을 이용하는 MCFC, 세라믹을 이용하는 SOFC 등이 있습니다.

중국은 비용인 많이 드는 전철 공사대신... 철로에 연료전지 열차를 운용하려는 모양입니다.
현재의 기술수준으로는 도시근교의 경전철이나 광산 등지에서 사용이 가능할 걸로 봅니다.
연료전지열차가 개발만 되면... 이후 열차를 채택하는 국가에서는... 거의가 연료전지열차를 채택할 겁니다.
(우리나라처럼 좁은 국가가 전철화를 완료하고 나면... 연료전지열차 효용성이 다른 나라보다는 줄어들겠습니다)
전철보다 공사비가 작지만 에너지 효율이 높고 친환경적이니까.

철도용 연료전지는 특징과 출력이 선박용과 비슷하여... 한쪽에서 개발과 상용화만 이루어지면 다른 쪽에서도 쉽게 사용될 겁니다. 
현재 우리나라는 연료전지 분야에서 세계 6~7위권입니다.
1위 미국과는 비교도 안되지만...
현대, 삼성, 대우 등 대형 조선소와 포스코는 선박용 연료전지 개발을 모색하고 있습니다.
선박에서는 디젤에 이어 천연가스를 이용한 내연기관이 과도기로 사용되다가... 천연가스를 이용한 연료전지선박으로 넘어가리가 보여집니다.

철도업계 혼자보다는... 조선업계와 공동개발하는 게 어떨까 싶습니다.

덧붙여 효율과 연료전지열차의 잇점을 다시 정리하면 이렇습니다.

"화력발전"은 일반적인 전력변환효율이 40~45% 로 볼 수 있습니다.

물론 복합발전방식이면 50%를 넘어서기도 하나 55%는 불가능할 겁니다.

"연료전지발전"은 전력변환효율이 sofc를 기준으로 하면 45% 이상입니다.

지금 개발단계라서... 이론적인 최대치는 80%이나 내부부품에서 저항이 발생하고 이것이 열로 바뀌어서... 1~2년 뒤의 현실적인 개발목표치는 55% 정도로 보고 있습니다.

sofc 연료전지에 개스, 증기터빈을 덧붙이는 방식도 연구하고 있는데 이 경우 전력변환효율은 70% 도 가능할 것으로 보고 있습니다. 

물론 70%는 상용화되지 않았고... 미래의 일입니다.

화력발전과 연료전지발전에 상관없이 연료전지열차의 잇점을 검토하면

효율면에서 연료전지열차는 디젤전동차처럼 송배전 시설이 필요없습니다.

발전소에서 전철로 송배전하는 과정에서 생기는 전력손실, 그리고 전철 구간의 운용에서 생기는 전력손실이 없습니다.

비용면에서는... 전철을 운용하려면 철로에 전기시설을 설치해야 합니다. 

그러나 연료전지열차는 디젤동차처럼 철로에 전기시설을 설치할 필요가 없기 때문에 철로건설비용이 쌉니다.

전기시설이 없으니 당연히 유지보수에서도 전철보다 쌉니다.

(연료전지열차는 직류를 만드는데 전기모터는 직류모터, 교류모터로 다양하게 사용할 수 있습니다. 교류모터를 사용하려면 변환기를 설치해야 겠죠)

연료전지열차의 또다른 잇점은 소음과 매연이 없다는 점입니다.

이러한 이유로 미국, 중국, 일본에서 연료전지열차를 현재... 시제품 수준에서 개발하고 있고... 뉴스에서 중국은 지금 운용 중이라고 하네요.

누구는 연료전지열차는 작고 발전소는 크니... 열차에 탑재된 연료전지는 효율이 떨어지는 것처럼 생각하던데... 그렇지 않습니다.

기본적으로... 연료전지는 덩치에 관계없이 효율은 같습니다.

연료전지는 화학반응을 이용하는 것인데... 화학반응은 반응물질의 양에 따라 반응효율이 줄어들거나 늘어나지 않기 때문입니다.

글을 올리는 기본적인 취지는 새로운 동향을 알리고자 함입니다.

타당성은 여러분들이 판단하는 것이고...

개인적으로는 기초적인 연구개발은 필요하다고 봅니다.

조선소가 연구에 착수했으니... 관심있으면 여기에 다리만 하나 걸치면 될 겁니다.

[여수행관광열차]

현실적으로 간선에서는 쓸모가 없지요. 전기가 특출난 것은 모든 에너지 형태 중 장거리 대량 분배가 가장 용이하다는 점이고, 화력 이외의 에너지원을 활용하는 데에도 기존의 전철만한 것은 없습니다. 에너지 활용 효율로 보면 사실상 영원히 전철이 최고죠. 연료전지는 어쨌든 연료를 보충해 줘야 하고, 수송과 저장이 필요합니다. (저장은 꽤나 민감한 문제입니다. 만약 메탄이 상온상압에서 액체였으면 장담하건대 세상이 다를 겁니다)
연료전지가 쓸만한 건 바로 위에 언급된 사용 예와 같이 전철화가 경제적이지 않거나 (지선) 부적합한 경우 (기지 등의 입환) 이고, 저출력 위주로 대체가 가능할 수 있을 겁니다.

[아리시안]

기술이 실용화된다면 디젤기관차의 좋은 대체품이 되겠습니다만 전기기관차나 동차랑 비교시 연료를 실고 다니는 무게가 추가되는것이 에너지 효율을 저하시킬 것 같습니다. 유지보수쪽에서 일거리도 더 늘어나고요.

[분당선특급]

좋은 글입니다. 스크랩 해가도 될까요?

[미류나무]

얼마든지, 누구든지... ^^

[station™]

이렇게나마 올려주셔서 감사합니다.
아예 간선을 대체할 수는 없더라도 디젤을 대체할 가능성이 있다는 점에서 가능성이 있어보입니다.

[344/K217 도곡역]

개인적인 생각입니다만 정선선 등 지방 로컬선 운행용 단칸방 동차에 활용할 수 있지 않을까 싶은 생각도 듭니다.

[Tanah-Merah Interchange]

연료전지나 태양전지가 엔진의 기능을 일부 대체하는 것으로 시작해 조만간에 엔진을 완전히 대체하지 않을까 생각합니다.

하지만 연료전지 열차의 발전으로 그리드(전기 기관차/동차)가 없어질 가능성은 제로라고 단언할 수 있습니다. 이제까지는 발전소에서 만들어진 전력을 일방적으로 공급받는 목적으로 그리드가 사용되었지만, 이제는 각 개체가 그리드에 연결됨으로써(온라인) 잉여전력을 그리드로 보내고 대량의 순간전력이 필요할 때 당겨오는 등 유기적으로 사용하게 되는 추세입니다.

[미류나무]

식견이 뛰어나신 분 같군요.

사실... 위 본문을 포함하여... 연료전지열차에 관한 모든 주장은... 새로운 시도가 항상 그러했듯이..현재로서는 뻥입니다.
상용화하여 운용한 데이타가 없어서... 타당성을 아무도 장담할 수 없어요.