엔지니어링센터 OJT 철도차량첨단기술개발동향 - 자기부상열차시스템과하이브리드철도차량 - 2013. 3. 29 연구원엔지니어링센터김봉래
엔지니어링센터 OJT - 차례 - I. 자기부상열차시스템 II. 하이브리드철도차량
기술동향 O 현대의 Wheel-Rail방식의철도를대체할차세대철도시스템으로활발하게연구되고있는것이자기부상열차 O 이분야에서가장앞서있는것이일본의 초전도리니어모터카 (MAGLEV) 와독일의트랜스래피드 (Trans Rapid) 시스템 O 그외에우리나라와중국, 미국등세계여러나라에서근거리도시철도용또는셔틀용교통수단으로서자기부상열차를운행하거나실용화를위하여연구개발중 개발동기 쇠바퀴와레일간의점착력에의존하는전통방식에서는물리적으로속도향상에한계가있다. 그래서점착력에구애받지않고더욱속도를높이기위한방법으로서자기부상열차를개발하게된것이다.
국내기술동향 초고속자기부상열차 - 한국기계연구원에서 2005년부터 4단계계획으로연구중 - 2020년말까지 550km /h 시제차량개발목표 1 단계 (2005~2008) 2 단계 (2009~2011) 3 단계 (2012~2014) 4 단계 (2015~2020) 기초기술개발부상, 추진기술개발시험선로구축, 대차개발시제차량개발 도시근교형자기부상열차 - 1986년로템이기초연구개시한이후, 2004년도상업용모델 (UTM) 을 KIMM과공동으로개발완료 (1993년, 대전엑스포당시에는일반인대상시승주행 ) - 2010.3월부터한국기계연구원구내시험선 (1.3km) 에서실용화모델시운전실시 - 인천공항 ~ 인천용유역간, 6.1km, 2013년 8월개통목표
각국의초고속자기부상철도건설계획 국가노선명최고속도노선길이 중국상하이 ~ 항저우 500 km /h 175 km 스위스베른 ~ 취리히 450 km /h 114 km 미국캘리포니아 ~ 네바다 500 km /h 432 km 영국글래스고 - 맨처스터 - 런던 500 km /h 800 km 일본도쿄 - 오사카 500 km /h 290 km 바레인바레인 - 카타르 500 km /h 40 km [ 참고 ] 고속철도와자기부상철도건설비비교 - 경부고속철도건설비 : 18 조 4 천억원 - 동경 ~ 나고야간 280 km, 자기부상철도건설비 (JR 동해, 추산 ) : 약 6 조엔 ( 약 78 조원 )
자기부상철도의시스템기술 1. 전자석작동원리에의한구분 O 超傳導식자기부상열차 - 극저온 ( 임계온도, -269 ) 에서저항이 0 이되는초전도현상을응용하여강력한전자석을만들고그힘으로차체를浮上및주행시키는방식 - 1962 년부터일본국철기술연구소가기초연구부터시작하여 2003 년철도사상최고속도기록 -> 581 km /h - 현재는 JR 동해가인수하여야마나시시험선에서시험주행계속 - 2025 년까지중앙신간선 ( 동경 - 오사카 ) 건설을목표로계획추진중 - MAGLEV(Magnetic Levitation train) 라명명 O 常傳導식자기부상열차 - 보통전자석의흡인력을이용하여차량을浮上및주행시키는방식 - MAGLEV 를제외하고현존하는모든자기부상열차는이방식을채택 - 독일의 Trans Rapid 시스템이그대표적인사례임. - 독일에서개발되었으나막대한건설비등을이유로실용화에는못미침. - 중국이 2003 년에도입, 상해 ~ 푸동공항간최고 430 km /h 로영업운행중
2. 속도및용도에의한구분 O 초고속자기부상열차 위에기술한마그레브와트랜스래피드가이에속한다. 이는기존의철륜식철도의한계를뛰어넘어 500 km /h 대영업을목표로한다. 마그레브는설계속도 550 km /h, 영업최고속도 500 km /h 를목표로하고있으며, 트랜스래피드는설계속도 500 km /h 에영업최고속도 430 km /h 이다. O 도시형자기부상열차 마그레브와트랜스래피드를제외하고는대부분단구간또는셔틀용으로서 100 km /h 전후의운행속도를가지고있다. 현재영업중인노선으로는일본아이치현의아이치고속교통 ( 주 ) 가운용중인 HSST 시스템이있으며, 우리나라에는현대로템이개발한 UTM 이있다. 현재는한국기계연구원이국가 R&D 로개발한 2 량편성시험차량이 KIMM 구내시험선에서시험주행을계속하고있다. 그외에미국, 중국등일부국가가시제차개발또는연구단계에있다. 3. 기타방식에의한구분 자기부상열차는위와같은구분방식외에도모터방식 (LSM / LIM) 또는浮上방식, 추진방식, 안내방식등에따라서도시스템을구분하고있다.
각국의자기부상열차개발및운용현황 항목 MAGLEV Trans Rapid HSST UTM 개발국가일본독일일본한국 개발주체 JR 기술총합연구소 (JR 동해 ) Trans Rapid International 中部 HSST( 株 ) 현대로템 ( 株 ) 개발목적간선용초고속열차간선용초고속열차도시근교형열차도시근교형열차 설계최고속도영업최고속도 부상방식 550 km /h(mlx-01) 500 km /h(tr-08) 100 km /h(hsst-100l) 110 km /h(utm-01) (500 km /h) 430 km /h 100 km /h (80 km /h) 초전도전자유도흡인 반발측벽부상식 상전도흡인식상전도흡인식상전도흡인식 추진모터 LSM LSM LIM LIM 시험중영업운행중영업운행중시험중 개발및운용현황 -1962, 기초연구개시 -1972, 초전도자기부상주행성공 -1977, 미야자키시험선 (7 km ), 시운전개시 -1987, 408 km /h 돌파 -1997, 야마나시시험선 (18.4 km ), 시운전개시 -1999, 552 km /h 돌파 -2003, 581 km /h 돌파 ( 철도최고속도 ) -2005, JR 동해를실용화사업주체로결정 -1978, 각기업에서시행되던개발업무를 TR 로일원화 -1979, 함브르크국제교통박람회시승 -1983, 엠스랜드시험선완성, 시운전개시 -1988, 412 km /h 돌파 -1993, 450 km /h 돌파 -2003, 중국상해 - 푸동공항간 (29.8 km ) 에서세계최고속도 430 km /h 로영업개시 -1975, 궤도 200m 부설, 부상주행성공 -1976, 카와사키시에시험선건설 -1978, 307 km /h 돌파 -1986, 쓰쿠바박람회에서 30 km /h 시승 -1991, 나고야에시험선건설 -2000, 동부구릉선영업회사설립 -2005, 동부구릉선 (8.9 km ) 영업개시 -1986, 기초연구개시 -1990,Proto Car 개발 -1993, 대전엑스포시승 -1996,KIMM 구내시험선개설, 시운전개시 -2004, 상업용모델개발 (UTM-02) -2005, 75 km /h 돌파 -2008, 엑스포과학관에서영업시운전 -2010 년 3 월현재, KIMM 시험선에서실용화모델시운전 -2013.8 월, 인천공항 - 용유도간영업예정
자기부상열차의시스템비교 < MAGLEV > < Trans Rapid >
자기부상열차의시스템비교 < HSST > < UTM >
한국형 UTM 의시스템구조 자료출처 1. 한국기계연구원, (2009), 초고속자기부상열차연구개발현황 2. 한형석, (2009.7), 자기부상열차국내외현황및전망, 과학과기술誌, P35~37 3. 한국기계연구원, (2009), 도시형자기부상열차실용화사업 4. 김봉래, (2005.3), 한일철도차량산업의실태와전망, 석사논문, P65 5. http://ja.wikipedia.org/ 인터넷위키백과사전 자기부상식철도
하이브리드 (Hybrid) 의의미 O 사전적의미로 ( 동식물의 ) 잡종, 혼혈, 혼성체, 혼합물등을뜻함. O 자동차나철도에서는복수의동력원을갖는차량시스템을뜻함. O 시스템의구성사례 - 가선 과 차상에너지저장장치 의조합 - 엔진 과 차상에너지저장장치 의조합 - 연료전지 와 차상에너지저장장치 의조합등 하이브리드시스템기술 직렬형하이브리드시스템엔진은발전기구동용으로만사용되고, 발전기출력또는축전지로전동기를구동하여차축을회전시킨다. 또한전동기는제동시전기에너지를회생하여축전지를충전시킨다. 병렬형하이브리드시스템엔진출력은변속기를통해차축을회전시키는동시에발전기를구동시킨다. 발전기또는축전지로전동기를돌려서차축을회전시키며, 전동기는제동시전기에너지를회생하여축전지를충전시킨다.
O 직렬형하이브리드시스템
O 직렬형하이브리드시스템
O 병렬형하이브리드시스템
개발동기 비가선구간에운행되는디젤차량은전기차량처럼회생브레이크를사용할수없기때문에에너지효율이낮고, 화석연료사용에따른 CO2 배출량이많다. 즉복잡한전철전력설비를줄이고기존디젤차량이갖는에너지와환경문제를동시에해결하기위해개발하고있다. 기술동향 현재하이브리드차량의기술수준은일부영업차량을제외하고는대부분실용화를목표로시운전중이거나시험차량제작또는연구개발단계에있다. 영업운행사례로는 JR동일본이 2007.7월부터코우미선에서 KIHA-E200형하이브리드동차를운행한것을시작으로 2010.10월부터는나가노지역에 HB-E300계하이브리드동차를운행하고있다. 그외일부선진국에서입환용하이브리드기관차를운용하고있다.
각국의기술개발사례 Railpower Technology ( 캐나다 ) GE CX 2010 ( 미국 ) Alstom ( 프랑스 ) 연료소비 40~50% 절감 15% 절감 40% 절감 배기가스 80% 저감 (Nox) 50% 저감? 소음?? 15dB 저감 견인력 2,000Hp 4,400Hp 738Hp 기타 2,000Hp on GE/EMD Platform 2007년 4월에시제차량소개 3 Genset Deutz V-8 2015 Engines 2002 년부터 2003 년까지 California Roseville 과 Chicago 에서시험주행 2010 년에 GE s 하이브리드디젤기관차상품화출시예정 배터리 sodium nickel chloride (Na-NiCl2)
각국의기술개발사례 ( 캐나다 Railpower Technology) Green Goat를 Union Pacific의 RailPower Technologies of Vancouver 에서제작 2002년부터 2003년까지 California Roseville과 Chicago에서시험주행 ( 디젤엔진에발전기를연결한직렬형하이브리드시스템 ) 동력은배터리로제공하며 SOC(state of charge) 가감소되면디젤엔진이발전기를돌려충전 회생제동적극사용 : 연간회수에너지량이 160세대사용전기량에해당 기존디젤차량에비하여연비 40~50% 개선 배기가스 80% 저감 (Tier 2/ULE locomotive)
각국의기술개발사례 ( 미국 GE CX-2010 Hybrid Locomotive) 2007 년 4 월에시험차량이소개되었고, 2010 년에상품화출시예정 견인력 4,400 마력, 15% 연료소비절감효과 - 2007.8.11 현재시운전중 (http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&nr=1&v=huhmuuzn6ji)
각국의기술개발사례 ( 프랑스 ALSTOM) 구분 Hybrid Locomotive Weight (kg) 68,000 Battery weight (kg) 5,800 Out power (kw) 550 Loading capacity 1,600 톤 디젤엔진발전기와배터리, 견인전동기를포함하는하이브리드기관차개발 2009년 4월부터네덜란드의로테르담에서시험운전을실시 2011.10.07 현재시운전중 http://www.youtube.com/watch?v=kmsoaxhux3g 배터리전원으로견인전동기를구동시켜차량을주행하고디젤엔진발전기는배터리를충전하거나필요시보조동력으로사용하는직병렬하이브리드방식임.
각국의기술개발사례 (JR 화물 ) 디젤엔진발전기와축전지의양쪽동력을이용하는하이브리드시스템으로, 2009 년에개발착수 배기가스 30~40% 이상감소, 소음 10dB 이하감소목표 엔진의효율적인운전으로회생에너지의활용으로 CO₂ 배출량도대폭저감할것으로기대 http://en.wikipedia.org/wiki/hd300
각국의기술개발사례 (JR 동일본 HB-E300 계 ) http://en.wikipedia.org/wiki/hb-e300_series
각국의기술개발사례 (JR 동일본 HB-E300 계 )
각국의기술개발사례 (JR 동일본 KIHA-E200 형 )
각국의기술개발사례 (JR 동일본 KIHA-E200 형 ) - 용도 : 비전철화구간여객수송용 (NE Train 1 단계 ) 영업차량 - 제작 : 2006 년, 토큐차량제조 ( 주 ) - 시스템구성 : 디젤엔진 & 리튬이온전지에의한시리즈형하이브리드 - 사양 : L19500*W2920*H3620, 바닥높이 1130, 디젤엔진 331kW, 주발전기 270kW, SIV 50kVA, 축전지 152kWh, 농형주전동기 95kW*2 대최고속도 100km/h, 정원 117 명 ( 좌석 46, 입석 71) - 개발효과 : 배기가스최대 60%(Nox), 역정차소음 30dB, 연료 10% 절감 - 특기사항 : 하이브리드영업차량세계최초운행 (2007 년, JR 동일본코우미선 )
각국의기술개발사례 ( 일본철도총연 KUMOYA-R290 형 ) - 용도 : 비전철화구간여객수송용시험차량 - 개발 : JR 총합기술연구소 (2008 년 ) - 시스템구성 : 연료전지 + 리튬이온전지에의한시리즈형하이브리드 - 사양 : 최고속도 100km/h, 고체고분자형연료전지 120kW*1 대, 연료전지초퍼 1500V 600kVA, 리튬이온축전지 36kWh 360kW, 배터리충방전장치 360kW, 농형주전동기 95kW*2 대, 수소탱크 720 리터 - 개발목적 : 연료전지시스템철도차량적용시문제점 과제파악 - 특기사항 : 연료전지의철도차량적용세계최초
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