오늘은 철도 전력 공급 방식 비교(교류, 직류, 배터리 등)[철도차량을 움직이는 다양한 에너지 해법]에 대해 알아보고자 합니다.
교류 전철화 – 고속철도의 표준
철도 전력 공급에서 가장 널리 쓰이는 방식은 교류(AC, Alternating Current) 방식이다. 전 세계 대부분의 고속철도는 교류 전력을 사용한다.
1. 기본 원리
변전소에서 교류 전력을 송출해 가공전차선(catenary)으로 공급한다.
팬터그래프가 이를 받아 차량 내 변압기·컨버터에서 전압과 주파수를 조정하고, 전동기로 전달한다.
2. 전압 체계
대표적으로 25kV 50Hz 교류가 국제 표준처럼 자리잡았다.
고속 주행에서는 전력 손실을 최소화하기 위해 고전압이 유리하다.
3. 장점
송전 효율이 높아 장거리·고속 운행에 적합.
전력망과 직접 연계할 수 있어 대규모 전력 수요 대응이 가능.
변전소 간격을 넓게 배치할 수 있어 인프라 효율성이 높다.
4. 단점
전력 장치(변압기, 컨버터 등)가 차량에 탑재되어 차량 무게가 증가.
교류 전압이 높아 차체 절연 설계에 더 많은 공간과 비용이 필요.
5. 적용 사례
프랑스 TGV, 일본 신칸센, 한국 KTX, 독일 ICE 등 대부분의 고속철도가 교류 방식을 채택.
즉, 교류 전철화는 고속·장거리 운행의 최적 해법으로 자리잡고 있다.
직류 전철화 – 도시철도의 선택
도시철도·지하철·트램 등에서는 여전히 직류(DC, Direct Current) 공급 방식이 주류다.
1. 기본 원리
변전소에서 교류 전력을 받아 정류기(rectifier)를 통해 직류로 변환.
전압은 보통 600V, 750V, 1,500V 등으로 운행 환경에 따라 다르다.
전차선(Overhead wire)이나 제3궤조(Third rail)를 통해 차량에 공급된다.
2. 장점
차량 구조가 단순하다. 변압기 없이 직접 직류 전동기를 구동할 수 있다.
초기 투자비가 교류 전철화보다 낮다.
저전압을 사용하므로 도시 환경에서 안전성이 높다.
3. 단점
송전 손실이 커서 장거리·고속 운행에는 부적합.
변전소 간격을 촘촘히 배치해야 하므로 인프라 유지비가 높다.
전류가 크기 때문에 전차선 단면적이 두꺼워야 한다.
4. 적용 사례
서울 지하철 대부분은 1,500V 직류 방식.
런던 지하철, 뉴욕 지하철 등 세계 주요 도시철도도 직류 전철화.
트램은 보통 600~750V 직류를 사용한다.
즉, 직류 전철화는 저속·단거리·빈번한 정차라는 도시철도의 특성에 최적화된 방식이다.
배터리·하이브리드 전동차 – 무가선 구간의 해법
최근에는 환경 규제와 유지보수 효율화 요구에 따라, 배터리 전동차(BEMU, Battery Electric Multiple Unit)와 하이브리드 전동차가 각광받고 있다.
1. 배터리 전동차
차량 자체에 대용량 리튬이온 배터리를 탑재해, 무가선 구간에서도 자율 주행 가능.
전철화된 구간에서는 팬터그래프를 통해 충전하면서 운행.
친환경적이며, 전차선 설치가 어려운 지역에서 유용하다.
장점:
비전철화 구간도 친환경적으로 운행 가능.
디젤기관차 대체 효과 → 탄소 배출 저감.
단점:
배터리 무게와 공간 문제.
충전 시간·수명·재활용 이슈.
사례:
일본 JR East ‘ACCUM’ 전동차, 독일 지멘스 Mireo Plus B, 한국 KTX-이음 일부 연구 차량.
2. 하이브리드 전동차
배터리와 디젤 엔진, 혹은 연료전지를 조합해 에너지원을 다변화.
배터리는 단거리 구간, 엔진은 장거리·고속 주행을 담당.
사례:
독일 알스톰 ‘코라디아 iLint’는 세계 최초의 수소연료전지 열차.
일부 도시철도에서는 디젤-배터리 하이브리드 전동차가 운행 중.
3. 미래 전망
ESS(에너지저장장치)와 결합해 회생제동 에너지를 충전·재사용.
무가선 트램, 배터리 기반 고속 전동차 개발 연구 활발.
2030년 이후에는 배터리·수소 기반 무가선 철도가 점차 확대될 전망.
철도의 전력 공급, 다변화의 시대
- 교류 전철화는 고속철도의 표준으로, 장거리와 대출력을 효율적으로 감당한다.
- 직류 전철화는 도시철도의 특성에 맞춰 단거리·빈번 운행에 최적화되어 있다.
- 배터리·하이브리드 방식은 기존 전철화 방식의 한계를 넘어, 친환경성과 유연성을 동시에 추구한다.
즉, 철도의 전력 공급은 하나의 해법이 아니라, 운행 환경과 목적에 따라 달라지는 최적의 조합이다. 앞으로는 5G 기반 스마트 전력 제어, ESS와 회생제동 통합, 친환경 배터리와 수소연료전지가 결합된 새로운 철도 에너지 패러다임이 열릴 것이다.
결국 철도의 경쟁력은 단순한 속도가 아니라, 어떻게 전력을 안정적이고 효율적으로 공급할 것인가에 달려 있다.