전동 기차를 위한 트랙션 배터리에 대한 특수 요건들
버스, 트램이나 기차는 하루종일, 또 짧은 간격으로, 또 날씨와 상관없이 계속해서 운행됩니다: 이 차량들은 바람, 비, 열기와 냉기에 노출되지요. 승객 킬로미터로 계산된 운송 성능이 버스나 개인 승용차보다 뛰어남에도 불구하고, 이 차량들은 대부분 30년 정도 계속해서 운행됩니다. 따라서 이런 전동 기차들을 위한 트랙션 배터리에 대한 요건들도 까다로워지기 마련입니다 - 무엇보다 충전 및 방전 전류, 안전성, 저온에서의 성능, 구동 시간 및 주기 안전성과 관련된 요건들이 그렇습니다.
저방출 차량에 대한 요건이 계속 엄격해지고 있는데, 이 요건들은 미래에는 더욱 강력하게 디젤 하이브리드 차량 혹은 대체 연료, 즉 연료 전지나 배터리 동력 장치를 이용하는 차량에 적용되리라는 점을 시사하고 있습니다. 어떤 구동 컨셉이나 혹은 하이브리드 콤비네이션에 대해 실제로 수요가 발생할 것이며 또 실행될 것인가는 선로 네트워크의 구조에 의해 결정됩니다.
미래의 기차: 배터리, 연료 전지 혹은 하이브리드?
장거리 비전기적 네트워크의 경우에는 도달 거리, 그리고 경우에 따라서는 신속하게 재충전할 수 있는지 여부도 중요한 기준이 됩니다. 전기적 지역들 사이의 고가선 연결을 이용하지 않고 구간들을 서로 연결하는 데에만 이용된다면, 하이브리드 기차를 이용하는 것이 더 적절합니다. 하이브리드는 고가선을 위한 접전 장치(팬터그래프)는 물론 대체 동력 장치도 갖추고 있습니다. 이 경우 구간상에서 고가선을 통해 재충전이 가능한 배터리를 동력 장치로 이용하는 것이 좋은 선택이 될 것입니다. 연결해야 할 거리가 얼마나 되느냐에 따라, 구간상에 충전소가 없어도 될 수도 있습니다. 장거리를 연결해야 할 경우라면, 연료 전지가 좋은 선택이 될 것입니다. 연료 전지를 이용하면 넓은 도달 범위를 확보할 수 있으며, 필요한 수소 연료는 몇 분 내로 충전이 가능합니다.
라스트 마일(Last Mile), 즉 배터리 충전소나 고가선 혹은 수소 충전소가 장치되어 있는, 목적역까지 남아있는 비전기적 구간의 경우도 이와 비슷하게 생각할 수 있습니다.
어떤 배터리 기술을 쓰느냐에 달려있습니다
선로 교통에 대한 구동 요건이 매우 엄격한 탓에, 시장에 나와있는 적절한 전지의 수는 매우 적습니다. 안전한, 그러나 비용이 높은 솔루션은 LTO 산화 전극이 달린 리튬-이온-전지입니다. 이 전지는 현재로서는 몇몇 전지 공급 업체로부터만 특수 기술로서 제공되고 있습니다. 이 기술의 심각한 단점은, 에너지 밀도가 상대적으로 낮다는 것입니다. 전동 기차 생산자에게 있어 이는, 차량 각각의 특수한 도달 범위에 따라, 차량에 심각한 무게 문제를 야기할 수 있는 단점입니다.
LTO 전지에 대한 실용적 대안
본 연구의 또 다른 초점은 하나의 혹은 몇가지 요건들을 상대화시킬 수 있는지, 만약 그렇다면 얼마나 상대화시킬 수 있는지, 혹은 시스템 층위에서의 대안적 접근을 통해 전지 층위의 요건들을 보완할 수 있는지에 놓여있었습니다. 아이디어는 다음과 같습니다: 모든 요건들이 언제나 전지 층위에서 충족되어야 하는 것은 아닙니다. 그렇기에, 예를 들어 전기 자동차 생산자는 전동 유동성 국가 플랫폼(Nationalen Plattform Elektromobilität, NPE)의 틀에서 이와 같은 실용적 방법을 선택하기로 결정한 바 있습니다. 생산자들은 또한 업계 분야 전체를 아우르는 제네레이션 로드맵을 설계하였습니다. 이 로드맵은 2030년까지의 에너지 밀도 개발 및 그 비용에 대한 정보를 제공합니다. 본 연구는 행동 옵션을 제공하고 또한 가능한 대안 배터리 컨셉들을 추천하면서 끝을 맺고 있습니다.
연방 교통부로부터 의뢰받은 본 연구의 틀에서 협력 업체들은 또한 개발 프로젝트 X-EMU의 결과들을 분석하였습니다. 해당 프로젝트는 특정 트랙션 모듈러 시스템에 이용되는 하이브리드 EMU 전동 기차를 위한 고성능 연료 전지 동력 장치의 개발 및 승인에 대한 것입니다. VDE 연구 “철도 차량을 위한 배터리 시스템” (영어와 독어로만 제공)은 후속 출판 계획도 앞두고 있습니다: 대체 동력 장치를 갖춘 전동 기차들을 위한 기본 조건들 및 성공 요소들을 다양한 시각에서 분석하는 출판물이 될 예정입니다.
