수송부문 운행단계 탄소배출 영향 측면에서의 수소시범도시 수소전기트램 도입 효과

1. 서 론

전 세계적으로 탄소중립 실현을 위한 에너지 전환이 가속화되는 가운데, 도시는 에너지 소비 및 온실가스 배출의 주된 공간으로서 탈탄소 전략의 핵심 거점으로 부상하고 있다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 전 세계 인구의 절반 이상인 56%의 인구가 거주하는 도시는 전 세계 에너지 소비의 약 75%, 온실가스 배출량의 약 70%를 차지하는 것으로 나타났다¹⁾. 정부는 수소경제 활성화 및 탄소중립 달성을 목표로 수소도시 정책을 추진하고 있다. 수소를 중심 에너지원으로 활용하는 도시 내 인프라 및 교통체계 전환이 점진적으로 확산 중이다. 수소도시 2.0 추진전략²⁾에 따르면 기존 생활권 단위(3∼10 km) 범위를 도시 단위로 확대하고, 활용 분야를 수송, 산업, 건물, 발전 등 도시 구성요소 전 분야로 확대 시행 예정이다. 기존에는 공동주택, 공공청사, 수소차·수소버스 중심의 수소 활용에 머물렀으나 최근 도시형 수송수단인 수소전기트램과 같은 교통 인프라까지 포함한 통합적인 에너지 전환이 강조되고 있다.

도시 수송부문의 탈탄소화가 시급한 과제로 대두되는 가운데, 수소도시 정책은 수송을 포함한 전 분야로 수소 활용을 확대하는 추세이다. 수소에너지는 운행 중 탄소배출이 없는 친환경 에너지원으로 자동차와 버스를 중심으로 적용이 확산되고 있으나, 수소전기트램과 같은 도시형 철도교통수단에 대한 환경성 및 탄소 감축효과에 대한 실증연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 기존연구는 수소 생산 방식에 따른 환경성 및 경제성 비교^3-8), 수소 연료를 활용한 자동차·버스 등 수송수단의 적용성^9-11), 또는 철도부문에서의 기술적 적용 가능성이나 안정성 평가^12-13)에 국한되어 왔다. 특히, 수소 생산 방식에 따라 운행단계에서 수소전기트램의 탄소 감축 성과를 정량적으로 분석한 연구는 부족한 상황이다. 이에 본 연구에서는 수소 시범도시로 지정된 지역 2곳(A도시, B도시)을 대상으로 수소전기트램이 디젤·CNG·전기버스를 대체했을 때 운행단계에서 발생하는 탄소 저감효과를 수소 생산방식별로 산정하고자 한다.

2. 연구 방법

본 연구는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 수소시범도시 내 수소전기트램을 도입할 경우 운행단계에서 수송부문의 탄소감축 효과를 정량적으로 분석하고자 세 단계로 연구절차를 구성하였다. 우선, 시나리오 설정 단계에서는 분석 대상 수소시범도시를 정하고 비교 대상 교통수단을 선정 후 수소생산방식을 그레이(grey), 블루(blue), 그린(green)수소로 구분하여 시나리오를 세분화하였다. 탄소배출량 산정 단계에서는 도시별 노선거리, 연간 운행횟수, 연료별 평균 연비를 고려하여 각 시나리오의 탄소배출량을 산정하였다. 마지막으로 탄소 감축 효과 분석 단계에서는 산정된 운행단계 배출량을 비교하여, 기존 버스 대비 수소전기트램으로 전환했을 때의 감축량을 도출하였다. 특히, 수소생산방식에 따라 동일한 교통수단으로의 전환이라고 하더라도 생산단계 차이에 따른 감축효과를 분석하였다. 수소버스는 수소전기트램과 동일한 에너지원으로 수송 용량의 차이만을 고려하므로 본 연구 범위에서는 제외하였다.

Fig. 1.

Research framework

2.2 탄소배출량 산정

본 연구에서는 도시 A와 도시 B를 대상으로 교통수단별 탄소배출량을 산정하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 도시별 왕복 노선거리와 일일 운행횟수의 차이를 반영하여 전환비율과 연간 운행일수를 고려하여 연간 주행거리를 산출하고, 이를 연비/전비로 나누어 연간 연료 및 전력사용량을 도출하였다. 전환비율은 트램 1편성이 버스 3대를 대체하는 것으로 가정하였다¹⁴⁾.

Table 1.

Operational parameters and fuel efficiency

디젤버스와 CNG버스의 탄소배출량은 온실가스 배출권거래제의 배출량 보고 및 인증에 관한 지침(환경부) [별표6]에서 규정하고 있는 도로부문 이동 연소 방법론에 따라 식 (1)을 이용하여 산정하였다. Tier 1 수준에서 보고 대상 온실가스인 이산화탄소(CO₂), 아산화질소(N₂O), 메탄(CH₄)의 기본 배출계수를 연료 소비량에 순발열량을 곱하여 산정하였다. 온실가스 배출량 산정에 있어서, 기본 배출계수는 Table 2에 나타낸 바와 같이, 해당지침에서 제공된 ‘도로부문 기본 배출계수’를 사용하였으며, 지구온난화 계수는 동 지침 [별표2]에서 제시하고 있는 온실가스별 지구온난화 계수인 21 tCO₂/tCH₄ 및 310 tCO₂/tN₂O를 적용하였다. 순발열량은 에너지법 시행규칙 [별표] (개정 2022.11.21.) ‘에너지열량 환산기준’에 제시된 값을 적용하였으며, 디젤은 35.3 MJ/L, CNG는 38.5 MJ/Nm³를 적용하였다.

$\[ E_{i,j}=\sum \left(Q_i\times E{C}_i\times E{F}_{i,j}\times GW{P}_j\times {10}^{-9}\right) \]$

(1)

Table 2.

Default emission factors for diesel, CNG, and electricity

여기서, E_i,j는 연료(i)의 연소에 따른 온실가스(j)의 배출량(tGHG), Q_i는 연료(i)의 사용량(디젤: KL-연료, CNG: m³-연료), EC_i는 연료(i)의 열량계수(순발열량, 디젤: MJ/L-연료, CNG: MJ/Nm³-연료), EF_i,j는 연료(i)에 따른 온실가스(j)의 배출계수(kgGHG/TJ-연료), GWP_j는 온실가스(j)의 지구온난화계수(GWP), i는 연료 종류이다.

전기버스는 연료 연소가 아닌 전력 사용으로 인해 간접배출이 발생한다. 따라서 온실가스 배출권거래제의 배출량 보고 및 인증에 관한 지침(환경부)에서 제시하는 전력사용 배출량 산정 방법을 적용하였다. 전력 사용량(kWh)에 국가 전력계통 배출계수(kgCO₂eq/kWh)를 곱하여 산정하며, 별도의 GWP 적용이나 발열량 산정 과정은 필요하지 않아 식 (2)에 따라 산정하였다.

$\[ E_{elec}=Q_{elec}\times E{F}_{elec}\times {10}^{-3} \]$

(2)

여기서, E_elec은 전력 사용에 따른 온실가스 배출량(tCO₂eq), Q_elec은 전력 사용량(kWh), EF_elec은 전력 배출계수(kgCO₂eq/kWh)이다.

수소전기트램은 수소 연료전지를 동력원으로 사용하는 차량으로, 수소 연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생성하며, 그 전기를 사용하여 차량을 구동하는 시스템이다. 이 과정에서 온실가스가 배출되지 않으며 부산물로 물(H₂O)과 열만 배출되므로 탄소중립적이지만, 실제 운행을 위해 필요한 수소를 생산하는 단계에서는 배출이 발생한다^3,8,12). 특히 수소의 생산 방식에 따라 배출량이 상이하므로 각 방식별 배출계수를 적용하였으며 Table 3에 나타내었다.

Table 3.

Emission factor for H2 production

현재 수소전기트램은 실증 단계에 있으며 상용화가 이루어지지 않아 실제 운행 데이터가 제한적이다. 본 연구에서는 실증단계에서 확보된 수소전기트램의 운행 효율을 기반으로 수소 연료소비량을 산정하였다. 해당 차량은 1편성 5량으로 구성되어 있으며, 최대 승차 인원 305인, 1회 충전 주행거리 약 150∼200 km, 수소연료전지 용량 95 kW x 4기 (총 380 kW)의 구동시스템을 갖추고 있다. 또한 130 kW급 배터리팩(2기) 기반의 에너지저장시스템(ESS)이 함께 적용되어, 가속 및제동 시 전력 보조와 회생에너지 관리 기능을 수행한다. 최고속도는 70 km/h이며, 실증단계 차량의 성능평가 결과를 적용한 효율은 약 5.0 km/kg-H₂이다¹⁴⁾. 비교 대상 버스의 최대 승차인원은 CNG버스 95인, 전기버스 88인 수준으로, 동일 수송 수요 기준으로 트램 1편성이 약 3대의 버스 수송능력을 대체¹⁴⁾하는 것으로 가정하였다. 이에 따라 각 시나리오별 버스의 연간 연료소비량(디젤·CNG·전기)을 동일 운행거리 조건으로 환산하고, 상기 전환비율을 적용하여 수소전기트램의 연간 수소소비량을 도출하였다. 최종적으로 산출된 수소 연료소비량에 실증단계 차량의 운행 효율을 적용하고, 생산방식별 배출계수를 연계여 생산방식에 따른 탄소배출량을 산정하였다.

3. 결과 및 고찰

본 연구에서는 시범도시 A와 B를 대상으로 디젤, CNG, 전기버스와 수소전기트램을 비교하여 운행단계에서의 온실가스 배출량을 산정하고, 수소 생산방식에 따른 탄소감축 효과를 분석하였으며, 분석 결과는 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2.

Senario-based GHG emissions of transport modes in Pilot City A and Pilot City B

3.3 도시별 조건에 따른 탄소 감축 효과 분석

수소시범도시 A는 왕복 노선거리와 일일 운행횟수 빈도가 높아 배출량이 크게 산정되었으며, 이에 따라 수소전기트램으로 전환 시 감축 효과 역시 큰 것으로 나타났다. 디젤버스를 그린 수소 기반 수소전기트램으로 대체할 경우 약 5,091 tCO₂eq, CNG버스는 5,291 tCO₂eq, 전기버스는 3,069 tCO₂eq 수준의 배출 감축이 달성되었다. 이는 교통 수요가 큰 도시일수록 동일한 기술 전환을 통해 더 큰 절대적 감축량을 확보할 수 있음을 의미한다. 수소시범도시 B는 노선거리와 운행 빈도가 낮아 전체 배출량과 감축량은 상대적으로 작았으나, 감축률 측면에서는 A도시와 거의 유사하게 나타났다. 이는 도시 규모와 관계없이 수소전기트램으로의 전환이 실질적인 저감 효과를 보인다는 것을 의미한다. 감축 효과를 정량적으로 확인하기 위해, 각 도시의 감축률은 식 (3)에 따라 산정하였다.

$\[ GHG Reduction Rate\left(\mathrm{\%}\right)=\frac{E_{\mathrm{⌂}\left|,i\right.}-E_{scenario,j}}{E_{\mathrm{⌂}\left|,i\right.}}\times 100 \]$

(3)

여기서, E_baseline,i는 기존 운행수단별 온실가스 배출량(tCO₂eq), E_scenario,j는 수소전기트램 시나리오별 온실가스 배출량(tCO₂eq)을, i는 Diesel, CNG, Electric bus를, j는 Grey, Blue, Green H₂를 각각 나타낸다.

Fig. 3에 나타낸 바와 같이, 디젤버스 대비 수소전기트램으로 전환 시 A도시의 감축률은 그레이 수소 84.3%, 블루 수소 93.7%, 그린 수소 99.1%, B도시는 각각 86.8%, 93.7%, 99.3%로 산정되었다. 두 도시간 감축률 차이는 1-2% 이내로, 도시 규모나 운행 조건보다 수소생산 방식에 따른 탄소집약도 차이가 감축 효율에 더 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 CNG버스와 전기버스를 기준으로 비교한 경우에도 A도시와 B도시 모두 감축률이 거의 동일하게 나타나, 도시 간 감축 효율성은 유사한 수준으로 확인되었다. 결과적으로 각 도시의 운영 조건에 따라 규모가 달라지더라도 기존 교통수단 대비 감축 효율성은 유사한 수준으로 나타났다.

Fig. 3.

Comparative GHG reduction performance of hydrogen tram scenarios by baseline vehicle type and pilot city

4. 결 론

본 연구는 수소시범도시 A와 B를 대상으로 디젤·CNG·전기버스 등 기존 버스 교통수단을 수소전기트램으로 전환할 경우 운행단계에서의 온실가스 감축 효과를 정량적으로 분석하였다. 분석 결과, 두 도시 모두에서 수소전기트램은 기존 교통수단 대비 현저히 낮은 배출량을 보였으며, 특히 재생에너지 기반의 그린 수소 적용 시 약 97∼99% 이상의 감축률을 달성하는 것으로 나타났다. 이로써 수소전기트램이 도시 교통부문의 탈탄소화 수단으로서의 효과와 적용 타당성이 검증되었다.

또한 본 연구는 수소 생산방식과 버스 연료 유형을 복합적으로 고려하여 수소전기트램 도입이 도시 교통 시스템의 탈탄소화 전환에 기여할 수 있음을 실증적으로 제시하였다는 데에 의의가 있다. 특히 도시별 수송 특성과 에너지원 조합에 따라 감축 효과가 상이함을 확인함으로써, 향후 수소 기반 교통 전환 정책 및 지역 맞춤형 탄소중립 전략 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있다. 나아가 도시 교통부문 탄소 감축을 위해서는 수소전기트램 도입만으로는 충분하지 않으며, 에너지원 공급망의 탈탄소화 정책이 연계될 때 감축 효과가 더욱 제고될 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 수소전기트램의 운행 단계에서 발생하는 온실가스 배출량만을 분석 대상으로 하였으며, 수소전기트램 인프라가 100% 구축되었다는 전제 하에 수행되었다는 한계가 있다. 또한, 본 연구에서는 수소 연료의 전과정(Life cycle) 중 생산 단계부터 사용 단계(Tank to Wheel)까지의 수송 과정은 고려하지 않았다. 즉, 수소 생산지에서 충전소 또는 수소전기트램까지의 수송 과정에서 발생할 수 있는 에너지 소비와 온실가스 배출은 고려하지 않았다. 수소의 운반 방식이나 수송 거리 등에 따라 다양한 결과가 예상되므로 향후 연구에서는 시스템 경계를 수소의 생산, 수송, 저장, 운송을 포함하는 전과정으로 확장하여 종합적인 분석이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 향후 연구에서는 전기버스의 전력 공급원이 신재생에너지로 전환되는 시나리오, 인프라를 고려한 수소버스와의 비교, 원료 채취부터 제조, 사용 및 폐기에 이르는 전과정평가(LCA)를 포함한 통합 분석을 통해 고도화된 교통 부문 탄소중립 전략 수립에 기여할 수 있을 것이다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 RS-2024-00417444).

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