자료 제공 대한전기학회

화석에너지 자원의 고갈 및 온실가스로 인한 기후변화의 심각성이 날로 심화되고 있는 가운데 그 대체자원이라 할 수 있는 원자력에너지마저 수년전 일본 후쿠시마 원전사태를 비롯한 몇몇 대형사고의 여파로 인하여 점점 부정적으로 변해가고 있다. 따라서 선진국들은 온실가스 감축과 친환경 저탄소형 산업구조로의 재편을 목적으로 태양광에너지와 풍력발전 등의 신재생에너지를 이용한 대체자원의 개발과 에너지를 효율적으로 운용하기 위한 여러 가지 노력들을 앞 다퉈 경주하고 있다. 발전량이나 발전시간을 필요에 따라 마음대로 조절할 수 있는 기존의 화력발전이나 원자력 발전과는 달리 신재생에너지는 밤과 낮의 시간대나 날씨 및 기후변화, 지형 등의 영향에 따라 발전량이 크게 좌우되므로 이를 효과적으로 활용하기 위해서는 별도의 에너지저장장치가 필요하다. 선진국들과 마찬가지로 국내에서도 에너지절약 및 에너지의 효율적인 운용을 위한 방안으로 스마트그리드 사업을 시행하고 있으며, 그 일환으로 철도교통을 중심으로 한 녹색교통 정책이 정부 주도로 시행되고 있다. 그러나 철도교통의 대부분을 차지하고 있는 도시철도의 경우 철도역사의 대부분이 지하에 위치하고 있는 특수성으로 인해 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지의 활용이 불가능한 관계로 일찍부터 에너지소비 절감에 초점을 맞추어 여러 가지 연구가 진행되고 있으며, 그 중 대표적으로 연구되고 있는 방법이 전동열차의 정차 시 전동열차의 전동기로부터 발생하는 회생에너지를 활용하는 방안에 대한 연구이다. 회생에너지는 출발과 정차를 반복하는 전동차에서 정차 시 전동기에 공급하는 전원을 차단할 경우 전동기가 관성에 의해 한동안 회전을 지속하면서 발생하는 전력을 말하는 것으로, 전동차가 정차할 때는 전차선의 전압이 일시적으로 상승하게 되고, 이로 인해 장애발생 및 전동차 수명단축 등의 문제점들이 발생되게 되므로 그동안에는 이러한 회생에너지를 전동차에 내장된 저항기를 이용해 열로 태워 소멸시킴으로써 전차선 전압상승을 억제시켜 왔다.
 

회생에너지는 상기 [그림 1]에서와 같이 전동차를 정차시키기는 과정에서 전동기에 공급되던 전원을 차단함과 동시에 전동차의 Brake를 작동시킴으로써 차량을 멈추게 되는데 이때 전동차의 전동기는 관성구동력에 의해 일정시간(약 20초 이내) 동안 회전을 지속하게 되고 이때 전동기는 발전기가 되어 최대 약 500kW 정도의 전력을 발생시킨다. 이러한 과정에서 발생하는 회생전력량은 전동차가 출발할 때 소비되는 전력량의 약 30%~최대 약 50% 정도에 이른다.


3. 회생에너지의 활용

회생에너지의 활용방안을 연구하던 초창기에 시도된 방법으로 전동차로부터 발생한 회생전력을 인버터를 이용하여 직류를 교류전력으로 실시간 변환하여 계통에 주입하는 방식이다. 전차선의 순간적인 전압상승을 억제할 수 있을 뿐 아니라 전동차 구동에 소비되는 전력의 일정량을 회생시킴으로써 전체 소비전력을 절감시키는 효과가 있으나 전력변환 및 변전소로의 송전과정에서 손실이 존재하며 실시간으로 계통에 주입하는 방식이므로 회생전력의 효율적인 이용측면에서는 효과가 크지 않다.