WiDE: 탈탄소화 세계에서 디젤의 수명을 연장하기

운송은 전 세계 CO2 배출량의 약 5분의 1을 차지하며, 그 중 도로 운송만으로도 배출량의 3/4을 책임지고 있습니다.

이러한 도로 운송 배출량 대부분은 자동차와 버스와 같은 승용 차량에서 나오며, 그 다음이 화물 트럭입니다. 가솔린이 경량 차량에 가장 흔한 연료인 반면, 디젤은 트럭과 버스와 같은 상업용 차량의 주요 연료입니다.

이는 원유를 증류하여 얻은 탄화수소 혼합물이 엔진 효율이 더 높기 때문입니다.

디젤은 실제로 가솔린보다 25%에서 35% 더 높은 연비를 가지고 있어 상업용 차량에 최적의 선택입니다. 연비가 더 좋을 뿐만 아니라 디젤 엔진은 가속 및 견인·운반 능력이 뛰어나고, 유지보수가 적으며, 내구성이 더 높습니다.

하지만 동시에 디젤은 그을음, 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 탄화수소(HC), 미세먼지(PM)와 같은 오염 물질을 배출하는 주요 원인 중 하나입니다.

디젤 엔진은 또한 이산화탄소(CO2)를 배출하는데, 이는 다른 가스만큼 직접적으로 독성은 없지만 중요한 온실가스입니다. 데이터에 따르면 2022년 디젤 연료 소비는 미국 전체 운송 부문 CO2 배출량의 약 25%를 차지했습니다.

디젤 연료가 건강과 환경에 미치는 부정적 영향을 줄이기 위해, 나이지리아 오워리 연방공과대학(FTO) 연구진은 물-디젤 에멀전(WiDE) 기술에 주목했고, 이를 디젤 엔진 오염을 감소시키는 유망한 전략¹으로 확인했으며, 성능을 유지하거나 심지어 향상시킬 수 있다고 밝혔습니다.

디젤 배출량: 왜 여전히 주요 오염 문제인가

유해 배출의 주요 원천인 디젤 엔진은 호흡기 문제와 심혈관 질환 등 심각한 건강 위험을 초래합니다. 또한 스모그, 산성비, 지구 온난화와 같은 환경 문제에도 기여합니다.

압축점화 엔진의 환경 영향을 완화하기 위해, 현대 디젤 엔진은 디젤 산화 촉매(DOC), 선택적 촉매 환원(SCR), 배기가스 재순환(EGR), 디젤 미립자 필터(DPF)와 같은 다양한 배출 제어 기술을 사용합니다.

이러한 기술들은 배출량을 감소시킬 수 있지만, 완전하게 해결하지는 못하며, 또한 엔진의 비용과 복잡성을 증가시킵니다.

예를 들어, DOC는 CO와 HC를 효과적으로 감소시키지만 미립자와 NOx 배출에는 거의 영향을 미치지 않으며, DPF는 미립자 배출을 효과적으로 감소시키지만 CO나 NOx를 다루지 못합니다. 비용 효율적인 EGR은 CO와 NOx를 효과적으로 감소시킬 수 있지만, 미립자 배출을 약간 증가시킬 수 있습니다.

바이오디젤과 같이 바이오매스에서 추출된 다른 대안도 있으며, 이는 PM, CO, HC를 크게 감소시키는 데 성공했지만, 다시 NOx 배출을 증가시킬 수 있습니다.

FTO 연구원들이 연구에서 언급했듯이, NOx와 PM 형성은 온도에 의존하며 역관계를 보여, 하나를 감소시키면 다른 하나가 증가하는 경우가 많습니다.

이 문제에 대한 해결책은 연소실에 물을 도입하는 것으로, 이는 NOx와 PM 배출을 크게 감소시킵니다. 현재 디젤 엔진에 물을 도입하는 몇 가지 방법이 있습니다. 여기에는 흡입 매니폴드에 물을 연무(FWIM)와 물 분사(DWI)가 포함되며, 이들은 NOx와 PM 배출을 감소시키지만 HC와 CO 배출을 증가시킬 수 있습니다.

또 다른 쉽고 효과적인 디젤 엔진 오염 감소 방법이 있는데, 바로 물-디젤 에멀전(WiDE)입니다.

WiDE: 탈탄소화 세계에서 디젤 수명을 연장하기

계면활성제로 촉진된 물과 디젤의 혼합은 배출 감소, 엔진 성능 및 연소 효율에 긍정적인 효과를 보입니다. 이 기술은 때때로 성능을 유지하거나 향상시키면서 그을음과 NOx 배출을 60% 이상 크게 감소시킬 수 있습니다.

연소 온도를 낮추고 고온 연소 시간을 줄이며 제트 흐름을 증가시키고 연비를 향상시키는 이 청정 옵션은 기존 디젤 엔진을 개조 없이도 적용할 수 있습니다.

WiDE 기술: 물-디젤이 배출을 감소시키고 성능을 향상시키는 방법

혼합될 때 디젤은 물보다 가벼워 위에 뜨는 경향이 있습니다. 그러나 에멀전 연료는 두 개의 섞이지 않는 액체가 서로 완전히 섞이지 못하고 한 물질이 다른 물질에 고르게 분포된 혼합물입니다. 따라서 에멀전은 계면활성제의 도움을 받아 고에너지 기술로 생성됩니다.

디젤 엔진이 에멀전 연료로 작동하려면 WiDE 안정 시간은 매우 중요합니다. 엔진 작동 중 에멀전 안정성이 감소하면 연소 시스템에 부정적인 영향을 미쳐 엔진이 조기에 고장날 수 있습니다.

계면활성제라고 불리는 특수 화학 물질은 디젤과 물을 고르게 혼합하는 데 필수적인 역할을 합니다. 이들은 두 물질 사이의 표면 장력을 낮춰 안정적인 에멀전을 형성하고 효과적으로 결합시킵니다.

따라서 WiDE 기술에서는 매우 작은 물방울을 디젤 연료에 혼합하고, 계면활성제를 첨가해 고르게 섞이도록 하여 에멀전이 최대 60일 동안 안정적으로 유지됩니다. 이 조합이 엔진 내부에서 연소될 때 물방울이 급속히 기화하면서 “미세 폭발” 현상이 발생해 연료를 더 미세한 입자로 분해합니다.

이는 연소 과정에서 공기와 연료의 혼합을 개선하여 최고 연소 온도를 낮추고 질소산화물 형성을 감소시킵니다. 완전 연소는 그을음과 PM 배출도 줄입니다.

엔진 재설계 없이 디젤 엔진 오염을 크게 감소시킬 수 있는 이 간단한 기술의 잠재력을 감안하여, FUTO 연구진은 전 세계 연구를 분석하며 이 기술이 청정 디젤 사용으로 가는 빠른 길이라는 가능성을 심층 검토했습니다.

WiDE 분석에서 검토된 연구에 따르면, 디젤 엔진을 WiDE와 함께 운용하면 유해 배출을 크게 감소시킬 수 있습니다. 특히 NOx 배출은 67% 감소하고 PM은 68% 감소했으며, 이는 “디젤 엔진을 위한 더 청정한 대체 연료”로 자리매김하게 합니다.

환경적 이점 외에도 여러 실험에서 성능 향상도 보고되었습니다. 여기에는 연료를 유용한 작업 출력으로 전환하는 시스템 효율을 측정하는 제동 열 효율(BTE) 향상이 포함됩니다. 또한 제동 파워, BSFC, 토크와 같은 다른 엔진 성능 지표에서도 WiDE와 함께 긍정적인 결과가 나타났습니다.

따라서 WiDE 엔진은 더 깨끗한 배기 가스를 배출할 뿐만 아니라 연료를 보다 효율적으로 활용합니다.

“물-디젤 에멀전은 디젤 엔진을 더 청정하게 만드는 실용적이고 비용 효율적인 방법입니다.”라고 주요 저자인 Dr. Chukwuemeka Fortunatus Nnadozie가 말했습니다. “이 기술은 엔진 재설계가 필요 없기 때문에 개발도상국과 선진국 모두에서 즉각적인 배출 감소 경로를 제공합니다.”

한편, 계면활성제의 중요성을 살펴보면, 적절한 계면활성제와 그 농도를 선택하는 것이 에멀전 안정성에 핵심이며, 이는 연료의 성능과 안전성에 영향을 미칩니다.

연구진은 여러 종류의 계면활성제를 함께 사용할 때 연료 혼합물의 안정성과 엔진 내부 연소 품질을 모두 향상시키는 최적의 결과를 얻는다고 밝혔습니다.

고무적인 결과에도 불구하고, 연구진은 계면활성제 조합을 정교화하고 에멀전이 엔진 부품에 미치는 장기 영향을 평가하는 추가 연구가 필요하다고 강조했습니다.

더 중요한 점은 WiDE가 현재 운용 중인 엔진의 오염을 감소시키는 실용적인 방법을 제공하고, 장기적인 청정 솔루션을 대체하기보다는 다른 청정 기술에 기여할 수 있다는 것입니다. 팀은 이 연료 방식을 바이오디젤 및 고급 배출 제어 시스템과 결합하면 보다 넓은 기후 및 대기 질 목표를 지원할 수 있다고 말했습니다.

“이 기술은 기존 디젤 사용과 청정 에너지 미래 사이의 격차를 메울 수 있습니다.”라고 공동 저자인 Professor Emeka Emmanuel Oguzie가 말했습니다. “적절한 배합과 테스트를 거치면 지속 가능한 운송 및 산업 전력 시스템의 중요한 부분이 될 수 있습니다.”

디젤 대안: 저배출 연료와 청정 운송 솔루션

WiDE 기술은 운송 부문이 디젤의 한계를 해결할 수 있는 여러 방법 중 하나에 불과합니다. 더 청정한 대안을 찾는 과정에서 다양한 연료와 추진 기술이 등장했으며, 이는 산업이 장기적인 탈탄소화를 달성하는 데 도움이 됩니다. 배출을 줄이는 유망한 경로 중 하나는 바이오디젤과 재생 디젤이며, 이들은 바이오매스에서 추출됩니다.

바이오디젤은 대두유, 해바라기유, 유채유, 팜유와 같은 식물성 기름, 육류 가공 공장의 동물성 지방, 그리고 식당에서 재활용된 식용유를 트랜스에스테르화하여 생산됩니다. 조류도 또 다른 유망한 바이오매스 원료입니다.

재생 디젤은 바이오디젤과 유사하지만 석유 디젤과 화학적으로 동등한 탄화수소입니다.

수소는 수소 내연기관(H2ICE)과 수소 연료전지(FCEV)를 통해 자동차의 온실가스 배출을 제한하는 또 다른 해결책입니다. 두 기술 모두 무탄소 연료로 차량에 동력을 공급할 수 있습니다.

H2-ICE의 경우, 기존 내연기관이 디젤이나 가솔린 대신 수소를 사용합니다.

FCEV는 연료전지라는 장치를 이용해 수소와 산소를 결합해 전기를 생성하고, 이 전기로 전기 모터를 구동합니다. 이는 전기차와 유사합니다.

내연기관은 고부하에서 가장 효율적이므로 H2-ICE는 대형 트럭에 가장 적합하고, FCEV는 저부하에서 효율이 높아 견인 트럭이나 콘크리트 믹서 트럭에 이상적입니다.

H2-ICE와 FCEV는 배출 프로파일이 유사하지만, 전자는 NOx와 소량의 CO2를 배출할 수 있는 반면, 후자는 물증기만 배출합니다.

그 결과, BMW 그룹, 토요타, 현대자동차 등 여러 자동차 제조사가 적극적으로 FCEV 계획을 추진하고 있습니다. 최근 알파인(Alpine)은 수소 동력 컨셉 슈퍼카 Alpine Alpenglow를 공개했으며, 7,600rpm에서 740마력을 발휘하고 9,000rpm 레드라인에 도달하며 최고 속도는 205mph에 달합니다.

하지만 최근에 공유된 바와 같이, 수소는 자체 비용과 인프라 장벽을 가지고 있으며, 이를 해결하기 위해 정책 지원, 투자, 공공-민간 파트너십이 필요합니다.

그 다음은 포집된 탄소와 녹색 수소를 이용해 생산되는 합성 연료, 즉 e-연료가 있습니다. 이 대체 연료는 화학 공정을 통해 만들어집니다. 대부분의 합성 연료는 기존 화석 연료를 처리해 생산되었으며, 천연 가스를 연료유로 전환하거나 석탄을 액화해 디젤 및 가솔린으로 만들고, 최근에는 목재나 동물 폐기물을 연료유로 전환하는 방식이 있습니다.

하지만 이러한 옵션은 고체 또는 격리된 탄소를 사용하므로 대기 중에 CO2를 배출합니다. e-연료는 화석 연료 의존을 없애고 에너지 집약적 부문의 탈탄소화를 가능하게 함으로써 이 문제를 해결합니다.

이 연료들은 대기 중 CO2를 추출해 만들며, 연소 시 배출되는 온실가스가 생산에 사용된 CO2와 동일하면 탄소 중립으로 간주됩니다.

e-연료를 합성하기 위해서는 CO2를 대기 포집을 통해 얻는데, 이는 액체 용매 또는 고체 흡착제를 사용해 대기 중 CO2를 직접 흡수하거나, 다른 산업 공정에서 배출된 CO2를 포집합니다. 포집된 CO2는 수소와 결합되어 고온·고압 하에서 탄화수소로 전환됩니다.

이러한 솔루션들은 디젤의 환경 영향을 완화하고 더 청정하고 지속 가능한 운송 미래를 열어가고 있습니다.

청정 기술에 투자하기

Cummins Inc (CMI )는 특히 대형 트럭 및 산업용 애플리케이션용 디젤 및 천연 가스 엔진의 세계적인 선도 제조업체 중 하나입니다.

이 회사는 수소 엔진, 연료전지, 고급 후처리 시스템 등 탈탄소화 기술에 적극 투자하고 있습니다. “Destination Zero” 전략을 통해 Cummins는 단기적으로 디젤 효율과 배출을 개선하고 장기적으로는 무배출 솔루션을 확대하고 있습니다.

글로벌 전력 솔루션 기업은 몇 가지 핵심 부문을 통해 운영됩니다.

Components 부문은 차축, 브레이크, 구동계 및 서스펜션 시스템을 설계·제조하고, Power Systems 부문은 교류 발전기와 주요 전력 발전기 세트를 담당합니다. Accelera 부문은 배터리, 연료전지, 전기 파워트레인 기술 및 수소 생산 기술을 포함한 전동화 전력 시스템을 제조·지원합니다. Engine 부문은 다양한 천연 가스 및 디젤 엔진을 생산하며, Distribution 부문은 전력 발전 시스템, 고출력 엔진, 대·중형 엔진을 지원합니다.

디젤 혁신과 장기 에너지 전환 목표를 균형 있게 추진함으로써 CMI 주가는 연초 대비 6.65% 상승하고 지난 1년간 68.78% 상승했으며 현재 $543.42에 거래되고 있습니다. 시가총액 750억 달러인 Cummins는 EPS(TTM) 20.51, P/E(TTM) 26.54를 기록하고 있으며, 배당 수익률은 1.47%입니다.

기업 재무 상황을 살펴보면, Cummins는 2025년 전체 매출 337억 달러를 기록했습니다. Distribution과 Power Systems 부문은 지난해 데이터 센터 백업 전력에 대한 “강력한 수요”에 힘입어 사상 최고 매출과 수익성을 달성했습니다. 해당 기간 GAAP 순이익은 28억 달러였으며, 희석 EPS는 $20.50이었습니다.

현금 배당은 16년 연속 인상되었으며, Cummins는 배당을 통해 주주에게 10억 달러 이상을 반환했습니다.

이러한 “강력한 영업 실적”은 “북미 트럭 시장의 지속적인 약세에도 불구하고” 나타났으며, CEO Jennifer Rumsey는 “2025년은 Cummins에게 전략적 핵심 과제를 크게 진전시키고 성과를 지속적으로 향상시킨 역사적인 해였습니다.”라고 말했습니다.

2025 전체 연도에 Cummins는 Accelera 내 전해조 사업과 관련해 4억 5800만 달러(희석 주당 $3.28)의 비용을 보고했습니다. 이 조치는 수소 채택 기대 변화에 대응하고 운영을 효율화하며 비용을 절감하기 위한 전략 검토의 일환으로 이루어졌습니다.

한편 2025년 4분기에 Cummins는 매출 85억 달러, GAAP 순이익 5억 9300만 달러, 희석 EPS $4.27을 기록했습니다.

부문별로는 Accelera 매출이 가장 크게 증가했으며, 전해조 설치 시점에 따라 31% 상승해 1억 3100만 달러에 달했습니다. 그 다음으로 Power Systems는 11% 상승해 19억 달러에 이르렀으며, 이는 특히 북미, 중국, 아시아 태평양 데이터 센터 시장에서 전력 수요가 증가한 덕분입니다.

특히 데이터 센터용 전력 생산 제품에 대한 수요가 증가하면서 Distribution 부문 매출도 7% 상승해 33억 달러에 이르렀습니다. 반면 미국의 중·대형 트럭 수요 감소로 Components 부문 매출은 7% 감소해 24억 달러가 되었지만, 유럽과 중국에서는 수요가 강세를 보였습니다. 또한 미국과 멕시코의 중·대형 트럭 수요 감소로 Engine 부문 매출이 4% 감소했습니다.

현재 연도에 대해 회사는 매출이 3%에서 8% 사이로 증가할 것으로 전망하고 있으며, 강력한 영업 현금 흐름을 지속적으로 창출하고 장기적으로 영업 현금 흐름의 50%를 주주에게 반환할 계획입니다.

“2026년에는 북미 고속도로 트럭 시장 수요가 특히 연말에 약간 개선될 것으로 예상되며, 데이터 센터 전력 생산 시장의 지속적인 강세와 맞물릴 것입니다. Cummins는 미래 성장에 투자하고 강력한 재무 실적을 제공하며 2026년에 현금을 주주에게 반환할 수 있는 좋은 위치에 있습니다.”

– Rumsey

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결론

내구성, 높은 효율성 및 큰 토크 덕분에 다양한 산업에서 필수적인 디젤 엔진은 NOx, PM, CO, HC, SO2와 같은 유해 배출의 주요 원천이기도 하며, 이는 심각한 건강 위험을 초래하고 전 세계 기후 및 대기 질 목표와도 맞지 않습니다.

물-디젤 에멀전(WiDE) 기술은 여기서 설득력 있는 해결책을 제시합니다. 엔진 재설계 없이도 유해 배출을 크게 감소시켜 청정 연소를 위한 실용적이고 비용 효율적인 경로를 제공합니다.

완전한 무배출 기술을 영구적으로 대체할 수는 없지만, WiDE는 중요한 전환 역할을 할 수 있습니다. 바이오디젤 혼합물 및 신흥 청정 연료와 같은 다른 혁신과 결합될 때, 기존 디젤 의존과 지속 가능한 에너지 미래 사이의 격차를 메우는 데 도움이 됩니다.

참고문헌

^{1. Nnadozie, C. F., Onuoha, C. P., Oguzie, E. E., & Emereibeole, E. I. (2025). 디젤 배출 감소 전략의 발전: 물-디젤 에멀전 기술에 초점. Carbon Research, 4, 45. https://doi.org/10.1007/s44246-025-00210-y}