WiDE: 탈탄소화 시대에 디젤 엔진의 수명 연장

운송 부문은 전체 매출의 약 10%를 차지합니다. 전 세계 이산화탄소 배출량의 5분의 1그중에서도 도로 교통이 전체 배출량의 4분의 3을 차지합니다.

도로 교통으로 인한 배출가스는 대부분 승용차와 버스 같은 승용 차량에서 발생하며, 그 다음으로 화물 트럭이 뒤를 잇습니다. 소형 차량에는 휘발유가 가장 흔한 연료인 반면, 트럭과 버스 같은 상용 차량에는 디젤이 주된 연료입니다.

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

디젤은 실제로 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. 25의 % 35 %로 휘발유보다 연비가 뛰어나 상용 차량에 가장 적합한 선택입니다. 디젤 엔진은 연비 향상뿐만 아니라 가속력과 견인 및 적재 능력이 우수하고 유지 보수가 적게 필요하며 내구성이 뛰어납니다.

하지만 동시에 디젤은 매연, 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 탄화수소(HC), 미세먼지(PM)와 같은 오염물질을 통해 대기오염을 유발하는 주요 원인 중 하나입니다.

디젤 엔진은 이산화탄소(CO2)를 배출하는데, 이는 다른 가스처럼 독성이 있을 뿐만 아니라 중요한 온실가스이기도 합니다. 자료에 따르면 디젤 연료 소비는 전체 소비량의 약 25%를 차지합니다. 미국 전체 운송 부문 CO2 배출 2022 인치

디젤 연료가 건강과 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄이기 위해 나이지리아 오웨리 연방기술대학교(FTO)의 연구진은 수분 함유 디젤 에멀젼(WiDE) 기술에 주목했고, 이를 효과적인 대안으로 제시했습니다. 디젤 엔진에서 발생하는 오염을 줄이는 데 유망한 전략¹ 그러면서도 기존 성능을 유지하거나 심지어 향상시킵니다.

디젤 배출가스: 왜 여전히 주요 오염 문제로 남아 있는가

디젤 엔진은 유해 배출물의 주요 원인으로서 호흡기 질환 및 심혈관 질환과 같은 심각한 건강 위험을 초래합니다. 또한 스모그, 산성비, 지구 온난화와 같은 환경 문제에도 기여합니다.

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

이러한 기술들이 도움이 될 수 있지만 배출 감축하지만 그들은 그렇게 하지 않을 뿐더러, 오히려 엔진의 비용과 복잡성을 증가시킵니다.

예를 들어, DOC는 CO와 HC 배출량을 효과적으로 줄이지만 미립자 및 NOx 배출량에는 거의 영향을 미치지 않으며, DPF는 미립자 배출량 감소에는 효과적이지만 CO나 NOx 배출량은 줄이지 못합니다. CO나 NOx 배출량은 비용 효율적인 EGR을 통해 효과적으로 줄일 수 있지만, EGR을 사용하면 미립자 배출량이 약간 증가할 수 있습니다.

바이오매스에서 추출되는 바이오디젤과 같은 다른 대안도 있는데, 이는 미세먼지, 일산화탄소, 탄화수소 배출량을 크게 줄이는 데 성공적이었지만, 질소산화물 배출량은 증가할 수 있습니다.

FTO 연구진이 연구에서 지적했듯이 NOx와 PM 생성은 온도에 따라 달라지며 반비례 관계를 보입니다. 즉, 하나를 줄이면 다른 하나가 증가하는 경우가 많습니다.

이 문제에 대한 해결책은 연소실에 물을 주입하는 것인데, 이는 NOx와 PM 배출량을 크게 줄여줍니다. 디젤 엔진에 물을 주입하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 흡기 매니폴드에 물을 분무하는 방식(FWIM)과 물 분사 방식(DWI)이 있는데, 이 방법들은 NOx와 PM 배출량을 줄여주지만 HC와 CO 배출량은 증가시킬 수 있습니다.

디젤 엔진의 오염을 줄이는 또 다른 간단하면서도 효과적인 방법이 있는데, 바로 수분 함유 디젤 에멀젼(WiDE)입니다.

WiDE: 탈탄소화 시대에 디젤 엔진의 수명 연장

계면활성제를 이용하여 디젤에 물을 혼합하면 배기가스 저감, 엔진 성능 향상 및 연소 효율 개선에 긍정적인 효과가 나타납니다. 이 기술은 실제로 배기가스와 질소산화물(NOx) 배출량을 60% 이상 줄이면서도 성능은 그대로 유지하고, 경우에 따라서는 엔진 효율을 향상시킬 수도 있습니다.

연소 온도를 낮추고 고온 연소 지속 시간을 줄이며 제트 추진력을 증가시키고 연비를 향상시키는 이 친환경적인 방식은 기존 디젤 엔진에 개조 없이 적용할 수 있습니다.

WiDE 기술: 디젤 연료에 물을 첨가하여 배출가스를 줄이고 성능을 향상시키는 방법

혼합 시 디젤은 물보다 가볍기 때문에 표면에 뜨는 경향이 있습니다. 반면 에멀젼 연료는 완전히 섞이지 않는 두 액체의 혼합물로, 한 물질이 다른 물질 전체에 고르게 분포되어 있습니다. 따라서 에멀젼은 계면활성제를 사용하여 고에너지 기술로 만들어집니다.

디젤 엔진이 유화 연료로 작동하려면 WiDE의 안정화 시간이 매우 중요합니다. 엔진 작동 중 유화 안정성이 저하되면 연소 시스템에 부정적인 영향을 미치고 엔진이 조기에 고장날 수 있기 때문입니다.

계면활성제라고 불리는 특수 화학물질은 디젤과 물이 고르게 혼합되도록 하는 데 필수적인 역할을 합니다. 이들은 두 물질 사이의 표면 장력을 감소시켜 안정적인 유화액을 형성하고, 효과적으로 두 물질을 결합시킵니다.

WiDE 기술에서는 아주 작은 물방울을 디젤 연료에 혼합하고, 계면활성제를 첨가하여 물방울과 연료가 고르게 섞이도록 합니다. 이렇게 하면 유화액이 최대 60일 동안 안정적으로 유지됩니다. 이 혼합물이 엔진 내부에서 연소될 때, 물방울이 빠르게 기화되면서 "미세 폭발"이라는 현상이 발생하여 연료가 더 미세한 입자로 분해됩니다.

이는 연소 과정에서 공기와 연료의 혼합을 개선하여 최고 연소 온도를 낮추고 질소산화물 생성을 줄입니다. 완전 연소는 또한 매연과 미세먼지 배출량을 감소시킵니다.

엔진 재설계 없이 디젤 엔진의 오염물질 배출량을 크게 줄일 수 있는 이 간단한 기술의 잠재력을 고려하여, 후베이성 ​​도쿄대학교(FUTO) 연구진은 전 세계 연구들을 분석하여 이 기술과 그것이 더 깨끗한 디젤 사용을 위한 빠른 길로서의 가능성을 심층적으로 살펴보았습니다.

WiDE 분석에서 검토된 연구에 따르면, WiDE를 사용하여 디젤 엔진을 가동하면 유해 배출물을 크게 줄일 수 있습니다. 특히, 질소산화물(NOx) 배출량은 표준 디젤 연료에 비해 67%, 미세먼지(PM) 배출량은 68% 감소하여 "디젤 엔진을 위한 더욱 깨끗한 대체 연료"로서의 입지를 확보했습니다.

환경적 이점 외에도 여러 실험에서 성능 향상 효과가 보고되었습니다. 여기에는 연료를 유용한 작업 출력으로 변환하는 시스템의 효율성을 측정하는 제동 열효율(BTE)의 개선이 포함됩니다. 또한 제동 출력, BSFC(브레이크 비연료 소비량), 토크와 같은 다른 엔진 성능 특성에 대한 연구에서도 WiDE를 사용했을 때 유망한 결과가 나타났습니다.

따라서 WiDE 엔진은 배기가스를 더 깨끗하게 배출할 뿐만 아니라 연료 효율도 더 높습니다.

"디젤 내 수분 에멀젼은 디젤 엔진을 더욱 깨끗하게 만드는 실용적이고 비용 효율적인 방법입니다."라고 주저자인 추쿠에메카 포르투나투스 나도지 박사는 말했습니다. "이 기술은 엔진을 재설계할 필요가 없기 때문에 개발도상국과 선진국 모두에서 배출가스를 즉시 줄일 수 있는 길을 열어줍니다."

한편, 계면활성제의 중요성을 살펴보면 적절한 계면활성제와 그 농도를 선택하는 것이 유화 안정성에 매우 중요하며, 이는 연료의 성능과 안전성 모두에 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다.

연구진은 여러 계면활성제를 혼합했을 때 연료 혼합물의 안정성과 엔진 내부 연소 품질이 모두 향상되는 최상의 결과를 얻을 수 있다는 사실을 발견했습니다.

고무적인 결과에도 불구하고 연구진은 계면활성제 조합을 개선하고 에멀젼이 엔진 부품에 미치는 장기적인 영향을 평가하는 데 초점을 맞춰 추가 연구가 필요하다고 강조했습니다.

더욱 중요한 것은 WiDE가 현재 가동 중인 엔진에서 발생하는 오염을 줄이고 다른 청정 기술에 기여할 수 있는 실질적인 방법을 제시한다는 점입니다. 기존의 깨끗하고 장기적인 해결책을 대체하는 것이 아니라, 오히려 발전에 기여하는 것입니다. 연구팀에 따르면, 이러한 연료 접근 방식을 바이오디젤 및 첨단 배출가스 제어 시스템과 결합하면 더욱 광범위한 기후 및 대기 질 개선 목표 달성에 도움이 될 수 있습니다.

공동 저자인 에메카 에마누엘 오구지 교수는 “이 기술은 기존 디젤 연료 사용과 더욱 깨끗한 에너지 미래 사이의 간극을 메울 수 있다”며, “적절한 배합과 테스트를 거치면 지속 가능한 운송 및 산업 동력 시스템의 중요한 구성 요소가 될 수 있을 것”이라고 말했다.

디젤 대체 연료: 저배출 연료 및 친환경 운송 솔루션

WiDE 기술은 운송 부문이 디젤의 한계를 극복할 수 있는 여러 방법 중 하나일 뿐입니다. 더욱 깨끗한 대안을 찾기 위한 노력은 업계의 장기적인 탈탄소화를 도울 수 있는 다양한 연료 및 추진 기술로 이어졌습니다. 배출량을 줄이는 데 유망한 방법 중 하나는 바이오매스에서 추출한 바이오디젤과 재생 디젤입니다.

바이오디젤은 대두유, 해바라기유, 유채유, 팜유와 같은 식물성 기름, 육류 가공 공장에서 나오는 동물성 지방, 그리고 식당에서 재활용되는 식용유를 에스테르 교환 반응시켜 생산됩니다. 조류 또한 유망한 바이오매스 원료 공급원입니다.

재생 디젤은 바이오디젤과 유사하지만 화학적으로 석유 디젤과 동일한 탄화수소입니다.

수소는 자동차에서 발생하는 온실가스 배출량을 줄이는 또 다른 해결책입니다. 수소 내연기관 (H2ICE) 및 수소 연료 전지 (수소 연료 전지 차량). 둘 다 탄소 배출이 없는 연료를 사용하여 차량에 동력을 공급할 수 있습니다.

H2-ICE는 일반 내연기관이 디젤이나 휘발유 대신 수소를 사용하는 기술입니다.

수소연료전지차는 전기자동차와 마찬가지로 수소와 산소를 결합하여 전기 모터를 구동하는 전기를 생성하는 연료전지라는 장치를 사용하여 수소로부터 전기를 생산합니다.

내연기관은 고부하에서 가장 효율적이므로 수소 내연기관(H2-ICE)이 대형 트럭에 가장 적합한 선택인 반면, 수소 연료전지차(FCEV)는 저부하에서 더 효율적이므로 견인차나 콘크리트 믹서 트럭에 이상적입니다.

수소 내연기관 차량과 수소 연료전지 차량은 배출 특성이 유사하지만, 수소 내연기관 차량은 질소산화물(NOx)과 미량의 이산화탄소(CO2)를 배출하는 반면, 수소 연료전지 차량은 수증기만 배출합니다.

그 결과, BMW 그룹, 도요타, 현대자동차를 비롯한 여러 자동차 제조업체들이 수소 연료전지차(FCEV) 개발 계획을 적극적으로 추진하고 있습니다. 최근에는 알파인(Alpine)이 수소 연료로 구동되는 콘셉트 슈퍼카인 알파인 알펜글로우(Alpine Alpenglow)를 공개했는데, 이 차량은 7,600rpm에서 740마력을 발휘하고, 9,000rpm의 레드라인에 도달하며, 최고 속도는 205mph(약 338km/h)에 이릅니다.

하지만 최근에 공유된 바와 같이, 수소에는 그 나름의 비용이 따른다. 또한 도입을 촉진하기 위해서는 정책 지원, 투자 및 민관 협력을 통해 해결해야 할 인프라 관련 장애물이 있습니다.

다음으로는 포집된 탄소와 친환경 수소를 이용하여 생산되는 합성 연료, 즉 e-연료가 있습니다. 이러한 대체 연료는 화학적 공정을 통해 만들어집니다. 대부분의 합성 연료는 천연가스를 연료유로 전환하거나, 석탄을 액화하여 디젤과 가솔린을 생산하는 등 기존 화석 연료를 처리하는 방식으로 생산되어 왔으며, 최근에는 목재나 동물 폐기물을 연료유로 전환하는 방식도 사용되고 있습니다.

하지만 이러한 에너지원들은 고체 또는 격리된 탄소를 사용하기 때문에 이산화탄소를 대기 중으로 방출합니다. 반면, 전기 연료는 화석 연료에 대한 의존도를 없애 에너지 집약적 산업의 탈탄소화를 가능하게 함으로써 이러한 문제를 해결합니다.

이러한 연료는 대기에서 이산화탄소를 추출하여 만들어지며, 연소 과정에서 배출되는 이산화탄소량이 생산에 사용되는 이산화탄소량과 동일할 경우 탄소 중립적인 방법으로 간주됩니다.

전기차 연료를 합성하기 위해서는 공기 포집을 통해 CO2를 얻습니다. 이산화탄소를 빨아들입니다 이산화탄소는 액체 용매나 고체 흡착제를 사용하여 대기에서 직접 포집하거나, 다른 산업 공정에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 방식으로 얻을 수 있습니다. 포집된 이산화탄소는 수소와 결합한 후 고온 고압 조건에서 탄화수소로 전환됩니다.

이러한 솔루션들을 종합하면 디젤이 환경에 미치는 영향을 해결하고 더욱 깨끗하고 지속 가능한 미래의 교통 환경을 조성하는 데 도움이 되고 있습니다.

친환경 기술에 투자하기

커민스 Inc (CMI ) 이 회사는 특히 대형 트럭 및 산업용 장비에 사용되는 디젤 및 천연가스 엔진 분야에서 세계적인 선도 제조업체 중 하나입니다.

이 회사는 수소 엔진, 연료 전지 및 첨단 후처리 시스템을 포함한 탈탄소 기술에 적극적으로 투자하고 있습니다. 커민스는 "제로 배출 목표(Destination Zero)" 전략을 통해 단기적으로 디젤 효율성과 배출량을 개선하는 동시에 장기적으로는 무공해 솔루션을 확대하는 데 주력하고 있습니다.

이 글로벌 전력 솔루션 기업은 몇 가지 핵심 사업 부문을 통해 운영됩니다.

부품 부문은 차축, 브레이크, 구동계 및 서스펜션 시스템을 설계 및 제조하고, 전력 시스템 부문은 교류 발전기 및 원동력 발전기 세트에 집중합니다. 액셀러라(Accelera) 부문은 배터리, 연료 전지 및 전기 파워트레인 기술을 포함한 전동화 시스템과 수소 생산 기술을 제조 및 지원합니다. 엔진 부문은 다양한 천연가스 및 디젤 엔진을 제조하며, 유통 부문은 발전 시스템, 고출력 엔진, 중형 및 대형 엔진을 지원합니다.

디젤 혁신과 장기적인 에너지 전환 목표의 균형을 맞춘 덕분에 CMI 주가는 연초 대비 6.65%, 지난 1년 동안 68.78% 상승하여 현재 543.42달러에 거래되고 있습니다. 시가총액 750억 달러 규모의 커민스(Cummins)의 주당순이익(EPS, 최근 12개월 기준)은 20.51달러, 주가수익비율(PER, 최근 12개월 기준)은 26.54배이며, 배당수익률은 1.47%입니다.

재무 상태를 살펴보면, 커민스는 2025년 한 해 동안 33.7억 달러의 매출을 기록했습니다. 배전 및 전력 시스템 부문은 "데이터 센터 백업 전력에 대한 강력한 수요"에 힘입어 작년에 사상 최고 매출과 수익성을 달성했습니다. 해당 기간의 GAAP 기준 순이익은 2.8억 달러였으며, 희석 주당순이익(EPS)은 20.50달러였습니다.

커민스는 16년 연속 현금 배당금을 인상하여 주주들에게 1억 달러가 넘는 금액을 배당금으로 환원했습니다.

이러한 "견고한 영업 실적"은 "북미 트럭 시장의 지속적인 약세에도 불구하고" 달성되었으며, CEO 제니퍼 럼지는 "2025년은 커민스에게 역사적인 한 해였습니다. 주요 전략적 우선순위를 진전시키는 동시에 전년 대비 실적을 지속적으로 향상시켰습니다."라고 밝혔습니다.

또한 커민스는 2025년 회계연도 전체에 걸쳐 액셀러라(Accelera) 내 전해조 사업과 관련된 비용으로 4억 5,800만 달러(희석주당 3.28달러)를 지출했다고 발표했습니다. 이러한 조치는 수소 도입에 대한 기대치 변화에 대응하고, 운영을 효율화하며, 수요 전망 약화에 따른 지속적인 비용을 절감하기 위해 시작된 전략적 검토의 일환으로 이루어졌습니다.

한편, 커민스는 2025년 4분기에 8.5억 달러의 매출, 5억 9,300만 달러의 GAAP 순이익, 그리고 희석 주당순이익(EPS) 4.27달러를 기록했습니다.

부문별로 살펴보면, 액셀러라(Accelera) 매출이 전해조 설치 시점의 영향으로 31% 증가한 1억 3,100만 달러를 기록하며 가장 큰 폭으로 성장했고, 그 뒤를 이어 전력 시스템(Power Systems) 부문이 11% 증가한 1.9억 달러를 기록했습니다. 이는 특히 북미, 중국, 아시아 태평양 지역의 데이터 센터 시장에서 전력 생산 수요가 증가한 데 따른 것입니다.

특히 데이터센터용 발전 제품에 대한 수요 증가로 유통 부문 매출은 7% 증가한 3.3억 달러를 기록했습니다. 반면, 부품 부문 매출은 미국 내 중형 및 대형 트럭 수요 감소로 7% 감소한 2.4억 달러를 기록했지만, 유럽과 중국에서는 수요가 강세를 보였습니다. 한편, 미국과 멕시코의 중형 및 대형 트럭 수요 감소로 엔진 부문 매출은 4% 감소했습니다.

현재 회사는 올해 매출이 3%에서 8% 사이로 증가할 것으로 예상하고 있으며, 견실한 영업 현금 흐름을 지속적으로 창출하고 장기적으로 영업 현금 흐름의 50%를 주주에게 환원할 계획입니다.

“2026년에는 북미 고속도로 트럭 시장의 수요가 특히 하반기에 다소 개선될 것으로 예상되며, 데이터 센터 발전 시장의 강세도 지속될 것으로 전망합니다. 커민스는 미래 성장에 투자하고, 견실한 재무 성과를 달성하며, 2026년에도 주주들에게 현금을 환원할 수 있는 유리한 위치에 있습니다.”

– 럼지

최신 커민스(CMI) 주식 뉴스 및 동향

맺음말

디젤 엔진은 내구성, 높은 효율성, 그리고 강력한 토크 덕분에 수많은 산업 분야에서 필수적인 역할을 하지만, 동시에 심각한 건강 위험을 초래하고 지구 기후 및 대기 질 개선 목표와도 양립할 수 없는 NOx, PM, CO, HC, SO2 등의 유해 배출물의 주요 원인이기도 합니다.

수분-디젤 에멀젼(WiDE) 기술은 이 문제에 대한 효과적인 해결책을 제시합니다. 엔진 재설계 없이 유해 배출물을 크게 줄임으로써, 더욱 깨끗한 연소를 위한 실용적이고 비용 효율적인 방안을 제공합니다.

WiDE는 무공해 기술을 완전히 대체할 수는 없지만, 중요한 과도기적 역할을 할 수 있습니다. 바이오디젤 혼합 연료 및 새로운 청정 연료와 같은 다른 혁신 기술과 결합될 경우, 기존 디젤 의존도와 지속 가능한 에너지 미래 사이의 간극을 메우는 데 도움이 됩니다.

참고자료

^{1. Nnadozie, CF, Onuoha, CP, Oguzie, EE, & Emereibeole, EI (2025). 디젤 배출 감소 전략의 발전: 디젤 내 수분 에멀젼 기술에 대한 집중. 탄소 연구, 4, 45. https://doi.org/10.1007/s44246-025-00210-y}