본 연구는 왜 디젤 연료가 화물 운송부문에서 선호되는지 설명하여 철도와 자동차 운송을 위한 가까운 미래에 가능한 대체 연료들을 소개, 분석함.
또한 연료 효율성 지표가 철도 및 자동차 운송에 의해 성공적으로 채택되어 왔는지 살펴보고 화물 운송부문에서 연료효율성 개선을 위한 투자 선택 평가를 위해 제안 사항을 제시

디젤과 가솔린 엔진의 기본적인 차이는 연료 연소실에서 연료의 점화 방식에 있음(Kong 2012).
가솔린 엔진의 실린더로 주입된 연료와 공기 혼합물은 각 실린더의 점화 플러그로부터 발연하여 점화
디젤 엔진은 점화플러그(spark plug)가 없으며 연료는 고압착 디젤 연소실에서 매우 높은 대기 온도에 의해 점화
가솔린 엔진의 압착율은 8-12이며 디젤은진은 14-25로 차이가 존재
더 높은 압축률을 가진 디젤엔진은 연료에서 차량으로의 에너지 전달률이 55%에 이르지만 가솔린은 약 35% 임.
디젤의 장점은 또한 다음의 사항들을 포함

 

 - 디젤 연료는 가솔린보다 더 많은 에너지를 내장
 - 디젤은 일산화탄소 및 탄화수소 배출량이 작지만 스모그나 건강상 문제가 될 수 있는 질소화합물과 매연 배출이 높음.가솔린보다 더 높음.
 - 디젤은 엔진의 지속성에 도움을 주는 윤활류 특성이 가솔린보다 더 큼
 - 최근까지 디젤연료 가격이 가솔린보다 더 낮은 편임.

 

이와 같은 장점에도 불구하고 미국은 왜 디젤의 대체연료를 모색하는지 살펴보면

 - 디젤 연료는 원류에서 생성되며 미국의 원유 소비량이 매우 높으며 2013년 추정된 2011년 기준 총 원유 비축량(개발 및 비 개발 포함)은 약 219십억 배럴 수준임.
2010년 기준 총 국내 원유 채취량은 20억 배럴이며 이러한 미국의 유출 비율은 현재 확보된 국내 원유 비축량으로부터 약 13년 공급 가능
 - 미국은 2012년 기준 원유 사용량의 40%를 수입(상당한 양이 미국에 호의적이지 않은 중동 및 아프리카 국가로부터 수입됨)
 - 막대한 원유 수입은 무역수지 적자를 증대하고 모든 수입재 가격을 증가시킴
 - 디젤 엔진 연소로 다량의 이산화탄소 배출
 - 현재의 원유 채굴율 수준에서는 45년 이내로 현재의 사용가능한 수준 이상으로 세계 원유가격 상승 전망(Brown and Brown, 2012)

지난 2007년 미국은 에너지 독립 및 안보 법은 바이오메스 디젤(biomass diesel)이 디젤연료와 혼용 가능하도록 권한을 부여
2010년 미국 환경청(EPA: Environmental Protection Agency)은 8억 갤런의 바이오디젤을 디젤 연료와 함께 사용을 승인하였고 2013년 현재 12.8억 갤론으로 증가
이러한 승인은 바이오디젤 가격이 원유 디젤보다 높음에도 시장 형성에 기여
REG(Renewable Energy Group) 자료에 따르면 2012년 기준으로 가장 많은 바이오디젤 생산 기업은 미국에서 약 188백만 갤런의 디젤 연료를 판매하였음(표 1 참조).
공급원료의 84%가 저비용 기름(동식물성) 및 오일이며, 나머지 16%는 고비용 콩류 오일(soybean oil에서 발생

표 1은 위와 같은 188백만 갤런을 판매한 바이오디젤 생산자의 2012년 평균 도매 가격이 갤런 당 5.31$임을 보여주고 있음.
EPA가 발표한 2012년 평균 미국의 원유 디젤 소매 가격이 갤런 당 약 3.97$임을 감안하면 저비용 바이오디젤 생산자의 도매 가격은 평균적인 미국 디젤 소매가격보다 약 1.34$ 더 높음을 의미
또한 표 2에서는 디젤 가격인 갤런 당 4$인 경우는 100% 바이오디젤의 Btu(British Thermal Unit) 가치가 약 3.64$임을 제안하고 있음.

이러한 디젤 가치 하에서 왜 바이오디젤이 더 높은 평균 가격에 거래되는지에 대한 이유는 다음과 같음.

 - 연방정부의 바이오디젤 혼용 사용 승인(2012)
 - EPA의 RIN(Renewable Identification Number) 추적 시스템으로 재생가능한 에너지 사용 업체의 관리
대부분의 바이오디젤도 RIN의 재생에너지 연료 기준법에 의거해 상품으로 판매되며 연료기준법에서 의거해 RIN은 일정가치를 가짐(2012년 RIN가치는 2.39~0.64$ per gallon)
 - 연료 혼합기계의 세금 공제액은 100% 바이오디젤 갤런 당 1$의 소비세 공제를 제공(최초로 원유 디젤와 바이오 디젤 혼합 제작자)
이러한 세액 공제제도는 2011년 12월 31일 일차 종료되었으며 2013년 1월 1일 신규로 업데이트됨.
 - 다수의 주 및 도시에서 원유 기반의 디젤을 넘어선 바이오디젤 사용 촉진을 위한 재정지원 및 다양한 권고 형태를 제공

자료출처: Journal of TRB, TRB(2013), Future Substitutes for Diesel Fuel in U.S. Truck and Railroad Freight Transportation, p. 48

 

바이오디젤과 관련된 이슈들은 크게 3가지로 나누어 볼 수 있음.
 1. 바이오 디젤은 산소를 포함하고 있어서 연료가 불안정적이며 시간이 지남에 따라 낮은 온도에서 결정체로 변화하는 경향이 있음.
이러한 결정체로의 변화는 엔진의 연료 공급시스템을 막을 수 있기 때문에 적절한 바이오디젤 관리 프로그램이 필요

 2. 바이오디젤 생산을 위한 저비용 원료 공급 제한 문제는 잠재적 원료 부족으로 인한 비용 상승 또는 현재 미국 도로의 연료소비 중 3%을 차지하는 바이오디젤 연료 생산 성장이 낮아질 수 있음.

 3. 세 번째는 기본적인 경제적 논리로서 당연히 생산자는 바이오디젤 상품 생산의 변동 원가보다 낮거나 같은 수준의 가격이면 더 이상 생산을 안할 것이라는 것임.

즉 바이오디젤 생산자가 EPA의 의무 판매기준으로의 판매 이후에는 더 이상 고비용 공장을 쓰지 않을 것임이 예측 가능
그 이유는 도매업자들이 더 이상 디젤연료 가격보다 높은 수준일 경우 강제적으로 바이오디젤을 사지 않을 것이기 때문임.
따라서 EPA가 향후 바이오디젤 의무 구매량을 10억 또는 2013년 수준인 12억 8천만 갤런 이상으로 높이지 않을 경우 고비용 원료를 사용하는 바이오디젤 기업은 문을 받을 수 있음.

 

트럭 회사의 경우 EPA가 계속적으로 운송부문 연료로 바이오디젤 최소 사용량 의무를 부과한다면 바이오디젤 혼합연료 구매는 선택의 여지가 없음.
그러나 일단 의무 사용량이 팔리면 트럭회사는 더 낮은 바이오디젤 연료 판매처를 찾거나 바이오디젤 함유 연료를 구매하지 않을 수 있음.
특히 북쪽 지역의 경우는 추운 날씨로 인해 더욱 바이오디젤 연료 구매 회피현상 발생 가능

철도 차량에서의 바이오디젤 시험 사용 결과 역시 철도부문도 연방이나, 주, 도시의 사용 의무 이외의 바이오디젤 사용이 쉽지 않을 것으로 전망(트럭 회사들과 동일한 사유 적용 가능)

재생가능한 디젤은 주로 수소처리된 식물성 오일 또는 동물성 지방으로 언급됨.
이와 같은 재생가능한 디젤 생산비용에 대한 공식적인 비용분석 자료는 존재하지 않지만 바이오디젤 생산비용 보다 일반적으로 더 높은 것으로 믿고 있음.
따라서 미국에서는 현재까지 상업적 재생 디젤 생산 공장이 없는 상태이나 핀란드에는 두 개의 생산공장이 존재(Majewski et al, 2011)

(식물성)조류(algae)바이오연료는 디젤연료의 인기있는 잠재적 대체연료임.
특히 오바마 대통령은 식물성 조류가 물질과 같은 식물로서 원유 의존도를 17%까지 절감할 것을 제안(Gehrke, 2012)
몇몇 회사와 연구진들은 가까운 미래에 석유와 같은 가격으로 조류 연료의 상업화 생산이 가능할 것으로 전망(Brown and Brown, 2012)
이와 같은 연료는 때로 제 3세대 바이오 연료로서 언급되지만 트럭회사나 철도회사들은 이와 같은 연료가 상업화 될 때까지 구매 의사결정을 할 필요가 없음.

천연가스는 90%가 메탄으로 구성되며 최근 대량의 천연가스가 세일 층(shale formation)에서 발견되고 있음.
2010년 미국 천연가스의 개발된 비축량은 총 317 tcf(trillion cubic feet)로 알려져 있으며 2012년 생산량은 23.2tcf 수준임.
그러나 여전히 미국은 개발되지 않은 상당한 천연가스 매장량이 있는 것으로 알려짐(EIA 조사 결과 기술적으로 활용가능한 매장량이 총 2,214 tcf로 이는 향후 95년 동안 공급가능한 수량으로 전망됨.)
천연가스는 주택과 건물의 난방에 광범위하게 사용되며 산업생산과 전력에도 사용
다만 기체 속성 상 운송부문에서는 약 3%의 천연가스만이 사용되어 왔음.
표 3에서 확인할 수 있듯이 미국의 상당한 매장량 조사 결과는 천연가스 가격을 낮추는데 기여
표 3은 디젤과 CNG, 바이오디젤 가격의 국가 평균 소매가격을 비교하면(디젤과 동등가격화 하여, desel equivalent basis) 7개의 분할된 기간동안 조사한 결과임.

천연가스는 디젤연료 대체재로서 다음과 같은 장점을 보유

 - 낮은 가격(표 3 참조)
 - 대량의 국내 공급 가능성
 - 미국의 원유 수입 감소, 무역수지 적자 감소, 달러가치 상승, 수입비용의 감소 등
 - 안전성

 

그러나 천연가스를 디젤의 대체연료로 투입하기에 다음과 같은 장애요인들이 지적됨.

 - 천연가스는 액체가 아님으로 엔진 및 연료 배분 시스템의 변화에 비용 필요
 - 화물 운송 연료로의 사용을 위해 대체 형태로 전환 필요(Compressed NG: CNG)
 - 공공 천연가스 연료 주입시설수의 (용량, 개수) 제한
 - 디젤보다 적은 에너지 밀도(주입 연료 대비 운행거리 감소)로 대용량 연료 저장 시설 필요, CNG 트럭은 1번 운행시 200마일 수준임.
 - 천연가스의 배출량(특히 질소 산화물)이 디젤보다 낮은지에 대한 불명확성(Majewski et al, 2011)

 

이 밖에도 합성 디젤연료(synthetic disel fuel) 및 수소(hydrogen, 연료 전지의 원료)가 기존 원유디젤의 대체 연료로 부각

화물 운송 연료 효율성은 종종 1톤 화물의 갤런 당 이동거리로 정의됨(ton-mile per gallon).
따라서 갤런 당 화물 수익의 이동거리가 높을 때 더 높은 연료 효율성이 있음을 의미
여기서는 철도와 화물 산업에서 디젤 연료의 부분적 대체재로서 연료 효율성의 역할을 논의

연료 효율성 개선의 미국 사례는 다음의 몇몇 방법으로부터 달성(National Petroleum Council, 2012)

 - 차량 당 화물 수익 톤은 빈 차량의 무부하중량(tare weight) 저감에 의해 증가, 또한 바퀴 새건 및 차량 설계 개선은 철도 차량 저항력을 감소
 - 엔진 기술 개선 및 대안전인 전기 기술 전환으로 일정 화물량 운송에 필요한 힘 감소
 - 인프라 개선을 통한 저속 운행 수 감소 등
 - 철도 트랙 기술, 유지관리, 통제시스템 개선
 - 전자식 통제 시스템의 철도 효율성 개선 기여
 - 보다 효율적인 노선 마련
 - 공기역학기술 개선
 - 최우수 연료 효율성 달성을 위한 보상 프로그램 등 승무원 교육 이행

위와 같은 발전을 통해 철도부문의 연료 효율성은 1975년 이후 약 128% 증가

 

트럭부문에 대한 연료 효율성에서도 상당한 편익을 달성하였으며 다음의 발전에서 기인
 - 혼합형 전기차량은 연료효율성 14% 개선
 - 디젤엔진 기술의 발전
 - 차량 공기역학적 기술 개선
 - 전자식 통제 시스템 추가
 - 타이어 저항력 개선
 - 트럭 운영 개선(빈 차량 저감, 운전자 교육 이행 등)

미국은 화물운송 연료 부족을 겪고 있지 않으며 트럭과 철도가 환경 기준과 부합하도록 저 비용 액체 연료 부족 개선에 노력
미국은 풍부한 천연가스 자원을 가지고 있으며 이는 CNG 또는 LNG 연료 활용 가능성 증가 전망
중단기적으로 미국은 원유기반의 디젤 대신 화물 운송분야 연료 대체재가 상업적으로 활용가능할 것으로 전망되며 여기에는 바이오디젤, 천연가스, 그리고 전력 및 연료효율성 분야가 부각
차량 운송 및 철도부문에서 바이오 디젤과 다른 의무 사용 권고 연료 등은 현행 원유기반 디젤보다 가격이 싸지 않는 한 더 활용되기 쉽지 않음.
자동차 운송은 천연가스 소비 증가가 예상되며 이를 위해서는 보다 크고 힘이 센 천연가스 엔지 개발, 천연가스 저장 탱크 개선, 천연가스 주유소 증가 등이 요구됨.
천연가스 가격의 하락은 철도부문에서 디젤 전기 시스템의 유지관리 전략 재평가 이행, 현재 3개의 철도회사가 LNG 차량 시험 중에 있음.
철도부문은 화물 운송에 있어서 디젤 및 디젤 대체재 연료 가격이 전기부문 전환에 대한 막대한 자본투자 수준으로 증가하지 않는 한 전기적 철도 시스템으로의 운행 전환이 쉽지 않음.
연료 효율성 기술은 철도 및 화물 운송 부문의 연료 효율성 개선으로 이어짐.
현행 연료 효율기술들은 여전히 화물 연료 효율성 분야에서 개선의 여지가 지속될 확률이 높음.
재생가능한 바이오연료, 수소 기반의 연료전지, 내부 연소 엔진, 환경 친화적 합성 바이오매스, 그리고 석탄액화 디젤 연료 등은 EPA의 의무사용 권고 또는 디젤가격과의 경쟁력이 확보된다면 상업화 개발이 가능

 

화물 운송부문의 대체 연료에 관한 연구 권고사항은 다음과 같음.
 - 대체 천연가스 트럭 엔진 크기 및 연료 저장 탱고와 디젤 트럭의 현재 및 미래 투자 운영 비용 분석
 - 현재 및 미래의 대체 합성 연료 생산 비용
 - 디젤 및 디젤 대체 연료 가격 수준(전기식 철도 운송시스템의 경제적 실현성과 비교)
 - 대체 합성 연료 개발 및 상업화 투자 수익률
 - 대체 연료효율성 선택 개발의 투자 수익
 - 미국 철도 시스템의 천연가스 또는 다른 대체연료로의 전환을 위한 투자 수익률
 - 화물운송 분야 디젤연료 및 디젤 대체연료의 가격과 수량에 관한 잠재적 미국 에너지 독립 영향
 - 미국 화물운송 분야에서 합성 디젤 연료 및 수소에너지의 잠재적 수요
 - 연료 주유소에서의 대체 연료 소매 가격에 대한 비교 가능자료의 제한성 극복