탄소 제로화를 위한 혁신 기술 연구: 건설 및 콘크리트 산업에서의 이산화탄소 저감 방안 동향

Research on Innovation Technologies for Zero Carbon: Carbon Dioxide Reduction in Construction and Concrete Industries

Abstract

Continuous global warming is causing ecosystem destruction and direct damage to human life. The main cause of global warming is greenhouse gases, which account for more than 90 % of carbon dioxide. The leaders of each country signed the Paris Agreement at the United Nations Convention on Climate Change (UNFCCC) to reduce greenhouse gas emissions. Currently, the total amount of CO₂ emitted from South Korea is 664.7 million tons as of 2018, ranking eighth in the world. 37 % of South Korea's total CO₂ emissions come from the construction & building field, especially the cement production, which is a construction material. Carbon reduction technologies can be largely divided into four types: carbon reduction (CC), carbon reduction and storage technology (CCS), carbon reduction and utilization technology (CCU), and carbon reduction, storage and utilization technology (CCUS). Overseas, CCUS technology is mainly applied to reduce and store CO₂ emitted from construction and construction field. A technology for permanently storing CO₂ through mineralization by capturing CO₂ and utilizing CO₂ into a cement production process was developed, and this technology is applied to the entire cement industry. However, the development of CCUS technology applicable to the cement industry is still insignificant in South Korea. In this study, carbon dioxide reduction technology and methods for reducing carbon dioxide emitted during the cement manufacturing process, which is the main component of concrete mainly used in civil engineering construction, were investigated. Overseas, it has reached the commercialization stage beyond the demonstration stage as a way to reduce carbon dioxide by vomiting carbonation reactions. Accordingly, if carbon dioxide reduction plan technology generated during cement manufacturing is developed based on domestic technology differentiated from foreign technology, it is expected to contribute one more step to the carbon neutrality policy.

1. 서론

지속적인 지구온난화현상으로 인하여 지구의 평균온도가 상승함에 따라 세계적으로 기후변화의 고통을 겪고 있으며 폭염, 태풍, 자연재해, 수면 상승 등으로 인류의 삶과 경제성에 큰 피해를 주고 있다. 폭염으로 2003년 유럽에서는 사망자 수가 3만 5천 명으로 집계되었으나 7만 명 이상의 인원들이 인명피해를 입은 것으로 확인되었으며 [1], 또한 빙하가 녹으면서 해수면 상승으로 인한 저지대 지역 및 섬 지역의 일부분이 침수되는 현상이 나타나고 있다[2]. 이러한 기후변화의 원인으로는 주로 온실가스이며, 종합 기후변화감시정보센터의 통계에 따르면 전체 온실가스 중 91.8%가 CO(Carbon dioxide)로 가장 큰 비율을 차지하고 있다[3]. CO₂ 배출량은 매년 상승세를 보이 며 2018년에는 664.7백만 톤의 CO₂를 배출하였으며 1990년에 비해 배출량이 163.8% 증가하였 다(2020). 지속적으로 배출되는 CO₂에 의한 지구 온난화현상은 개인 또는 한 나라만의 문제가 아닌 세계적인 문제로 인식하고 각국의 수장들이 2015 년 12월 12일 파리에서 개최된 유엔기후변화협약(United Nations Framework Convention on Climate change, UNFCCC)에서 지구온난화 문제에 대한 방안을 마련하고자 회의를 진행하였으며, 파리협정을 체결하였다. 파리협정은 종료 시점이없는 협약으로서 지구 평균온도가 산업화 이전에 비해 2 ℃ 이상 상승하지 않도록 노력하고, 최종적으로 모든 국가들이 이산화탄소 순 배출량 0(탄소 제로화)을 목표로 하여 자체적으로 온실가스 배출 목표를 정하고 실천하자는 협약이다[4]. 전세계적으로 파리협정을 기반으로 CO₂ 저감 및 탄소 중립을 실현하기 위해 각국에서 CO₂ 저감에 관련된 R&D 사업이 활발히 진행 중에 있다. 대표적인 CO₂ 처리 및 저감 기술은 현재 CC(Carbon Capture, 탄소 포집), CCS(Carbon capture & Storage, 탄소 포집 및 저장), CCU(Carbon capture & Utilization, 탄소 포집 및 활용), CCUS(Carbon Capture, Storage & Utilization, 탄소포집, 저장및 활용)등 4가지의 기술로 분류할 수 있다. 현재까지 주로 CC, CCS를 적용하여 CO₂를 처리하고 있으며, CCS는 포집(Capture)된 CO₂를 저장(Storage)하는 기술로 깊은 해저 또는 지구 지표 1 km 이하의 공간에 CO₂를 저장하여 처리하는 방식이다[5-6]. CCU는 포집된 CO₂를 에너지 및 자원으로 이용(Utilization)하는 기술로서 CO₂ 저장 공간 및 대규모 플랜트 투자비용과 같은 기존 기술인 CC 또는 CCS의 문제점을 해결할 수 있는 공정이다 [7]. 더 나아가 CO₂ 저장과 이용을 동시에 접목하여 CO₂ 처리효율을 높이는 CCUS 기술에 관한 연구 및 개발이 진행 중에 있으며, CCUS는 가장 촉망받는 기술로 분류되고 있다[7]. 이러한 CC, CCS, CCU와 같은 기술을 적용하여 CO₂를 처리 함에도 불구하고 CO₂ 처리량보다 발생량이 매우  많아 CO₂ 저감 방안 대책 마련이 시급하다[5]. 특히, 2018년 기준 건설 분야에는 132.6백만 톤의 CO₂eq(온실가스 배출량을 이산화탄소로 환산한 양)가 발생되었으며, 2015년에 비해 14.5백만 톤의 CO₂eq가 더 발생되어 배출되었다. 이를 통해 건설 분야에서의 CO₂ 배출량은 매년 증가하는 추세를 보일 것으로 예상하고 있다[8]. 따라서 2030 년까지 건설 분야에서는 총 온실가스 배출량 대비 37 %의 CO₂를 저감하는 것을 목표로 하고 있으며, 이를 실현하기 위해서는 건설 분야에서 자체적으로 CO₂를 저감할 수 있는 방안 마련이 필요하다[8]. 건설 분야에서 발생되는 CO₂는 대부분 토목건축물에 건설재료인 콘크리트의 주성분인 시멘트 제조 과정에서 발생되고 있다. 석회석(CaCO₃)을 시멘트(생석회, CaO)로 전환시키는 탈탄산 공정과 연소과정에서 많은 CO₂가 발생되며, 기존 문헌에 따르면 시멘트 1톤 제조 시 약 0.8 톤의 CO₂가 발생된다[9]. 현재 시멘트 생산 시 발생되는 CO₂를 주로 탄산화 혹은 탄산염 광물화(Carbonate mineralization)하여 저감하고 있다 [10]. 탄산화 혹은 탄산염 광물화란 CO₂를 Mg(마그네슘), Ca(칼슘), Fe(철)과 같은 금속을 포함하는 금속 산화물 또는 규산염 계열의 광물(Silicate Mineral)과 이산화탄소가 반응함으로서 MgCO₃, CaCO₃과 같은 불용성 탄산염이 형성되는 과정이다[10]. 실제로 해외에서는 시멘트 제조 시 발생되는 CO₂를 탄산화 과정을 통해 광물(CaCO₃, MgCO₃)로 전환하여 콘크리트 제조과정에 주입함으로써 CO₂를 저감 하고 있다[12]. 또한 국내에서도 CO₂를 광물화하여 콘크리트에 주입하는 기술과 같이 건설 분야에서 CO₂를 저감하기 위한 연구들이 활발하게 진행되고 있다.

본 연구에서는 지구온난화의 주요 원인인 CO₂ 발생 원인과 이로 인한 문제점에 대해서 정리하였다. 이러한 문제점을 지니고 있는 CO₂의 저감 대책 동향을 조사하고, 기존 CO₂를 저감하기 위하여 적용되고 있는 기술(CC, CCS, CCU, CCUS)들을 정리하였다. 또한, 현재까지 건설 분야 중 시멘트 산업에서 배출되는 CO₂를 저감하기 위하여 적용된 CCUS 국·내외 사례들을 중점적으로 기술 하였다. 현재 건설 분야에서 CO₂를 저감하기 위한 기술의 동향을 구체적으로 조사한 연구는 거의 없었다. 본 연구는 발생된 CO₂를 저감할 수 있는 기술 및 사례들을 조사 하여 국내 건설 분야에서의 동향 및 개선방안을 제시하고자 한다.

2. 본문

2.1 CO2 발생에 의한 지구온난화

2.1.1 지구온난화의 원인, 문제점 및 대책

지구온난화는 세계적으로 확대되고 있으며 인류 및 생태계 환경에 악영향을 미치고 있는 상황이다. 지구온난화로 인한 현재의 급격한 기후변화는 CO₂ 가 90%를 차지하고 있는 온실가스로 인하여 일어난 현상이다. 여기서 기후변화란 수십∼수백 년 동안 이어져 온 평균적인 대기 상태가 변화된 것을 뜻하며, 지구온난화의 가장 큰 피해는 기후변화로 인한 자연재해로 홍수, 폭염, 해수면의 변화 등으로 인해 많은 인명피해가 발생되고 있다[1,11]. 이에 각국의 정상들은 2015년 파리에서 열린 제 21차 유엔기후변화협약 당사국 총회에서 지구 평균상승온도를 2℃로 제한하고, 더 나아가 1.5℃ 이하로 유지하기 위해 파리협정을 채택하였다. 이러한 지구 온난화 현상을 억제시키기 위해서는 지구 온난화의 주원인인 온실가스의 90 %이상을 차지하고 있는 CO₂ 저감 방안을 마련해야만 한다[5].

2.2 우리나라의 CO₂ 배출 현황

현재 우리나라에서는 총 727.6백만 톤의 CO₂eq를 배출하고 있으며, 그 가운데 에너지 분야에서는 632.4백만 톤 CO₂eq, 산업 분야에서는 56백 2만 톤 CO₂eq, 농업 분야에서 21백만 톤 CO₂eq, 폐기물 분야에서 17.1백만 톤 CO₂eq로 온실가스를 배출하고 있다. 온실가스 중 CO₂가 차지하고 있는 비율은 91.4 %로 CO₂로 환산하게 되면 2018년 기준 총 664.7백만t의 CO₂를 배출한 것으로 볼 수 있다. 이를 통해 2018년에는 산업화 이전 대비 CO₂ 배출량이 163.8 % 이상 증가한 것으로 분석되었다[5]. Table 1에 분석된 바와 같이 우리나라의 CO₂ 배출량은 전 세계 9위로 우리나라 면적에 비해 많은 양의 CO₂가 배출되고 있으며 이는 1990년도 이후 산업발전과정에서 지속적인 화석연료 사용과 더불어 국내 GDP(Gross Domestic Product)가 성장됨에 따라 전력생산력이 증가되어 매년 국내 CO₂ 배출량이 증가하였다[13].

Table 1. 2017 World CO2 emissions ranking Top 10[14]

2.2.1 건설 분야에서의 CO₂ 배출 현황

2018년 기준 국내 건설 분야(건설재료 포함)에서 132.6백만 톤 CO₂eq의 CO₂를 배출하였으며, 이는 전체 배출량의 18%에 해당하는 수치로 많은양의 CO₂를 배출하기 때문에 반드시 건설 분야에서의 CO ₂저감 방안 대책이 필요한 상황이다. Fig. 1에 나타난 바와 같이 시간이 지남에 따라 건물 및 인구수가 증가하였으며, 건물의 용적 또한 증가하게 되어 건설 분야 CO₂ 배출량이 증가할 수밖에 없는 상황이다[15]. 이에 우리나라에서는 2018년에 파리협정의 국가별 기여방안(Intended Nationally Determined Contribution, INDC)에 의거하여 CO₂ 배출량의 37 % 이상 저감하기 위한 계획을 수립하였으며, 또한 건설 분야에서도 32.7%(64.5 백만 톤)의 CO₂ 저감 계획을 수립하였다[8]. 지속 적으로 늘어나는 건물 용적과 인구에 대하여 CO₂를 저감하는 방안은 불가능에 가깝기 때문에 건설, 건설재료 및 건물 운영 시 사용하는 에너지를 저감하여 CO₂를 감축하는 방안이 필요한 상황이다.

Fig. 1 Building-related energy consumption and CO2 emissions[15]

2.2.2 시멘트 제조 공정에서의 CO₂ 발생 메커니즘 및 발생량

건설 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 건설재료인 콘크리트는 시멘트(Cement)와 물(Water), 모래(Sand) 등을 혼합하여 제조된 혼합물로서, 주로 건물 내·외벽에 사용되고 있다. 콘크리트의 주성분인 시멘트는 석회(CaO)가 주성분이며, 석회(CaO)제조 과정에서 석회석(CaCO₃)이 고온(900∼1,000℃)에서 연소를 통해 CO₂가 대기 중으로 배출되는 탈탄산 메커니즘을 통해 시멘트가 제조된 다. 이때 탈탄산 및 연소과정에서 CO₂가 발생되고 대기 중으로 방출된다. 시멘트 1톤 제조 시 발생되는 CO₂ 양은 약 0.8톤으로 많은 양의 CO₂가 발생되고 있다[9]. 2015년부터 2018년 까지 국내시멘트 생산 공정에서 발생되는 CO₂의 양을 Table 2에 자세히 나타내었으며, 2015년부터 2018년까지 CO₂ 배출량은 일정한 상태를 유지하고 있는 상황이다. 그러나 이는 산업화 이전인 1990년대에 비하면 CO₂ 발생량이 178.7 % 증가한 수치이다[5].

Table 2. Amount of CO₂ generated during annual cement manufacturing[5]

2.3 CO₂ 저감 기술

배출된 CO₂를 저감하기 위해 많은 연구자들이 연구 및 기술을 개발 및 적용하였으며, 각 기술들의 단위 공정은 무수히 많은 상황이다. 이러한 기술들은 다음과 같이 크게 4가지로 분류가 가능 하다. 첫째, CC(Carbon Capture, 탄소 포집) 둘 째, CCS(Carbon Capture & Storage, 탄소 포집 및 저장) 셋째, CCU(Carbon Capture & Utilization, 탄소 포집 및 재이용), 그리고 마지막으로 CCUS (Carbon Capture Storage & Utilization, 탄소포집 및 저장, 재이용)이며 이 들 모두 CO₂를 포집하는 기술인 CC를 기반으로 포집된 CO₂를 저감하는 기술이다.

2.3.1 탄소포집(Carbon Capture, CC), 탄소 포집 및 저장(Carbon Capture & Storage, CCS)

탄소를 포집하는 방법에는 Fig. 2와 같이 탄소를 포집하는 공정의 위치 또는 분리대상의 물질에 따라 연소 전 포집 공정, 연소 후 포집 공정, 순 산소 연소(Oxy-fuel) 총 3가지의 공정으로 분류할 수 있다.

연소 전 포집은 연소 전 석탄 및 화학연료에서 합성가스를 분리하여 CO₂를 포집하는 방법으로, 포집 효율을 높이고자 반응과정 중 산소와 CO를 반응시켜 CO₂로 변환시킨 후 포집하는 기술이다[16]. 연소 후 포집은 석탄 및 화학연료의 연소 반응 후 배출되는 가스에서 CO₂만 분리하는 기술로 흡수제(Absorbent), 흡착제(Adsorbent), 분리막(Membrane)공법들이 적용된다. 순 산소 연소 포집은 석탄 및 화석 연로 연소 시 순 산소만을 주입하여 연소 반응을 일으켜 배출되는 가스 중에서 CO₂만 분리하여 포집하는 기술이다. 이는 순 산소만을 주입하기 때문에 CO₂의 농도가 높아짐에 따라 원활한 포집이 가능하다[5]. CC는 CCS, CCU, CCUS 기술들의 시작점이자 가장 중요한 과정이며, CCS기술 비용의 70∼80 %를 차지하고 있다[17]. CCS는 Fig. 3과 같이 포집, 수송, 저장 및 전환으로 총 3단계의 과정으로 실시된다. 첫 번째 단계로는 화력 발전소 및 산업용 공정이며, 이 공정에서는 대량의 CO₂를 함유하고 있는 천연가스에서 CO₂를 포집하는 단계로 원활한 수송을 위해 액체로 변환하는 것 까지 포집단계에 포함한다.

Fig. 2 Types of Carbon Capture technology[18]

Fig. 3 CCS(Carbon Capture & Storage) Process[19]

두 번째 단계로는 포집된 CO₂를 저장지역까지 운반하는 운송단계로서 작은 규모는 선박을 주로 사용하고 있으나, 대부분 수송파이프를 이용하여 운반한다. 마지막 세 번째 단계는 운반된 CO₂를 저장지에 주입하여 영구히 저장하는 과정으로서 지층의 1∼3 km 이하 또는 깊은 해저에 저장한 다[16]. 하지만 CCS는 CO₂를 안전하게 주입할 수 있는 지층을 분석하고 찾는 과정에서 많은 비용과 시간이 소요되며, 알맞은 조건을 가진 저장지에 CO₂ 주입 후 2차 환경문제를 일으키지 않고 안전히 저장되었는지 지속적인 모니터링을 해야 하는 한계점을 지니고 있다.

2.3.2 CCU(Carbon Capture & Utilization, 탄소 포집 및 재이용), CCUS(Carbon Capture Utilization & Storage, 탄소 포집, 재이용 및 저장)

CCU와 CCUS 기술은 CC을 통해 포집된 탄소를 재이용 또는 저장하는 기술로서, CCS의 제한적인 탄소 저장 공간과 적합한 부지를 찾기 어려운 한계점을 극복하기 위해 CCS에 Utilization을 접목시켜 에너지 자원 및 건설재료 등으로 재이용하는 CCUS 기술에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다[20]. CCUS 기술은 Fig. 4와 같이 CO₂를 배출하는 장소에서 탄소를 포집하여 지각 및 해저 깊은 곳에 저장하는 방법과 포집 후 운송 운반을 통해 재활용 하는 방안이 결합된 기술이다. 다음 장에서는 현재 대표적으로 사용되어지고 있는 CCU와 CCUS 기술의 국내외 적용 사례에 대해서 자세히 기술하고자 한다.

Fig. 4 CCUS(Carbon Capture Utilization & Storage) mechanism[21]

2.3.3 국내외 CCS 기술 동향 및 사례 분석

2010년부터 3년간 한국지질자원연구원에서 국내 육상 및 연안 퇴적분지에 대한 지중 실증사업부지 탐색 연구 진행하였으며, CO₂를 지중에 저장하기 위한 적합한 분지를 Fig. 5에 자세히 나타내었다. 대표적으로는 태백산분지, 경상분지, 음성 분지, 북평분지, 장기분지, 포항분지 등이 적합한분지로 조사되었으며, 포항분지에는 2017년 초반에 100톤가량의 CO₂를 주입하여 실증 실험을 진행하였다. 이는 국내 능력과 성과로 자립된 기술이며 최초로 국내에서 CO를 지중에 저장하는 실증 실험에 성공한 사례이다[24].

Fig. 5 CCS place in koa[24]

Fig. 6 Tomakomai CCS project road map[25]

해외의 경우, 일본의 Tomakomai시에서는 도시동쪽 끝에 있는 정유공장에서 배출되는 CO₂를 포집하여 2개의 저장소에 저장하였으며, 저장된 CO₂를 Takinoue Formation, Moebetus Formation으로 이송하였으며 각각 해저 2,400∼3,000 m, 1,100∼ 1,200 m 아래 지층 부분에 주입하였다. CO₂가 해저로 주입되는 과정은 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 파이프라인을 통해서 안전하게 운송된 뒤 각기다른 Injection wells에 의해 Meobetus 및 Takinoue 아래 지층으로 주입된다[25]. 해저 아래의 지층에 주입되는 CO₂가 바다에 유출되는 것을 감시하기 위해 실시간으로 바다의 성분을 분석하 고, 해저 지진에 대해 모니터링을 통해 CO₂의 유출에 대한 안정성을 수시로 확인하고 있다. 2020 년 기준으로 Meobetus Formation, Takinoue Formation에 각각 300,012톤과 98톤을 주입하여총 300,110톤의 CO₂를 저장하였으며, 주입한 CO₂를 지속적으로 모니터링을 실시한 결과 안전하게 저장된 결과를 얻었다[25].

2.3.4 국내외 CCU(S) 기술 동향 및 사례 분석

CCU 기술은 크게 2가지로 구분 지을 수 있다. CO₂를 사용(Use)하는 방안과, CO₂를 전환(Convert) 하여 활용하는 방안이다[27]. CO₂를 사용하는 방안의 대표적인 기술은 CO₂를 지하로 주입하여 석유회수율을 높여주는 석유회수증진(Enhanced Oil Recovery, EOR)방안이 있다. EOR은 CO₂를 지하에 주입하여 활용한다는 관점에서 CCS 기준과 CCU 기준 사이 애매한 위치에 있지만, EOR 기술은 가스를 해저 및 지층에 주입하는 기술로 판단하여 CCS 판단하는 자료가 대다수 이다. 하지만 EOR은 석유회수율을 높이는 목적으로 CO₂를 이용하였기 때문에 CCU로 보는 시각도 존재하고 있다. 이러한 이유를 바탕으로 본 논문에선 EOR 기술을 CCU로 구분하여 서술하고자 한다. EOR에는 혼화 CO₂-EOR과 비혼화 CO₂-EOR 두 가지 방법으로 구분할 수 있다. 혼화일 경우 주입된 CO₂와 원유가 혼화되는 것을 뜻하며 이는 유체의 점성도 및 유동성 증가, 표면장력 제거 등으로 인해 상대투과특성이 높아짐으로써 잔류 원유를 재 유동 시켜 회수율을 증진시키는 방법이다. 비혼화 방법은 원유 내의 CO₂가 포화되어 팽창함으로써 점성도가 낮아짐과 동시에 지하 내부의 압력이 높아져 원유회수율을 증진 시키는 방법이다[28]. EOR 이외에도 CO₂를 활용하여 CCU 기술을 적용하였으며, Table 3에 자세히 정리한 바와 같이 미국 및 해외에서 CO₂를 저감하기 위해 CO₂를 사용하는 개념을 기반으로 프로젝트를 진행하였다. CO₂를 전환하는 CCU 기술은 3가지로 구분할 수 있다. 첫 번째, 화학적 전환으로 CO₂에 촉매 반응을 일으켜 에탄올, 우레탄 등의 화학제품의 원료로 전환하는 방법이다. 두 번째, 생물학적전환 기술로 주로 미세플랑크톤을 이용하여 CO₂를 화학물질로 전환하여 바이오 자원화 하는 방법이지만 이는 화학적 반응에 비해 속도가 현저히 느리다는 단점이 있다. 세 번째, 광물학적 전환 방안으로 CO₂를 칼슘염 등과 반응시켜 건축 자재를 생산하는 방안이 있다[27]. 국내에서는 앞으로의 CCS, CCUS기술에 대한 R&D 사업에 박차를 가하기 위해 2021년 4월 K-CCUS 추진단을 설립하였 으며, 진행되었던 선행연구를 기반으로 적극적인 CO₂ 저감방안 연구가 진행될 것으로 보인다.

Table 3. CO2 Reduction Projects in the United States[26]

2.4 건설 분야에서의 CO₂ 저감 방안

2.4.1 건설 분야에서의 CCUS 기술 동향 및 사례 분석

현재 국내에서는 건설 분야에서 CCUS 기술을 사용한 국내 사례는 아직 미미한 단계이다. 따라서 본 논문에서는 해외 사례를 중점으로 기술 동향을 기술하였다. 독일 시멘트업계에서 연간 1,900만 톤의 CO₂가 배출되고 있다[29]. 시멘트(CaO)를 제조하기 위해 석회석(CaCO₃) 연소 시 식 1의 탈탄산화 반응을 통해 발생하는 CO₂는 CaCO₃의 즉각 반응으로 인해 대기 중으로 배출된다.

\(CaCO \rightarrow CaO + CO _ { 2 }\)       (1)

현재 기술로는 열 생산으로 인해 CO₂ 저감 목적을 달성하고 있으며, 시멘트 산업에서 CO₂를 저감하기 위한 방안으로 용해로 내 대체 연료를 공급하여 CO₂ 발생량을 저감하는 방안을 적용하고 있다. 하지만 이러한 방법은 남부 유럽이나 북아프리카와 같이 직접적인 태양 복사열이 높은 지역에서만 효과를 보고 있으며 이는 CO₂ 발생량을 저감하는 것으로, CaCO₃의 탈탄산화 반응으로 배출되는 CO₂ 양은 시멘트 제조 시 만들어지는 총 CO₂의 약 50% 이상을 차지하고 있음에도 불구하고 그에 대한 뚜렷한 CO₂ 저감 방안이 구비되어있지 않아 대책 방안이 시급한 상황이다[29]. 세계 주요 CO₂ 배출 국가 중 미국은 연간 500만 톤 이상의 CO₂를 배출하고 있지만 Table 3에 정리한 바와 같이 여러 가지 분야에서 CO₂를 저감 하기 위한 프로젝트를 진행 중에 있다.

Calera의 회사에서는 캘리포니아 주 Moss Landing에 위치한 천연가스발전소 Moss landing power plant(발전용량:1 GW급)에서 시멘트 보충 재료(Supplementary cementitious Material, SCM) 를 생산하는 시설을 가동 중이며 Moss Landing power plant(발전용량:1 GW급)가스 화력발전소의 10 MW Slipstream(배기가스)를 재활용하기위해 시범적으로 가동할 공장을 건설 중에 있다 [30]. 또한 Moss Landing Power Plant에서 배출되는 CO₂를 일부 재활용하여 다음 Fig. 7과 같은 공정으로 건축자재 주원료인 CaCO₃(탄산칼슘) 뿐만 아니라 NaOH(가성소다), H(수소) 및 EDC (Ethylene Dichloride, PVC 수지의 주원료)를 생산하여 상업목적보단 0.1 MW(하루 2톤의 CO₂ 포집)의 소규모 플랜트로 실질적인 기술을 입증하는 플랜트로 활용 중에 있으며, 생산된 CaCO₃를 활용하여 소규모 건축자재를 제작할 수 있는 다양한 설비들을 구비할 계획이다[30]. 현재 Calera에서 진행하고 있는 목표는 연간 0.3 M톤의 CO₂를 이용하여 1 M톤 이상의 건축자재를 생산하는 것으로 목표를 설정하고 연구를 진행하였으나, 현재는 1 M톤 CO₂를 소비하여 2.8 M톤의 건축자재를 생산하는 것으로 규모를 확대한 상황이다. 또한, 캐나다에서는 Carbicrete 프로젝트를 통해 CO₂를 저감 하는 연구 및 사업을 진행 중에 있으며, CO₂ 광물화 공정을 통해 철근 슬래그에 CO₂를 주입하여 시멘트 제조과정에서 배출되는 CO₂를 모두 광물화 하여 0으로 만드는 기술을 보유하고 있다. CO₂를 Fig. 8의 챔버에 주입하여 철근 슬래그와 반응시키게 되면, 탄산화 반응으로 인해주입된 CO₂는 콘크리트 내부에 CaCO로 영구 저장된다.

Fig. 7 Calera project CO2 mineralization process[30]

Fig. 8 CO2 mineralization process of Carbitcrete plants[31]

이후 생성된 CaCO₃는 콘크리트 내부에 존재하는 공극을 채움으로써 기존 콘크리트 보다 높은 강도를 얻게 된다. 탄산화로 인한 슬래그 콘크리트의 CO₂ 흡수율은 6.6 %로 나타났으며 CO₂ 노출 시간, 압력 및 흡수율을 Table 4에 나타내었다. Table 5와 같이 기존 시멘트로 제조된 콘크리트보다 철근 슬래그를 이용하여 만든 콘크리트가 1.3 % 가량 수분흡수량이 높은 것으로 판단되며, 주입된 CO₂를 6.6 % 가량 흡수하여 광물화 반응으로 인해 콘크리트의 주성분인 CaCO₃로 변환되어 미세공극을 채움으로써 아래 Fig. 9에 나타난 바와 같이 강도가 높아진 것으로 판단된다. 또한 일반 시멘트를 활용하여 콘크리트를 제조하는 공정에서 배출되는 CO₂의 발생량은 1.56 kg인 반면에, CO₂가 강제 주입되어 탄산화 반응이 일어난 철근 슬래그를 사용한 콘크리트 제조공정의 경우 CO₂의 발생량이 적어 0.23 kg의 CO₂를 저감할 수 있는 결과를 얻었다.

Fig. 9 Compression Strength Comparison of Commercial cement and Slag-bond[32]

Table 4. CO2 Uptake fo slag-bond concrete blocks in carbonation[32]

Table 5. Water absorption of Slag-bond concrete & Commercial cement block[32]

위의 연구 결과에 따르면 기존 시멘트로 제조된 콘크리트보다 콘크리트 제조 공정에서 CCUS 가 적용된 기술을 사용하게 된다면 광물화 반응을 통해 대기 중의 CO₂를 저감하는 능력을 갖추고 있어 앞으로 건설 분야의 환경적인 문제에 대해 많은 기술의 발전이 이루어질 것으로 보여 진다 [32]. 미국 Carbon Cure Technologies Inc. 에서는 콘크리트 혼합물에 CO₂를 주입하고 시멘트의 주성분인 CaO와 반응시켜 탄산화진행을 발생시킨후 탄산화 과정에서 CO₂는 나노크기의 Ca₂CO₃(탄산칼슘)로 변환되어 콘크리트 내부공극을 채움으로써 CO₂를 포집함과 동시에 내구성을 높이는 기술을 보유하고 있으며, Fig. 10과 같이 2030년까지 500 M톤의 CO₂ 감축을 목표로 하고 있다.

이는 시멘트와 CO₂가 반응하여 탄산화 반응을 일으켜 기존 시멘트를 업사이클링 하는 방안으로서 시멘트 제조단계의 성분인 규산칼슘 등은 식 (2), (3)에 나타난 바와 같이 물과 함께 이산화탄소와 반응하여 CaCO₃와 규산칼슘 하이드레이트 겔을 형성한다.

Fig. 10 Carbon Cure Technologies Inc. 500 Mt CO2 reduction in 2030[33]

\(\left. \begin{array} { l } { 3 CaO _ { 3 } \cdot SiO _ { 2 } + ( 3 - x ) CO _ { 2 } + y H _ { 2 } O } \\ { \rightarrow x CaO \cdot SiO _ { 3 } y H _ { 2 } O + ( 3 - x ) CaCO _ { 3 } } \end{array} \right.\)       (2)

\(\left. \begin{array} { c } { 2 CaO \cdot SiO _ { 2 } + ( 2 - x ) CO _ { 2 } + y H _ { 2 } O } \\ { \rightarrow x CaO \cdot SiO _ { 3 } \cdot y H _ { 2 } O + ( 2 - x ) CaCO _ { 3 } } \end{array} \right.\)       (3)

또한 식 (3)과 같이 CO₂가 Ca(OH)₂와 만나 탄산화 반응을 발생시켜 CaCO₃(탄산칼슘)가 생성되고, 반응된 CO₂는 영구 콘크리트 내부에 영구 저장되며, 생성물인 CaCO₃가 공극을 채움으로서 콘크리트의 강도가 높아지게 된다. 따라서 Table 6 과 같이 각각 의 콘크리트마다 다른 CO₂ 주입조건에 대해 날짜별 강도를 측정하였으며 CO₂가 주입된 콘크리트에서 탄산화가 진행되어 강도가 개선되는 것을 확인하였다. 시멘트를 제조하여 양생 기간이 끝난 후 발생 되는 탄산화과정은 철근 콘크리트의 내구성을 떨어트리지만, 제조 과정 중 CO₂를 주입하게 되면 양생 시 Fig. 11과 같이 탄산화 반응으로 인해 생성 된 CaCO₃로 인해 공극이 메워짐에 따라 강도가 증가하게 되며 CO₂ 영구포집 및 경화로 인해 CO₂ 저감 효율이 탁월할 것으로 보여 진다[34].

Table 6. Carbon Dioxide injection conditions and result[34]

Table 7. CarbonCure Technologies Inc’s 2030 CO2 reduction[34]

따라서 Table 7과 같이 Carbon Cure Technologies Inc. 에서 진행 중인 시멘트 및 레미콘 사업은 2030년까지 CO₂ 광물화 반응을 통해 420M톤의 CO₂ 저감 및 생성된 CaCO₃에 의해 시멘트 생성량이 저감 될 것으로 판단된다. 이러한 모든 부분을 고려하였을 때 2030년까지 CO₂ 저감 목표량인 500 M톤을 넘어 519 M톤가량 저감할 수 있을 것으로 보여 진다.

Fig. 11 CaCO3 in the cement surface at the early stage of curing[34]

국내에서 건설 분야에 CO₂ 저감을 실시하기 위해 Fig. 12와 같이 발생된 CO₂를 전환 하는 프로세스를 구축하였고, 탈탄산화 공정 후 시멘트에서 침전된 CaCO₃를 제조하기 위해 고농축 CO₂를 사용하였다. 국내 CO₂ 포집용 기술에 쓰이는 CO₂ 흡수제(KIERSOL)는 연속적으로 시멘트 공정에서 발생되는 CO₂를 포집하여 공정비용을 절감할 수 있는 기술로, 이를 통해 30년 동안 소성로에서 발생된 CO₂를 포집하여 CO₂ 저감 비용을 톤당 25 US달러 CO₂에서 톤당 19 US달러 CO₂로 절약하였다. 이 공정으로 농축된 CO₂와 CaO를 사용하게 된다면 고순도의 CaCO₃(99.3 %)를 확보 할 수 있으며 연소가스에 포함된 CO₂를 사용할 경우 순도 낮은 CaCO₃ 또한 제조가 가능하다. 이를 통해 사용하는 분야에 따라 농도별 PCC 회수가 가 능하다. 2017년 기준 시멘트 제조 공정에서의 영향 인자들을 고려하여 공정을 가동하였을 때 얻을 수 있는 효율 및 이윤을 분석하고자 이 공정을30년간 가동 하여 하루 10톤의 CO₂를 포집한다는 가정 하에 나타는 효율을 계산한 결과를 Table 8에 나타내었다. CO₂를 10톤씩 30년간 포집하여 위의 공정으로 처리한다고 가정하였을 때 연간 309,100 US달러의 이윤을 가져다 줄 것으로 계산되며, CERs(CDM에 의해 검증된 온실가스 감축량)를 도입하게 되면 더 많은 이윤을 남길 것으로 판단된다.

Fig. 12 Cement industry process to reduce CO2 emissions[35]

Table 8. Cement process investment costs and profits[35]

해외에서는 CO₂ 저감을 위해 CCU, CCUS R&D 사업이 활발히 진행 중에 있으며, 선진화된 기술력을 바탕으로 CO₂ 광물화 반응을 통해 CaCO₃를 제조하여 시멘트 업계에서 적극적으로 활용함으로써 실질적인 CO₂ 영구 포집 효과와 경제적인 면에서 많은 성과를 이루고 있다. 국내 건설에서는 토목· 건설재료로 주로 사용되는 시멘트 및 콘크리트 제조 시 발생되는 CO₂를 이용한 탄산화 기술을 바탕으로 건설자재를 생산할 수 있는 파일럿 규모의 실증 확보 추진 중에 있다. 국내 기술력으로는 CO₂ 주입(광물화)을 통한 시멘트 및 콘크리트 양생에 어려움이 있어 실직적인 건물분야에서 CO₂ 저감 능력을 판단하기에 제한적인 상황이다(MSIT 2021). 따라서 보다 적극적인 R&D 사업과 지원정책을 구축하여 확실한 기술력을 기반으로 건설부분에서 CO₂를 잡기위한 노력이 시급한 상황이다.

3. 결론

지속되는 지구온난화현상으로 많은 연구자들이 기후변화(climate change)에 대해 언급하였고 전 세계 곳곳에서 많은 기후 경고(Climate Warning) 가 나타나고 있다. 기후경고 현상을 넘어선 더 큰 문제를 막기 위해 CO₂ 배출량을 저감해야하며, 더 나아가 탄소 배출이 0이 되는 탄소 제로화를 목표로 추진해야 한다. 이에 우리나라는 파리협약을 이행하기 위하여 2050년까지 탄소 중립을 선언하였으며 탄소 저감 대책 방안 마련 R&D 산업에 열중하고 있다. 현재 우리나라에서는 664.7백만 톤의 CO₂가 배출되고 있으며 전 세계 중 9번 째로 많은 양의 CO₂를 배출하고 있다. 특히 건설 분야에서 배출되는 CO₂의 양은 국내 총 CO₂ 배출량의 약 18 %를 차지하고 있으며 인구가 증가함에 따라 건물의 동수 및 용적률 또한 인구수와 비례하여 증가하기 때문에 건설 분야에서의 CO₂ 저감 대책 방안이 마련되어야 2050 탄소 중립목표에 한걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 판단된다. 현재 건설 분야에서 배출되는 CO₂를 저감하기 위하여 해외에서는 CCUS기술을 적용하여 CO₂를 포집하고 콘크리트 제조공정에 주입하여 광물 탄산화 반응을 통해 CO₂를 영구히 저장하는 기술을 개발하였으며 상용화 단계까지 이르렀다. 이에 비해 현재 국내에서는 시멘트를 대체할 천연재료 주입 및 석회석 연소 시 발생하는 열에너지를 재이용 하는 방안 등 발생된 CO₂를 저감하는 방법이 CO₂ 발생량을 저감하는 방법이 주를 이루고 있어 석회석의 탈탄산 반응 시 발생되는 CO₂를 저감하기에는 어려움을 겪고 있다. 이를 해결하기 위해선 앞서 언급한 광물탄산화 과정을 통해 탈탄산화공정에서 배출된 CO₂를 포집하여 콘크리트 생산 과정에 직접 주입하는 방안이 효율적이라 판단된다. 이를 시행하기 위해서는 시멘트 생산 과정 중발생된 CO₂를 광물화와 같은 방법으로 콘크리트 제조 공정 직접 주입하는 기술이 확보되어야 한다고 판단된다. 최근에는 CO₂를 콘크리트 제조공정에 직접 주입하여 CO₂를 저감하는 방안에 대한 연구가 증가하는 추세이다. 그러나 광물탄산화의 방법은 대량의 CO₂를 저감하기에는 한계점을 지니고 있어, 고농도의 CO₂가 용해된 배합수를 사용하여 콘크리트를 제조하는 연구가 진행된다면 많은 양의 CO₂가 콘크리트 내부에 영구히 저장되어 친환경적이며 경제적인 방법으로 건설 분야에서 발생되는 대량의 CO₂를 저감하여 탄소 제로화에 이바지 할 수 있을 것이라고 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국건설기술연구원 주요사업 ｢친환경 Carbon Eating Concrete(CEC) 제조 및 활용 기술개발｣의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.