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플랜트엔지니어링 동향

탄산가스로 만드는 콘크리트, 칼슘 카보네이트 콘크리트

공사
작성자
YO&FUTURE
작성일
2024-06-11 17:35
조회
3
칼슘 카보네이트 콘크리트(CCC), 카본 리사이클 콘크리트 등

2050년까지 일본의 탄산가스 배출을 ‘실질적 제로’즉 탄송중립을 선언한 이후, 생산과정에서 이산화탄소를 대량으로 배출하는 시멘트를 사용한 콘크리트의 탈(?)탄소를 위한 기술 개발이 건설업계에서 주목을 끌고 있다.

건설 관계자의 대부분이 취급하는 콘크리트를 둘러싼 친환경 기술에 대한 최신 동향을 특집으로 보도한 Nikkei Construction(2021.6.14) 특집 1부 기사를 소개합니다. 주요 내용은 CCC를 생산할수록 이산화탄소를 줄일 수 있는 카 본 네거티브 콘크리트에 관한 기사로 한국도 탄소중립을 위해 다양한 연구를 하고 있어 도움이 되기를 기대합니다.

 

Part 1. CO2와 폐기물로 만드는 콘크리트 20억t의 흡수원을 활용

<도쿄대학 외, 폐자재 이용>

대기 중에 있는 이산화탄소와 콘크리트 폐기물과 물을 사용해 콘크리트를 만드는 친환경 콘크리트 연구개발이 시작되었 다. 생산과정에서 대량의 CO2를 배출하는 시멘트를 사용하지 않기 때문에 만들면 만들수록 CO2가 흡수되며 자원 고갈 문제 해결에도 기여하는 기술이다.

1엔짜리 크기의 신소재가 탄소중립 실현을 위한 차세대 콘크리트로 화제를 모으고 있다. 도쿄대학과 홋카이도대학, 시미즈(??)건설, 태평양시멘트 등이 공동으로 개발하고 있는 ‘칼슘 카보네이트 콘크리트(CCC)’가 그 주인공이다. 신에너지산 업기술종합개발기구(NEDO)가 2020년도에 문샷형 연구개발 사업 중 하나로 채택한 CAS 연구개발 프로젝트의 일환으로 탄생했다.

칼슘 카보네이트 콘크리트는 콘크리트 폐기물과 대기 중의 이산화탄소, 물을 원료로 한다. “생산과정에서 대량의 CO2를 배출하는 포틀랜드 시멘트를 사용하지 않으며, 수화반응도 일으키지 않는 완전히 새로운 콘크리트다” 라고 개발팀 PM을 담당하는 도쿄대학대학원 공학계 건축학의 노구치 교수는 설명한다.

 

<CO2 흡수의 여지가 있는 폐콘크리트>

칼슘 카보네이트 콘크리트(CCC)를 만드는 방법은 먼저 CO2를 폐콘크리트에 흡수시켜 탄산화한 후 폐콘크리트로부터 탄 산수소칼슘 용액을 만든 후에 폐콘크리트로부터 제조한 골재에 용액을 붓고 탄산칼슘의 결정을 석출시켜 결합한다.

석출방법으로는 지금까지 수분의 증발이나 용액의 온도 제어 등을 검토하고 있는데 “얼마나 단시간 내에 에너지를 사용하 지 않고 실현하는 지가 중요하다”라고 노구치 교수는 말한다. CO2를 쉽게 흡수시키는 방법이나 최적의 골재 크기 등도 고 려할 필요가 있다. 지금까지 제조에 성공한 CCC의 압축강도는 mm²당 8N 정도이다. 구조 재료로서는 아직 불안하지만 2 년 후인 2023년는 12N을, 2025년에는 30N을 2030년에는 저층 건축물 등에 사용을 목표로 한다.

CCC는 어디에나 있는 CO2와 폐콘크리트를 사용하기 때문에 지금의 콘크리트 제조와는 다른 새로운 공급망(Supply Chain)의 구축이 필요하게 된다. 지금보다 현지 생산, 현지 소비가 진전될 것이다”라고 노구치 교수는 보 고 있다.

 

석회적의 매장량은 무한하지 않다

CO₂를 아직 흡수할 수 있음에도 불구하고 방치된 콘크리트 구조물은 전국에 무수히 많다. 도쿄대 노구치 교수 등에 따르면 지금까지의 시멘트 누적 생산량에서 역산한 일본내 콘크리트 구조물의 총 비축량은 300억t에 이른다. 모든 구조물이 CCC의 원료로 사용할 수 있다고 가정할 경우, 20억톤의 CO2를 흡수할 수 있을 가능성을 내포하고 있다. 또한 세계로 눈을 돌리면, 비축량은 큰 폭으로 증가해 CO2의 흡수 가능한 양은 일본의 30배 정도로 늘어난다.

도쿄대학 등은 2050년에 신설하는 콘크리트의 50%를 CCC로 조달한다는 목표를 세우고 있다. 현재의 생콘크리트와 Pre-cast 제품의 1년간 생산량이 30년 후에도 변하지 않는다고 가정할 경우, 시멘트의 제조에 수반되는 CO2의 배출량을 절반으로 억제하면서, 연간 약 620만t의 CO2를 저장할 수 있게 된다. 온난화 억제에 효과가 있는 콘크리트는 CCC뿐만이 아니다.

일본 정부의 방침으로 CO2 배출량 감축은 이미 건설업계에서도 피할 수 없는 과제가 되어 민간 기업의 각 사가 개발에 힘을 쏟고 있다. 각 사의 기술은 콘크리트 제조 시 CO2를 고정시킬 타이밍으로, 시멘트 제조 시와 반죽 혼합 시, 양생 시의 3 가지로 나눠지는데 CCC처럼 폐기물을 활용하는 기술과 일반적인 콘크리트 생산공정을 크게 바꾸지 않는 기술 등에 따라 각각의 특징이 있다. 다음 Part에서는 '탈탄소 콘크리트의 최신 동향을 살펴보겠다.

 

<콘크리트 잔해에 압력을 가하는 것만으로 만들 수 있는 콘크리트>

Part 2. CO2를 고정화 하는 새로운 골재, 해외 업체와 함께 보급을 도모하는 상사

이산화탄소를 고정화한 골재를 사용해 콘크리트를 타설하는 해외 사례가 늘고 있으며 미쓰비시상사는 미국과 영국의 골재 제조업체와 협업을 통해 사업 보급을 통해 폐콘크리트의 문제도 일거에 해결할 수 있을 가능성을 내포하고 있다.

이산화탄소 감축의 비장의 카드라고 하는 CCUS(탄소포집기술)는 CO2를 회수해 활용하거나 저장하는 것인데 이 방법을 이용하여 콘크리트의 원료인 골재 생산에 기대를 걸고 있는 것이 미쓰비시상사다.

골재 하나가 흡착할 수 있는 CO2는 정해져 있지만, 골재를 사용한 콘크리트 시장의 저변은 넓어서 실제로 보급된다면 그 효과는 클 것이다. 미쓰비시상사는 골재를 제조하는 해외 기업과 협업해 CO2의 활용 기술의 개발과 그 사업화를 추진하고 있다.

예를 들면, 2020년 9월에 미국 Blue Planet에 출자와 협업 계약의 체결을 발표했는데 블루플래닛은 2012년 창업한 스타트업이며, CO2를 골재로 고정화하는 기술과 폐콘크리트 등을 활용하는 기술을 보유하고 있다.

미국 샌프란시스코 국제 공항의 개보수 공사에 블루플래닛의 골재를 사용한 콘크리트를 타설한 실적 등이 있다. CO2를 골재에 고정하기까지의 흐름은 다음과 같다.

먼저, 건설현장에서 타설되지 않고 생콘크리트공장으로 반송되는 잔여 콘크리트나 폐콘크리트를 골재와 칼슘으로 분리한 다음, 칼슘과 CO2를 반응시켜 탄산칼슘을 생성한다.

이 때 반응조건을 제어함으로써 탄산칼슘의 결정구조를 조약돌 정도의 크기로 만든다. CO2를 저농도로 이용할 수 있다는 점도 특징이다. 폐콘크리트 대책과 골재고갈 과제를 해결함과 동시에 CO2를 고정하는 역할도 한다.

 

<영국에 이미 3곳의 공장 가동>

Part 3. 마법의 가루를 섞는 콘크리트, CO2를 흡착하면서 알칼리성 유지

<다이세이건설, 혼화재가 흡수>

다이세이건설은 이산화탄소로부터 제조한 탄산칼슘 가루를 혼화재로 사용하는 카본 리사이클 콘크리트를 개발했다. 알칼리성을 띄는 재료를 혼합함으로써, 중성화 문제에 대처했는데 가루를 혼합하는 것뿐이므로 현장에서 타설하는 콘크리트에 사용이 쉬워질 전망이다.

CO2를 철근콘크리트 구조물에 고정할 때 중성화 문제는 피할 수 없다. 온실가스 감축을 위해서는 콘크리트에 가능한 많은 CO2를 흡수시키고 싶지만, 흡수시킬수록 콘크리트의 특징인 강알칼리성이 중화되어 철근을 덮는 부동태 피막이 파괴, 철 근부식을 유발할 가능성이 높아진다.

다이세이건설이 2021년 2월에 발표한 카본 리사이클 콘크리트 'T-e Concrete/Carbon-Recyde'은 칼슘에 CO2를 반응 시켜 생성한 탄산칼슘 분말로 이 문제를 해결할 수 있다. CO2는 물에 녹이면 산성을 띈다. 그런데, 탄산칼슘으로 하면 약 알칼리성이 된다. 카본 리사이클 콘크리트는 이 탄산칼슘 분말을 혼화재로 사용해 강알칼리성을 가진 고로 슬래그 주체의 결합재로 고정시키므로, 알칼리성을 유지한 채 타설할 수 있다는 것이다.

또한 콘크리트 공극에 CO2를 흡착시키지 않으므로, 강도가 낮아질 걱정은 없다. 카본 리사이클 콘크리트의 압축 강도는 20~45N/㎜, 슬럼프는 15cm, 슬럼프 플로는 60cm로 일반 콘크리트와 동일한 성능을 가진다.

<1당 5~55kg을 절감>

 

Part 4. 미국 아마존 사옥에서 CO, 흡수, 콘크리트 반죽 시 분사

<카본큐어 (Carboncure), 반죽할 때 흡수>

콘크리트 반죽 시, 액화 이산화탄소를 분사해 흡수시키는 독특한 기술이 북미에서 급속도로 확대되고 있다. 고속도로나 세계적인 IT기업의 사옥으로 사용되고 있는 것 외에, 일본에서도 아이자와(??) 고압콘크리트 등에 주목하며 실용화를 서두르고 있다.

2007년에 설립한 캐나다의 CarbonCure가 보유한 이산화탄소 고정기술에 세계가 주목하고 있다. 마이크로소프트 창업 자 빌 게이츠를 비롯한 재력가들이 공동으로 설립한 펀드가 출자한 것 외에, 아마존닷컴의 환경펀드도 카본큐어에 투자하 고 있다.

카본큐어 기술을 콘크리트에 구현한 사례는 많다. 미국 하와이 운수국은 2019년 고속도로 인터체인지 접속도로에서 콘크 리트 포장에 적용했다고 발표. 115m를 타설하여 1,700kg 이상의 CO2 감축에 기여했다. 건축에서는 LinkedIN이 캘리포니아주 실리콘밸리에 건설한 새로운 본사 사옥에 카본큐어의 기술을 이용한 콘크리트를 타설했으며 그 밖에도 아마존이 버지니아주에 건설하는 제2 본사 빌딩 등에 사용할 방침이라고 발표했다.

카본큐어는 지금까지 누계로 10만톤이 넘는 CO2 를 감축한 실적을 보유하고 있으며 앞으로 2030년까지 연간 5억의 삭감을 목표로 하고 있다.

일본에서도 2020년 7월, 아이자와 고압콘크리트(홋카이도)가 라이센스 계약을 체결했으며, 2021년 1월에는 미쓰비시상 사가 자본업무 제휴계약을 체결했는데 일본계 기업으로는 첫 주주가 된다.

 

<300곳 이상의 공장이 도입 완료>

Part 5. 양생 중에 CO2를 흡수, 현장 타설에 도전

<가지마 외, 양생 시에 흡수>

가지마 등이 공동 개발한 이산화탄소를 고정화하는 콘크리트 SUICOM은 특수한 혼화재를 넣어 양생 중에 CO2를 흡수시킨다. 약 10년 전에 실용화되었으며 포장 블록이나 매설 거푸집 등 2차 제품에서 사용된 실적이 있다. 현장 타설에 적용을 위한 연구도 시작되었다.

일본 경제산업성은 2020년 12월에 발표한 그린 성장 전략에 CO2를 흡수하는 콘크리트의 판로 확대를 추진한다는 계획을 포함시켰다. 거기에 유일하게 이름을 올리고 있는 기술이 가지마와 주우고쿠전력, 덴카가 공동으로 개발한 CO2-SUICOM이다.

SUICOM은 콘크리트 양생 중에 CO₂를 고정하는 기술로 덴카가 개발한 소석회를 원료로 한 특수 혼화재 T-C2S를 5~30%의 비율로 시멘트와 치환한다. 특수 혼화재는 물과 반응하지 않고 CO₂와만 반응하여 굳는다. 탈형 후의 콘크리트를 고농도의 CO2 를 넣은 양생조에 두는 것만으로, 대량의 CO2를 흡수시킬 수 있다.

또한, 시멘트의 일부에 석탄재나 고로 슬래그 등의 산업부산물을 이용하면, 콘크리트의 제조에 수반하는 배출량 이상의 CO2를 흡수할 수 있다. 콘크리트 1㎡당 기존보다 CO2를 300kg 줄일 수 있다는 계산이다.

 

<즉시 탈형으로 하루만에 흡수 가능>

Part 6. '탄소순환형 시멘트' 실현을 위해, 공장에서 회수한 CO2를 재 자원화

<태평양시멘트, 생산 사이클 변혁>

제조 과정에서 많은 이산화탄소를 배출하는 시멘트 산업인 태평양시멘트는 자사의 공장에서 배출하는 CO2를 회수해 이 용하는 기술개발을 추진한다. 2030년에는 탄소를 순환시켜 시멘트를 만드는 과정을 공장에 적용할 방침이다.

일본 국내에서는 전력과 철강에 이어 이산화탄소 배출량이 많은 시멘트 산업에서 시멘트를 제조하는 과정에서 화석연료의 연소와 석회석의 탈탄소 화학반응으로 인해 많은 양의 CO2가 배출된다.

시멘트 제조 시 발생되는 CO2 배출량은 일본 전 체 배출량에 수 %를 차지한다고 한다. 저탄소, 탈탄소사회 실현을 위해 발빠르게 선회한 기업이 있는데 바로 대기업의 태 평양시멘트다. 2018년도부터 미에현 이나베 시에 있는 후지와라(??) 공장에서 시멘트를 제조하는 킬른으로부터 배출되는 가스를 대상으로, CO2를 분리·회수하는 시도를 시작했다.

2021년 9월부터는 사이타마현 쿠마가이 시에 있는 쿠마가이 공장에서, 하루 10톤 정도의 CO2를 회수하는 설비를 설치하고 실증실험을 시작하는데 이 규모의 회수량은 일본에서도 최대 규모이다.

태평양시멘트에서 가장 중요한 과제는 시멘트 공장으로부터 CO2 배출량의 감축인데 CO2를 회수하는 것만으로 불충분하며, 어딘가에 이용하거나 저장하지 않으면, 배출량의 실질적인 감축으로 연결되지 않으므로 이를 위해 회수한 CO2를 시 멘트 원료나 건설자재로 활용하는 기술개발에 대해서도 본격적으로 시작했다.

 

<재생골재 및 노반 재료에 CO2 고정> <생콘크리트 공장 및 제품 공장과도 협업>

Part 7. 투수성 콘크리트 포장으로 보급을 시도, 레미콘 업계의 간섭이 적은 시장에 주목

<RRCS 공급망에 돌진>

새로운 기술 도입이 어려운 레미콘 업계. 그러나 이산화탄소를 흡착하는 콘크리트의 보급은 레미콘 공장의 협력 없이는 불 가능하다. 그런 가운데, 레미콘 업계의 간섭이 적은 투수성 콘크리트 포장의 확대로 탈탄소를 추진하려는 움직임이 나오기 시작했다.

전국 레미콘 공장의 상당수는 중소기업 등 협동조합법에 의거해 운영되고 있는 레미콘 협동조합에 소속되어 있다. 중소기 업이 조합으로 단결함으로써 공동판매를 추진할 수 있으며, 가격 협정을 금지한 독점금지법의 적용에서 제외 조치를 받을 수 있다. 그 때문에, 가격 면에서의 경쟁이 이루어지기 어렵고, 새로운 기술 등의 도입이 추진되기 어려운 업계가 되어 있 다.

일본 사단법인 RRCS(Ready-mixed & Returned Concrete Solution. Association)는 투수성 콘크리트를 사용한 CCU(CO2의 회수/저장) 포장의 보급을 추진하고 있다. RRCS는 잔류 생콘크리트 등을 줄이는 환경을 배려한 대책을 추진하기 위해 2020년에 발족했으며 현재는 CO2를 흡착하는 기술 등에도 관심을 가지고 활동하고 있다.

 

<무근 콘크리트로 중성화의 위험 없어>

투수성 콘크리트 포장은 이미 확립된 기술이다. 물을 땅 속으로 침투시키기 위해 공극이 많으며 배수가 잘되며 미끄러지지 않는다. 배수 시설이 불필요할 뿐 아니라, Heat Island(열섬) 억제 효과가 있다고 한다.

일본의 국도나 지방 도로에서는 아스팔트 포장이 대부분을 차지하고 있어 콘크리트 포장의 보급률은 수 %에 불과하다. 따라서 CO2 흡착의 부가가치를 전면에 내세워 투수성 콘크리트 포장의 확대를 목표로 하고 있다.

자료: Nikkei Construction(2021.6.14)

<끝>
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