시멘트·콘크리트 국내 현황 및 세라믹건재로서 새 패러다임

이 종 규_ 한국세라믹기술원 수석연구원

1. 서 론
시멘트·콘크리트재료는 건설·토목 사업 등의 기초소재로 활용되어 우리나라의 경제성장에 주도적인 역할을 해왔다. 그러나 시멘트·콘크리트 산업은 대표적인 자원 및 에너지 다소비 산업이며 특히 이산화탄소를 다량으로 발생하는 산업중 하나이다. 최근 사회적인 이슈인 친환경 기술과 관련하여 에너지 절약기술 및 신재생에너지 기술과 더불어 친환경 및 이산화탄소 배출 저감기술이 주목받고 있다. 또한 국내에서는 시멘트·콘크리트 산업의 유해성 논란이 사회적인 이슈로 등장하고 있으며 환경부하 및 에너지 저감에 대한 사회적인 요구가 증가함에 따라 이를 해소하기 위한 기술 개발과 정책적인 지원이 절실히 필요다. 자원 및 에너지 절감을 위하여 전 세계적으로 재생 연료 및 순환자원을 적극적으로 활용하고 있으며, 이로 인하여 발생할 수 있는 유해성문제는 연료・원료의 전처리 시스템 등 고효율 설비를 도입하여 대응하고 있다. 국내에서는 시멘트 유해성 해소를 위하여 환경부와 자율기준을 맺어 중금속을 관리하고 있으며 계속적으로 자율기준은 강화되는 추세이다. 따라서 현재 국내에서 시행되고 있는 출발원료의 관리 및 제어 등의 소극적인 방법 보다는 순환자원을 적극적으로 활용함과 동시에 이로 인하여 발생 될 수 있는 유해물질을 획기적으로 저감 할 수 있는 신 공정 기술개발이 절실히 필요할 것이다. 콘크리트 측면에서는 가능하면 시멘트 사용량을 줄이거나 나아가 시멘트를 전혀 사용하지 않는 새로운 기술개발이 진행되고 있다.
이와 같이 현재 전 세계는 기술발달의 가속 및 경제규모의 거대화, 지구온난화 방지를 위한 전세계적 협력체계 구축 등 글로벌화가 심화되고 있으며, 이는 건설 분야에서도 글로벌화, 녹색건설 증대 및 기술혁신의 요구 대두되고 있다. 국제 탄소배출량은 2008년 28.8Gt에서 2020년 34.5Gt, 2030년 40.2Gt로 계속 증가할 것으로 전망되고 있으며(IEA, World Energy Outlook) 우리나라의 CO2 배출량은 2007년 기준 4억8천870만톤으로 2006년에 이어 2007년에도 OECD내에서 6위, 전 세계에서 9위를 차지하고 있다.(IEA, World Energy Outlook).
따라서 시멘트·콘크리트 제품 생산 및 적용에 있어서 유해물질을 저감 시키고, 순환자원을 적극 활용 할 수 있도록 하여 환경부하를 최소화를 최소화시키고 또한 이산화탄소를 획기적으로 감축할 수 있는 시멘트·콘크리트 제품의 친환경 소재 설계/ 생산기술, 고효율 친환경 소재제조 공정기술 개발이 필요할 것이다.

2. 시장 현황 및 전망
국내 시멘트 생산량은 평균 5,000만 톤 정도로 큰 폭의 증가나 감소가 없이 유지되는 경향을 나타내고 있다. 시멘트는 건설경기에 따라 영향을 받으나, 모든 건설공사에 사용되는 기초재료이므로 앞으로도 큰 폭의 변동은 없을 것으로 예상된다. 그러나 전 세계는 물론 국내에서도 온실가스 저감을 위한 다양한 정책 및 기술이 개발되는 상황에서 CO2 발생의 주요원인인 시멘트는 CO2 발생이 없거나 낮은 건설재료로 대체될 가능성이 높다. CO2 발생량이 낮은 시멘트 대체 건설재료가 개발되고 대량생산될 경우 시멘트 시장진입이 용이할 것으로 예상된다.
세계 시멘트 생산량은 매년 전년대비 5% 이상 증가되었으며, 2006년 생산량은 2,573백만 톤으로 전년대비 약 12%의 생산증가율을 나타내고 있다. 또한 2008년에는 2,830백만 톤으로 증가하였으며, 이는 중국, 인도 및 동유럽 등의 생산량 증가에 기인한다. WBCSD/CSI의 분석에 의하면 시멘트 산업은 지속적인 성장을 하며 2050년 시멘트 생산량은 현재의 2배 수준으로 도달 예상된다.(IEA 전망)
콘크리트는 시멘트와 골재를 원료로 제조하는 대표적인 건설재료로 시멘트의 주요 수요대상이며, 건설자재 중 콘크리트(레미콘 대상)는 14.3%로 금속자재를 제외하면 가장 높은 구성을 차지한다. 콘크리트 출하량은 연간 약 300백만 톤으로 2007년을 기점으로 다소 감소되는 추세를 보이고 있다. 콘크리트는 향후의 건설트렌드 변화에 부응하여 CO2 발생원인 시멘트의 비율을 감소하고 산업부산물 활용을 증대하는 추세로 시장변화가 예측되고 있으며, 건축물 및 구조물의 대형화, 초고층화 및 경제적 시공을 위한 건설재료의 고성능화 추세로 향후 시멘트 저감형 고성능 콘크리트 시장이 형성될 것으로 예상된다.

3. 시멘트·콘크리트 산업에서 CO2 배출
2008년 국내 전체 CO2 발생량은 6.6억 톤으로 콘크리트산업에서 약 10% 발생정도 발생되는 것으로 조사되었으며, 대부분의 CO2는 시멘트 제조 시 발생되는 것으로 알려져 있다. 따라서 콘크리트 제조시 시멘트 사용량을 줄이는 것이 CO2 발생량을 저감하기 위한 방법이라고 할 수 있다. 이를 위하여 고로슬래그 미분말이나 플라이애시 등의 혼화재료의 성능개선 및 콘크리트 배합 조정을 통한 시멘트 량을 저감하는 방법으로 온실가스의 대부분을 차지하고 있는 CO2 발생량 감소시킬 수 있다. 산업부산물의 재활용 측면에서 현재에도 다양한 방법으로 콘크리트 제조 시 고로슬래그 미분말이나 플라이애시를 사용하고 있으나, 이는 콘크리트 제조원가 절감의 측면에서 사용하는 것으로 이산화탄소 저감에는 큰 효과가 없지만, 콘크리트 생산에서 혼화재료를 대량(약 80% 이상)으로 사용할 경우에는 이산화탄소를 크게 절감할 수 있다.
시멘트의 제조공정은 원료 공정, 소성 공정, 마무리 공정의 3 공정으로 크게 나누어지며 이중 소성 공정에서의 석회석의 탈탄산 및 소성용 연료의 연소에 기인하는 것이 온실가스 배출량의 약 90%를 차지함. 국내 시멘트산업의 경우 지속적인 설비투자로 세계 최고수준의 에너지 원단위 실현하고 있기 때문에 설비 효율 향상을 통한 온실가스 배출 저감에는 한계가 있다.
- 최신 설비인 NSP 설치 비중: 한국 85%, 일본 83%(2004년 기준)
※ 에너지 원단위[KJ/Kg-Cement]: 한국 3,518, 일본 3,407(2004년 APP)
따라서 현재 시멘트 업계에서는 순환자원 활용 대체원료투입 및 이산화탄소를 저감시키기 위해서 raw material로 이소성 원료의 사용, CaO(CaCO3가 아닌) 함유 부원료 사용 및 배합설계비 제어에 의한 석회석 투입량 감소를 유도하고 있으며, 또한 킬른 버너, 냉각기 등의 고효율 장비 설치 및 분쇄기/세퍼레이터 등의 고효율화 등을 추구하여 에너지 저감 및 CO2 발생량 저감을 이루고자함. 또한 보조버너(주로 석회석 탈탄산용)와 메인버너(클링커 소성용)에서 대체연료를 투입하기도 하며, CO2 저감을 위한 가장 효과적인 방법으로 첨가제 함량을 증대시키는 것을 고려할 수 있으며, 현재 슬래그 및 석회석 사용을 고려하고 있다.
시멘트산업에서 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 연구개발이 전 세계적으로 아래의 4개 분야의 로드맵을 채택하여 적극적으로 시행하고 있다.

International Energy Agency(IEA)에서 시멘트 제안하는 Key Option
● Improve thermal and electric efficiency
● Alternative feul use
● Clinker substitution and blended cements
● CO2 Capture and Storage(CCS)
따라서 국내에서도 포틀랜드 시멘트(OPC) 첨가제 비율을 현행 5%에서 10~15% 이상으로 상향시키는 물성향상 기술이 개발 되어야 하며, 혼합시멘트 생산비율을 확대하기 위하여 다양한 혼합재의 개발되어야 할 것이다.(EMC 기법등)
유럽, 미국등을 중심으로 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 적극적인 방법으로 최근 Oxy-fuel technology, Post-combustion technology를 이용한 CO2 capture and storage(CSS) 시스템을 적극적으로 검토하고 있으며, 2050년도 까지는 전 세계 시멘트 공장의 절반을 CCS로 운용하려는 기본 계획을 가지고 있다. 우리나라의 경우 이산화탄소 포집기술에 대한 검토는 하고 있지만 실제로 시멘트 공정에 적용한 예는 아직 없기 때문에, 세계적인 연구개발 추세에 맞추어 CCS에 대한 적극적인 검토가 필요하다.

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그림 1. 국가 온실가스 감축목표(국토해양부, Literature Research)

그림 2. 연도별 국내 시멘트 생산량 추이(자표: 한국시멘트협회)

그림 3. 세계 시멘트 생산 현황 (2008년 기준 Source : CEMBUREAU))

표 1. 시멘트 시장규모 전망(단위 : 억원)
표 2. 각 부문별 10대 주요국가(단위 : 천톤 - 시멘트)
그림 4. 전 세계 시멘트 생산량(Source :WBCSD/CSI)

그림 5. 연도별 국내 레미콘 생산량 추이(자료: 국토부, 건설자재현황, 2010. 5)

표 3. 국내 콘크리트 시장전망
그림 6. 시멘트 콘크리트 산업에서의 CO2 배출 및 에너지 소비

그림 7. 시멘트 제조공정과 에너지 및 CO2 절감방안

그림 8. 시멘트 산업에서의 이산화탄소 배출량 및 향후 예상(2009년 APP 자료)

그림 9. Oxy-fuel technology의 개념도

그림 10. Post-combustion technology 개념도

그림 11. 에코시멘트 제조 공정도

그림 12. 순환자원 이용 처리 개념도

그림 13. 염소바이패스 시스템의 구성도

그림 14. 바이패스 더스트로 부터 KCl 회수시스템

그림 15. HVMA(High Volume Mineral Admixtute) 콘크리트

그림 16. 무시멘트(지오폴리머) 합성 기술 예

그림 17. Carbon negative cement 개발

이 종 규
한양대학교 무기재료공학과 학사
한양대학교 무기재료공학과 석사
한국과학기술연구원 세라믹공정연구실 연구원
동경공업대학 무기재료공학과 박사
동경공업대학 무기재료공학과 조수
니가타 대학 건설학과 조수
현재 한국세라믹기술원 에너지환경소재본부 수석연구원

<자세한 내용은 세라믹코리아 2014년 5월호를 참조바랍니다.>