탄소중립을 위한 기술적인 개선 노력 - 시멘트분야

시멘트 생산 분야의 탄소배출 현황

 시멘트 산업은 전 세계 탄소 배출의 약 8%를 차지하는 주요 산업 중 하나이다. 시멘트 제조 과정에서 가장 큰 탄소 배출 요인은 원료인 석회석을 가열하여 클링커(시멘트의 주성분)를 생산하는 소성 공정과 연료 연소에서 발생하는 CO₂이다.

 

 클링커 제조 과정에서 석회석이 분해되면서 다량의 이산화탄소가 배출되며, 이 과정이 전체 시멘트 생산 탄소 배출의 50~60%를 차지한다. 나머지는 주로 공장 운영과 에너지원으로 사용되는 석탄, 석유, 천연가스 연소에서 기인한다.

현재 시멘트 산업의 탈탄소화가 필수적인 과제로 대두되고 있으며, 글로벌 시멘트 생산 기업들은 탄소 배출 감축 목표를 설정하고 친환경 기술 도입을 가속화하고 있다. 유럽연합(EU)과 미국을 비롯한 여러 국가에서는 탄소세 도입 및 배출 규제 강화 정책을 추진하고 있어 시멘트 산업이 변화하지 않을 경우 경쟁력을 잃을 위험이 커지고 있다.

 

탄소배출을 줄이기 위한 시멘트 산업의 다양한 기술 개발 현황

 탄소배출을 줄이기 위하여 시멘트 산업은 다양한 기술개발 및 환경보호에 대한 의무를 요구받고 있다. 따라서 탄소 중립을 위하여 시멘트 산업에서는 여러가지 기술을 개발하고 있으며, 대표적인 기술적 접근 방식으로 아래와 같다.

 

 1. 대체 원료 및 연료의 사용: 석회석 대신 저탄소 원료를 활용하거나 폐기물을 연료로 사용하여 배출량을 감소시킨다. 예를 들어, 바이오매스 연료 사용, 폐플라스틱 및 폐타이어 연소 등으로 연료를 대체하는 시도가 이루어지고 있다.

 2. 클링커 비율 감소: 시멘트 내 클링커 함량을 줄이고, 플라이 애시(석탄 발전소 부산물), 고로 슬래그(제철소 부산물) 등의 산업 부산물을 혼합하여 탄소 배출을 절감한다. 일부 친환경 시멘트 제품은 클링커 함량을 50% 이하로 낮추는 방식으로 제작되고 있다.

 3. 탄소 포집 및 저장 기술(CCS): 배출된 이산화탄소를 포집하여 저장하거나 활용하는 방식으로 탄소 배출량을 감소시킨다. 현재 대형 시멘트 제조업체들은 CO₂를 포집하여 탄산칼슘 생산, 합성연료 제조 등의 방식으로 재활용하는 연구를 진행하고 있다.

4. 이산화탄소 반응 경화 시멘트: 기존의 수경성 시멘트 대신 CO₂와 직접 반응하여 경화되는 방식으로 탄소 배출을 줄이는 기술이다. 이 기술은 CO₂를 적극적으로 포집하여 제품 자체에 저장할 수 있기 때문에 탄소 중립 효과를 극대화할 수 있다.

 

이산화탄소 반응경화 시멘트 기술 개요

이산화탄소 반응경화 시멘트는 전통적인 수경성 시멘트와 달리 물이 아니라 CO₂와 반응하여 경화되는 방식으로 제조된다. 이 기술은 CO₂를 포집하여 제품 자체에 저장할 수 있기 때문에 탄소 배출을 실질적으로 줄이는 효과가 있다. 대표적인 기술적 특징은 다음과 같다.

 

 1. 이산화탄소 반응경화 시멘트는 1400℃에 달하는 기존의 포틀랜드 시멘트의 제조 온도 보다 낮은 온도에서(약 1100℃ ~1200℃)에서 제조가 가능하여 에너지 소비량을 줄일 수 있으며 이 때 발생하는 이산화탄소 또한 저감할 수있다.

 2. 콘크리트 양생 과정에서 물이 아닌 이산화탄소를 흡수하여 경화되므로 탄소중립 효과를 극대화 할 수 있다.

 3. 물 사용량을 줄이고 콘크리트의 강도와 내구성을 향상시킬 수 있다.

 4. 경화 과정에서 배출되는 유해물질이 적어 환경 부담을 완화시킬 수 있다.

 이 처럼이산화탄소 반응경화 기술은 기존 시멘트 공장에서 일부 공정을 수정하여 적용할 수 있기 때문에 비교적 도입이 용이하며, 최근 친환경 건설 시장의 성장과 함께 각광받고 있다.

 

이산화탄소 반응경화 시멘트 개발 기업

 이산화탄소 반응경화 시멘트는 2010년대 후반에서 2020년대 초반부터 기술 개발이 진행되고 있으며 해당 기술을 개발하고 있는 기업은 다음과 같다.

 

 1. CarbonCure Technologies  (캐나다): 콘크리트 생산 과정에서 CO₂를 주입하여 강도를 높이고 탄소 배출을 줄이는 기술을 개발. 미국, 캐나다를 중심으로 여러 건설 프로젝트에 적용되고 있다.

 2. Solidia Technologies (미국): CO₂를 활용한 저탄소 시멘트 및 콘크리트 양생 기술을 연구하며, 기존 포틀랜드 시멘트보다 30~40% 낮은 탄소 배출을 기록하고 있다.

3. Blue Planet (미국): 포집된 CO₂를 활용해 탄산칼슘 기반의 친환경 콘크리트 골재를 생산하는 기술을 개발. 이 기술을 적용하면 콘크리트의 전체 탄소 배출량을 음의 값으로 만들 수도 있다.

4. Novacem (영국): 마그네슘 실리케이트를 원료로 사용하여 경화 과정에서 CO₂를 흡수하는 방식의 친환경 시멘트 개발. 기존 시멘트 대비 탄소 배출량을 대폭 줄일 수 있다.

5. CarbiCrete (캐나다): 포틀랜드 시멘트 대신 강철 슬래그를 사용하고 CO₂를 주입하여 콘크리트를 경화시키는 기술을 개발. 기존 콘크리트보다 강도가 뛰어나며 탄소 배출이 거의 없는 것이 특징이다.

 

이산화탄소 반응경화 시멘트 개발 기업의 특허 동향

 이산화탄소 반응 경화 시멘트 개발 기업들의 특허 동향을 살펴보면 특허 건수에서는 'Blue Planet'(이하 블루 플래닛)과 'SOLIDIA'(이하 솔리디아)가 150여건으로 가장 많은 특허 출원 활동을 나타내고 있다. 최근 출원 비중 또한 블루 플래닛과 솔리디아가 가장 특허 출원 부상도가 높게 나타나고 있어 연구개발 및 권리화에 적극적인 것으로 확인된다.

 

 

 이산화탄소 반응 경화 시멘트를 개발하고 있는 기업들의 특허들 모두가 해당 기술에 관련된 특허들은 아니다. 각 기업들이 출원한 특허들이 어떤 기술 분야인지를 확인해보면, 블루플래닛은 다양한 기술을 개발하고 있었으며 기술 개발 분야는 배기가스, 매연 등의 정화와 관련된 기술들을 주로 개발하고 있었으며 이산화탄소 반응 경화 시멘트 관련 기술은 점유율이 3번째에 위치하고 있었다.

 

 솔리디아는 콘크리트 조성물, 다공질 몰타르, 및 콘크리트를 성형하기 위한 성형에 관련된 기술을 개발하고 있어서 대부분의 특허가 이산화탄소 반응 경화 시멘트와 관련된 기술로 확인된다.  실제로 2020년 이전에는 수경성시멘트에 대한 특허가 다수를 이루고 있으나 2020년 이후부터는 이산화탄소 반응 경화 시멘트 분야가 대다수를 이루고 있었다.

 

 그 외에 Carbicrete와 Carboncure 또한 이산화탄소 반응 경화 시멘트 분야의 기술 개발을 활발히 진행하고 있는 것으로 나타났다. 

 

결론 및 시사점

 시멘트 산업의 탄소 배출 저감은 기후 변화 대응을 위한 필수적인 과제이며, 이를 해결하기 위한 기술적 발전이 빠르게 진행되고 있다. 특히, 이산화탄소 반응경화 시멘트 기술은 기존 시멘트 산업의 구조를 크게 바꾸지 않으면서도 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 또한, 탄소 포집 및 활용 기술과 결합하면 건설 산업 전반에서 탄소 중립을 실현하는 데 큰 기여를 할 수 있을 것이다.

 대한민국은 이산화탄소 반응 경화 시멘트 분야를 2021년 산업부 예타에 포함시켜 기술개발을 지원하고 있으나 아직 특허적인 측면에서는 소기의 목적을 달성하지 못하고 있는 것으로 나타났다. 탄소 중립 분야에 필수적인 기술로 여겨지는 이산화탄소 반응 경화 시멘트 기술은 특허에서 분석한 것 처럼 미국과 캐나다 등의 기업들이 다양한 특허를 출원하며 권리를 선점하고 있다. 그러므로 지속적인 연구 개발과 산업계의 협력, 그리고 정부의 정책적 지원이 뒷받침된다면 탄소중립 목표 달성을 앞당길 수 있을 것이다. 이에 따라, 기업과 연구기관뿐만 아니라 정책 결정자들의 적극적인 관심과 투자가 필요한 시점이다.