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더 많은 CO2를 흡수하도록 3D 프린팅 콘크리트 설계하기

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콘크리트가 환경에 미치는 한계: 모래 사용과 CO₂ 배출

지난 수십 년 동안 콘크리트는 건설의 핵심 재료로 자리 잡았으며, 특히 인구 밀도가 높은 도시 환경에서 널리 쓰이고 있습니다. 저렴하고 사용하기 쉬우며 대규모로 생산할 수 있어 벽돌, 석재, 목재를 점차 대체해 왔습니다.

하지만 문제점도 있습니다.

첫째, 자원 소비 측면에서 콘크리트는 지속 가능한 제품이라고 보기 어렵습니다. 엄청난 양의 모래를 사용하며, 보고서에 따르면 “전 세계의 모래가 고갈되고 있다”고 할 정도입니다.

시멘트 생산은 에너지 집약도가 매우 높은 작업이기도 합니다. 거의 전적으로 화석 연료에 의존하며, 그 결과 시멘트 생산은 전 세계 CO₂ 배출량의 8%를 차지합니다.

이는 자동차와 밴의 배출량에 맞먹는 수준으로, 이들 차량은 전 세계 배출량의 10%를 차지합니다. 따라서 콘크리트를 더 지속 가능하게 만드는 일은 전 세계 모든 자동차를 전기차로 전환하고 친환경 에너지만으로 운행하는 것만큼 큰 효과를 낼 수 있습니다.

그러나 탄산화라는 현상을 통해 이러한 배출량을 일부 상쇄할 수도 있습니다. 탄산화는 시멘트계 재료가 대기 중 CO2를 흡수하는 현상입니다.

ETH Zurich(스위스), University of Bath(영국), University of Manchester(영국) 연구진은 탄산화를 촉진해 일반 콘크리트보다 탄소 발자국을 줄일 수 있는 3D 프린팅 콘크리트의 가능성을 조사했습니다. 연구진은 Tor Alva에 사용된 3D 프린팅 콘크리트를 평가한 결과, 탄산화가 50년 동안 초기 탄소 발자국의 약 21%를 상쇄할 수 있다고 추정했습니다.

연구진은 연구 결과를 Cement and Concrete Research1에 발표했으며, 논문 제목은 “(재)탄산화: 지속 가능한 3D 프린팅 콘크리트를 위한 새로운 기회”입니다.

콘크리트 & CO2

콘크리트가 전 세계 탄소 배출에서 큰 비중을 차지하는 주된 이유는 석회석(CaCO3)의 소성 과정에 있습니다. 석회석은 분해되어 CO2와 산화칼슘/생석회(CaO)를 생성합니다. 생석회는 이어서 점토나 셰일에 함유된 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 산화철(Fe₂O₃)과 즉시 결합해 최종 시멘트를 형성합니다.

“이러한 배출량의 대부분(일반적으로 60% [2])은 석회석(CaCO3)의 소성 과정에서 발생합니다. 석회석은 가마에서 진행되는 클링커화 공정에 앞서 분해되어 CO2와 산화칼슘(CaO)을 생성합니다. 나머지 시멘트 CO2 배출량은 주로 열에너지 생산에 필요한 화석 연료와 관련이 있습니다.”

시멘트를 사용해 콘크리트 구조물을 만드는 다음 단계에서는 이러한 탄소 배출량을 어느 정도 상쇄할 수 있습니다.

경화된 시멘트 페이스트에서는 칼슘을 함유한 수화 생성물이 공기 중 CO2와 천천히 반응해 탄산칼슘을 형성하고, 그 과정에서 CO2를 격리합니다.

“지속 가능성의 관점에서 CO2를 결합하는 이 반응은 (재)탄산화라고 할 수 있습니다. 이 양은 시멘트 생산과 관련된 CO2 배출량의 약 43%에 해당합니다.”

하지만 탄산화 과정에는 단점도 있습니다. 콘크리트 공극 용액의 알칼리도를 낮추고, 그 결과 철근 표면에 형성된 부동태 피막이 불안정해질 수 있습니다. 이로 인해 철근이 부식되어 일반 철근 콘크리트 구조물의 수명이 줄어들 수 있습니다.

저탄소 콘크리트는 일반 포틀랜드 콘크리트보다 탄산화가 빠르게 진행되는 경향이 있어, 이는 심각한 문제가 될 수 있습니다.

콘크리트 3D 프린팅

실제 사례 살펴보기

콘크리트를 활용한 디지털 제작 방식 등 새로운 건설 공법이 주목받는 가운데, 3D 프린팅 콘크리트는 가장 널리 보급되고 유망한 기술입니다.

이 기술의 실제 탄소 발자국을 평가하기 위해 연구진은 동적 생애주기 평가(LCA) 방법론을 개발했습니다. 스위스 알프스의 물레그스 마을에 있는 3D 프린팅 타워 ‘Tor Alva’를 실제 사례로 삼았으며, 3D 프린팅으로 제작한 가지형 기둥과 돔에 초점을 맞췄습니다.

연구진은 먼저 세 가지 방법으로 탄산화를 측정했습니다. 그중 하나는 촉진 시험(이산화탄소 농도 4%, 상대 습도 67%, 온도 20 °C로 유지한 탄산화 챔버 사용)이었고, 나머지 두 가지는 자연 탄산화 결과를 이용한 방법으로, 탄산화 깊이를 직접 측정하는 방법과 열중량 분석을 통해 탄산염/CO2를 정량화하는 방법이었습니다.

실제 탄산화 속도 파악하기

관찰된 탄산화의 영향을 예측할 때 연구진은 50년을 기간으로 설정했습니다. 또한 3D 프린팅 콘크리트 구조물을 외부 형태가 비슷하고 시멘트 조성도 유사한 현장 타설 구조물과 비교했습니다.

연구진은 콘크리트가 탄산화되는 영역에서 이용 가능한 재료가 모두 반응해 CO2를 흡수한다는 사실을 확인했습니다.

“탄산화된 영역에서 결합된 CO₂의 양은 수화 결합재 100g당 CO₂ 44.16~51g입니다. 후자의 양은 가용한 규산칼슘 수화물 전체를 탈칼슘화하기에 충분한 CO₂에 해당합니다.”

다음으로 살펴볼 문제는 3D 프린팅 콘크리트가 수명 기간에 실제로 얼마나 많은 탄소를 포집할 수 있느냐는 것입니다. 가속 시험으로 탄산화 과정이 침투하는 정도를 분석한 결과, 50년 이내에 타워에 사용된 프린팅 모르타르 전체의 86%가 탄산화되며, 탄산화된 프린팅 콘크리트의 총량은 32m³에 이를 것으로 밝혀졌습니다.

이 결과를 자연 탄산화 측정값과 비교했을 때, 탄산화 깊이를 직접 측정한 값은 비슷한 수치인 89%였습니다. 측정 방법에 따라 탄산화 정도의 추정치는 달랐지만, 이 백분율은 총 CO₂ 흡수량을 직접 측정한 값이 아닙니다. 연구진은 pH 지시약을 사용할 경우 재료의 색이 변하기 전에 상당량의 CO₂가 흡수된 사실을 놓칠 수 있다고 설명합니다. 열중량 분석은 흡수량을 직접 측정하며, 이를 바탕으로 프린팅 콘크리트의 탄소 발자국이 21% 감소한 것으로 추정했습니다. 자연 탄산화의 pH 측정값을 사용했을 때의 추정치인 14%보다 큰 감소 폭입니다.

현장 타설 구조물과 비교하면, Tor Alva는 콘크리트 사용량이 25% 적고 탄산화도 더 잘 이뤄져 탄소 발자국 측면에서 더 유리합니다.

“시멘트계 재료를 25% 적게 사용했음에도 3DPC 구조물은 현장 타설 기준 구조물보다 CO₂를 2.5배 더 많이 결합할 수 있습니다(프린팅 구조물은 CO₂ 4.6t, 현장 타설 구조물은 CO₂ 1.9t).”

탄소 포집 성능 개선

이 연구는 탄산화가 빠르게 진행되면 콘크리트의 탄소 포집량이 늘어나 건물의 전 생애주기에서 발생하는 총 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있음을 보여줍니다. 철근이 없는 콘크리트 구조물과 탄산화가 더 빠르게 진행되는 3D 프린팅 콘크리트에서 특히 그렇습니다.

또한 연구 대상 사례인 스위스 알프스처럼 동결과 융해가 반복되는 환경은 경계 조건과 수분 및 CO₂ 이동을 좌우하는 내부 수송 특성 모두에 영향을 미쳤을 가능성이 큽니다.

실제로 따뜻한 기후에서는 3D 프린팅 콘크리트가 탄소 흡수원으로서 더 뛰어난 역할을 할 수도 있지만, 이를 입증하려면 추가 연구가 필요합니다.

“공극수의 동결은 공극망을 부분적으로 막아 유효 수송을 감소시키고 탄산화를 늦출 수 있습니다. 이러한 결과는 부분적인 공극 폐쇄, 수분 상태의 변화 또는 이 두 요인의 복합 작용으로 나타나는 저온의 영향을 해당 환경 조건에서 탄산화를 설명할 때 고려해야 함을 시사합니다.”

이 연구는 콘크리트 3D 프린팅을 최적화하는 새로운 관점도 제시합니다. 탄산화를 최적화하는 일이 3D 프린팅 콘크리트 구조물의 형상 최적화에 추가되는 설계 변수로 자리 잡을 수 있으며, 표면이 최대한 탄산화에 노출되도록 할 수 있습니다.

그렇다고 3D 프린팅 콘크리트가 탄소 배출이 없는 건설 방식이라는 뜻은 아닙니다. 탄산화를 최적화하더라도 시멘트 생산 과정의 소성에서 발생하는 배출량은 여전히 상당합니다. 물론 50년에 걸쳐 재흡수되는 탄소도 그동안 기후변화에 상당한 영향을 미칩니다.

그러나 이러한 탄소 배출을 시멘트 공장 단계에서 포집한다면, 콘크리트 건물에서 이후 진행되는 탄산화로 실제로 해당 기반 시설을 순 탄소 흡수원으로 만들 수 있습니다.

3D 프린팅 콘크리트는 최적화된 형상, 저탄소 결합재, 적절한 보강재를 결합해 그 목표를 가장 먼저 달성할 가능성이 큽니다. 이는 건설 자재 공급업체에 새로운 기회가 될 수 있습니다.

첨단 콘크리트 기술에 투자

CRH

CRH 가격 차트

세계적인 시멘트 생산 기업인 CRH는 시멘트 건설 산업을 더욱 지속 가능한 산업으로 전환하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다. CRH는 미국과 유럽 시장 모두에서 공급한 건설 자재 총량 기준 1위입니다.

출처: CRH

CRH는 28개국 3,390개 사업장에서 사업을 운영하며 직원 78,500명을 고용하고 있습니다. CRH Americas는 전 세계 매출의 65%를 차지합니다. CRH는 압도적인 최대 시멘트 기업이기도 하며, Arcosa를 최근 인수하면서 업계 선도 기업으로서의 입지를 더욱 굳혔습니다.

“이번 거래로 미국은 물론 세계 골재 시장에서 CRH의 선도적 입지가 더욱 공고해지고, 미국에서 가장 빠르게 성장하는 대도시 통계 지역(MSA) 가운데 일부에 대한 사업 노출도도 확대됩니다.”

출처: CRH

CRH는 서방 정부의 견고한 인프라 지출이 사업 성장에 도움이 될 것으로 기대합니다. 재산업화와 첨단 제조업의 자국 내 이전 추세도 성장에 힘을 보탤 전망입니다.

CRH는 다양한 이니셔티브를 통해 지속 가능성 측면에서 의미 있는 진전을 이뤘습니다.

  • 북미 최대의 재활용업체로, 2023년에 폐기물과 다른 산업에서 나온 부산물 4,390만 톤을 재활용했습니다.
  • 시멘트 공장에서 대체 연료를 36% 사용한 덕분에 2023년 CO₂ 배출량을 8% 줄였습니다.
  • 2021년 배출량을 기준으로 2030년까지 배출량을 30% 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다.

CRH는 업계의 근본적인 변화도 이끌고 있습니다. 특히 유럽의 콘크리트 대기업 Holcim과 함께 저탄소 시멘트 기업 Sublime에 7,500만 달러를 투자했습니다.

Sublime Systems는 2020년 MIT에서 분사해 전해조로 상온에서 시멘트를 생산하는 기술을 개발했습니다. 이 기술은 에너지와 화석연료를 많이 사용하는 가마를 대체합니다. 또한 칼슘 공급원을 원료로 사용할 수 있어 석회석 원료에서 배출되는 CO₂를 피할 수 있습니다.

Holyoke에 있는 Sublime의 첫 상업 시설은 이르면 2026년에 가동을 시작할 예정입니다. 기술의 성공이 입증된다면 시멘트 업계에 진정한 판도 변화를 가져오고, 대규모로 생산할 수 있는 저배출 콘크리트의 길을 열 수 있습니다.

CRH는 탈탄소화와 지속가능성을 추구하는 다른 스타트업에도 투자했습니다.

  • 전통적으로 탈탄소화가 어려웠던 산업을 위한 탄소 포집 솔루션을 개발하는 Cool Planet Technologies에 2,370만 유로를 투자했습니다.
  • CRH와 다른 투자자들이 Carbon Upcycling Technologies에 3,470만 달러를 투자했습니다. 이 회사는 완전 전기식 광물화 솔루션을 사용해 시멘트, 플라스틱, 소비재, 비료, 의약품 등의 산업 부산물과 광물에 CO₂를 영구적으로 저장합니다.
  • AICrete는 지역 콘크리트 생산업체와 협력하는 ‘서비스형 배합 레시피’ 플랫폼입니다. AI 분석을 활용해 현지 자재를 최적화하고 시멘트 사용량을 최소화함으로써 콘크리트 생산의 CO₂ 배출량과 비용을 모두 줄입니다.
  • FIDO AI의 시리즈 B 투자금은 AI를 활용해 물 소비를 줄이고 물 절약을 늘리는 스타트업에 투입됩니다.

마지막으로 CRH는 3D 콘크리트 프린팅(3DCP)에도 투자하고 있습니다. 투자는 자회사 Amerimix를 통해 이뤄집니다.

전반적으로 CRH는 콘크리트 및 건설 업계의 수익성 높은 선도 기업입니다. 기존 시설에서 직접 탈탄소화를 추진하는 한편, 탈탄소화와 3D 프린팅을 비롯한 차세대 시멘트·콘크리트 생산 기술을 개발하는 혁신 스타트업에 주요 자본 공급자로 나서며 업계의 탈탄소화에 적극적으로 대비하고 있습니다.

CRH(CRH) 주식 관련 최신 뉴스와 동향

참고한 연구

1. Lucas Nascimento de Lima. (재)탄산화: 지속가능한 3D 프린팅 콘크리트의 새로운 기회. Cement and Concrete Research. 2026년 12월. 논문 번호: 108411. 제210권. 10.1016/j.cemconres.2026.108411

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Jonathan은 유전 분석 및 임상 시험을 수행한 전직 생화학 연구원입니다. 그는 현재 주식 분석가이자 금융 작가이며, 혁신, 시장 주기 및 지정학에 초점을 맞춘 출판물 'The Eurasian Century'을 운영하고 있습니다.