지속가능성
콘크리트는 과거에도 현재도 앞으로도 중요한 구조 재료입니다 – 그 한계를 어떻게 극복할 수 있을까요?
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콘크리트의 한계
콘크리트는 지난 수십 년간 특히 밀집된 도시 환경에서 건설의 핵심 재료가 되었습니다. 저비용, 사용 용이성 및 확장성 덕분에 점차 벽돌, 돌, 목재를 대체해 왔습니다.
하지만 문제점이 없지는 않습니다.
지속 가능성
첫째, 자원 소비 측면에서 지속 가능한 제품이라고는 할 수 없습니다. 엄청난 양의 모래를 소비하는데, 심지어 세계가 “모래가 부족해지고 있다”라는 설명이 나올 정도입니다.
시멘트 생산은 또한 매우 에너지 집약적인 활동입니다. 거의 전적으로 화석 연료에 의해 구동되어, 시멘트 생산이 전 세계 CO2 배출량의 8%를 차지함.
이는 자동차와 밴의 CO2 배출량과 비교할 수 있는데, 전 세계 배출량의 10%를 차지함. 따라서 콘크리트를 더 지속 가능하게 만드는 것은 전 세계 모든 자동차를 전기차로 전환하고 친환경 에너지로만 전력을 공급하는 것만큼 큰 영향을 미칠 것입니다.
내구성
콘크리트 건물이 수세기 동안 지속된다면, 모래 소비와 CO2 배출이 한 번만 발생하고 오랫동안 건축물이 유지된다고 볼 수 있었을 것입니다.
하지만 이는 사실과 거리가 멉니다. 오늘날 건축되는 대부분을 차지하는 철근 콘크리트 건물은 평균 수명이 50~100년에 불과함. 그런 다음 완전히 철거되고, 잔해는 어디엔가 매립된 뒤, 처음부터 다시 건설되어야 합니다.
새로운 콘크리트 기술
이러한 높은 환경 비용과 내구성 부족이 결합되면서 콘크리트의 개선이 필요합니다. 물론 이론적으로는 건축의 기본 재료를 돌, 점토, 목재만으로 완전히 되돌릴 수 있습니다. 그러나 콘크리트의 실용성과 저비용 때문에 건축가들이 선호하는 재료 위치에서 벗어나기 어렵습니다.
강철 제거
현대 콘크리트의 낮은 내구성의 주요 원인은 삽입된 강철 철근(보강바)입니다. 강철 철근은 콘크리트의 인장 강도(당겨지거나 늘어나는 것을 견디는 능력)를 급격히 향상시켜 중요한 구조적 이점을 제공합니다.
문제는 주로 철로 구성된 강철이 결국 녹슨다는 것입니다. 녹이 발생하면 팽창하여 주변 콘크리트를 갈라놓습니다. 이는 흔히 콘크리트 암암이라고 불리며, 철근 콘크리트가 오래 지속되지 못하는 이유입니다.
출처: USNW Sydney
그래핀 콘크리트
우리가 새로운 재료를 발명함에 따라 새로운 솔루션을 콘크리트에 적용할 수 있습니다. 콘크리트에 뛰어난 2D 소재인 그래핀을 추가함으로써, 버지니아 대학교 연구원들은 콘크리트의 성능을 향상시키고 내구성을 높이며 탄소 배출을 감소시키는 데 성공했습니다.
이 연구는 “인쇄 가능한 그래핀 강화 시멘트 복합재의 유변학적, 기계적 및 환경 성능(석회석 및 소성 점토 포함)”라는 제목으로 Journal of Building Engineering에 게재되었습니다.
그들은 3D 프린팅 방식에 사용되는 콘크리트에 초점을 맞췄으며, 이 주제는 우리가 “북미에서 주택 소유가 그 어느 때보다도 더 어려워졌습니다 – 3D 프린팅이 이를 바꿀 수 있을까요?”에서 자세히 다루었습니다.
그래핀 강화 LC2 콘크리트는 기존 인쇄 가능한 콘크리트 혼합물에 비해 온실가스 배출을 약 31% 감소시킬 수 있습니다. 이는 생산 시 큰 탄소 배출원이 되는 강철 대신 순수 탄소로 만든 그래핀을 사용했기 때문입니다. 따라서 보강 부분에 대해서는 이 새로운 콘크리트가 탄소를 배출하는 대신 포집합니다.
하지만 시멘트 부분은 여전히 탄소 집약적인 공정이며, 이는 좋은 첫걸음입니다.
또한 그래핀은 훨씬 더 안정적이며 산화(녹)되지 않기 때문에 이러한 콘크리트는 콘크리트 암암으로부터 안전할 것입니다. 결과 건물이 훨씬 오래 지속된다면 장기적으로 배출량이 크게 감소하게 됩니다.
헴프 철근
그래핀과 같은 첨단 재료가 유일한 옵션은 아닐 수 있습니다. 현재 그래핀은 비용이 많이 들어 이러한 고성능, 저배출 콘크리트의 상용화를 방해할 수 있기 때문에 좋은 소식입니다.
헴프(대마 식물의 비정신활성 종)는 건축 자재에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 적절히 가공하면 단열재, 소형 건물용 헴프 블록, 그리고 헴프콘크리트로 전환될 수 있습니다.
출처: 2050 Materials
또한 헴프 기반 로프와 열가소성 슬리브를 혼합한 천연 섬유 강화 열가소성(NFRT) 복합 철근 형태로 콘크리트용 철근, 즉 헴프 철근으로 성형될 수 있습니다.
출처: CASE
헴프는 식물 섬유이므로 대기 중 탄소를 고정하는 탄소 음성 효과가 있습니다. 또한 헴프는 매우 내구성이 높고 불연성입니다.
자체 치유 콘크리트
모든 콘크리트가 수십 년만 지속되는 것은 아닙니다. 일부 콘크리트 형태는 로마 제국 시대로 거슬러 올라가 수천 년 동안 견고하게 유지되었습니다. 예를 들어, 유명한 판테온은 세계에서 가장 큰 비보강 콘크리트 돔으로 기원후 128년에 건설되었습니다.
첫 번째 핵심은 이러한 콘크리트 구조가 철근을 전혀 사용하지 않았다는 점입니다. 또한 화산암과 화산재와 같은 특수 재료를 사용해 콘크리트가 어느 정도 자체 복구되도록 만들었습니다.
콘크리트 난방
부식 외에도 겨울에 발생하는 동결-융해 사이클이 콘크리트 건물을 손상시킬 수 있는 또 다른 요인입니다. 물이 얼음으로 변하면서 팽창해 콘크리트가 조금씩 부서지거나 균열이 생깁니다. 시간이 지나면서 이러한 손상은 점점 심각해질 수 있습니다.
“자체 난방 콘크리트가 도로, 대수층 및 지갑에 도움이 될 수 있다”에서 우리는 저온 상변화 물질(PCM)을 파라핀 마이크로캡슐에 포함시켜 콘크리트에 직접 혼합하는 방법을 탐구했습니다.
이는 0°C 정도의 온도에서 콘크리트를 서리 없이 유지하고 겨울 도로 유지보수 필요성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
탄소 없는 시멘트
시멘트의 탄소 배출량이 자동차만큼이나 높기 때문에, 관련 탄소 배출을 줄이거나 완전히 제거하는 중요한 개선이 필요하지만 말처럼 쉽지는 않습니다.
친환경 에너지
시멘트 생산에는 많은 열이 필요하므로, 화석 연료 기반 가마와 소성로를 대체할 전기 또는 열 기반 대안의 개발이 필요합니다.
이는 반드시 매우 복잡한 기술 과제는 아니지만, 전체 산업이 장비를 교체하고 새로운 기술을 채택하는 데는 시간이 걸릴 것입니다.
또한 화석 연료 기반 산업 공정의 전기 대안은 사용하는 전기가 얼마나 친환경적인가에 따라 달라집니다. 따라서 지속적인 탄소 없는 전력 공급도 필요합니다.
석회석 관련 배출
시멘트 생산에서 탄소 배출을 제거하는 큰 문제는 모든 배출이 에너지 소비에서만 발생하는 것이 아니라는 점입니다. 만약 그렇다면, 석회석을 시멘트로 가열하는 데 친환경 전기만 사용하면 충분했을 것입니다.
하지만 석회석 자체가 시멘트의 기본 원료로서, 다음 이 식(Δ=열) 에 따라 CO2를 배출합니다: CaCO3 + Δ → CaO + CO2, 이는 소성이라고 하는 과정입니다.
- 석회석 대체: 탄산칼슘(석회석) 대신 규산칼슘을 사용함으로써, Brimstone 회사는 탄소 없는 시멘트를 만들 것을 제안합니다.
- 규산칼슘은 매우 풍부한 광물이라, 주로 기술 개발과 상업적 경쟁력 확보가 과제입니다.
- 탄소 포집: 현재 대부분의 시멘트 생산 시설은 화석 연료 기반 소성로와 석회석을 사용하고 있어, 배출을 피하기보다 포집하는 것이 더 쉬울 수 있습니다.
지속 가능한 시멘트 기업
CRH 가격 차트
시멘트 생산 분야의 세계적인 선두 기업 중 하나인 CRH는 시멘트 건설을 보다 지속 가능한 산업으로 전환하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다. 미국과 유럽 시장 모두에서 제공되는 건설 자재 총량 1위입니다.
이 회사는 28개 국가와 3,390개 현장에서 활동하며 78,500명의 직원을 고용하고 있으며, CRH Americas는 2023년 전 세계 매출의 65%를 차지합니다.
이 회사는 서구 정부의 인프라 투자 확대가 사업 성장에 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다. 재산업화와 첨단 제조의 내셔틀링 추세도 도움이 될 것입니다.
지속 가능성
CRH는 일련의 이니셔티브를 통해 지속 가능성에서 큰 진전을 이루었습니다:
- 2023년에 다른 산업의 폐기물 및 부산물 4,390만 톤을 재활용하여 북미에서 가장 큰 재활용 업체 1위입니다.
- 시멘트 공장에서 36% 대체 연료를 사용함으로써 2023년에 CO2 배출량을 8% 감소시켰습니다.
- 2030년까지(2021년 배출량 대비) 배출량을 30% 감축하는 것을 목표로 하고 있습니다.
이는 자체적으로 칭찬할 만하지만, 너무 늦고 부족하다는 평가도 있습니다.
다행히도 CRH는 산업에 보다 근본적인 변화를 주도하고 있습니다. 특히, 저탄소 시멘트 기업 Sublime에 7,500만 달러를 투자했으며, 유럽 콘크리트 대기업 Holcim과 함께 진행했습니다.
Sublime Systems는 2020년 MIT에서 분리되어 전해조를 이용해 상온에서 시멘트를 생산함으로써 에너지와 화석 연료 집약적인 가마를 대체합니다. 또한 석회석 투입으로 인한 CO2 배출을 피하기 위해 칼슘 원료를 투입 재료로 사용할 수 있게 합니다.
Sublime의 첫 상업 시설인 Holyoke 공장은 2026년 초기에 개장될 것으로 예상됩니다. 성공이 입증된다면 시멘트 산업의 진정한 게임 체인저가 될 수 있으며, 확장 가능한 저배출 콘크리트로 가는 길을 열게 될 것입니다.
“Sublime은 시멘트 제조에 있어 파괴적인 힘입니다. 이 고유 기술은 청정 전기 사용부터 탄소 없는 원료까지 전체 생산 과정을 아우릅니다. 우리는 그 잠재력에 대해 기대하고 있으며, 이를 대규모 시장에 선보이기 위해 협력하게 되어 기쁩니다. 이번 투자는 Holcim이 가장 혁신적인 기술을 확대하여 건설 탈탄소화를 가속화하려는 전략과 완전히 일치합니다.”
Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability
CRH는 또한 다른 탈탄소화 및 지속 가능성 스타트업에도 투자했습니다:
- €23.7백만을 Cool Planet Technologies에 투자했으며, 전통적으로 탈탄소화가 어려운 산업을 위한 탄소 포집 솔루션을 개발하고 있습니다.
- $34.7백만을 CRH와 기타 투자자들이 Carbon Upcycling Technologies에 투자했으며, 전기 기반 광물화 솔루션을 사용해 시멘트, 플라스틱, 소비재, 비료, 의약품 등 산업 부산물 및 광물에 CO2를 영구 저장합니다.
- AICrete, 현지 콘크리트 생산업체와 협력하여 AI 분석을 통해 현지 재료를 최적화하고 시멘트 사용량을 최소화하는 ‘레시피-서비스’ 플랫폼으로, CO2 발자국과 콘크리트 생산 비용을 모두 감소시킵니다.
- FIDO AI의 Series B 펀딩은 AI를 활용해 물 소비를 줄이고 물 절감을 늘리는 스타트업입니다.
전반적으로 CRH는 콘크리트 산업의 수익성 높은 선두 기업이며, 기존 시설에서 직접 그리고 차세대 시멘트 및 콘크리트 생산 기술을 창출하는 혁신적인 스타트업에 주요 자본을 제공함으로써 산업 탈탄소화를 적극적으로 준비하고 있습니다.
