지속가능성
해수에서 시멘트 재료를 추출하면서 탄소를 포집하기
콘크리트는 현대 세계에서 필수적인 재료이며, 모래와 시멘트는 실제로 전 세계에서 부피와 무게 기준으로 가장 대규모로 생산되는 재료 중 하나입니다.
시멘트 생산은 또한 매우 에너지 집약적인 활동입니다. 거의 전적으로 화석 연료에 의해 구동되어, 시멘트 생산이 전 세계 CO2 배출량의 8%를 차지하게 됩니다.
이는 자동차와 밴의 CO2 배출량과 비교할 수 있는데, 이들은 전 세계 총 배출량의 10%를 차지합니다. 따라서 콘크리트를 보다 지속 가능하게 만드는 것은 전 세계 모든 자동차를 전기차로 전환하고 친환경 에너지만으로 구동하는 것만큼 큰 영향을 미칠 것입니다.
시멘트 제조에서 발생하는 탄소 배출의 상당 부분은 원료 채굴, 파쇄, 가공 및 정제 과정에서 발생합니다. 석회석과 같은 탄산칼슘이 풍부한 암석(CaCO3)은 채굴되어 점토와 혼합되어 콘크리트의 원료가 됩니다.
지구에는 또 다른 탄산칼슘 공급원으로 해수가 있습니다. 바다에는 많은 용해된 무기질이 포함되어 있는데, 물론 식염(나트륨 및 염소 이온)뿐만 아니라 마그네슘, 칼슘, 칼륨, 그리고 심지어 금속까지 포함됩니다. 특히 우라늄이 눈에 띄며, 언젠가 세계의 우라늄 광산 대신 해양에서 채취될 가능성도 있습니다. 탄산 이온 형태의 용해된 CO2도 바다에 풍부하여, 바다는 지구에서 가장 강력한 탄소 흡수원 중 하나가 됩니다.
노스웨스턴 대학교와 CEMEX Innovation Holding AG(스위스) 소속 과학자들은 이제 이 해양에서 풍부한 자원을 활용하여 콘크리트 원료를 생산하면서 CO2를 배출 대신 포집할 수 있는지 탐구하고 있습니다. 그들은 실험 결과를 Advanced Sustainable Systems에 “Electrodeposition of Carbon‑Trapping Minerals in Seawater for Variable Electrochemical Potentials and Carbon Dioxide Injections”라는 제목으로 발표했습니다.
수전해
물(H2O)은 강력한 전류를 가함으로써 수소와 산소로 분해될 수 있으며, 일반적으로 전기화학 반응의 속도와 효율을 높이기 위해 촉매가 사용됩니다. 이는 재생 에너지에서 전력을 공급받는 친환경 수소 생산의 기반이 됩니다.
하지만 순수하지 않은 물, 특히 해수를 사용할 경우 전해 반응이 물에 용해된 무기질과도 반응합니다.
이는 일반적으로 원하지 않는 반응으로, 전극에 침전물을 형성하고 수소 생산이라는 본래 목표에서 에너지를 빼앗게 됩니다.
하지만 전해 조건을 조정하면 이 원치 않는 부산물 반응을 칼슘 탄산염을 생산하는 유용한 새로운 방법으로 전환할 수 있습니다.
해수에서 시멘트 생산
무한한 공급
이는 반드시 새로운 아이디어는 아니며, 해수에서 얻은 CaCO3와 마그네슘은 콘크리트, 시멘트, 석고, 페인트, 충전재 등 건설, 제조 및 환경 복원 산업에서 다양한 용도로 활용됩니다.
지구를 뒤덮은 광대한 바다는 사실상 무한에 가까운 이 물질 공급원을 제공하므로, 이는 가장 지속 가능한 잠재적 공급원으로 간주됩니다.
지금까지 이 무기질의 전기 환원을 탐구하는 것만으로는 해수에서의 생산을 경제적으로 만들 수 있는 실현 가능한 방법을 찾지 못했습니다. 여기서 노스웨스턴 대학 연구진은 중요한 추가 단계인 CO2를 공정에 주입하는 방법을 도입했습니다.
해수에 CO2 주입
해수는 다양한 무기질이 복합적으로 섞여 있기 때문에 전해를 적용하면 칼슘 및 마그네슘 이온의 침전, 황산염으로부터 석고 형성, 염소 및 수소 가스 발생, 그리고 각 전극 주변의 산도 변화 등 여러 전기화학 반응이 동시에 일어납니다.
CO2를 주입하면 해수의 pH가 낮아져 복잡성이 추가됩니다. CO2에 의한 pH 감소는 전기에너지로부터 생성되는 OH− 이온에 의해 부분적으로 보완됩니다.
칼슘 탄산염의 용해 또는 침전은 물의 산도에 따라 달라집니다. 이는 과학자들에게 우려되는 현상으로, 대기 중 CO2 농도가 높아지면 해양은 더 산성화됩니다.
전류가 충분히 강하고 그에 따라 OH− 이온 생산이 충분히 높다면 pH를 8.5 이상으로 유지할 수 있습니다.
이러한 산도 수준에서 화학 반응은 CO2를 포집하여 용해된 중탄산 이온(HCO3-)으로 전환합니다.
이 중탄산 이온은 칼슘과 반응하여 콘크리트 생산의 기본 재료인 칼슘 탄산염으로 침전됩니다.
탄소 격리 최적화
이러한 반응에서는 시멘트 산업에 활용 가능한 칼슘 탄산염 생산이 주입된 CO2를 대기로 배출하는 대신 포집하게 됩니다.
사용되는 전력 수준에 관계없이, 에너지 소비를 최소화하고 광물 생산 수율을 최대화하는 최적의 CO2 주입 흐름률이 존재합니다. CO2 농도 0.30 sccm이 바로 그 최적점으로, 낮은 전력에서도 높은 양의 광물이 침전됩니다.
사용 가능한 침전물 생성
이 개념을 산업 적용으로 전환할 때의 문제는 전해를 통한 수소 생산 과정에서 발생하는 칼슘 탄산염 침전과 동일한 문제입니다.
대부분의 경우, 칼슘 침전물이 전극 표면을 막아 시스템 전체를 손상시키고 시간이 지남에 따라 효율을 떨어뜨립니다.
하지만 이번 실험에서 사용된 높은 전력 수준과 CO2 주입을 결합하면 추가 반응이 일어나 침전된 칼슘 탄산염이 전극에서 분리됩니다.
따라서 전반적으로 이 방법은 전극을 막지 않으면서 탱크 바닥에 광물 침전물로 쉽게 수집할 수 있는 형태로 탄산염을 생산할 수 있습니다.
광물 결정 성장
조건에 따라 다양한 광물 집합체가 형성되며, 특히 칼슘 탄산염 결정(방해석 및 아라고나이트)과 마그네슘 결정(브루사이트)이 나타납니다.
전체적으로, 최종 물질은 몇 센티미터(1-2인치) 길이의 결정으로 구성될 수 있으며, 매우 다공성입니다.
제안된 접근법으로 합성된 집합체의 구성, 다공성 및 크기는 콘크리트와 같은 재료에 사용하기 위한 현재 기준을 충족합니다.
결론
전체적으로, 이 논문은 탄소 음성 시멘트 재료 생산이 이론적인 가능성에 그치지 않고, 해수 전해 과정에서 탄소 주입을 활용할 경우 실현 가능한 옵션임을 증명합니다.
경도 및 마모 저항과 같은 다른 중요한 매개변수는 최종 물질이 건설 프로젝트에 사용 가능하다는 완전한 확인을 위해 추가 연구가 필요합니다.
이 공정은 본질적으로 확장 가능하며, 희귀 재료 가용성, 과도한 에너지 소비 또는 낮은 수율과 같은 명백한 제한이 없습니다.
상호 연결된 확장 가능한 반응기 네트워크를 구상함으로써, 이 접근법은 산업 규모에 적용되고 해안 산업 시설과 같은 기존 인프라와 통합될 잠재력을 가지고 있습니다.
반응기 설계의 추가적인 진전은 전극 형상, 재료 및 흐름 역학을 최적화함으로써 전반적인 경제성 및 에너지 효율성을 향상시킬 수 있을 것입니다.
궁극적으로, 칼슘 탄산염을 추출한 물은 이온 농도가 낮아 전극에 발생하는 무기질 침전 문제를 감소시킬 수 있기 때문에, 해수에서 수소를 생산하는 2차 단계의 흥미로운 재료가 될 수도 있습니다.
지속 가능한 시멘트에 투자하기
CRH Plc
(CRH )
시멘트 생산 분야에서 세계적인 선두 기업 중 하나인 CRH는 시멘트 건설을 보다 지속 가능한 산업으로 전환하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다. 미국과 유럽 시장 모두에서 총 건설 자재 물량 1위를 차지하고 있습니다.
이 회사는 28개국, 3,390개 현장에서 활동하고 있으며, 78,500명의 직원을 고용하고 있습니다. 그 중 CRH Americas가 전 세계 매출의 65%를 차지합니다.
출처: CRH
이 회사는 서방 정부의 인프라 투자 확대가 사업 성장에 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다. 재산업화와 고부가가치 제조업의 국내 이전 추세도 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.
지속 가능성
CRH는 일련의 이니셔티브를 통해 지속 가능성 분야에서 실질적인 진전을 이루었습니다:
- 2023년에 북미에서 가장 큰 재활용업체로, 다른 산업에서 발생한 4,390만 톤의 폐기물 및 부산물을 재활용했습니다.
- 시멘트 공장에서 36%의 대체 연료를 사용함으로써 2023년에 CO2 배출량을 8% 감소시켰습니다.
- 2030년까지(2021년 배출량 대비) 배출량을 30% 감축하는 것을 목표로 하고 있습니다.
이는 자체적으로는 칭찬받을 만하지만, 너무 늦고 부족하다는 비판도 있습니다.
다행히도 CRH는 산업에 보다 근본적인 변화를 주도하고 있습니다. 특히 유럽 콘크리트 대기업 Holcim과 함께 저탄소 시멘트 기업 Sublime에 7,500만 달러를 투자했습니다.
Sublime Systems는 2020년 MIT에서 분사된 기업으로, 전해조를 활용해 상온에서 시멘트를 생산함으로써 에너지와 화석 연료를 많이 소모하는 가마를 대체합니다. 또한 석회석 사용으로 인한 CO2 배출을 피하기 위해 칼슘 원료를 투입 재료로 사용할 수 있게 합니다.
Sublime의 매사추세츠주 홀리오크에 있는 첫 상업 시설은 2026년 초에 개장될 예정이며, 성공이 입증된다면 시멘트 산업에 진정한 혁신을 가져오고 확장 가능한 저배출 콘크리트의 길을 열 수 있습니다.
“Sublime는 시멘트 제조에 있어 파괴적인 힘입니다. 이 독특한 기술은 청정 전기 사용부터 탄소‑무함량 원료에 이르기까지 전체 생산 과정을 아우릅니다. 우리는 그 잠재력에 대해 기대하고 있으며, 이를 대규모 시장에 선보이기 위해 협력하게 되어 기쁩니다. 이번 투자는 Holcim이 가장 혁신적인 기술을 확대함으로써 건설 분야 탈탄소화를 가속화하려는 전략과 완전히 일치합니다.”
Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability
CRH는 또한 다른 탈탄소화 및 지속 가능성 스타트업에도 투자했습니다:
- 전통적으로 탈탄소화가 어려운 산업을 위한 탄소 포집 솔루션을 개발하는 Cool Planet Technologies에 2,370만 유로 투자했습니다.
- CRH와 기타 투자자들이 Carbon Upcycling Technologies에 3,470만 달러를 투자했으며, 이 기업은 전기 기반 광물화 솔루션을 사용해 시멘트, 플라스틱, 소비재, 비료, 의약품 등 산업 부산물 및 광물에 CO2를 영구 저장합니다.
- AICrete는 ‘레시피‑as‑a‑service’ 플랫폼으로, 지역 콘크리트 생산업체와 협력해 AI 분석을 활용해 현지 재료를 최적화하고 시멘트 사용량을 최소화하여 CO2 발자국과 콘크리트 생산 비용을 동시에 낮춥니다.
- FIDO AI는 물 소비를 줄이고 절수를 늘리기 위해 AI를 활용하는 스타트업으로, 시리즈 B 자금을 유치했습니다.
전반적으로 CRH는 콘크리트 산업에서 수익성 높은 선두 기업이며, 기존 시설에서 직접적으로 그리고 차세대 시멘트·콘크리트 생산 기술을 창출하는 혁신적인 스타트업에 자본을 제공함으로써 산업 탈탄소화에 적극적으로 대비하고 있습니다.
CHR 최신 소식
참조 연구:
1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). 해수에서 가변 전기화학 전위와 이산화탄소 주입을 위한 탄소 포집 무기질의 전극 석출. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943
