기술 개요
국내 시멘트는 생산 및 출하되는 모든 제품이 KS 인증품목이다. 따라서 제품의 생산부터 제조공정, 출하 까지 KS 표준의 제품규격에 의해 규격화되어 있으며 제품의 성능, 품질이 변경될 경우 필요할 때마다 KS 표준 규격을 제·개정하여 국내외 환경변화에 대응하고 있다.
2021년 기준 국내 시멘트 생산량은 5,045만 톤으로 세계 12위이며 이중 내수 출하는 49,364만 톤이다.
또한, 시멘트 반제품인 클링커를 포함하여 시멘트 461만 톤을 수출하고 있다. 시멘트 산업의 제조공정은 <그림 1>과 같이 4개의 주요 공정으로 이루어져 있다. CO2를 다량으로 함유하고 있는 석회석(CaCO3)을 주원료로 사용하고 있으며 1,450℃의 온도를 유지하기 위해 에너지가 대량으로 소비되는 소성공정을 거쳐 시멘트 반제품인 클링커를 생산하고, 이 클링커에 석고와 혼합재를 적당량 첨가하여 분쇄하면 포틀 랜드시멘트(OPC, KS L 5201)가 만들어진다.
시멘트 산업 온실가스 주요 감축기술은 ▲탄산염광물 대체원료 및 적용기술, ▲혼합재 함량 증대 및 신규 혼합재 제조기술, ▲가연성 순환자원 연료 재활용 기술, ▲CO2 반응 경화 시멘트 제조 및 CO2 양생 기술, ▲시멘트 생산공정 효율 향상 및 친환경 열원 활용 기술 등이 대표적이라 할 수 있다.
시멘트 산업 온실가스 배출 특성으로는 온실가스 배출량의 60~65%가 주원료인 석회석 사용에서 기인한 공정배출이라는 점이다. 또한, 소성공정 중 화석연료인 유연탄 사용으로 발생하는 직접배출 비중이 30%를 차지하여 총 배출에서 원료·연료로 인한 배출이 90~95%에 달한다. 그러므로 저탄소 원료·연료 대체 기술이 시멘트 산업 탄소중립의 핵심기술이라 할 수 있지만 물과의 반응을 위한 광물을 얻기 위해서는 석회석을 주원료로 사용하여 고온에서 반응시켜야 한다는 점과 시멘트를 대체할 만한 건설재료가 사실상 나오기 어렵다는 점에서 시멘트 산업의 탄소중립은 현실적으로 불가능에 가까운 도전일 수 있다.
한편, 2021년 기준 국내 시멘트 산업의 온실가스 배출량은 3,800만 톤으로, 산업부문 총 발생량의 9.9%, 온실가스 총발생량의 5.5%를 차지할 정도로 온실가스 다배출 업종이다. 따라서 국가적 목표인 2030년 NDC 이행과 2050 탄소중립 달성을 위해서는 저탄소 시멘트 기술개발과 더불어 국제 수준에 부합하는 제품 표준화 방안 마련이 시급한 과제이다.
저탄소 시멘트 기술 및 표준화 관련 국제 동향
① 유럽연합 시멘트 표준 동향
세계 최초로 배출권거래제를 시작한 유럽연합은 시멘트 규격에 있어 저탄소 시멘트를 제조할 수 있도록 모든 포졸란성 물질을 망라하여 다양한 종류의 혼합재를 사용할 수 있도록 길을 열어 놓았다. 대표적인 유럽연합의 시멘트 규격은 EN 197-5:2021에서 정의하고 있으며 <표 1>에서 볼 수 있듯이 6가지 메인 시멘트 type에 기반을 두고 만들어져 운영되고 있다. 유럽 시멘트기술위원회는 온난화가스 발생을 저감 하는 수단으로써 각종 시멘트 혼합재(Supplementary Cementitious Material, SCM)를 사용하는 혼합시멘트(Blended Cement 또는 Mixed Cement)를 규격에 반영하였고 이러한 제반 요소를 망라하여 탄생한 것이 바로 유럽연합의 시멘트규격 EN197이다.
혼합재는 시멘트 클링커를 대체함으로써 석회석 자원과 화석연료 절감을 통해 지구온난화 가스 배출량을 감소시킬 뿐만 아니라, 콘크리트의 내구성을 증가시켜 지구환경 보존에 일익을 담당하고 있다. EN 기준은 혼합재가 비교적 많은 양이라고 생각되는 35%까지 혼합비율이 허용되어 있고, 2~3종을 복합해서 사용 하는 경우는 절반이 넘는 55%까지, 그리고 슬래그의 경우는 95%까지 혼합해서 시멘트를 만들 수 있도록 폭넓게 규정하고 있다.
유럽규격에서는 슬래그, 플라이애시, 포졸란 등 9가지 혼합재 조성을 기반으로 혼합비율별로 2~3가지, 단독 또는 복합혼합 여부에 따라 세분하여 도합 32종의 type(순환 콘크리트 미분 등도 혼합재로 활용)을 가지고 있어 다양한 종류의 저탄소 혼합시멘트를 제조할 수 있다. 또한, 물리적 특성을 보면 <표 2>에서와 같이 28일 압축강도를 기준으로 32.5, 42.5 및 52.5로 3등급으로 나누고 각각 조강형을 두어 도합 6등급으로 관리하고 있어 이를 합산하면 192종(6등급x32종)의 다양한 시멘트 제조가 가능하다는 특성이 있다.
유럽연합은 온실가스 발생량이 높은 보통포틀랜드시멘트를 대신해 다양한 종류의 혼합시멘트를 사용하는 환경이 만들어져 70% 수준까지 혼합시멘트 시장을 확대할 수 있었다. 이에 반하여 국내 시장에서의 혼합 시멘트 사용은 20% 수준에 불과하여 지속적인 시장 확대가 필요할 것으로 사료된다.
② 미국 시멘트 표준 동향
미국에서 시멘트 규격은 우리나라 포틀랜드시멘트에 해당하는 규격으로 <표 3>에서와 같이 ASTM C150/C150M-20(Portland Cement)이 있으며 혼합시멘트 규격으로는 ASTM C595/C595M-20(Blended Hydraulic Cement, Binary Blended Cement)를 규정한다. 10가지 메인 시멘트 type에 기반을 두고 만들어져 운영되고 있으며 혼합시멘트는 일반적으로 포틀랜드시멘트 클링커나 포틀랜드 시멘트에 포졸란, 슬래그, 석회석을 혼합하여 제조되고 있다.
미국의 포틀랜드시멘트에 사용되는 혼합재의 양은 석회석 5%와 무기공정재 5%로 총 10%지만, 엄격한 강열감량 규제로 인하여 허용치까지 혼합재를 사용하지 못하고 있다. 혼합시멘트의 경우 다양한 종류의 혼합재를 단독 또는 섞어서 사용할 수 있어 국내보다 다량 사용할 수 있도록 규정하고 있다. 특히, Portland-limestone Cement 규격을 통해 석회석미분말을 15%까지 사용할 수 있고 두 종류의 혼합재를 복합 사용하여 3성분계 혼합시멘트를 제조할 수 있다는 것이 특징이다. 이처럼 미국의 시멘트 규격도 유럽과 마찬가지로 다양한 종류의 혼합재와 혼합시멘트를 사용할 수 있도록 다양화되어 탄소중립을 위한 온실가스 저감 측면에서는 국내에 비해 상당히 앞서 나가고 있다.
③ 국내외 시멘트 표준 비교 및 시사점
아래 <표 4>는 주요국의 보통포틀랜드시멘트에 대한 규격을 비교하여 나타낸 것이며, <그림 2>는 다양한 국가의 포틀랜드시멘트를 대상으로 시멘트의 가장 중요한 품질 특성인 28일 압축강도 기준을 비교하여 나타낸 것이다. 강도는 모든 시멘트 품질의 베이스(base)가 되는 기준으로 매우 중요하다. 국내의 KS 표준의 강도 규격은 유럽연합 및 미국 등의 주요국 시멘트와 비교하여 상대적으로 높은 수준을 요구하고 있다.
한편, 국내 시멘트 산업이 유럽연합이나 미국과 같이 탄소중립에 기여하기 위해서는 다양한 형태의 혼합 시멘트가 사용될 수 있는 환경이 만들어져야 한다. 고로슬래그, 플라이애시, 포졸란, 석회석미분말로 한정된 혼합재 관련 KS 표준을 다양한 무기물질을 활용할 수 있는 방향으로 표준의 제·개정이 필요하다.
또한 신규 혼합시멘트를 서둘러 개발하여 혼합시멘트 사용량을 확대하는 한편 다양한 종류의 혼합재를 섞어서 사용할 수 있도록 3성분계 복합시멘트(Tenary composite cement)에 대한 표준 규격 제정이 필요하다.
2030 시멘트 표준 트렌드 전망
IEA(International Energy Agency)에서는 시멘트 분야 4대 탄소저감 방안으로 ▲클링커 비율 감소, ▲대체연료 사용, ▲에너지 효율개선, ▲탄소 포집을 제시하고 있다. 이중 클링커 비율 감소(37%)와 탄소포집(48%)이 시멘트 산업의 탄소중립에 대한 기여율이 높고, 저탄소 연료와 에너지 효율 개선은 상대적으로 낮은 기여율을 갖는다고 보고한다.
시멘트 제조 시에 클링커 사용량을 줄이고 석회석을 대체하는 기술개발은 온실가스 저감에는 확실히 기여할 것이지만, 제품성능 안정화 및 실증화에 상당한 시간이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 다만, LCA적 접근과 건설과 연계한 Value Chain을 활용하면 추가적인 탄소배출량 저감이 가능하다는 점은 매우 긍정적인 요소다. 특히 건설단계에서 시공 시 폐기물 발생을 줄이는 콘크리트 사용 최적화, 재사용과 재활용의 활성화, 설계 수명의 연장, 에너지 사용량이 낮은 콘크리트 사용량 증대는 온실가스 저감에 효과적이다. 그러므로 시멘트(품목 L) 외에도 레미콘·콘크리트(품목 F)에 대한 표준 및 시방의 개선이 매우 필요하다.
산업별로 일부 차이는 있겠지만 국내 산업 부문의 NDC(Nationally Determined Contribution) 온실가스 저감목표는 2018년 대비 11% 수준이다. 2030년까지 시간이 많이 남지 않은 상황을 고려할 때 민간기업의 획기적인 기술개발과 대규모 설비투자, 정부의 전폭적인 정책 및 금융 지원이 수반되지 않고서는 상당히 어려운 목표라고 할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 시멘트 업계는 NDC 목표 달성을 위해 혼합재 원료와 폐합성수지를 사용한 연료대체 기술을 중심으로 연구개발을 중점 추진하고 있으며 기술개발과 함께 KS 제·개정이 전제되어야 기술의 확산 및 저탄소 혼합시멘트 사용 기반이 확대될 것으로 전망하고 있다.
① 혼합시멘트 기술 표준
타산업과 비교하여 시멘트 산업의 공정배출이 높은 것은 주원료로 사용하는 석회석에 기인하고 있으며 이를 대체하기 위해 클링커 단계에서 비탄산염 원료로 전환하고 시멘트 제조단계에서 혼합재를 확대하는 것이 핵심사항이다. 시멘트 원료대체를 위한 기술로는 아래와 같은 기술 개발이 필요하다.
- 비탄산염 원료활용 기술 개발
- 혼합재 함량 극대화를 위한 고성능 시멘트 제조기술 개발
- 혼합재 함량 증대 배합 기술 개발
- 신규 혼합재 및 신규 혼합시멘트 기술 개발
여기서 ▲비탄산염 원료활용 기술은 순환자원을 클링커의 원료로 활용하여 석회석 사용량을 최소화하는 것과 비탄산염 원료를 활용한 저열 시멘트 제조기술 개발 및 콘크리트 활용기술, ▲혼합재 함량 극대화를 위한 고성능 시멘트 제조 기술은 포틀랜드시멘트와 혼합시멘트의 혼합재 함량을 늘리기 위한 고성능 클링커 제조기술, ▲혼합재 함량 증대 배합 기술은 포틀랜드시멘트의 혼합재 함량을 확대 적용하여 저탄소화 하는 제조기술, ▲신규 혼합재 및 신규 혼합시멘트 기술은 보통포틀랜드시멘트 대비 동등 성능 확보가 가능한 새로운 무기계 혼합재 및 새로운 저탄소 혼합시멘트를 제조하는 기술이다.
원료대체 기술은 포틀랜드시멘트 대비 동등 이상의 성능 확보가 필수적이며, 혼합재/혼합시멘트 최적 배합기술, 신규 혼합재의 시멘트계 재료의 혼합재로서의 적합성, 지속적인 수급성 및 품질 안정성, 친환경 성이 요구된다. 또한, 혼합재의 혼합 비율 증대에 따라 변화하는 수화속도, 강도 발현, 수축변형률 등의 검증을 통해 성능을 확보할 수 있어야 하며, 다양한 혼합재의 물리 화학적 특성 및 발생량을 고려 하여 혼합량을 극대화(시멘트중량대비 20% 이상)할 수 있는 고성능 클링커 적용 원료배합 기술, CFW(Constant feed weigher), 균일 혼합설비 구축 기술 확보도 꼭 필요하다.
한편, 개발된 제품을 표준화하기 위해서는 신규 무기계 혼합재의 시멘트계 재료 사용 적합성(경제성, 콘크 리트 품질, 시공성, 내구성)과 함께 혼합재의 지속적인 수급 가능성을 평가해야 하며, 혼합재 및 저탄소 혼합 시멘트의 품질 안정성에 대한 DB를 확보하고, 신규 무기계 혼합재의 경우 천연자원 외 다양한 산업부산물이 포함되므로 중금속 및 환경유해물질 함유여부 및 안전성 검증이 확인되어야 KS 개정이 가능하다.
② 저탄소 연료전환을 위한 기술 표준
시멘트 산업 온실가스 배출비중의 30%는 유연탄 사용에 의한 에너지 기반 배출이며 이를 대체하기 위해 서는 폐합성수지 등 가연성폐기물을 연료로 확대 사용하는 것이 핵심사항이다. 폐합성 수지는 <그림 5> 에서와 같이 시멘트 산업의 온실가스 배출 저감에도 기여를 하고 국가 자원순환 활성화 및 재활용 촉진에도 상당한 역할을 할 것으로 예상된다. 시멘트 연료대체 기술로는 다음과 같은 기술이 활용된다.
- 폐합성수지 균일공급 및 연소 공정 최적화에 의한 시멘트 소성공정 연료대체율 65% 이상 대체 기술개발
- 폐합성수지 등을 활용한 소성공정 제어 및 시멘트 품질 제어 기술개발
- 시멘트 소성로 염소 바이패스 분진의 안정적 활용기술 개발
여기서 ▲폐합성수지 균일 공급 및 연소 공정 최적화에 의한 시멘트 소성공정 연료대체율 65% 이상 대체 기술은 소성공정에서 사용하는 화석연료를 폐합성수지 등 친환경 열원으로 대체하여 탄소배출을 감축하는 활용 기술이며, ▲폐합성수지 등을 활용한 소성공정 제어 및 시멘트 품질 제어 기술은 가연성 순환자원 연료의 전처리, 공급량 제어 및 연소하여 공정 및 시멘트 품질을 최적화하고 제어하는 기술이며, ▲시멘트 소성로 염소 바이패스 분진의 안정적 활용기술은 소성공정 내 염소함량 제어를 위한 대량 염소바이패스및 염소 바이패스 분진을 재활용하고 배출가스의 오염물질을 제어하는 기술을 의미한다.
연료대체 기술은 소성공정에서 사용하는 화석연료를 순환자원 연료 등 친환경 열원으로 대체하여 탄소 배출을 감축하는 기술로 가연성 순환자원 연료의 전처리, 공급량 제어 및 연소, 공정 내 염소함량 제어를 위한 대량 염소바이패스 및 염소 바이패스 분진 재활용, 배출가스 오염물질 제어 등 전 공정에 대한 설비· 공정 최적화 기술 개발이 요구된다.
한편, 연료대체 기술 확대를 위해서는 레디믹스트 콘크리트에 대한 KS 표준의 개정이 필요하다. 국내 콘크리트 염화물 함량 기준은 단위 시멘트량 및 노출환경 등을 고려하지 않고 0.3kg/㎥ 이하로 총량으로 규제하고 있으며, 유럽, 미국 등 배출권거래제 선진국에 비해 지나치게 엄격한 기준을 설정하고 있다는 문제점이 있다.
- ‘KS F 4009 레디믹스트 콘크리트’ 및 ‘KCS 14 20 10 일반콘크리트(콘크리트 표준시방서)’는 콘크리 트의 염화물 함량을 0.3kg/㎥ 이하로 규정(총량제), 시멘트에 대한 염화물 함량 기준은 없음.
- 유럽연합, 미국, 호주 등은 단위 시멘트량 및 콘크리트의 노출 환경을 고려하여, 일반 철근콘크리트의 염화물 함량을 결합재량의 0.2∼1.00% 이하로 규정(종량제)
국내도 폐합성수지 사용량 확대에 따라 시멘트 내 염화물 함량이 증가하는 추세로 시멘트 및 콘크리트의 탄소중립을 위해서는 선진국과 마찬가지로 레드믹스트 콘크리트의 염화물 함량 기준을 단위 시멘트량이 포함된 결합재 사용량에 따라 변동되는 종량제로 개정하는 것이 시급하다.
③ 국제 표준화 동향
국내는 현재까지 제정 또는 제정 중인 국제표준 등 제품별 탄소배출량 산정 표준화 사례가 극소수에 불과 하며 범용 제품 탄소배출량 산정방법론(ISO 14067)을 활용하여 제품별 탄소배출량을 산정하고 있으며, 동일 제품군 내 비교도 불가능한 상황이다.
이에 따라 국내 시멘트 업계는 「글로벌 환경규제 대응을 위한 제품 탄소배출량 산정 표준기반 조성」을 위하여 2023년 8월 9일 ‘시멘트제품 탄소배출량 산정 국제표준 협의체’를 구성하여 발대식을 가지고 가이드 라인 개발 등 구체적인 방안 도출에 나선 상황이다.
위 사업은 국가기술표준원의 지원을 받아 생산기술연구원 등 관련기관과 협력하여 올해부터 4년 동안 과제를 추진하고 탄소 관련 무역규제에 직접 영향을 받는 시멘트 산업의 수출 경쟁력 유지를 위해 클링커, 보통포틀랜드시멘트에 대한 탄소 배출량 산정 표준안을 마련하고 국제표준을 제안하는 사업이다.
- (기업지원 기반) 업종별 표준개발 협의체, 업종별/제품별 산정 가이드라인 개발, 산업계 확산 기반 구축
- (국제표준화 활동) 제품 탄소배출량 등 신환경무역규제 대등 국제협의체 구축·운영, 관련 국제표준 제정시 국내 산업계 의견 취합·반영
- (표준안 개발) 주요 제품별 탄소배출량 산정기준 국제표준안(NP) 2건 제안 및 승인
국내 시멘트 산업 경쟁력 강화를 위한 탄소중립 기술개발 및 표준화 필요성
시멘트 산업은 1960년대 이후 경제발전과 함께 국가의 기간산업으로 중추적 역할을 해왔으며, 대표적인 내수산업으로 에너지 다배출 산업이기도 하다. 탄소배출량이 산업계에서는 철강, 석유화학에 이어 3위를 차지할 정도로 온실가스 다배출 산업이기도 하다. 그러나 시멘트는 주택, 빌딩, 도로, 발전소 등 국민들의 생활에 반드시 요구되는 기반환경을 조성하는 재료로 대체 불가능한 필수 건축자재이다.
시멘트 업계에서는 2015년 국내 배출권거래제가 시행됨에 따라 다방면에 걸쳐 온실가스 감축을 위해 연구 개발과 설비 투자에 주력하고 있으나, 기존 제품을 저탄소 제품으로 제조 및 유통하기 위해서는 저탄소 시멘트 제품에 대한 표준화가 반드시 필요하다.
유럽은 이미 EN-197-5:2021 등에서 최근 소성점토 등을 포함한 다양한 혼합재의 사용 허용 범위를 대폭 확대하고 혼합시멘트에 관한 규정들을 개정하였다. IEA 보고서는 <그림 7>과 같이 2050년에는 시멘트 광물 조성이 클링커 사용을 최소화하고 저탄소화 원료로 대체될 것으로 전망한다. 이에 반해 국내는 혼합재 및 혼합시멘트 KS 표준을 포함한 별도의 규정 변화가 없어 저탄소 제품 개발 및 활성화에 어려움을 겪고 있다.
이제라도 대부분의 시멘트 업체가 참여하고 있는 탄소중립 예타 핵심기술개발 사업에 발 맞추어 시멘트 제품에 대한 표준 개정을 서둘러야 하는 이유이다. NDC 및 2050 탄소중립 목표 달성을 위해서는 ▲ 보통포틀랜드시멘트(KS L 5201)의 혼합재 종류 및 함량(석회석 미분말 5% + 고로슬래그미분말 또는 플라이애시 중 5%) 관련 개정, ▲신규 혼합재 및 혼합시멘트 관련 제·개정, ▲레디믹스트 콘크리트(KS F 4009)의 염화물 관련 개정이 반드시 이루어져야 한다.
KS에 규정돼 있는 고로슬래그 미분말, 플라이애시(F급), 포졸란, 실리카흄 외에도 향후 개발 예정인 신규 무기계 혼합재의 활용을 위한 제도적 기반을 서둘러 마련해야 한다. 소성점토, 건식플라이애시, 플라이애시 C급, 다양한 슬래그류 등과 같은 시멘트 혼합재로 활용 가능한 ASCM(Alternative Supplementary Cementitious Materials)에 관한 규격을 마련하고 ASCM 적용 적합성 평가를 위한 KS 기준(품질평가)을 제정해야 하며, 석회석 미분말 시멘트(PLC), 소성점토 시멘트(LC3), 다성분계 SCM 시멘트 등과 같은 저탄소 시멘트 관련 규격 제정도 필요하다.
그리고 혼합시멘트 생산 확대에 따른 시장 개척 및 신규 저탄소 제품의 수요 정착을 위한 정부 조달처 확보, 인센티브 부여를 통해 저탄소 혼합시멘트의 수요산업 확대를 위한 정책도 수반되어야 할 것이다.
또한, 국내 기업들이 중심이 되어 글로벌 新환경 무역규제에 대응하기 위해서는 제품(클링커, 포틀랜드 시멘트)에 대한 탄소 배출량 산정 국제 표준안을 성공적으로 제안하여 시멘트 산업의 탄소중립 대내외 경쟁력을 유지하여야 한다.
