Up-cycling the construction section of steel industry by-products towards carbon neutrality

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탄소중립向 철강산업 부산물의 건설분야 업싸이클링

https://doi.org/10.14190/MRCR.2021.16.2.033

1. 머리글

최근 탄소중립 2050과 관련된 정부정책 및 산업영역으로의 실질 체감은 가히 폭발적 수 준이라 할 만하다. 탄소중립 미래사회 구현을 위한 대한민국 핵심기술의 방향은 이미 수소 환원 철강, 그린 시멘트, 바이오 석유화학, 전기차, 도시형 태양광, 제로에너지하우스, 디지 털 데이터센터, 해양 연계 탄소 포집, 그린 수소 생산 등의 방향으로 선회를 시작했으며, 이 와 관련하여 국가 R&D의 비중도 글로벌 최고수준의 투자를 진행 중에 있다.

특히, 철강 및 시멘트 분야의 경우 국내 산업 중, 탄소배출 선두권에 위치하고 있어서 이 의 산업 체질 변화는 이제 불가피한 상황으로 전개되고 있다. 즉, 철강/시멘트 제조 산업 부 문의 CO₂ 배출량을 과감히 감축 해야하며, 이를 위해 배출 공정 및 연료/원료 대체 기술의 개발도 시급한 상황이다. 정부 정책측면에서도 산업현장에 직접 적용하는 실증 인프라 구 축 및 실용화를 위한 규제 개선 및 인증제도 마련 등의 요구가 거세지고 있는 실정이다.

건설분야에서 해외 건설 및 엔지니어링사의 경우, 일 예로 Skanska사의 경우 설비/자재 생산, 시공, 운영의 Value chain 전 과정을 포함하는 Net zero 실현을 위해 『2045 탄소중립 선언』을 시행하여 진행 중에 있으며, Bechtel사의 경우에도 사업수행 초기부터 탄소배출을 최소화하도록 설계에 반영하면서 발주자와 협업하고 공급 자재의 탄소량 관리까지 상세 단 위로 범위를 세분화하고 있다.

한편, 국내 대형 건설 시공사의 움직임도 활발해지고 있는데, 매년 환경부에 온실가스 배 출 및 에너지사용량을 집계하여 보고하고 있으며, 이의 절감을 위한 감축 노력이 다방면으 로 진행되고 있는 실정이다.

본 특집기사에서는 『탄소중립 2050』과 연계된 건설분야에서의 철강산업 부산물을 활용 한 순환 경제형 자원순환기반 탄소중립 Activity 및 Contents를 소개하고, 국내 철강산업 부 산물의 현황 및 업사이클링 검토에 관한 기초자료를 제공하고자 한다.

이창홍 Chang-Hong Lee 포스코건설

R&D센터 인프라연구그룹 / 리더(부장) E-mail : [email protected]

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2. 국내 건설 시공사의 탄소중립 이행을 위한 Activity 및 Contents 사례

<그림 1>에는 국내 시공사의 탄소중립 이행을 위한 Activity 사례(예)를 도시하였다. 그림에서와 같이 1)배출량 관리, 2)건 물 및 차량, 3)기술 개발, 4)Supply chain 및 자재, 5)사업 본부 별 현황조사, 6)탄소중립전략과 관계된 항목으로 전사적으로 Activity가 진행되고 있음을 확인 가능하다.

<그림 2>의 경우에는 탄소중립 이행을 위한 Contents 사례로 서, 친환경 자재 구매 기준 확립과 관련된 사항을 도시하였다.

그림에서와 같이 친환경자재의 분류를 세분화 시키고 특히 자

원순환자재 및 저탄소 자재의 활용을 확대하기 위한 요구 인증 관련 사항을 명기하였음을 확인이 가능하다.

<그림 3>의 경우에는 친환경 자재 인증제도에 관해 요약 정 리를 하였다. 즉, 환경표지 인증, 우수재활용 인증, 저탄소 인증 및 환경성적표지 인증 등의 법적 근거 및 내용을 수록함으로써 녹색 제품의 구매 활성화를 위한 컨텐츠를 수록하였다.

<그림 4>의 경우는 녹색건축 인증과 관련된 항목별 평가 가 이드라인(예)를 도시하였다. 즉, 다양한 탄소중립 이행 노력과 함께 관련 평가 가이드라인을 상세화함으로써 실질적인 실용화 노력을 가속시키고 있음을 확인 가능하다.

그림 1. 국내 시공사의 탄소중립 이행을 위한 Activity 사례 (예)

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탄소중립向 철강산업 부산물의 건설분야 업싸이클링 Special Articles

그림 2. 국내 시공사의 친환경 자재 구매 기준 확립 사례 (예)

그림 3. 친환경 자재 인증제도 사례 (예)

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그림 4. 녹색 건축 인증과 관련된 항목별 평가 가이드라인 (예)

그림 5. 철강슬래그 분류

3. 철강 슬래그 분류 및 현황 3.1 철강 슬래그 분류

앞서, 『탄소중립 2050』 비전에 연계하여 각 건설사들의 이행 Activity가 본격 가속화되고 있으며, 이러한 사항은 환경 선언

건자재 제품, 저탄소 자재, 자원순환 제품으로 연결되어 정례화 되어 가고 있는 실정이다. 이의 하위 범주로서 건설 분야의 철 강/시멘트 분야를 연계하는 철강슬래그 부산물의 건설용 자재 및 2차 제품의 활용을 위한 철강슬래그를 크게 분류하면 <그림 5>와 같다.

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그림 6. 철강슬래그의 화학 구성 및 환경성 (예)

그림 7. 철강슬래그의 국내 및 일본 규격 제정 현황 그림 8. KS F 2527내 콘크리트용 골재 현황

아울러, 일반적인 철강슬래그의 화학 구성 및 환경성 측면의 용출 실험결과를 도시하면 <그림 6>과 같다. 즉, 철광석, 석탄, 석회석 등 천연 자원으로부터 철강 제품을 제조하고 부산물로 생성되는 철강슬래그의 경우, 유기 불순물이 혼입되지 않고 시 멘트, 골재와 유사한 성분 조성을 가지게 되고, 고온에서 용융 생성되어 유기물, 환경호르몬 및 다이옥신 등과 같은 유해물질 을 미포함하게 되므로, 자원 및 에너지절약, 환경 부하 감소로 순환 경제형 사회 구축에 유용한 Recycling 재료로 재조명 되고 있는 실정이다.

이에 부합하여 그간 철강 슬래그 관련 국내 및 일본의 규격 제정 현황을 도시하면 <그림 7>과 같이 세 분류가 가능하며, 이 중 KS F 2527로 통합화 한 콘크리트용 골재의 경우를 다시 분 류해보면 <그림 8>과 같이 요약이 가능하다.

3.2 제강슬래그의 사용처 및 발생 현황

현 시점에서 철강 슬래그 중 고로슬래그의 경우는 건설 소재 산업의 발달과 더불어 활용률이 98 %이상에 육박하여 사실상 건설자재로서는 범용화되어진 상태라고 인식되고 있으므로, 그 간 Aging 문제 등으로 인해 상대적으로 관심이 미진했던 제강 슬래그의 건설소재로서의 관심이 최근 들어 급증하고 있는 실 정이다.

현재 국내 제강슬래그 발생량은 1.4천만 톤/년 수준이며, 사 용처의 경우는 <그림 9>와 같이 주로 성토용 골재 및 도로용 골재, 제철원료, 시멘트 원료 등으로 사용 되어지고 있는 실정 이다.

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그림 9. 제강슬래그의 사용처

그림 10. 페로니켈슬래그 활용 특화성능별 / 구조물별 건자재 제품 (예)

4. 건설 소재로서의 업싸이클링 검토

따라서, 기존 제강슬래그의 하위범주로써 다양한 부산물을 활 용한 건설자재의 개발이 급속화 되어지고 있는 상황과 맞물려,

<그림 10>과 같이 전기로 슬래그 중 페로니켈슬래그를 활용한 실

용화 기술개발 및 상품 출시도 본격화 되고 있는 실정이다.

핵심은 기존의 시멘트 치환 대체를 통한 철강 슬래그 자원화 의 유형이 간접 탄소절감이라는데 있으며, 향후 기술개발 방향 은 직접 탄소절감과의 연계 및 이를 실 구현하는 저탄소 건자재 제품으로 상세화해야 한다는 점이다.

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즉, 제강슬래그의 업사이클링 아이템으로서, 현재 기초연구 가 다각도로 진행되므로 의견이 분분하나 이를 산업화 달성 가 능 측면에서 요약하여 정리해보면 아래와 같다.

첫번째로, 상기 특화 제철 슬래그를 활용하여 Precast 제품을 제조할 때 증기양생 등을 수행하게 되는데, 이는 기존 일반시멘 트에 비해 소재 별 에너지 효율화 개선 가능성을 내재하고 있으 므로, 이에 관한 에너지 효율화 개선 기반 1,2차 건자재 제품 기 술개발 확보의 필요성을 들 수 있다.

두번째로, 그간 열화인자로서 학계에서 부정적 효과로만 받아 들여지고 있는 콘크리트의 탄산화에 대한 인식 변환이 필요할 것으로 판단된다. 즉, 탄산화는 역의 의미로는 『탄소 포집』의 개 념을 함유하고 있고, 이는 최적 임계점이 존재함을 내포하고 있 다. 즉, 철강 슬래그 혼합시멘트내에서의 화학적 구성성분 변경 을 통해 수화 반응 속도 및 에너지 제어가 가능하게 되고, 콘크리 트 구조물내 CO₂의 포집과 방출을 성능 맞춤형으로 제어함에 따 라 탄소 포집 콘크리트 제품의 출현이 가능하다는 점이다.

세번째는 RC 합성구조물의 복합재료 구조물의 경우에 아크 용접 등을 이용한 CO₂가 발생하게 되는데, 이를 전기용접 등을 통한 합성구조물의 제작과 제강슬래그 소재 기반 건설자재로 연계할 경우 CO₂가 직접 절감되는 RC 합성구조물로 변환이 가 능하여 Net zero화에 일부 기여할 것으로 판단된다.

5. 맺음말

그간 건설분야는 저수익 산업이면서도 가장 많은 업종과 근 로자가 포함되는 대표적 국가 산업으로 인식되어 왔다. 그리고 건설분야에서 기존 시멘트 산업 및 철강 산업 역시, 규모의 경제 를 기반으로 하여 일반인들에게 활동 범위가 제약된 것도 사실 이다. 그러나 최근 4D 산업의 성장과 함께 글로벌 시장에서의 정보의 접근 및 물류/유통이 P2P 형태로 개별화되면서 이제 산 업의 대전환을 맞는 시기에 도래한 것으로 판단된다. 최근의 COVID-19 사태 및 탄소중립 2050의 인식과 실행이 강화됨에 따른 신규 소재의 건설분야로의 적용은 이제 필연적인 상황으 로 내몰고 있다고 보아도 무방할 듯 하다.

물론, 제강슬래그의 경우 해결해야 할 난제들이 즐비한 것은 사실이다. 콘크리트 측면에서도 리스크 발생측면에서 1)수화도 불안정성 문제, 2)초기 강도 저하, 3)밀 분쇄 효율, 4)플라이애 시계 발전 부산물과의 경제성 비교 문제, 5)원재료 산지의 제약, 6)KS 및 국가 지침의 개별 기준 부재 등을 들 수 있으나, 역으로 이를 병행적으로 해결할 수 있는 시대적 분위기가 형성되었고, 상기의 리스크를 해결할 경우 이는 곧 건설 솔루션 기술로서 자 리매김할 것은 자명한 사실이다.

그리고 전 세계적으로 탄소중립 기반 자원순환경제형 건설자 재의 개발 및 실용화는 이미 진행되고 있음도 상기의 국내 제강 슬래그를 활용한 건설 소재 → 반제품 및 제품 도출 → 물류/유 통 혁신 → 국가 기준의 제정 및 범용화로 연결될 수 밖에 없다 는 시대적 요구에 부합한 내용이라 할 수 있을 것이다.

참고문헌

1. 이창홍 (2021), “철강산업 부산물 재활용 및 미세먼지 저감 기술대응 포럼 발표”, 2021.4.20

2. 이창홍 외 3인 (2018), “페로니켈슬래그 혼합시멘트를 사용한 PC 부재 활용기술”, V.30, N.3, 한국콘크리트학회 기술기사

담당 편집위원 : 김혁중(한경대학교)