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콘크리트의 전과정 평가(LCA) 기술 동향
Current Status of Life Cycle Assessment (LCA) for Concrete
1. 서언
콘크리트는 우리나라에서 국민 1인당 매년 2.5 m 3 를 사용한다고 생각할 수 있을 만 큼 건설구조물을 건설하기 위해 사용되는 가장 경제적이고 실용적인 건설재료 중 하 나이다. 반면에 콘크리트는 건설구조물을 구성하는 건설재료 중 생산단계의 CO 2 배 출량이 가장 높은 건설재료이기도 하다. 일반적으로 1 m 3 의 콘크리트를 생산할 때 발 생되는 CO 2 상당량(이하 CO 2eq , Carbon Dioxide Equivalent)은 346 kg-CO 2eq (한국 환경산업기술원 탄소배출계수 기준)이며, 이를 국내 콘크리트의 연간 생산량에 단순 히 대입하더라도 매년 국가의 총 온실가스 배출량의 약 7 %를 차지하는 4,547만 톤의 CO 2eq 가 콘크리트의 생산단계에서 직·간접적으로 발생된다고 추산될 수 있다. 이에 콘크리트 산업에서는 콘크리트의 생산단계에서 발생되는 CO 2 배출량을 절감하기 위 해 콘크리트의 제조과정에서 투입되는 시멘트를 대신하여 에코시멘트를 사용하거나, 시멘트의 배합량 중 상당 부분을 산업부산물로 치환하는 탄소저감형 콘크리트를 개발 및 실용화하고 있다.
한편, 최근 연구결과에 의하면 콘크리트는 건설구조물을 구성하는 건설재료 중 CO 2
배출량에 기인한 지구온난화뿐만 아니라 자원사용, 오존층영향, 산성화, 부영양화, 광 화학적산화물 생성 등 다양한 지구 환경변화를 야기하는 건설재료라고 평가되고 있 다. 따라서 앞으로 지속가능한 건설구조물의 건설과 더 나아가 지속가능한 건설 산업 을 실현하기 위해서는 CO 2 배출량을 포함하여 다양한 환경영향을 저감하는 환경부하 저감형 콘크리트의 개발이 요구되며, 이들의 종합적인 환경성능을 정량적으로 평가하 고, 그 평가결과에 기초하여 콘크리트의 환경성능을 효율적으로 개선하는 연구도 반 드시 병행되어야 한다.
본 고에서는 콘크리트의 생산단계에서 발생 가능한 잠재적인 CO 2 배출량과 다양 한 환경영향을 정량적으로 평가하기 위한 방법인 전과정 평가(이하 LCA, Life Cycle Assessment) 기법과 함께 콘크리트의 LCA에 관한 연구동향을 소개하고자 한다.
노승준 Seung-Jun Roh 한양대학교 건설구조물 내구성혁신 연구센터 박사후 연구원 E-mail : [email protected]
태성호 Sung-Ho Tae 한양대학교 ERICA 캠퍼스 건축학부 부교수
E-mail : [email protected]
되는 오염물질을 정량적으로 목록화하고, 이들이 지구환 경에 미치는 잠재적인 환경영향(지구온난화, 자원사용, 오존층영향, 산성화, 부영양화, 광화학적산화물 생성 등) 을 평가하는 기법이다.
LCA 기법은 1969년 코카콜라사의 음료 용기에 대 한 전과정 환경 분석에서 처음 적용되었고, 1991년 국제 환경독성화학회(SETAC)의 “A Technical Framework for Life Cycle Assessment”와 1992년 Heijungs의
“Environmental Life Cycle Assessment of Products:
Guide and Background”를 통해 그 개념이 체계적으로 정의되었다. 그 후, LCA 기법은 ISO/TC207/SC5에서 주관하는 국제 표준인 ISO 14040 시리즈를 통해 그 평가 방법과 세부적인 내용이 구체화되었고, 국제적으로 다양 한 산업분야에서 LCA 기법을 연구하고 있다.
LCA 기법의 수행절차는 목적 및 범위정의, 전과정 목록 분석(이하 LCI, Life Cycle Inventory Analysis), 전과정 영향평가(이하 LCIA, Life Cycle Impact Assessment), 전과정 해석의 4가지 단계로 구성되며, 각 단계는 서로 유 기적인 상호 보완 관계를 갖는다. 즉, 목적 및 범위 정의
제품 시스템에 대한 자료 수집과 계산 절차를 통해 제품 시스템에서 발생하는 환경영향 물질의 종류를 도출하고 투입물과 산출물의 양을 정량화한다. 본 단계에서는 공정 흐름도 작성, 데이터 수집, 데이터 계산의 과정이 수행된 다. LCIA 단계에서는 LCI 단계에서 수집한 환경영향 물질 을 중심으로 제품 시스템에 대한 잠재적인 환경영향을 평 가한다. 이는 환경영향 물질이 야기하는 환경영향범주로 취합하는 분류화, 분류된 항목들이 환경영향범주에 미치 는 영향을 정량화하고 이를 기준물질로 환산하는 특성화, 환경영향범주간 상대적인 우위를 결정하는 가중화의 3단 계로 구성된다. 전과정 해석 단계에서는 LCI 단계와 LCIA 단계로부터 도출된 평가 결과를 분석하며, LCA에 대한 최 종 결론과 환경영향을 저감하기 위한 개선방안을 도출한 다. 또한, 환경영향에 대한 주요 인자의 규명과 연구 결과 에 대한 신뢰성 평가 등이 진행될 수 있다.
3. 콘크리트 LCA 연구동향
국제적으로 콘크리트의 LCA와 관련된 연구는 대부분
그림 1. LCA 개념
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2000년대 중반을 기점으로 시작되었다. 콘크리트의 LCA 연구 초기에는 주로 원재료 생산단계의 CO 2 배출량만을 단순하게 평가하였지만, 최근에는 콘크리트의 요구강도 와 환경영향 저감을 고려한 배합설계 최적화 기술 개발, 순환골재 및 산업부산물을 이용한 콘크리트의 LCA, 콘크 리트의 탄산화에 따른 CO 2 저감 성능 분석, 탄소저감형 콘크리트를 적용한 콘크리트 구조물의 CO 2 배출량 평가 등 다양한 연구가 수행되고 있다.
이 중 콘크리트의 LCA 기법에 집중된 연구도 현재까 지 그 평가대상과 평가범위를 확장하고, 콘크리트 전용의 LCA 기술을 개발하는 방향으로 연구가 수행되고 있다.
그림 2는 콘크리트 LCA 연구동향을 나타낸다.
3.1 평가대상 확대
최근 일부 연구자를 중심으로 LCA 기법을 이용하여 콘 크리트의 생산단계에서 발생되는 CO 2 배출량뿐만 아니 라 다양한 환경영향을 정량적으로 평가하고, 이들의 환경 성능을 개선하고자 하는 연구가 시작되고 있다. <그림 3>
과 같이 콘크리트는 건설구조물을 구성하는 건설재료 중 CO 2 배출량에 기인한 지구온난화뿐만 아니라 자원사용, 오존층영향, 산성화, 부영양화, 광화학적산화물 생성 등 다양한 지구 환경변화를 야기하는 주요 건설재료로 평가 되기 때문이다. 여기서 오존층영향은 1989년 발효된 몬
트리올 의정서에 의해 염화불화탄소(CFCs)의 생산과 사 용이 규제되고 있는 주요 환경영향이며, 산성화도 인체 건강에 악영향을 미치는 대기환경 관리대상 물질(SO 2 , NOx 등)에 의한 주요 환경영향이다. 이 외 부영양화는 녹조현상, 광화학적산화물 생성은 스모그 현상 등을 야기 하는 주된 환경영향으로 언급되고 있다.
한편, LCA 기법을 이용하여 콘크리트의 다양한 환경영 향을 평가하기 위해서는 콘크리트의 생산단계에서 투입 되는 개별 원재료와 세부공정별 활동에 따라 환경영향을 목록화한 전과정 목록 데이터(이하 LCI DB, Life Cycle Inventory Database)가 반드시 필요하다. 이러한 이유 로 인해 최근에는 콘크리트의 혼화재로 투입되는 고로슬 래그 미분말, 플라이애시, 실리카퓸과 같은 산업부산물과 순환골재, 인공경량골재, 고성능 AE 감수제 등 콘크리트 를 구성하는 원재료를 중심으로 한 LCI DB 구축 연구가 수행되고 있다.
3.2 평가범위 확대
콘크리트의 LCA에 관한 연구 초기단계에서는 주로 원 재료 생산단계만을 평가범위로 고려하고, 콘크리트의 배 합설계 정보와 CO 2 배출 원단위(CO 2 Emission Factor)만 을 이용하는 단순한 방식의 LCA가 수행되었다. 하지만, 최근에는 콘크리트도 타 제품의 LCA 연구 등과 같이 원 재료 생산단계뿐만 아니라 원재료 운송단계와 제조단계까 지를 평가범위로 포함하는 Cradle to Gate 방식의 LCA로 평가범위가 확대되고 있다<그림 4 참고>.
그림 3. 공동주택에 투입되는 건설재료에 따른 환경영향범주별 기여도
콘크리트 철근 단열재 콘크리트벽돌 유리 석고보드 기타
환경부하 비율(%)
지구온난화 자원사용 오존층영향 산성화 부영양화 광화학적산화물
100%
80%
60%
40%
20%
0%
78.10% 68.80% 95.57% 58.44% 57.51% 90.35%
그림 2. 콘크리트 LCA 연구동향
z-축 : 평가기술 전용 프로그램
x-축 : 평가대상 y-축 : 평가범위
다양한 환경영향 콘크리트 생산단계
원재료 생산단계 CO2 배출량
일반 프로그램
기존 연구영역
이렇게 콘크리트의 LCA 범위가 확대됨에 따라 그 간 의 전통 LCA 학문에서 매우 중요하게 다뤄졌으나, 비교 적 복잡한 내용들로 인해 과거 콘크리트 LCA 연구에서는 대부분 고려하지 않거나 단순한 방법으로 가정하였던 제 외기준(Cut-off Criteria)과 할당(Allocation) 등에 대한 세부적인 체계를 정립하는 연구가 수행 중이다. 또한, 콘 크리트를 구성하는 원재료를 레미콘 사업장까지 운송하 는 방법과 거리를 추정하는 시나리오 구축과 레미콘 사업 장에서 콘크리트를 제조하기 위해 투입되는 에너지원과 제조과정에서 발생되는 폐기물 등을 LCA 관점에서 분석 하는 연구도 함께 수행되고 있다.
3.3 평가기술 개발
콘크리트의 LCA는 다양한 데이터의 수집과 복잡한 계 산과정이 수반되는 비교적 까다로운 작업이다. 따라서 콘 크리트의 LCA를 보다 효율적으로 수행하기 위해서는 콘 크리트 전용의 LCA를 지원하는 평가기술이 요구된다.
즉, 과거 콘크리트의 LCA 연구에서는 타 분야의 LCA 연 구와 같이 모든 제품 및 서비스를 대상으로 한 LCA 프로 그램인 환경부의 TOTAL 및 COOL, 산업통상자원부의 PASS, 독일의 GaBi, 네덜란드의 SimaPro 등을 사용하 였다. 하지만 이들은 단위공정별로 물질의 흐름에 기반한 공정도를 작성해야 하고 세부적인 할당 조건 등을 직접 설정해야하는 LCA 전문가 중심의 프로그램일 뿐만 아니
한 형태의 Excel 기반의 프로그램에서, 현재는 배쳐플랜 트의 연간 콘크리트 생산량과 설비의 특성 등을 반영할 수 있는 Web 기반의 프로그램 개발 연구로 발전하고 있 다. 실 예로 최근 국내에서 연구된 STEP-C(Sustainable Total Evaluation Program for Concrete)는 콘크리트
(a) 프로젝트 관리 화면
(b) 평가결과 (일부) 그림 5. STEP-C 그림 4. 콘크리트 LCA 범위
LNG 폐기물
