2.1 OPC와 HPCC의 이산화탄소 배출량 평가방법

시멘트 클링커는 원재료는 석회석, 규석, 점토, 산화철이며 적절한 분쇄, 혼합, 소성과정을 거쳐 CaO(65%), SiO₂(22%), Al₂O₃(6%), Fe₂O₃(3%)을 주성분으로 하는 클링커로 괴상의 형태로 제조^{(Van and Padovani 2003)}되며 시멘트 혼합 시에는 소정의 분말도를 만족하는 분말로 분쇄하여 혼합한다. 클링커 분말은 수화반응성이 높기 때문에 시멘트로 제조할 때에는 석고를 혼합하여 응결을 지연시켜 조형성을 확보할 수 있도록 하며 시멘트 제조 목적에 맞게 석회석, 플라이애시 등 다양한 비탄산염 재료를 혼합한다^{(Lee and Kim 2018; Lee et al., 2020)}.

시멘트의 클링커와 혼합하여 사용하는 비탄산염 재료들은 대부분 클링커에 비해 반응성이 낮아, 혼합재 사용량이 증가함에 따라서 콘크리트의 초기강도가 저하되기 때문에 그 사용량에 한계가 있다. 따라서 HPC를 개발하여 사용하면 기존 시멘트 클링커 대비 사용하는 비탄산염 혼합재의 양을 증가시켜 이산화탄소의 배출을 저감시킬 수 있으며 HPCC가 일반 시멘트와 동등한 성능을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 H사에서 시험적으로 생산한 고성능 클링커 활용 시멘트를 대상으로 이산화탄소 배출량을 산출하였으며 시험생산을 통해 생산했기 때문에 시멘트 생산 전체 공정 중 고정 및 이동연소, 탈루배출 등 간접적인 이산화탄소 배출량은 제외하고 공정배출로 한정하여 산출했다. 시멘트 공정 중 배출되는 가장 대표적인 온실가스는 이산화탄소이며 클링커 제조 시 필수적인 공정인 소성공정에서 대부분 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 “온실가스 배출권거래제의 배출량 보고 및 인증에 관한 지침”에 따라 시멘트 산업의 보고대상을 온실가스를 이산화탄소로 한정하고 동 지침의 별표인 “배출활동별 온실가스 배출량 등의 세부산정방법 및 기준”을 준용하여 산출하였다. 이산화탄소와 같은 온실가스 배출량은 정량적 산출해야 하며 산출식에 적용되는 계수 또는 물리량과 같은 매개변수의 정확도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

Tier 1: 활동자료, IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 기본 배출 계수(기본 산화 계수, 발열량 등 포함)를 활용하여 온실가스 배출량을 산출하는 기본방법론으로 측정불확도 ±7.5%의 활동자료를 이용.

Tier 2: Tier 1 보다 높은 정확도를 가지는 산출방법론, 국가 고유 배출계수 및 발열량 등 일정부분 시험 및 분석을 통해 얻은 매개변수 값을 이용하여 온실가스 배출량을 산출하는 방법론으로 측정불확도 ±5.0% 의 활동자료를 이용.

Tier 3: Tier 1, 2 보다 높은 정확도를 가지는 산출방법론, 사업장 고유 배출계수 등 사업자가 배출시설 및 감축기술 단위의 배출계수 등 상당부분 시험 및 분석을 통해 얻은 매개변수 값을 이용하거나 공급자로부터 제공받은 값을 사용하여 온실가스 배출량을 산출하는 방법론으로 측정불확도 ±2.5%의 활동자료를 이용.

Tier 4: 굴뚝자동측정기기를 이용한 연속측정(Continuous Emission Monitoring, CEM) 배출량 산정방법론

시멘트 생산 공정의 이산화탄소 배출 보고대상 시설은 소성시설이며 상술한 지침 및 별표 내에서는 물체를 높은 온도에서 구워내는 시설로 일종의 열처리시설로 분류하고 있다. 소성의 목적은 소성물질의 종류에 따라 다르나 고온에서 안정된 조직 및 광물상으로 변화시키거나 충분한 강도를 부여함으로써 물체의 형상을 정확하게 유지하기 위한 목적으로 이용되는 경우가 많으며 시멘트 산업에서도 또한 동일한 목적으로 사용하고 있다. 지침에 따라 각 Tier별 이산화탄소 배출량 산출방법 및 매개변수 관리기준은 식 (1)과 식 (2)에 나타내었다.

Tier 1∼2

Tier 3

Tier 4: 연속측정방식(CEM)을 사용한다.

여기서, E_i: 클링커(i) 생산에 따른 CO₂ 배출량(tCO₂)

Q_i: 클링커(i) 생산량(ton)

EF_i: 클링커(i) 생산량 당 CO₂ 배출계수 (tCO₂/t-clinker)

F_CKD: 킬른에서 유실된 시멘트 킬른먼지(CKD)의 하소율(0에서 1사이의 소수)

Q_CKD: 시멘트 킬른먼지(CKD) 반출량(ton)

EF_CKD: 시멘트 킬른먼지(CKD) 배출계수(tCO₂/t-CKD)

Q_toc: 원료 투입량(ton)

EF_toc: 투입원료(탄산염, 제강슬래그 등) 중 탄산염 성분이 아닌 기타 탄소성분에 기인하는 CO₂ 배출계수(기본값으로 0.0073 tCO₂/t-원료 적용)

시멘트 클링커 생산에 의한 이산화탄소 배출계수는 Tier 1에서 제시하고 있는 바와 같이 IPCC에 의해 정량화되어 있으나 HPCC는 일정부분 시험 및 분석을 통해 얻은 매개변수 값을 이용하여야 하므로 Tier 2 이상의 산출방법을 적용해야 한다. 그러나 Tier 4와 같은 연속측정방법은 고온의 소성로에서 배출되는 가스를 연속적으로 측정해야 하기 때문에 이산화탄소 검출을 위한 배출가스 환경조건, 측정장치의 유지 및 보수, 교정 등과 같은 문제로 실질적으로 적용하기 어렵다. 따라서, HPC의 이산화탄소 배출계수는 Tier 2∼3의 방법에 의해 산출하는 것이 가장 적절한 것으로 판단된다. Tier 2와 Tier 3의 구분은 CO₂ 배출량 산정에서 클링커 생산량 당 배출계수가 비탄산염 원료 또는 CKD 생산량 당 CO₂ 배출량이 내재적으로 적용이 되어 있는지에 따라서 구분한다. Tier 2에서는 클링커 배출량과 하소율을 적용한 CKD 량의 합이 클링커 생산 및 탄산염 성분이 아닌 탄소성분에 기인하는CO₂ 배출계수를 적용하여 산출하지만, Tier 3의 경우 클링커 생산량, CKD 반출량, 탄산염 성분이 아닌 기타 탄소성분에 기인하는 원료 투입량 각각의 CO₂ 배출계수를 적용해 좀 더 정밀한 값을 구할 수 있다. 여기서는 HPC가 시험적으로 생산되었고 공정 최적화가 이루어지지 않은 상태이기 때문에 기본자료로 활용하고자 Tier 2를 적용하여 이산화탄소 배출량을 산출하였다. Tier 2 방법의 클링커 생산량 당 이산화화탄소 배출계수(EF_i)는 식 (3)에서 표현한 바와 같이 CaO와 MgO의 질량분율을 측정하여 산출할 수 있다.

여기서, F_CaO: 생산된 클링커(i) 중 CaO의 질량 분율 (0에서 1사이의 소수)

F_MgO: 생산된 클링커(i) 중 MgO의 질량 분율 (0에서 1사이의 소수).

2.2 콘크리트 배합설계 및 성능 평가방법

HPCC 콘크리트의 성능을 확인하기 위하여 OPC 콘크리트와 동일한 배합으로 제작하였다. 콘크리트의 배합은 굳지 않은 상태의 성능인 슬럼프와 공기량을 각각 150±25㎜, 4.5 ± 1.5%를 목표로 하였으며 굳은 상태의 성능인 압축강도는 24 MPa이상을 목표로 설계하였다. 콘크리트의 배합설계 결과는 Table 1과 같다.

배합에 사용한 콘크리트 원재료의 외형은 Fig. 1에 나타냈다. HPCC와 OPC의 성능 비교 평가를 위하여 잔골재 및 굵은골재, 혼화제 등의 재료는 동일한 것을 사용하였다. 골재는 최대치수 25 ㎜의 굵은골재(밀도 2.67g/㎠), 조립율 2.85의 천연 잔골재(밀도 2.57g/㎠)의 골재를 사용했으며, 혼화제는 고성능 AE 혼화제 표준형을 사용했다.

굳지 않은 상태의 콘크리트의 물성을 검토하기 위하여, 배합 직후의 슬럼프와 공기량을 평가하였으며 KS F 2421 “압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법”에 따라 공기량을 측정하고 KS F 2402 “콘크리트의 슬럼프 시험방법”에 따라 슬럼프를 측정하였다. 굳은 상태의 콘크리트 물성을 검토하기 위해 KS F 2403 “콘크리트의 강도시험용 공시체 제작방법”에 따라 공시체를 제작한 후 온도 20℃, 습도 95%에서 24시간 기건양생 후 탈형하여 20℃ 의 수중양생을 적용하여 압축강도 평가용 공시체를 제작하였다. 양생 후 KS F 2405 “콘크리트의 압축강도 시험방법”에 따라 7일 양생 및 28일 양생 압축강도를 측정하였다. 굳지않은 콘크리트의 물성평가 사진은 Fig. 2에 나타냈다.

3.1 OPC와 HPCC의 이산화탄소 배출량

HPC의 이산화탄소 배출계수를 추정하기 위해서는 HPC를 구성하고 있는 CaO, MgO의 질량분율이 필요하다. 일반적으로 포틀랜드 시멘트의 성분분석은 KS L 5120 “포틀랜드 시멘트의 화학 분석 방법”에 의해 따르나 적정법에 기반한 분석결과의 소요시간과 정확성을 고려하여 시멘트 업계에서 관행적으로 활용되고 있는 X선 형광분석법(XRF)으로 분석하였다. 그 결과는 Table 2와 같다.

배출계수 산출에 사용되는 성분의 질량분율은 CaO, MgO 각각 63.44%, 2.59%로 측정되었다. 이를 지침에서 제시하고 있는 식(3)에 적용한 결과, 클링커 생산량 당 CO₂ 배출계수 EF_i 는 0.536 tCO₂/t-clinker로 산출되었으며 IPCC에서 제시하고 있는 Tier 1 기본배출계수인 0.520 tCO₂/t-clinker 보다 약 3% 정도 높은 결과를 나타냈다.

산출한 EF_i를 클링커 생산에 따른 CO₂ 배출량 E_i를 구하기 위해 몇 가지 일련의 매개변수를 가정하여 식(1)의 Tier 2 방법으로 산출하고자 하였다. 가정한 것은 CKD에 관한 것으로 CKD를 전량 회수하여 원료로 하는 것(Q_CKD=0)과 CKD가 미소성된 것 없이 전량 탈탄산화 하는 것(F_CKD=1)으로 이 가정을 적용할 경우 식(3)의 우항이 클링커 배출 계수 EF_i에 직선 정비례하는 식이 성립되어 간략화 할 수 있다. 이 같은 가정은 시멘트 업계의 기술과 탄소중립에 대한 관심증가로 재자원화에 대한 기술 및 기존 소성공정의 효율화를 일부 반영한 것이나 추후 정확한 산출량 가정을 위해 소성공정에서 측정할 수 있는 매개변수를 정확히 산출해야 한다. CKD 투입원료 중 탄산염 성분이 아닌 기타 성분에 의한 배출계수 EF_toc는 기본값인 0.0073 tCO₂/t-원료를 적용하였다. 클링커 생산 톤당 이산화탄소 배출량 산출결과 IPCC에서 제시한 기본 배출계수 0.520 tCO₂/t-clinker를 적용한 OPC의 경우 0.815 tCO₂, 분석한 결과 값인 0.536 tCO₂/t-clinker를 적용한 HPC의 경우 0.840 tCO₂로 나타났다. OPC대비 HPC 클링커의 배출계수 및 배출량의 증감비율은 동일하며 이는 단순비교를 위해 클링커 생산량을 1톤으로 고정하고 가정을 통해 CKD가 포함된 항을 단순화 했기 때문이다. 그러나, HPC는 클링커 사용율을 OPC에 비해 상대적으로 감소시키고 비탄산염 혼합재의 혼합율을 높인 HPCC를 제조하여 OPC와 동등한 성능 및 을 발현하기 위한 것으로 이산화탄소 배출량을 정확히 파악하기 위해서는　HPC가 아닌 HPCC 제조 시점에서의 검토가 반드시 필요하다. 완제품 상태의 OPC 또는 HPCC는 클링커 분말과 석고 및 비탄산염 재료를 혼합하여 제조할 수 있으며 석고 및 비탄산염 재료는 외부에서 투입된 원료로서 시멘트 제품 적용 시 0으로 간주할 수 있다. 이는, 이미 생산과정에서 이산화탄소 배출량이 계산되어 중복계산하지 않기 때문이다. OPC와 HPC의 이산화탄소 배출량을 산출하기 위해 배출량이 존재하는 클링커와 존재하지 않는 기타 부원료 간의 비율의 조절하여 Table 3에 나타낸 바와 같이 이론적으로 산출하였다.

일반적으로 포틀랜드 시멘트에 혼합하는 석고의 량은 생산 업자별 자체 제조 품질규격에 따라 정하고 있으나^{(Kang et al., 2020)} 이 연구에서는 석고량을 클링커 대비 6%로 고정하고 전체 시멘트 함량에서 비탄산염 재료의 비율을 점진적으로 증가시키는 방법으로 OPC 및 HPCC의 이산화탄소 배출량을 산출하였다. 현행 KS L 5201 “포틀랜드 시멘트”에서는 포졸란 등을 5%, 석회석을 5% 이내로 사용할 수 있게 하여 최대 10% 이상을 적용하게 되어 있으며^{(Kang et al., 2023)} 이와 같이 비탄산염 재료를 시멘트 톤 당 0.10톤(10%) 사용하는 경우 OPC는 0.733 t-CO₂/t-cement 의 이산화탄소 배출되는 것으로 계산되었다. 이에 상응하는 HPCC의 이산화탄소 배출량 0.756 t-CO₂ /t-cement으로 계산되었으며 HPCC가 현행 최대 비탄산염 혼합재 혼합률 10%를 적용한 OPC와 동등 수준의 이산화탄소 배출량을 만족하기 위해서는 비탄산염 재료를 시멘트 톤 당 0.13톤(13%) 사용하여 0.731 t-CO₂/t-cement 까지 감축하는 것이 필요하다. 다만, 이 배출량은 현행 시멘트 제조공정을 간략화한 것으로 정확한 배출량 산출을 위해서는 추가적인 검토가 필요하다.

3.2 OPC 콘크리트와 HPCC 콘크리트의 물성

OPC와 HPCC를 적용한 콘크리트에 대하여 시험한 결과는 Table 4와 같이 정리하였다. 굳지 않은 상태의 콘크리트 물성 시험결과, 슬럼프는 OPC의 경우 44, 49, 54 배합에서 각각 165 ㎜, 135 ㎜, 175 ㎜ 으로 측정되었으며, HPCC의 경우 44, 49, 54 배합에서 각각 160 ㎜, 145 ㎜, 170 ㎜ 로 측정되어 목표 성능을 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 공기랑은 목표한 공기량인 4.5 ± 1.5%를 모두 만족했다. 이를 통하여 HPCC 콘크리트의 굳지 않은 상태의 물성은 OPC 콘크리트와 유사한 수준의 워커빌리티와 공기량을 나타낸다고 볼 수 있다. 굳은 상태의 콘크리트 물성인 압축강도 시험결과 7일강도의 경우 OPC 콘크리트의 강도가 HPCC 콘크리트의 강도와 유사하게 나타났다. 28일 압축강도 역시 OPC 콘크리트와 HPCC 콘크리트의 측정값이 평균적으로 1% 미만의 차이를 보이므로, 거의 유사한 성능을 보인다고 할 수 있다.

OPC 콘크리트와 HPCC 콘크리트의 강도발현 경향을 표현하기 위하여 결합재-물비(B/W)와 압축강도의 관계를 Fig. 3과 Fig. 4에 각각 나타내었다. 또한 측정 데이터에 대한 직선회귀분석을 수행하여 B/W 및 28일 압축강도 추정식을 식 (4) 및 식 (5)와 같이 구하였다.

여기서,f_ck: 수중양생 28일 압축강도 (MPa)

B/W: 결합재-물비

추정식에 나타난 상수 및 계수 값을 비교한 결과, B/W에 따른 콘크리트 압축강도의 관계식이 서로 유사한 것으로 나타났다. 이를 통하여 HPCC는 OPC와 유사한 수준의 CO₂를 배출하면서, 유사한 수준의 콘크리트 강도 발현 성능을 나타냄을 확인하였다. 유럽의 경우 최대 35% 석회석을 시멘트에 포함하는 혼합시멘트를 규격화하여 활용하고 있기 때문에 석회석과 같은 비탄산염 혼합재를 다량 활용한 HPCC 콘크리트의 강도개선을 위한 추가적인 연구가 필요하다.^{(Kang et al., 2024; Lee et al., 2022)} 현재 OPC에 비하여 보다 낮은 수준의 CO₂를 배출하면서, 동등 이상의 콘크리트 강도 발현 성능을 나타낼 수 있는 개선된 고성능 클링커 시멘트(Advanced HPCC, AHPCC)를 개발 중에 있으며, 이에 대한 연구 결과는 추후 논문에서 상세히 다룰 계획이다.