시멘트 재활용으로 기후 문제 해결에 도전

• 콘크리트는 전 세계에서 물 다음으로 많이 쓰이는 재료라, 시멘트의 CO₂ 배출을 줄이는 기술은 건설 산업의 기후 대응에 직접적인 영향을 줌
• Cambridge 연구진은 철강 재활용용 전기 아크로(EAF) 에서 폐시멘트를 함께 처리해, 콘크리트와 철강 생산의 배출을 동시에 낮추는 방법을 개발함
• 공정의 핵심은 철강 재활용에 쓰이는 석회 플럭스를 폐시멘트로 대체해, 보통 폐기되는 슬래그를 새 콘크리트에 쓸 수 있는 재활용 시멘트로 바꾸는 것임
• Materials Processing Institute 시험에서 전기 아크로 기반 규모 생산이 처음 확인됐고, 재생에너지로 EAF를 구동하면 장기적으로 무배출 시멘트도 가능함
• Cambridge Electric Cement 공정은 2050년까지 연간 10억 톤 생산을 목표로 하며, 이는 현재 연간 시멘트 생산량의 약 4분의 1에 해당함

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전기 아크로에서 시멘트를 다시 만드는 방식

• Cambridge 연구진은 철강 재활용에 쓰는 전기 아크로를 활용해 시멘트를 함께 재활용하는 방법을 개발함
• 이 방법은 학술지 Nature에 실린 Electric recycling of Portland cement at scale 연구로 공개됨
• 기존 철강 재활용에서는 불순물 제거를 위해 석회 플럭스를 쓰고, 처리 결과물은 보통 슬래그 폐기물이 됨
• 폐시멘트가 석회 플럭스를 대체하면 최종 산물이 새 콘크리트에 사용할 수 있는 재활용 시멘트가 됨
• 이 공정은 콘크리트나 철강 생산에 유의미한 비용을 더하지 않으면서, 석회 플럭스 필요량을 줄여 양쪽의 배출을 낮춤

시멘트 배출이 큰 이유

• 콘크리트는 모래, 자갈, 물, 시멘트로 만들어지며, 시멘트는 결합재 역할을 함
• 시멘트는 콘크리트 안에서 차지하는 양은 작지만, 콘크리트 배출의 거의 90% 를 차지함
• 기존 시멘트 생산은 석회석과 원료를 분쇄한 뒤 대형 가마에서 약 1,450°C로 가열하는 클링커링(clinkering) 공정을 거침
• 이 과정에서 석회석이 석회로 탈탄산화되며 많은 양의 CO₂가 배출됨
• 과학자들은 지난 10년간 플라이애시 같은 대체재로 콘크리트 내 시멘트의 절반가량을 대체하는 방법을 연구해 왔지만, 이 대체재는 굳기 위해 남은 시멘트의 화학적 활성화가 필요함
• Julian Allwood는 전 세계 시멘트 수요가 연간 약 40억 톤이라며, 이런 대체재만으로는 물리적으로 충분한 물량을 확보하기 어렵다고 봄

폐콘크리트와 제강 슬래그를 연결한 실험

• 오래된 콘크리트를 부수고 모래와 돌을 제거한 뒤 시멘트를 가열하면 물이 빠지고 다시 클링커를 형성할 수 있다는 아이디어에서 출발함
• 클링커링에는 열과 적절한 산화물 조합이 필요하며, 폐시멘트에는 이 성분들이 있지만 재활성화가 필요함
• 연구진은 철거 폐기물과 석회, 알루미나, 실리카를 더해 다양한 슬래그를 만들고, Materials Processing Institute의 EAF에서 용융 철강과 함께 처리한 뒤 빠르게 냉각함
• Cyrille Dunant에 따르면 시멘트 클링커와 산화철 조합은 거품이 잘 생기고 잘 흐르는 제강 슬래그가 됨
• 성분 균형을 맞추고 슬래그를 충분히 빠르게 냉각하면, 제강 공정에 비용을 더하지 않고 재활성화된 시멘트를 얻을 수 있음
• 이 재활용 시멘트는 기존 시멘트보다 산화철 함량이 높지만, 성능에 미치는 영향은 작다고 평가됨

2050년 10억 톤 생산 목표

• Materials Processing Institute의 최근 시험은 전기 아크로에서 재활용 시멘트를 규모 있게 생산할 수 있음을 보였으며, 이는 처음 달성된 사례임
• Cambridge Electric Cement 공정은 빠르게 규모를 키우고 있음
• 2050년까지 연간 10억 톤 생산이 가능할 수 있으며, 이는 현재 연간 시멘트 생산량의 약 4분의 1임
• EAF가 재생에너지로 구동된다면 이 방법은 장기적으로 무배출 시멘트 생산으로 이어질 수 있음
• 연구진은 상용화를 지원하기 위해 이 공정에 대한 특허를 출원함

기술만큼 중요한 콘크리트 사용량 감축

• Allwood는 무배출 시멘트 생산이 “absolute miracle”이지만, 시멘트와 콘크리트 사용량도 줄여야 한다고 말함
• 콘크리트는 저렴하고 강하며 거의 어디서나 만들 수 있지만, 현재 사용량이 지나치게 많다는 입장임
• 안전성을 낮추지 않고도 콘크리트 사용량을 크게 줄일 수 있으나, 이를 위해서는 정치적 의지가 필요함
• Cambridge Electric Cement는 건설 산업의 돌파구일 뿐 아니라, 무배출 전환에서 혁신 기회가 에너지 부문을 넘어선다는 신호가 될 수 있음

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 놀랍게도 철강 재활용에 쓰는 대형 전기 아크로로 콘크리트를 재활용함. 태양광으로 아크로를 돌리면 무배출 콘크리트도 가능하다고 봄
  현재 콘크리트가 인위적 탄소 배출의 7.5% 를 차지하니 큰 차이를 만들 수 있음. 아크로는 에너지를 엄청 먹지만, 태양광이 2년마다 두 배로 늘면 낮 특정 시간대에는 감당 못 할 만큼 전력이 남게 되고, 아크로는 음수 전력 현물가를 흡수하기 좋은 수단이 됨

  • 전기 아크로 수치를 대충 계산해보면, Wikipedia 기준으로 철강 1톤에 이론상 1.44GJ(0.4MWh) 가 필요하고, 300톤에는 132MWh와 약 37분의 통전 시간이 필요함
    https://ourworldindata.org/grapher/electricity-prod-source-s...에 따르면 전 세계 재생 전력은 2021년 10,700TWh, 2023년 11,600TWh였고, 2023년 조강 생산량은 15억 톤이며 그중 30%가 전기로 생산됨. 이 30% 중 20%가 이미 재생 전력이라고 가정해도 24%, 즉 3.6억 톤이 녹색 전력을 필요로 하고, 3.6억 × 0.4MWh = 144TWh가 필요함. 이 가정을 빼면 152TWh 정도라서, 이론상 전 세계 재생 전력의 약 1.5%를 투입하면 조강 전기로 생산분의 24%를 대체할 수 있음. 전 세계 재생 전력 증가율이 +5%였으니 철강 생산을 녹색화하는 데 이론상 1년이면 가능해 보이고, 수치가 100% 틀려도 2년 수준임. 다만 그 5%가 석탄·가스 소비 5% 감소와 함께 오지 않으면 소용없고, 현실은 그렇지 않음
  • 남는 태양광을 쓰려 할 때 자주 생기는 문제는, 그 전력을 소비할 설비의 자본 비용이 너무 커서 하루 중 다른 시간대에 놀려두면 경제성이 안 나온다는 것임. 담수화 설비가 그런 예인데, 이런 아크로도 같은 문제가 있을지 궁금함
  • 여기서 중요한 건 이 기술이 콘크리트 재활용만 한다는 점임. 7.5% 배출의 대부분은 새 도로와 새 건물처럼 전체 콘크리트 사용량을 늘리는 신축에서 나오고, 오래된 건물이나 도로를 부수고 대체하는 데서 나오는 비중은 매우 작음
    규모가 커져도 7.5%를 조금 줄이는 정도일 가능성이 큼
  • “태양광이 2년마다 두 배로 늘면 곧 감당 못 할 만큼 전력이 남는다”는 말에서, 곧이 어느 정도인지 궁금함
    https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=50357
  • 전력이 남는 건 단기적일 뿐임. 인간은 금방 전력 쓸 방법을 찾아냄. 에너지 집약 작업이 너무 많아서 인류에게 전력이 충분해지는 일은 오랫동안 없을 것임
    물을 담수화하거나 암호화폐를 채굴할 수도 있고, 인간 수준 능력의 로봇이 생기면 모든 것의 생산을 끝없이 늘릴 수 있음

• 매우 멋진 발견이지만, 현재도 사용된 시멘트가 그대로 매립지로 가는 건 아님
  대부분의 시멘트는 콘크리트가 되고, 여러 크기로 부순 콘크리트는 도로 건설 등에 쇄석보다 싼 골재로 쓰이는 가치 있는 자재임. 내가 사는 지역에서는 부순 콘크리트 판매 광고를 보고 전화하면 이미 팔린 경우가 많음. 주변 토양이 점토와 모래라서 이런 자재가 항상 부족한 듯함

  • 여기서는 구조물과 포장에서 나온 철거 콘크리트를 새 개발지의 구조용 성토재로 쓰는 게 흔함. 같은 부지에서 재사용하기도 하고, 일부 기관은 잔존 가치가 있어서 시공사가 반출하지 못하게 함
    콘크리트 잔해는 현장에서도 회수 가치가 있음. 이 방식으로 재활용하려면 제분소로 운반하고, 파쇄하고, 분리하고, 다시 용광로로 운반한 뒤에야 기사에 나온 공정이 시작됨

• “가능하다면 큰일”인 부분은 콘크리트를 수화 시멘트 페이스트로 환원하는 데 있어 보임
  실제 논문: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07338-8
  논문에는 회수 시멘트 페이스트(RCP)가 현재 상업적 규모로 공급되지 않으며, 개선된 회수 골재의 가치가 추가 처리 비용을 덮을 만큼 높지 않아 RCP가 현재 매립된다고 되어 있음. 다만 대규모 RCP 생산에 필요한 노하우와 기술은 존재한다고 하며 [22]를 인용함
  22. Thermomechanical beneficiation of recycled concrete aggregates (RCA): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095006182...
  그런데 인용된 논문은 콘크리트를 RCP로 재활용하는 기술이 존재한다는 주장을 뒷받침하지 않음. 그 논문은 재활용 콘크리트 골재(RCA)에서 부착 모르타르(AM)를 제거하는 내용을 다룸

• HN의 플래그 과정을 거치고도 이 주제가 살아남아서 좋음
  시추 지열 같은 다른 유망한 비탄소 에너지원도 논의되면 좋겠음. 약간 벗어난 얘기지만, 일반인들은 NET-ZERO == MAX-CO2 == MAX-HEAT라고 말하면 자주 놀람. 순배출 제로에 도달하면 임무 완료라고 생각하기 쉽지만, 실제로 중요한 건 곡선 아래 면적, 즉 대기에 올려 보낸 총 CO2/온실가스 등가량이고, 이것들은 오래 남음
  지금 이미 +1.5°C에 가까워지고 있고, 배출이 높은 고원 상태로 유지되는 현재 조건에서 기온이 10년마다 약 0.25~0.3°C 오르면, 2050년쯤 순배출 제로에 도달할 때는 +2.5~+3.0°C 범위일 가능성이 큼. +2.5°C가 대규모 인구에게 생존 가능한지 확신이 없어서, 태양복사관리(SRM) 같은 것까지 보게 됨. 예를 들어 황 입자를 올려 구름량을 늘리고 바다가 흡수하는 햇빛을 줄여 순냉각 효과를 내는 방식임. 최근까지 컨테이너선 연료의 황이 이런 효과를 냈지만, 이후 연료의 황 함량이 낮아지도록 규제됨
  결국 우리는 CO2가 많은 뜨거운 생물권을 지구공학으로 만들어 이 난장판에 들어왔고, 빠져나올 때도 공학이 필요할 것 같음. 그래도 탄소 연료를 대체하고 에너지를 저장하며 열을 줄일 수 있어 보이는 기술이 많다는 점은 다행임

  • 황 주입이 필요할 수도 있다는 데 동의하지만, 두 가지와 엄격히 묶여야 함. 첫째, CO2와 메탄 등의 강제 감축이 함께 가야 함. SRM은 문제를 뒤로 미루는 것이며, 더 많은 오염을 위한 임시방편이 되어서는 안 됨
    둘째, 지속적인 자금 지원이 보장되어야 함. 20년간 SRM을 하다가 갑자기 멈추면 20년치 기후 변화 증가가 한꺼번에 나타남. 또한 거의 모든 나라가 동참하도록 인류 역사상 가장 큰 외교적 추진이 필요함. 모든 나라가 영향을 받기 때문에 동의가 없으면 충돌로 이어질 수 있음. 예를 들어 러시아는 더 높은 기온과 더 긴 작물 재배 기간을 기대하고 있음

• 또 다른 방법은 10년 지나면 철거해야 하는 물건을 짓지 않는 것임. 도시의 대형 콘크리트 건물 중 상당수가 20년도 안 되어 철거됐고, 일부는 10년 만에 없어졌음
  꽤 낭비적이라서, 계획과 선견지명만 있으면 더 나은 방법이 분명 있을 듯함

  • 아니면 처음부터 철거 계획까지 포함해서 지으면 됨. 강철과 목재로
  • https://www.construction-physics.com/p/how-to-design-a-house...

• 철강 재활용에 쓰는 플럭스를 폐콘크리트로 대체해서, 쓸모없는 슬래그 대신 재활용 시멘트를 얻는 방식임
  정말 좋은 아이디어지만, 전 세계 철강 생산량 전체가 이 방식으로 바뀌어도 시멘트 생산량에 미치는 영향은 미미하다는 점을 기억해야 함. 철강은 약 1억 톤/년, 시멘트는 약 40억 톤/년 규모임

  • 한 나라의 생산량을 전 세계 생산량으로 본 것 아닌가 싶음
    https://www.statista.com/statistics/267264/world-crude-steel...
    2022년 전 세계 조강 생산량은 약 19억 톤이었음. 다만 시멘트 생산에 미치는 영향이 작을 것이라는 직감은 맞음
    이 보고서에 따르면 광석에서 새 철강을 만들 때는 철강 1톤당 약 270kg의 석회석이 필요하고, 전기 아크로에서 철강을 재활용할 때는 88kg이 필요함
    https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-raw-mat...
    전 세계 철강 생산은 약 35%가 재활용, 65%가 광석 기반임. 따라서 재활용 철강에 적용되는 이번 Cambridge 연구는 약 5,900만 톤의 석회석 소비를 대체할 수 있음. 전 세계 시멘트 소비가 수십억 톤인 것과 비교하면 작지만, 전기 아크로를 갖춘 지자체에는 지역적으로 의미가 있을 수 있음

• Cambridge 연구진은 사용된 시멘트가 석회 플럭스의 효과적인 대체재라는 걸 발견함. 그렇다면 이 콘크리트는 철강 제조 중 대체 재료로만 “재활용”되는 것 아닌가 싶음
  그 방식은 규모를 키우기 어려움. 재활용하고 싶은 콘크리트의 1%만 처리하려 해도 철강을 어마어마하게 더 많이 만들어야 할 것임

  • 그렇지 않음. 석회 플럭스를 대체했는데, 부수 효과로 시멘트가 다시 활성화되어 클링커가 만들어지고, 이걸 새 콘크리트에 다시 쓸 수 있음
    꽤 멋진 해킹임
  • 그 1% 라는 수치에 얼마나 확신이 있는지 궁금함. 20%나 50%가 아니라고 확신할 수 있나?
  • 같은 철강을 반복해서 재사용하며 시멘트를 대규모로 처리하면 안 되는 이유가 있는지 궁금함

• 시멘트 생산은 전 세계 이산화탄소 배출의 상당한 원인임. 효과적인 시멘트 재활용 방법이 개발되고 있다니 놀라움