탄소배출 98% 줄인 시멘트 개발...전기·폐시멘트 재활용

▲탄소저감 시멘트 공정 모식도 (자료=ACS Energy Letters/Curtis Berlinguette)

대표적 탄소 고배출 산업인 시멘트를 생산하는 과정에서 이산화탄소 배출을 최대 98%, 열에너지 사용량을 70%까지 줄이는 기술이 개발됐다.

캐나다 브리티시컬럼비아대학 커티스 벌링게트 교수 연구팀은 전기기반 저탄소 시멘트 생산공정을 13일(현지시간) 발표했다. 석회석을 고온에서 굽는 대신 전기화학 공정으로 시멘트 전구체를 만들고, 원료로 폐시멘트를 활용해 열에너지 투입과 공정 배출을 동시에 낮추는 방식이다.

시멘트는 콘크리트의 핵심 재료다. 물과 섞이면 모래·자갈을 강하게 결합시켜 건축물과 도로, 교량, 댐 등 사회기반시설을 만드는 데 쓰인다. 문제는 생산과정이다. 현재 가장 널리 쓰이는 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)는 석회석과 실리카 함유 광물을 1450℃ 이상으로 가열해 만드는데, 이 과정에서 연료를 태우는 배출뿐 아니라 석회석이 분해되며 이산화탄소가 발생한다. 시멘트 산업은 전세계 이산화탄소 배출량의 약 8%를 차지한다.

연구팀은 고온 열처리에 의존하던 공정을 전기화학 방식으로 바꿨다. 석회석과 실리카를 전기화학 반응기에 넣고 60℃ 수준에서 반응시켜 시멘트 전구체인 칼슘 규산염 수화물(CSH)을 만든 뒤, 이를 650℃에서 벨라이트로 전환했다.

벨라이트는 댐같은 대형 구조물에 중요한 시멘트 성분으로, 기존에는 벨라이트도 석회석을 약 900℃에서 분해한 뒤 1200℃ 안팎에서 실리카와 반응시켜 만들어야 했다. 반면 새 공정은 전기분해 장치에서 생성된 수소이온과 수산화이온을 활용해 석회석과 실리카를 각각 이온 형태로 녹여낸 뒤 결합시키는 방식이다. 연구팀은 전해질 온도를 60℃로 유지했을 때 전구체 생성 수율이 90%까지 올라갔고, 650℃ 열처리에서 벨라이트 함량도 90%에 도달했다고 설명했다.

필요한 에너지 차이도 컸다. 기존 포틀랜드 시멘트 생산은 1톤당 약 3.3기가줄의 열에너지와 0.4기가줄의 전력이 필요하다. 새 공정은 전기분해에 4.4기가줄의 전력과 1.0기가줄의 열에너지가 필요해, 전체 열에너지 요구량을 약 70% 줄일 수 있는 것으로 분석됐다. 열을 직접 투입하는 고온 공정을 전기로 대체하면서 생산 단계의 에너지 구조를 바꾼 셈이다.

가장 큰 감축 효과는 폐시멘트를 원료로 쓸 때 나타났다. 연구팀이 석회석 대신 재활용 폐시멘트를 적용한 결과 이산화탄소 배출량은 시멘트 1톤당 20㎏ 수준으로 줄었다. 기존 포틀랜드 시멘트 생산의 배출량이 1톤당 약 800㎏인 점을 감안하면 98% 줄어드는 것이다.

여기에 전기화학 반응 중 생성되는 수소를 두 번째 열처리 단계의 연료로 활용하면, 화석연료 사용을 더 줄이고 전기화학 공정과 저온 열처리를 결합한 순환형 저탄소 생산 체계를 만들 수 있다고 연구팀은 덧붙였다.

다만 상용화까지는 추가 검증이 필요하다. 전기화학 반응기 설계, 전압 손실, 장기 안정성, 고체 원료 처리, 대량 생산 공정 최적화 등이 남은 과제다. 이번 연구는 실험실 단계와 모델링을 통해 가능성을 제시한 것으로, 실제 시멘트 공장 규모에서 같은 수준의 감축 효과를 유지하려면 공정 확대와 경제성 검토가 뒤따라야 한다고 연구팀은 짚었다.

이번 연구결과는 미국화학회 학술지 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 게재됐다.