1. 서 론

시멘트 산업은 탄소 배출을 수반하는 구조적 한계를 지니고 있어, 국제사회의 탄소중립 선언과 기후 위기 대응 노력 속에서 철강, 석유화학 산업과 함께 탈탄소 전환이 시급한 산업군으로 알려져 있다¹⁾. 시멘트 제조 공정에서 발생하는 이산화탄소(CO₂)의 주요 배출원은 석회석의 열분해 반응과 킬른 연소 공정이다. 특히 소성공정에서의 탄산칼슘 분해 반응은 전체 CO₂ 배출량의 60% 이상을 차지하며, 킬른에서의 화석연료 연소는 약 30%의 배출을 차지한다. 보통 포틀랜드 시멘트 1톤을 생산할 때 약 925 kg의 CO₂가 배출되며, 이는 국내 산업부문의 온실가스 배출량 중 약 15%를 차지하는 수준이다²⁾. 이처럼 구조적으로 대량의 탄소를 배출하는 시멘트 산업의 특성으로 인해, 궁극적인 탈탄소화를 위한 공정의 전면적 전환이 필요한 실정이다.

이에 따라 전 세계 시멘트 업계는 온실가스 저감을 위한 방안으로 클링커 비율 축소를 통한 원료 대체, 화석연료를 폐기물 기반 연료나 바이오매스 등의 대체연료로 전환하는 등의 전략을 추진하고 있다. 이 중 연료 전환은 즉각적인 온실가스 저감 효과를 기대할 수 있는 방안으로 주목받고 있으며, 유럽 주요국은 시멘트 소성 공정 높은 대체연료 활용률을 달성하며 선도적인 성과를 보이고 있다³⁾. 반면, 국내의 대체연료 활용률은 유럽 주요국 대비 비교적 낮은 수준이며, 폐합성수지 중심의 편중된 연료 구성과 연소 안정성 문제, 염소계 부산물에 따른 품질 저하 우려 등 기술적 제약으로 인해 확산 속도가 늦어지고 있다⁴⁾. 이러한 기존 폐기물 기반 대체연료의 한계를 보완하기 위한 미래의 연료로써 수소(H₂)와 암모니아(NH₃)와 같은 무탄소 연료가 주목받고 있다. 이들 연료는 연소 시 CO₂를 배출하지 않으며, 재생에너지 기반 생산이 가능하다는 점에서 탄소중립 실현의 핵심 수단으로 부상하고 있다⁵⁾. 최근에는 유럽, 일본 등에서 시멘트 소성로에 수소 또는 암모니아 연료를 혼합하거나 단독 적용하려는 시범 연구와 실증 사업이 진행 중이며, 국내에서도 관련 기술개발 및 정부 정책이 점차 활발해지고 있다^6,7,8,9).

본 논문에서는 국내외 시멘트 산업에서의 대체연료 활용 현황을 비교하고, 주요 국가들의 성공 사례와 정책 기반을 분석하였다. 또한 폐기물 연료의 기술적 한계, 품질 영향, 대기오염 문제를 고찰하고, 수소 및 암모니아와 같은 미래 연료의 적용 가능성과 과제를 검토함으로써, 시멘트 산업의 저탄소 전환을 위한 향후 대응 방안을 도출하고자 하였다.

2. 시멘트 산업에서의 탄소배출 현황

시멘트 산업은 도로, 건물 및 댐의 사회 기반 시설 건설에 필수적인 원료를 공급하는 대표적인 기간산업이다. 2024년 기준 국내 시멘트의 생산량은 44,186천 톤으로, 세계 시멘트 생산국 중 11위에 해당하며, 여전히 높은 수준의 생산량을 유지하고 있다¹⁰⁾. 그러나 최근 강화된 국제 사회의 탄소중립 요구에 따라 시멘트 산업은 철강 및 석유화학 산업과 함께 탄소배출 저감의 강한 압력을 받고 있다.

시멘트 산업은 온실가스 다배출 업종으로, 2023년 기준 국내 시멘트 산업부문의 온실가스 배출량은 약 36.2백만 톤으로 확인되었다¹¹⁾. 이는 국내 산업 분야 온실가스 배출량인 약 238.9백만 톤의 약 15%를 차지하는 수준이다¹²⁾. 시멘트 공정은 크게 채광공정, 분쇄공정, 소성공정, 클링커 분쇄공정으로 구분된다. 이 중 소성공정에서 전체 시멘트 공정의 약 90% 이산화탄소를 배출한다. 소성공정은 다시 예열, 탈탄산, 소성, 냉각 반응을 거치는데, 이 중 석회석의 주성분인 탄산칼슘(CaCO₃)이 열분해 반응을 통해 산화칼슘(CaO)과 이산화탄소(CO₂)로 분해되는 탈탄산 반응에서 약 60%의 이산화탄소가 배출된다. 나머지 약 30%는 킬른 및 예열기에서의 연료 연소에 의해 발생하게 된다(Fig. 1)¹³⁾. 이러한 공정의 구조적 특성은 시멘트 산업의 근본적인 탈탄소화를 어렵게 만들고 있으며, 이에 따라 국내외 산업계에서는 원료 대체와 연료 대체를 통한 온실가스 저감 노력을 추진하고 있다.

Fig. 1.

Schematic diagram of cement production and greenhouse gas emissions¹³⁾.

원료 대체로는 석회석 원료 중심의 시멘트 원료를 비탄산염 원료로 대체, 저온소성이 가능한 대체 원료를 개발 및 혼합재 함량을 증가시키는 방법 등이 있다¹⁴⁾. 이를 통해 열분해 반응에서 발생하는 공정 이산화탄소 배출을 직접적으로 감축할 수 있게 된다.

연료 대체의 경우, 유연탄과 같은 화석연료 대신 폐합성수지, 폐타이어, 폐목재 등 가연성 폐기물을 연료로 사용하여 열에너지를 공급하는 방법이다¹⁵⁾. 이를 통해 화석연료 사용을 줄이고, 일부 폐기물은 탄소중립 연료로 인정되어 추가적인 온실가스 저감 효과를 기대할 수 있다. 이러한 기술적 전환 노력에도 불구하고, 국내 시멘트 산업의 대체 연료 사용률은 유럽 주요국에 비해 낮은 실정이다¹⁶⁾. 또한, 대체 연료의 품질 불균일성, 킬른 운전 안정성 저하, 대기오염물질 배출 문제 등 복합적인 기술·사회적 문제로 실질적인 감축 효과는 제한적인 상황이다.

3. 시멘트 산업 대체연료 현황 및 특성

3.1. 해외 시멘트 산업의 대체연료

시멘트 생산에서 발생하는 CO₂를 줄이려면 제조 공정뿐만 아니라, 전체 CO₂ 배출량의 약 30%를 차지하는 연소 공정에서도 저감 노력이 필요하다. 국제 사회에서는 화석연료를 대체할 수 있는 연소 대안으로 폐기물 기반 연료인 폐합성수지, 폐타이어, 폐목재, 하수슬러지 등의 다양한 대체연료 도입이 적극 추진되고 있다. 각국은 자국의 정책 체계, 폐기물 처리 시스템, 에너지 가격, 기술 수준 등에 따라 상이한 접근 방식을 채택하고 있으며, 국가별 대체연료 활용률과 주요 연료 형태에는 뚜렷한 차이가 존재하는 것으로 확인되었다(Table 1). 시멘트 산업에서 대체 연료 활용 비율은 유럽이 가장 높은 수준을 보이고 있다. 2020년 기준으로 EU 평균 대체율은 52%에 달하며, 국가별로는 폴란드가 가장 높은 비율을 차지하고 있고, 그 다음으로는 오스트리아, 독일 순으로 높은 대체율을 나타내고 있다(Fig. 2). 이러한 높은 대체율은 고열량 폐기물의 매립금지, 재활용 가능한 폐기물의 시멘트 산업 활용 유도, 정부 차원의 탄소세 및 배출권거래제(Emissions Trading System, ETS)와 같은 강력한 제도 기반에서 기인한다¹⁶⁾.

Fig. 2.

Circulating resource cement firing fuel replacement rate by country¹⁶⁾.

전 세계 중 가장 높은 대체연료 비율을 차지하는 폴란드의 시멘트 산업은 대체연료 사용 비중을 74%까지 확대하며, 탄소 배출 저감과 자원 순환을 실현을 위해 노력하고 있다. 폐플라스틱, 폐타이어 등 고형 폐기물 연료(Refuse Derived Fuel, RDF)를 사용하며, 농업 부산물과 목재 찌꺼기와 같은 재생 가능한 자원도 대체 연료로 활용하고 있다. 폴란드의 대체연료 사용 비율이 높은 이유 중 하나는 2015년부터 발열량 6 MJ/kg 이상의 폐기물 매립을 금지하는 규제의 시행이다. 폐기물 매립 금지 규제로 인해 가연성 폐기물의 주요 처리 수단으로 시멘트 공장이 활용되기 시작했다. 결과적으로 2030년 유럽 시멘트 협회인 CEMBUREAU가 제시한 대체 연료 사용률 목표인 60%를 초과 달성했으며, 2050년까지 대체율 90%에 근접할 것으로 예상된다¹⁷⁾.

오스트리아의 대체율은 71%로 폴란드 다음으로 높은 비율을 나타내고 있다. RDF, 폐목재, 하수슬러지 등 다양한 폐기물을 연료로 활용하고 있으며, 오스트리아의 시멘트 회사인 Holcim은 지역 폐기물 처리 기업인 Saubermacher와 합작사 ThermoTeam을 설립하여 RDF 전처리 시설을 운영해 왔으며, 연간 10만 톤의 RDF를 자체 생산하여 폐기물 순환 체계를 유지하고 있다. Thermo Team에서 전처리된 RDF와 바이오 매스 연료, 하수슬러지 등과 같은 폐기물을 메인버너와 칼시너에서 연료로 사용되어 100% 열에너지를 대체하고 있다. 이러한 노력 덕분에 오스트리아 시멘트 산업의 CO₂배출량은 539 kg/ton으로, 세계 평균인 639 kg 대비 낮은 수준을 유지하고 있다¹⁸⁾.

독일의 대표적인 시멘트 공장인 Heidelberg Cement는 폴란드와 마찬가지로 폐기물 기반 연료와 바이오매스를 사용하여 화석연료를 대체하고 있다. 현재 Heidelberg Cement는 대체연료 비율을 20% 이상으로 확대했으며, 2030년까지 대체연료 45% 이상, 바이오매스 20% 활용을 목표로 두고, 2050년까지 모든 공정을 탄소중립으로 전환하는 목표를 설정했다. 이러한 노력은 시멘트 산업에서 탄소 배출 감소와 지속 가능성을 추구하는 국제적인 선례로 평가받고 있다. 또한 독일은 대체연료로 수소를 활용하고 있다. 독일의 Heidelberg Cement의 자회사인 HansonUK의 Ribblesdale 공장에 있는 시멘트 킬른은 수소기술을 사용한 세계 최초의 시범 사업으로 넷제로 연료 혼합물(Net zero fuel mix)을 사용하여 성공적으로 가동되었다. Ribblesdale 공장에서는 세계 최초로, 상업 규모의 시멘트 생산 공정에 수소를 포함한 100% 기후 중립 연료를 적용하여 가동하는 데 성공했다. 시연 과정에서는 시멘트 소성로의 주 버너에 투입되는 기존 연료에 친환경 연료를 점진적으로 혼합한 뒤, 최종적으로 수소, 바이오매스 및 글리세린 등으로 구성된 완전한 친환경 연료 혼합물로 전환하는데 성공하였다. 만약 이 기술이 전체 소성로 시스템에 완전히 적용된다면 화석연료를 대체하여 연간 약 180천톤의 CO₂ 배출을 줄일 수 있다¹⁹⁾.

Fig. 3은 전 세계 주요 시멘트 생산 국가를 나타낸 것으로, 중국과 인도가 약 60%를 차지하고 있다. 이러한 이유로 두 국가는 대체연료 사용 확대를 위한 노력을 강화하고 있으나, 구조적 한계로 낮은 대체율을 보이고 있다¹⁰⁾. 중국은 시멘트 산업에서 대체연료가 차지하는 비율이 약 2%로, 매우 낮은 수치를 기록하고 있다(Fig. 3)¹⁶⁾. 대체 연료 사용률이 낮은 이유로는 폐기물 처리 시스템의 미비, 폐기물 연료 산업의 부재, 바이오매스 자원의 부족, 제도적 및 기술적 문제 등이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 중국 정부는 2025년까지 시멘트 산업에서 대체연료 비율을 20% 확대하는 목표를 설정하고 있다²⁰⁾.

Fig. 3.

Major cement producing countries in 2023¹⁰⁾.

인도 역시 폐기물의 품질 문제, 전처리 및 물류 인프라 부족, 정책 지원 미흡, 기술적 제약 등으로 인해 대체연료 비율이 2.5%로 낮은 값을 가지고 있다. 인도는 이러한 문제를 해결하기 위해 전처리 플랫폼 구축과 최신 기술 도입 등에 약 6천만 달러 이상을 투자하였으며, 2030년까지 대체연료 사용 비율을 20%로 올리기 위해 노력하고 있다²¹⁾.

3.2. 국내 시멘트 산업의 대체 연료 사용 현황과 특징

2021년 기준, 국내 시멘트 산업의 대체연료 사용량은 2,245천 톤으로 전체 연료의 35%를 차지하고 있다. 이 수치를 기준으로 보면 국내 시멘트 산업의 전체 연료 사용량은 약 6,414천 톤이며, 이 중 유연탄과 같은 화석연료의 사용량은 약 4,169천 톤으로 전체의 약 65%를 차지한다고 볼 수 있다. Figs. 4, 5는 시멘트 소성로에서의 대체연료 사용 현황을 보여준다. 기존 화석연료인 유연탄을 대신하여 폐합성수지, 폐타이어 및 폐고무류 등의 가연성폐기물이 연료로 활용되고 있다. 이 중 폐합성수지의 사용량은 2021년 기준 1,952 천톤으로 대부분의 대체연료 사용량을 차지하고 있다¹⁵⁾.

Fig. 4.

The proportion of alternative fuels in the cement industry in Korea¹⁵⁾.

Fig. 5.

Current status of alternative fuel use in cement kilns in Korea¹⁵⁾.

대체 연료 사용을 통한 시멘트 분야의 이산화탄소 저감에 대한 분석이 필요하다. 대체연료의 CO₂ 배출 저감 효과를 유연탄과 비교하기 위해서는 발열량과 탄소배출 계수를 기준으로 분석할 수 있다. 발열량이란 일정한 단위의 연료가 완전히 타서 생기는 열량을 의미하고, 탄소 배출 계수(Carbon Emission Factor)는 연료 연소와 같은 특정 활동 단위당 탄소 배출량을 나타내는 계수를 의미한다^22,23). 즉, 연료로 사용되는 물질의 발열량이 높고, 탄소 배출 계수가 작으면 탄소 배출 저감에 이점을 제공하게 된다. 대체연료와 유연탄의 발열량 및 탄소 배출 계수를 비교하면 다음과 같다(Table 2). 폐합성수지의 발열량은 34.2 MJ/kg으로 유연탄보다 약간 높으며, 탄소 배출 계수는 25.8 t C/TJ로 유연탄(25.9 t C/TJ)보다 낮아 탄소 배출 저감에 기여한다. 폐타이어는 발열량 36.1 MJ/kg, 탄소배출 계수 24.3 t C/TJ 로 발열량은 높고 탄소배출계수는 낮아 유연탄 대비 환경적 이점을 제공한다. 폐목재는 발열량이 14.6 MJ/kg로 가장 낮으나, 탄소중립 연료로 간주되어 탄소 배출이 없는 것이 특징이다^24,25,26,27).

폐타이어가 폐합성수지보다 발열량이 높고 탄소배출계수가 낮아 품질적으로는 우수하지만, 우리나라의 대체연료 사용율을 보면 폐합성수지가 현저하게 많다는 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 국내의 제조업과 소비재 산업의 발달로 인해 폐합성수지 발생량이 증가함에 따라 대량 확보가 가능하기 때문에 발생한 것으로 판단된다. 국내 2023년 기준 폐합성수지의 일종인 폐플라스틱의 발생량은 14,629천톤이며²⁸⁾, 폐타이어의 발생량은 2024년 기준 400천톤이다²⁹⁾. 폐타이어의 공급량은 폐합성수지보다 휠씬 적을 뿐만 아니라 2023년부터 수입이 금지되어 국내 보유 물량에만 의존할 수밖에 없는 상황이다. 또한 폐타이어는 시멘트 연료뿐 아니라 재생고무, 고무칩 생산 등 다른 산업에서도 많이 사용되어 수급의 불안정이 가중되는 특징을 가지고 있다³⁰⁾.

3.3. 국내 시멘트 업계의 대체연료 확대 전략

국내 주요 시멘트 기업들은 탄소중립 실현과 화석연료 의존도 저감을 목표로, 대체연료 활용 비중을 점진적으로 확대하고 있다. 특히 유연탄 사용을 줄이기 위한 공정 개조 및 순환연료 투입 최적화 기술 개발에 적극적인 투자가 이루어지고 있다(Table 3).

A 시멘트사는 대체연료 연소에 적합한 소성 환경을 조성하기 위해, 2026년까지 약 3,680억 원 규모의 설비투자를 계획 중이다. 이는 순환연료 특성에 맞춘 연소 환경 개선과 완전연소 조건을 확보하기 위한 소성 설비 개조 프로젝트의 일환이다³¹⁾.

B 시멘트사는 2019년부터 ‘생산혁신투자’ 프로젝트를 통해 가연성 폐기물 기반의 순환연료로 유연탄을 대체하고 있다. 2023년 기준 열량 대체율은 40% 수준까지 향상되었다. 향후에도 추가적인 공정 개선과 연료 전환 투자를 통해, 2030년까지 2018년 대비 탄소배출량을 25%, 2050년까지는 53% 이상 감축한다는 전략을 수립하고 있다³²⁾.

C 시멘트사는 2025년까지 탄소배출량 25% 감축을 목표로 설정하고, 소성공정을 개조하였으며, 연소공정의 온실가스 감축 효과를 높이기 위해 화석연료를 줄이고, 순환연료 투입을 확대하는 방향으로 전환하고 있다³³⁾.

D 시멘트사는 2020년부터 약 1,500억 원 규모의 설비 개선을 통해 소성로의 열효율을 높이고 유연탄 사용을 감축하고 있다. 동시에 대체연료 고효율 처리기술을 자체 개발하여, 2023년 기준 연료 대체율을 26.3%까지 향상시켰다³⁴⁾.

E 시멘트사는 2030년까지 온실가스 배출량을 21% 감축하고, 화석연료의 58%를 순환자원으로 대체할 계획이다. 현재 소성로 전용 버너 2기의 설치가 진행 중이며, 2024년 완공 시 온실가스 약 4% 감축이 가능할 것으로 예측된다³⁵⁾.

4. 기존의 대체연료 사용에 따른 문제점

시멘트 산업에서 가연성 폐기물과 같은 대체연료의 사용이 확대되면서 여러 가지 기술적 문제가 동반되고 있다(Table 4). 그 중 첫 번째는 시멘트 품질 문제이다. 대체연료 중 사용 비율이 높은 폐합성수지에는 염소계 화합물인 클로로화 폴리에틸렌(Chlorinated Polyethylene, CPE)이나 다이클로로메탄(Dichloromethane, DCM) 등이 포함되어 있으며, 이들은 소성로 내 고온 환경에서 열분해되어 염화수소(HCl)를 생성하게 된다. 생성된 염화수소는 클링커에 존재하는 염소 성분의 농도를 증가시키는 원인으로 작용한다. 염화물은 약 1,200 ℃ 구간에서 기화된 후 온도가 800 ℃ 이하로 떨어지는 예열기 구간에서 다시 응축되는 성질을 갖는다. 이러한 휘발·응축 순환이 반복되면서, 휘발된 염화물은 연소가스와 함께 이동하면서 온도가 낮아지는 구간에서 소성로 벽면이나 미소 입자 형태의 원료 표면에 축적된다. 결과적으로 킬른 내부의 물질 순환 균형이 깨지고, 공정 안정성 저하와 장비 오염, 클링커 품질 저하와 같은 부작용을 초래할 수 있다(Fig. 6). 소성로 내에서 응축된 염화물의 일부는 클링커에 포함되어 제품으로 배출되지만, 염소 성분이 과도하게 포함될 경우 이는 시멘트의 품질 저하로 이어질 수 있으며, 궁극적으로는 콘크리트의 성능을 악화시키는 원인이 된다. 클링커 내 염화물 성분은 시멘트가 수화될 때 콘크리트 내로 유입되며, 이때 염화이온(Cl^-)은 시멘트의 주요 구성 광물 중 하나인 삼칼슘 알루미네이트(3CaO·Al₂O₃, C₃A)와 반응하여 프리델 염(Friedel’s salt, 3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O)을 형성한다. 이 화합물은 콘크리트 내부에 고정화되어 존재하게 된다⁴⁾.

Fig. 6.

Schematic diagram of the chloride production process in a rotary kiln⁴⁾.

하지만 일정량 이상의 염화물이 콘크리트에 존재할 경우, 철근 주변의 금속 표면에 자연적으로 형성되는 부동태 피막이 파괴될 수 있다. 이 피막은 철근의 부식을 억제하는 보호층 역할을 하지만, 염화이온은 이를 손상시켜 부식을 촉진하는 환경을 조성한다. 이로 인해 철은 산화되어 이온으로 전환되고, 동시에 산소는 환원되며 부식 전기화학 반응이 발생하게 된다. 철근의 부식이 시작되면 생성된 녹(Rust)은 부피 팽창을 일으켜 콘크리트 내 인장응력을 증가시키며, 그 결과로 균열 또는 박리현상이 발생할 수 있다. 이러한 손상은 구조물의 내구성 저하로 이어지며, 장기적으로는 사용 수명의 단축을 초래하게 된다 (Fig. 7)³⁶⁾. 두 번째 단점은 대체연료가 탄소 저감 효과는 가져올 수 있지만, 다른 대기오염물질은 오히려 증가될 수 있다는 점이다. 유연탄을 대체하여 폐기물을 연료로 사용할 경우, CO₂와 질소산화물(NO_X) 배출량은 줄일 수 있지만 일산화탄소(CO)와 같은 다른 대기오염물질의 배출이 증가할 가능성이 있다. 실제로 대체연료로 폐기물을 사용했을 때 발생되는 NO_X과 CO가 반비례 관계에 있다는 연구가 진행된 사례가 존재한다. 대체연료 중 경질 플라스틱류, 폐고무류와 같은 고형 연료가 투입될 경우, 연소 시 발생하는 NO_X과 CO의 상반된 배출 특성이 두드러진다고 분석하고 있다. 일반적으로 연소 온도가 높고 산소가 충분한 조건에서는 NO_X가 주로 형성되며, 반대로 산소가 부족하거나 연소가 불완전할 경우 CO가 생성되는 경향이 있다. Fig. 8은 킬른 영역에서의 CO 배출량과 NO_X 배출량 간의 상관관계를 시각적으로 나타낸 그래프로, CO 배출량이 증가함에 따라 NO_X 배출량은 감소하는 뚜렷한 반비례 관계를 나타내고 있다³⁷⁾.

Fig. 7.

Reinforcing steel corrosion process caused by chlorine ions³⁶⁾.

Fig. 8.

Typical CO and NO_X trends(Lefebve, 2000)³⁷⁾.

결과적으로 대체연료의 도입은 NO_X 저감에는 긍정적인 효과를 주지만, 연소 제어가 미흡한 경우 CO가 증가되는 환경적 리스크를 초래할 수 있다. 이는 단순한 연료 치환만으로는 해결이 어려우며, 연소기 설계 변경, 산소 농도 제어, 예열 공기 조절, 연소 온도 제어 등 다양한 공정 기술의 정교한 통합이 필요함을 보여준다³⁸⁾.

5. 무탄소 연료

폐기물 연료의 단점을 보완할 수 있는 대안으로 수소(H₂)와 암모니아(NH₃) 연료가 주목받고 있다. 수소와 암모니아는 연소 과정에서 CO₂를 배출하지 않는 청정 연료로, 탄소중립 목표달성을 위한 효과적인 대체연료로 평가된다. 수소와 암모니아의 장점을 활용하면 시멘트 소성공정에서 발생하는 온실가스와 대기오염물질을 현저히 감소시킬 수 있는 가능성이 있다. 수소와 암모니아를 포함한 다양한 연료의 완전 연소 반응식 및 화학양론 상수에 대한 분석 통해, 혼합 연료 중 수소와 암모니아의 비율 변화가 CO₂ 배출량 저감에 기여할 수 있음을 이론적으로 검증할 수 있다.

여기서 𝑚, 𝑛, 𝑥, 𝑦는 각각 연료 내 탄소, 수소, 산소, 질소 원자의 개수를 나타내며, s는 완전 연소에 필요한 산소의 몰수로부터 유도된 화학양론 상수이다. 위 식을 통해 연료 1몰을 완전 연소시키기 위해 요구되는 이론적 공기량은 4.76𝑠 몰로 산정할 수 있다. 예를 들어, 암모니아(NH₃)는 분자 구조상 𝑚=0, 𝑛=3, 𝑥=0, y=1에 해당하므로, 완전 연소에 필요한 공기량은 약 3.57몰로 계산된다. 또한 이 식은 암모니아와 탄화수소계 연료가 혼합된 경우에도 적용 가능하며, 연료 내 탄소 계수 m이 감소할수록 배출되는 CO₂의 농도가 줄어들게 되고, 수소의 계수 n의 증가에 따라 연소 배기가스 중의 수분의 농도가 증가하게 된다⁵⁾. 이를 통해 암모니아 또는 수소가 혼소 연료로 활용될 경우, CO₂ 배출 저감에 기여할 수 있음을 수식적으로 입증할 수 있다(Fig. 9).

Fig. 9.

Comparison of carbon dioxide reduction effect according to the mixing rate of hydrogen and ammonia⁵⁾.

5.1. 수소연료

탄소중립 실현을 위해서는 현재의 화석연료 기반 에너지 방식에서 벗어나 재생에너지를 적극적으로 활용하는 체제로의 에너지 전환(energy transition)이 필요하며, 화석연료를 대체할 미래 에너지원 중에서 수소가 많은 관심을 받고 있다. 수소는 높은 질량당 에너지를 갖고 있으며, 무탄소 연소를 통해 가스터빈의 연료로 사용될 수 있고, 연료전지를 통해 전기화학적 방법으로 에너지를 생산할 수도 있다. 그러나 현재 수소 생산량의 96%는 석탄 및 천연가스 등 화석연료의 개질을 통해 생산되고 있으며, 개질 과정에서 다량의 CO₂가 발생하기 때문에 현재의 수소 생산 기술은 탄소중립을 극복하기에는 한계가 있다. 이러한 이유 이유로 화석연료에 기인한 그레이 수소 대신 재생에너지를 활용해 수소를 생산하는 방식이 탄소중립 측면에서는 더 큰 관심을 받고 있다. 생산 과정에서 탄소 배출이 없는 수소를 그린 수소라고 하며, 전기에너지를 이용해 수전해를 유발하여 물로부터 수소와 산소를 얻는 기술이 활발히 연구되고 있다^39,40).

수소는 탄소중립 사회의 실현을 위한 핵심 물질로 손꼽히고 있지만, 현재 활용되고 있는 수소 저장 기술은 부피당 에너지가 높지 않아 효율적인 저장 및 운송이 어렵다는 단점이 있다. 또한 수소를 연료로써 단독 사용하기에는 여러 가지 제약이 존재한다. 수소는 연소 속도가 매우 빠르고 복사열이 낮아 시멘트 클링커 소성처럼 고온에서의 균일한 열 전달이 중요한 공정에서는 연소 안정성을 확보하기 어렵다. 이로 인해 연료로서의 제어가 까다롭고, 특히 일정 이상의 농도로 사용할 경우 연소 지연, 불완전 연소, 국소적 산소 고갈 등 부작용이 발생할 수 있다. 또한 수소는 연소 시 역화나 폭발과 같은 안전상의 위험도 수반하므로, 산업 현장에서 단독으로 적용하기에는 기술적 안정성 확보가 매우 중요하다⁴¹⁾.

경제적 측면에서도 수소는 아직 생산·운송·저장 비용이 높은 연료로, 화석연료나 바이오매스에 비해 경쟁력이 낮다. 따라서 현재로서는 수소를 기존 연료에 일부 혼합하여 사용하는 방식이 더 효율적이라고 할 수 있다. 실제로 수소를 유연탄과 혼합하여 연소의 효율을 높이고, 대기오염물질을 줄이는 연구가 진행되고 있다. 일부 연구자들은 수소를 기존 화석연료(유연탄)의 일부를 대체하여 시멘트 공정에 적용했을 때, 연소 특성 및 대기오염물질 배출에 어떤 영향을 미치는지 분석한 실험적 연구를 실시하였다. 연소율 실험 결과에 따르면, 수소 혼합시 초기 연소가 가속화되어 연료반응이 보다 빠르게 일어나는 것으로 나타났으며, 특히 5~10% 수준의 수소 혼합은 유연탄의 연소 시간을 단축하고, 전체 연소 효율을 향상시키는데 유의미한 효과를 보였다. 하지만 수소 혼합 비율이 15% 이상으로 증가할 경우, 연소 시간이 오히려 늘어나고 불완전연소 영역이 형성되는 경향도 관찰되었다(Fig. 10). 배출가스 측면에서는 수소 혼합시 CO와 NOₓ 배출량이 모두 감소하는 경향을 보였다. CO 배출량의 경우, 수소 15% 혼합조건에서 최대 약 36%까지 감소하였으며, 이는 수소가 연소를 보조함으로써 휘발성물질의 불완전연소를 억제한 결과라고 제시하였다⁴²⁾.

Fig. 10.

The hydrogen suspension calcining test system: (a) flowchart, (b) Photo, (c) coreⅠ, (d) core Ⅱ⁴²⁾.

전 세계 시멘트 업계는 온실가스 감축을 위한 연료 전환 전략으로 수소의 활용 가능성을 적극적으로 모색하고 있다. Heidelberg Cement의 자회사인 Scementa는 스웨덴 슬라이트(Slite)와 셰브데(Skövde) 지역에서 시멘트 생산 활동을 이어가고 있으며, 스웨덴 전력공사 Vattenfall과의 협력을 통해 화석연료 대신 재생에너지 기반의 수소 도입을 추진하고 있다. 그리스계 글로벌 시멘트 기업 TITAN 역시 그린 수소를 소성로의 열원으로 활용하기 위한 실험을 진행 중이다. 일본의 도쿄시멘트는 수소 연료를 사용하는 고온 소성로를 자체 개발하여 기술적 실현 가능성을 입증한 바 있다. 국내에서도 정부와 업계가 수소 기반 시멘트 생산 기술 개발에 착수하고 있다. 산업통상자원부는 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 통해 2030년까지 시멘트 소성로 연료의 40%를 수소로 전환하고, 수소 하이브리드형 및 전소형 클링커 소성로 개발 등 무탄소 신열원 기술의 연구개발을 본격 추진하겠다고 발표했다⁴³⁾.

한편, 한국수력원자력은 호주의 그린 시멘트 전환 프로젝트에 참여하며 국제 협력에도 나서고 있다. 이 프로젝트는 태양광 발전소 및 수전해 설비를 활용한 수소 생산과 연계되며, 호주 정부로부터 약 2천만 호주달러(약 170억 원)의 자금 지원을 받고 있다⁴⁴⁾.

이러한 글로벌 및 국내 사례는 수소가 시멘트 산업의 탄소중립 달성을 위한 실질적 대안이자, 중장기적으로는 산업 전반의 탈탄소화를 견인할 수 있는 핵심 에너지원으로 기능할 수 있음을 보여준다.

5.2. 암모니아 연료

암모니아(NH₃)는 연소 시 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않는 무탄소 연료로, 탄소중립 실현을 위한 대체에너지원으로 주목받고 있다. 상온에서 약 1 MPa의 비교적 낮은 압력에서 액화가 가능하다는 점에서 저장과 운송이 용이하며, 액체 상태에서 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 장거리 운송 및 대용량 저장에도 적합하다. 이러한 물리적 특성 덕분에 암모니아는 기존 수소나 탄화수소 기반 연료에 비해 에너지 인프라 측면에서 우수한 경쟁력을 가진다. 암모니아는 분자 내에 수소 원자를 포함하고 있어, 수소 운반체로도 활용이 가능하다. 약 298 K, 약 1 MPa 조건에서 액화가 가능하며, 단위 체적당 수소 함유량이 매우 높은 것이 특징이다. 액체 암모니아는 질량 기준 17.6%의 수소를 포함하고 있으므로 100 L 기준으로 약 10.6 kg의 수소를 저장할 수 있는 반면, 동일 부피의 액체 수소는 약 6.8 kg에 그친다. 암모니아를 수소로 전환하는 과정에서 일부 손실이 발생하더라도, 부피 기준 수소 저장 효율은 액체 수소보다 높다. 이러한 점에서 암모니아는 장거리 수소 운송을 위한 효과적인 매체로 주목받고 있다. 하지만 암모니아는 단위 시간당 연료 소비율이 낮아 연소 속도가 매우 느린 편이며, 이로인해 안정적인 화염 형성이 어렵다는 한계를 갖는다. 또한 연료 내 질소 성분은 고온에서 산소와 반응하여 다량의 NO_X을 생성하게 되는데, 이는 암모니아 연료 활용 시 발생할 수 있는 환경적 부담 요인 중 하나이다. 낮은 화염 안정성과 높은 NO_X 배출은 암모니아 연료의 적용 확대에 있어 주요 기술적 장애 요소로 작용하고 있으며, 이를 해결하기 위한 다양한 연소 제어 및 저감 기술의 개발이 진행되고 있다⁵⁾.

미국, 독일, 일본 등 주요 선진국에서는 암모니아를 기존 화석연료와 혼합하여 발전 연료로 사용하는 기술 개발 및 정책 도입을 적극적으로 추진하고 있다. 그 중 일본의 시멘트 회사인 Mitsubishi UBE Cement Corporation (MUCC)는 세계 최초로 시멘트 킬른에서 암모니아를 연료로 혼소(co-firing)하기 위한 실증적 연구를 수행 중이다. 이 프로젝트는 화석연료를 대체하고 시멘트 제조 공정의 탄소 배출을 줄이기 위한 연구 개발을 포함하며, MUCC는 소규모 산업용 용광로를 활용해 단계적 공연 비율 최대 30% 증가에 따른 연소 특성 평가 및 문제점 분석을 통해 암모니아 연소의 타당성을 검토해왔다. MUCC는 2014년부터 UBE Industries 시절에 실험실 기반의 초기 테스트를 시작하였고, 이후 2021~2022년에는 소규모 혼소 테스트, 2023년에는 실제 생산 장비를 활용한 동시 연소 실증 실험을 UBE Corporation과 협력하여 진행하였다. 현재 MUCC는 시멘트 킬른에서 석탄 열량 기준으로 30%까지 암모니아 대체가 가능하다는 실증적 전망을 수립하였으며, 칼시너에서도 2025년 말까지 30% 대체율 달성을 목표로 실험을 진행 중이다^6,7,8,9).

6. 결 론

시멘트 산업은 사회 기반 시설 구축에 필수적인 기간산업으로, 국가 경제 발전에 지속적으로 기여해왔다. 그러나 생산 공정 특성상 고온 소성과 원료의 탈탄산 반응을 수반하여 막대한 양의 이산화탄소 배출로 인해 전 세계적인 온실가스 배출원 중 하나로 지목된다. 최근 탄소중립 실현을 위한 국제적 요구가 강화되면서, 시멘트 산업의 탄소중립 중요성이 대두되고 있다.

국내 시멘트 산업은 여전히 유연탄과 같은 화석연료에 의존하고 있는 것으로 분석된다. 이러한 수치는 대체연료 전환이 일부 진행되고 있으나, 여전히 화석 연료 의존도가 높은 구조임을 나타낸다.

현재 국내에서 활용 중인 주요 대체연료는 폐합성수지, 폐타이어, 폐목재 등으로 폐기물 자원이며 이들은 온실가스 배출량 저감 효과를 제공한다. 그러나 대체연료의 품질 문제, 안정적 공급망 확보, 연소 효율 및 환경영향 관리 등과 관련된 기술적·제도적 과제가 여전히 존재한다.

최근에는 폐기물 기반 연료 외에도 수소(H₂) 및 암모니아(NH₃)와 같은 무탄소 연료의 활용 가능성에 대한 연구와 실증이 활발히 진행되고 있다. 수소는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않는 청정 에너지원으로, 특히 시멘트 소성로의 주버너 연료로서의 적용 가능성이 검토되고 있다. 암모니아는 수소 저장체로서의 기능과 고온 연소 특성을 동시에 지녀, 기존 고온 공정과의 호환성 측면에서 주목받고 있으며, 일부 해외 기업들은 이들을 혼합 연료로 구성하여 상업 규모의 탄소중립 연료 실증을 완료한 사례도 보고되고 있다(Fig. 11).

Fig. 11.

The time flow of fuel use in the cement industry^{4,5,15,24,25,26,27,36,37,38)}.

이러한 무탄소 연료 기반 전환 기술은 장기적으로 시멘트 산업의 탄소중립을 위한 해결 방안으로 간주될 수 있으며, 향후 경제성, 안전성, 인프라 구축 등의 문제점이 보완된다면 실용화 가능성이 증가될 것이다. 따라서 폐기물 기반 대체연료의 효율적 활용 확대와 함께, 수소와 암모니아 등 무탄소 연료의 기술적 적용성 확보는 중장기적인 탄소감축 전략의 핵심 기능을 할 수 있을 것으로 판단된다.