이 연구는 콘크리트 구조물의 전과정 $CO_2$ 평가를 위한 단계적 모델을 제시하였다. 고려된 시스템 경계는 원료채취에서부터 재활용까지로서, 구성재료, 운송, 레미콘 공장에서의 계량 및 배합, 구조물의 사용 및 해체, 폐콘크리트의 파쇄 및 재활용까지를 포함한다. 구조물의 운영(40년) 및 재활용(20년) 단계에서 탄산화에 의한 $CO_2$ 포집양은 탄산화 깊이를 예측하기 위해 제시된 모델로부터 산정하였다. 제시된 $CO_2$ 평가모델에 기반하여 콘크리트 구조물의 전과정 $CO_2$양을 직접적으로 평가할 수 있는 성능평가표를 구체화하였다. 제시된 성능평가표를 이용한 사례분석 결과 보통포틀랜드 시멘트(OPC)가 콘크리트 구조물의 전과정 $CO_2$ 양에 미치는 기여비율은 약 85%이었다. 탄산화에 의한 $CO_2$ 포집양은 콘크리트 구조물의 전과정 $CO_2$ 양에 약 15~18%로 평가되었는데, 이는 OPC 생산으로부터 배출된 양의 약 19~22%에 해당된다. 결국, 제시된 $CO_2$ 성능평가표는 콘크리트 구조물의 각 단계에서 $CO_2$ 배출 또는 포집을 쉽게 결정할 수 있는 가이드라인으로서 설계 또는 시공 시 효율적으로 이용될 수 있다.
이 연구는 콘크리트 구조물의 전과정 $CO_2$ 평가를 위한 단계적 모델을 제시하였다. 고려된 시스템 경계는 원료채취에서부터 재활용까지로서, 구성재료, 운송, 레미콘 공장에서의 계량 및 배합, 구조물의 사용 및 해체, 폐콘크리트의 파쇄 및 재활용까지를 포함한다. 구조물의 운영(40년) 및 재활용(20년) 단계에서 탄산화에 의한 $CO_2$ 포집양은 탄산화 깊이를 예측하기 위해 제시된 모델로부터 산정하였다. 제시된 $CO_2$ 평가모델에 기반하여 콘크리트 구조물의 전과정 $CO_2$양을 직접적으로 평가할 수 있는 성능평가표를 구체화하였다. 제시된 성능평가표를 이용한 사례분석 결과 보통포틀랜드 시멘트(OPC)가 콘크리트 구조물의 전과정 $CO_2$ 양에 미치는 기여비율은 약 85%이었다. 탄산화에 의한 $CO_2$ 포집양은 콘크리트 구조물의 전과정 $CO_2$ 양에 약 15~18%로 평가되었는데, 이는 OPC 생산으로부터 배출된 양의 약 19~22%에 해당된다. 결국, 제시된 $CO_2$ 성능평가표는 콘크리트 구조물의 각 단계에서 $CO_2$ 배출 또는 포집을 쉽게 결정할 수 있는 가이드라인으로서 설계 또는 시공 시 효율적으로 이용될 수 있다.
The present study proposes a phased model to assess the lifecycle $CO_2$ amount of concrete structures. The considered system boundary is from cradle to recycling, which includes constituent material, transportation, batching and mixing in ready-mixed concrete plant, use and demolition of...
The present study proposes a phased model to assess the lifecycle $CO_2$ amount of concrete structures. The considered system boundary is from cradle to recycling, which includes constituent material, transportation, batching and mixing in ready-mixed concrete plant, use and demolition of structure, and crushing and recycling of demolished concrete. The $CO_2$ uptake of concrete by carbonation during lifetime (40 years) of a structure and the recycling life (20 years) after demolition is estimated using a simple approach generalized to predict the carbonation depth from the surfaces of concrete element and recycled aggregates. Based on the proposed phased model, a performance evaluation table is realized to straightforwardly examine the lifecycle $CO_2$ amount of concrete structures. The proposed model demonstrates that the contribution of ordinary portland cement (OPC) to lifecycle $CO_2$ emission of the concrete structure occupies approximately 85%. Furthermore, the $CO_2$ uptake is estimated to be approximately 15~18% of the lifecycle $CO_2$ emissions of concrete structures, which corresponds to be 19~22% of the emissions from OPC production. Overall, the proposed $CO_2$ performance table is expected to be practically useful as a guideline to determine the $CO_2$ emission or uptake at each phase of concrete structures.
The present study proposes a phased model to assess the lifecycle $CO_2$ amount of concrete structures. The considered system boundary is from cradle to recycling, which includes constituent material, transportation, batching and mixing in ready-mixed concrete plant, use and demolition of structure, and crushing and recycling of demolished concrete. The $CO_2$ uptake of concrete by carbonation during lifetime (40 years) of a structure and the recycling life (20 years) after demolition is estimated using a simple approach generalized to predict the carbonation depth from the surfaces of concrete element and recycled aggregates. Based on the proposed phased model, a performance evaluation table is realized to straightforwardly examine the lifecycle $CO_2$ amount of concrete structures. The proposed model demonstrates that the contribution of ordinary portland cement (OPC) to lifecycle $CO_2$ emission of the concrete structure occupies approximately 85%. Furthermore, the $CO_2$ uptake is estimated to be approximately 15~18% of the lifecycle $CO_2$ emissions of concrete structures, which corresponds to be 19~22% of the emissions from OPC production. Overall, the proposed $CO_2$ performance table is expected to be practically useful as a guideline to determine the $CO_2$ emission or uptake at each phase of concrete structures.
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문제 정의
기후환경, LCI DB, 구조물 내구년수 및 구조물 해체 후의 재활용 시나리오는 2012년도의 국내 측정값을 이용하였다. 또한 구조물의 사용 및 해체 후 재활용단계에서 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집양을 평가하기 위한 탄산화 모델을 제시하였다. 제시된 탄산화 깊이 모델은 마감재에 관계없이 실험 결과와 잘 일치함으로서 CO2 포집 평가를 위해 합리적으로 이용될 수 있음을 보였다.
가설 설정
(2)Mean size of recycled aggregates is obtained from particle distribution curve of each da_max.
콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집 평가방법은 3장에 자세히 나타내었다. 구조물 사용수명은 법인세법 시행규칙9)의 건축물 기준내용연수에 따라 40년으로 가정한다.
사용단계에서는 콘크리트 기능단위에 대하여 부재의 노출면적(D열)을 계산하고, 흡수가능한 CO2양(E열)은 식 (3)에 의해, 탄산화깊이 (F열)는 식 (9)를 이용하여 산정한다. 구조물 해체 후 파쇄단계에서는 구조물 현장에서부터 파쇄 공장까지의 거리를 50 km(D열)로 가정하였다. 재활용단계에서 재활용 시나리오(B열) 및 그에 따른 적용비율(C열)과 재생골재 직경(D열)은 Table 1에 따라 결정하였다.
각 재료의 운송거리는 재료 출구(시멘트는 전남담양, 굵은골재와 잔골재는 각각 경기도 광주와 인천, 혼화제는 평택)에서부터 레미콘공장(인천 남동구)까지의 거리이다. 생산된 콘크리트의 운반거리는 1시간 이내의 운반시간을 고려하여 50 km로 가정하였다. 타설단계에서 콘크리트 투입은 붐 길이가 52 m인 콘크리트 펌프차 이용을 가정하였다.
2012년 국내에서 철거된 폐콘크리트의 재활용 상세를 Table 1에 나타내었다. 콘크리트 구조물의 철거 후 콘크리트 2차 제품 또는 새 콘크리트 생산을 위한 순환골재로 재활용되는 경우 탄산화 기간은 2개월(일반적인 야적기간)로 가정하였다. 재활용 수명은 법인세법 시행규칙9) 의 토조 및 블록조 기준내용연수에 따라 20년으로 한다.
생산된 콘크리트의 운반거리는 1시간 이내의 운반시간을 고려하여 50 km로 가정하였다. 타설단계에서 콘크리트 투입은 붐 길이가 52 m인 콘크리트 펌프차 이용을 가정하였다. 사용단계에서는 콘크리트 기능단위에 대하여 부재의 노출면적(D열)을 계산하고, 흡수가능한 CO2양(E열)은 식 (3)에 의해, 탄산화깊이 (F열)는 식 (9)를 이용하여 산정한다.
재활용단계에서 재활용 시나리오(B열) 및 그에 따른 적용비율(C열)과 재생골재 직경(D열)은 Table 1에 따라 결정하였다. 파쇄공장에서 재활용처까지의 거리는 재활용시나리오에 관계없이 모두 50 km(I열)로 가정하였으며, 운송 시 무게(H열)는 재료단계에서 나타낸 배합표로부터 산정된 콘크리트 단위용적 질량을 재활용 비율에 따라 산정하였다. 운송단계에서 이용되는 수단들은 2.
해체된 콘크리트 구조물은 중간처리업체에서 크러셔를 이용하여 파쇄 됨을 가정하였다. 중간처리업체에서의 고정식 크러셔는 시간당 200톤의 폐콘크리트를 파쇄하며, 이때의 전력소모량을 고려하여 산정된 CO2 배출양(CB)은 11.
제안 방법
한국에서 측정된 땅속의 CO2농도는 그 깊이가 50 mm, 100 mm, 200 mm에서 지표면 대비 각각 9%, 18%, 27% 증가하였다.19) 따라서 구조물의 사용 중 흙과 접하는 부재의 표면 및 땅속으로 재활용되는 재활용골재(콘크리트 덩어리 포함)들의 표면에서 탄산화 깊이의 산정은 대기 중 CO2 확산계수의 65%와 적용 깊이에 따라 증가된 CO2 농도를 적용하였다. 단.
이 연구에서 제시된 절차의 일반적 적용을 위하여 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 평가를 위한 성능평가표를 제시하였다. CO2 성능평가표를 이용하여 아파트 내벽과 외벽에서의 CO2 배출 및 포집양에 대한 사례를 분석하였다. 하지만 콘크리트 생산, 타설 및 해체 단계에서의 공정과 그에 따른 사용장비들의 에너지원에 의한 CO2 배출계수는 시대적, 지역적 상황에 따라 다를 수 있다.
또한 성능평가표를 이용하여 아파트 기준층의 내벽과 외벽에서 콘크리트 배합조건(동일강도에서 고로슬래그 및 플라이애쉬 치환의 영향)에 따른 각 단계에서의 CO2 배출 및 포집양을 비교하였다.
이다. 시스템 경계는 Fig. 1과 같이 콘크리트 구성요소들인 원재료들의 채취(요람)에서부터 해체 및 재활용단계로서 구성재료, 운반, 콘크리트 생산과 타설, 구조물 사용과 해체, 해체된 콘크리트의 파쇄 및 재활용 등으로부터의 CO2 배출을 고려하였다. 콘크리트 배합에 대한 데이터 품질로서 시간적 경계는 2012년이며, 지역적 경계는 서울 중심의 한국이다.
제시된 탄산화 깊이 모델은 마감재에 관계없이 실험 결과와 잘 일치함으로서 CO2 포집 평가를 위해 합리적으로 이용될 수 있음을 보였다. 이 연구에서 제시된 절차의 일반적 적용을 위하여 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 평가를 위한 성능평가표를 제시하였다. CO2 성능평가표를 이용하여 아파트 내벽과 외벽에서의 CO2 배출 및 포집양에 대한 사례를 분석하였다.
이 연구에서는 국내의 기후환경, LCI DB, 구조물 내구년수 및 건설환경을 고려하여 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 평가절차를 제시하였다. 전과정 평가를 위한 시스템 경계는 원료채취에서부터 해체 및 재활용 단계까지로서 재료, 운송, 생산, 시공, 구조물 사용 및 해체, 폐콘크리트의 파쇄 및 재활용 단계들을 포함한다.
1에 나타낸 콘크리트 전과정 CO2 평가 절차의 적용 예는 동일 조건의 부재에서 기능단위(1 m3)에 대해 분석하는 것이 이해를 도울 수 있다. 전과정 CO2 평가사례에서는 Fig. 6에 나타낸 아파트 건물의 기준층에서 마감조건이 다른 외벽 (wall E)과 내벽(wall I)을 대상으로 콘크리트 배합조건에 따른 전과정 CO2 배출양을 비교하였다. CO2 농도는 서울에서 측정한 데이터21)를 참고로 실외에서는 300 ppm, 실내에서는 2000 ppm을 고려하였다.
구조물 해체 후의 재활용 시나리오는 2012년도의 국내 측정값6)을 이용하였다. 제시된 절차의 일반적 적용을 위하여 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 평가를 위한 성능평가표를 제시하였다. 또한 성능평가표를 이용하여 아파트 기준층의 내벽과 외벽에서 콘크리트 배합조건(동일강도에서 고로슬래그 및 플라이애쉬 치환의 영향)에 따른 각 단계에서의 CO2 배출 및 포집양을 비교하였다.
콘크리트 구조물의 환경을 고려한 설계 및 시공에 중요하게 이용될 수 있는 전과정 CO2 평가에 대한 단계적 모델을 제시하였다. 고려된 시스템 경계는 원료채취에서 부터 해체 및 재활용 단계까지로서 재료, 운송, 생산, 시공, 구조물 사용 및 해체, 폐콘크리트의 파쇄 및 재활용 단계들을 포함한다.
혼화재 및 골재와 같은 국내 LCI 데이터가 아직 마련되지 않은 재료들에 대해서는 European Commission12) 에서 제공하는 값을 참고하였다. 콘크리트 생산, 타설, 해체 및 파쇄단계의 경우 사용장비들에 대한 LCI DB가 아직 마련되지 않았기 때문에 2012년도에 제시된 사용장비들의 에너지소비원으로부터 CO2 배출계수를 환산하였다.
대상 데이터
재료단계에서 A열은 콘크리트 배합표를 D열은 각 재료의 운송거리를 E열은 각 재료의 운송수단의 CO2 원단위이다. 각 재료의 운송거리는 재료 출구(시멘트는 전남담양, 굵은골재와 잔골재는 각각 경기도 광주와 인천, 혼화제는 평택)에서부터 레미콘공장(인천 남동구)까지의 거리이다. 생산된 콘크리트의 운반거리는 1시간 이내의 운반시간을 고려하여 50 km로 가정하였다.
콘크리트 부재의 전과정 CO2 양에 대한 결합재로부터 배출된 CO2비율을 동일그림에 나타내었다. 고로슬래그 또는 플라이애쉬가 치환된 콘크리트는 OPC 콘크리트와 동일한 압축강도에서 R사의 레미콘 공장에서 사용하는 배합표를 이용하였다(Table 5). 콘크리트 전과정 CO2 양에 미치는 요인은 결합재가 가장 크며, 두 번째 큰 요인은 운송이었다.
고려된 시스템 경계는 원료채취에서 부터 해체 및 재활용 단계까지로서 재료, 운송, 생산, 시공, 구조물 사용 및 해체, 폐콘크리트의 파쇄 및 재활용 단계들을 포함한다. 기후환경, LCI DB, 구조물 내구년수 및 구조물 해체 후의 재활용 시나리오는 2012년도의 국내 측정값을 이용하였다. 또한 구조물의 사용 및 해체 후 재활용단계에서 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집양을 평가하기 위한 탄산화 모델을 제시하였다.
구조물 운영을 위한 에너지원 및 그 소비량은 구조물 기능과 외장재 및 단열재 등에 의해 상당한 차이를 보이며, 이들에 대한 데이터 구축도 아직 미미한 편이다. 따라서 구조물 사용단계에서의 CO2 배출양(CS)은 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집만을 고려하였다. 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집 평가방법은 3장에 자세히 나타내었다.
이 연구에서 고려된 Fig. 1의 시스템에서 각 재료 및 운반에 대한 LCI는 기본적으로 국내 데이터11)를 이용하였다. 혼화재 및 골재와 같은 국내 LCI 데이터가 아직 마련되지 않은 재료들에 대해서는 European Commission12) 에서 제공하는 값을 참고하였다.
6의 내벽(wall I)을 대상으로 Table 4에 자세히 나타내었다. 콘크리트 설계강도는 24 MPa로서 이에 대한 배합표는 인천 남동구에 위치하는 R 레미콘사에서 제공하는 것을 이용하였다(Table 5). 재료단계에서 A열은 콘크리트 배합표를 D열은 각 재료의 운송거리를 E열은 각 재료의 운송수단의 CO2 원단위이다.
콘크리트의 주문과 생산에서 이용되는 단위를 고려하여 이 평가에서 설정된 콘크리트의 기능단위는 1 m3이다. 시스템 경계는 Fig.
이론/모형
1의 시스템에서 각 재료 및 운반에 대한 LCI는 기본적으로 국내 데이터11)를 이용하였다. 혼화재 및 골재와 같은 국내 LCI 데이터가 아직 마련되지 않은 재료들에 대해서는 European Commission12) 에서 제공하는 값을 참고하였다. 콘크리트 생산, 타설, 해체 및 파쇄단계의 경우 사용장비들에 대한 LCI DB가 아직 마련되지 않았기 때문에 2012년도에 제시된 사용장비들의 에너지소비원으로부터 CO2 배출계수를 환산하였다.
성능/효과
1) 전과정 CO2 배출양에 대한 OPC의 기여비율은 약 85% 수준이다.
2) GGBS 또는 FA 치환에 따른 콘크리트의 CO2 배출양 및 포집양은 감소하는데, 배출양의 감소가 포집양의 감소에 비해 현저히 높다. 이에 따라 GGBS 또는 FA의 치환은 콘크리트의 CO2 저감에 매우 효율적이다.
3) 구조물의 사용연한(40년)과 해체 후 재활용 연한(20년) 동안 산정된 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집양은 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 양의 약 15~18% 범위에 있는데, 이는 OPC 생산으로부터 배출된 CO2 양의 약 19~22%에 해당된다.
2 CO2-kg/m3이다.8) 진동기는 에너지원이 전기로서 콘크리트 1 m3의 진동을 위한 시간을 5분으로 가정하면, 진동기의 CO2 원단위는 0.18 CO2-kg/m3으로 평가될 수 있다.8)
21) 및 Pade and Guimaraes4)에 의해 제시된 모델들로부터 산정한 예측값도 동일 그림에 함께 나타내었다. Pade and Guimaraes의 모델은 마감재가 없는 외벽의 탄산화 깊이를 다소 과소평가하는 반면, 타일마감한 내벽의 탄산화 깊이를 과대평가하는 경향을 보였다. Lee et al.
콘크리트 전과정 CO2 양에 미치는 요인은 결합재가 가장 크며, 두 번째 큰 요인은 운송이었다. 결합재가 콘크리트 전과정 CO2 양에 대한 기여는 내벽과 외벽에 관계없이 GGBS가 25% 치환되었을 경우에 가장 낮게 나타났다(OPC 콘크리트 대비 약 7% 감소). 반면 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집은 내벽보다는 외벽에서 약간 컸는데, GGBS가 25% 치환되었을 경우가 OPC 또는 FA가 10% 치환된 경우에 비해 CO2 포집양도 다소 낮았다.
한편, 식 (9)에 의한 예측값은 벽체 마감재와 관계없이 측정값과 잘 일치하는 경향을 보였다. 따라서 콘크리트의 탄산화 깊이는 제안모델에 의해 비교적 정확하게 예측할 수 있으며, 이는 Fig. 4에 나타낸 절차를 이용하여 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집양을 합리적으로 평가할 수 있음을 의미한다.
또한 구조물의 사용 및 해체 후 재활용단계에서 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집양을 평가하기 위한 탄산화 모델을 제시하였다. 제시된 탄산화 깊이 모델은 마감재에 관계없이 실험 결과와 잘 일치함으로서 CO2 포집 평가를 위해 합리적으로 이용될 수 있음을 보였다. 이 연구에서 제시된 절차의 일반적 적용을 위하여 콘크리트 구조물의 전과정 CO2 평가를 위한 성능평가표를 제시하였다.
콘크리트 구조물의 전과정 평가를 위해 고려된 각 단계에서의 CO2배출 양은 재료단계에서 324 kg/m3, 해체 및 파쇄단계에서 18 kg/m3, 운송단계에서 26.8 kg/m3로 산정되었다. 반면 구조물 사용단계와 재활용단계에서 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집양은 각각 -23.
고로슬래그 또는 플라이애쉬가 치환된 콘크리트는 OPC 콘크리트와 동일한 압축강도에서 R사의 레미콘 공장에서 사용하는 배합표를 이용하였다(Table 5). 콘크리트 전과정 CO2 양에 미치는 요인은 결합재가 가장 크며, 두 번째 큰 요인은 운송이었다. 결합재가 콘크리트 전과정 CO2 양에 대한 기여는 내벽과 외벽에 관계없이 GGBS가 25% 치환되었을 경우에 가장 낮게 나타났다(OPC 콘크리트 대비 약 7% 감소).
전과정 CO2 배출양에 대한 보통포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement, OPC)의 기여분은 약 85%로서 콘크리트 구조물의 CO2 저감을 위해서 가장 중요하게 고려해야 할 사항은 OPC의 사용량 저감임을 알 수 있다. 콘크리트 탄산화에 의한 CO2 포집양은 전체 CO2 배출양의 약 16%이 었으며, OPC 생산으로부터 배출된 CO2 양에 대해서는 약 18.8%로 평가되었다.
한편, 땅속에서의 CO2농도는 유기물질들의 부패로 인해 지표면으로부터 그 깊이가 증가할수록 증가한다. 한국에서 측정된 땅속의 CO2농도는 그 깊이가 50 mm, 100 mm, 200 mm에서 지표면 대비 각각 9%, 18%, 27% 증가하였다.19) 따라서 구조물의 사용 중 흙과 접하는 부재의 표면 및 땅속으로 재활용되는 재활용골재(콘크리트 덩어리 포함)들의 표면에서 탄산화 깊이의 산정은 대기 중 CO2 확산계수의 65%와 적용 깊이에 따라 증가된 CO2 농도를 적용하였다.
후속연구
땅속 깊이에 따른 CO2 농도의 증가비율에 대한 객관적인 자료의 부족으로 땅속 깊이가 200 mm 이상에서는 CO2 농도 증가율을 27%로 일정하게 있음을 고려하였다. 또한 땅속에서의 CO2 확산계수 및 농도는 수분포화도 및 온도에 따라 변할 수 있지만, 이에 대한 객관적인 자료의 부족으로 이들의 영향은 고려하지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 구성요소들은 무엇인가?
콘크리트 구성요소들(시멘트계 재료, 골재, 물 및 혼화제)에 의한 CO2 배출양(CM)은 다음 식으로 산정된다.
콘크리트 운송단계에서의 CO2 배출양에 대한 시스템 경계를 어떻게 나눌 수 있는가?
운송단계에서의 CO2 배출양에 대한 시스템 경계는 다음과 같이 고려될 수 있다. 콘크리트 구성재료들의 출구에서부터 레미콘공장까지; 생산된 콘크리트의 레미콘 공장에서부터 현장까지; 구조물 해체 후 폐콘크리트의 현장에서부터 파쇄공장까지; 재생골재들의 파쇄공장에서부터 각 재활용처까지이다. 따라서 운송단계에서의 CO2 배출양(CT)은 다음 식으로부터 산정된다.
ISO14040에 따라 건축물의 전과정 CO2 배출량 평가를 하는 것에 어떤 어려움이 있는가?
1) 이에 따라 IgCC2)와 같이 환경을 고려한 기준들에서도 ISO140401)에 따라 건축물의 전과정 CO2 배출량 평가를 요구하고 있다. 하지만 건축물의 전과정 CO2 배출량 평가를 위해서는 방대한 전과정 목록(lifecycle inventory, LCI) 데이터베이스(DB)가 필요하며, 특히 시공 및 해체 과정에서 사용장비들의 다양성도 고려해야만 하는 어려움이 있다. 이에 따라 콘크리트 구조물에서 CO2 평가는 주로 원료채취에서부터 콘크리트 생산단계까지의 시스템 경계에서 고려되고 있다.
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