해외 탄소배출 감축을 위한 아스팔트 포장 분야의 저탄소 기술 변화
▲ 김영민 KICT 도로교통연구본부 연구위원
들어가며
지구 온난화로 폭염, 폭설, 태풍, 산불 등 이상기후 현상이 세계 곳곳에서 나타나고 있다. 높은 화석연료 비중과 제조업 중심의 산업구조를 가진 우리나라도 최근 30년 사이에 평균 온도가 1.4℃ 상승하며 온난화 경향이 더욱 심해졌다. 국제사회는 기후변화 문제의 심각성을 인식하고 이를 해결하기 위해 선진국에 탄소배출 감축 의무를 부여하는 ‘교토의정서’ 채택(1997년)했다. 이어 선진국과 개도국이 모두 참여하는 ‘파리협정’을 2015년 채택하여 탄소배출을 위한 범세계적인 목표 이행을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2100년까지 지구 평균온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 제한하기 위해서는 전 지구적으로 2030년까지 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 최소 45% 이상 감축하여야 하고, 2050년에는 탄소중립(Net-zero) 달성을 목표로 제시하였다. 이에 따라, 세계 각국은 2016년부터 자발적으로 온실가스 감축 목표를 제출했고, 모든 당사국은 2020년까지 ‘파리협정 제4조 제19항’에 근거해 지구 평균기온 상승을 2℃ 이하로 유지하고, 나아가 1.5℃를 달성하기 위한 장기 저탄소 발전 전략(LEDS)과 국가 온실가스 감축 목표(NDC)를 제출하기로 합의하였다. 아스팔트 포장 분야에서도 이산화탄소 배출 저감을 위한 노력이 진행되고 있으며, 미국 아스팔트포장협회(NAPA, National Asphalt Pavement Association)는 아스팔트 포장 산업의 Net-zero 탄소 배출을 위한 목표 및 전략을 발표하였다.
우리나라도 마찬가지로 관계부처 합동으로 ‘2050 탄소중립 추진 전략’을 마련하고, 에너지 주공급원을 화석원료에서 신재생에너지로 전환 및 확충은 에너지 전환 가속화와 철강, 석유화학 등 탄소 다배출 업종의 기술 개발 지원을 통해 고탄소 산업구조 개혁을 추진하고 있다.
이 글에서는 세계 여러 나라에서 추진하고 있는 아스팔트 포장 분야의 탄소배출 감축을 위한 저탄소 기술을 살펴보고, 우리나라의 저탄소 아스팔트 산업이 나아갈 방향을 모색하고자 한다.
해외 Net-Zero 추진 전략
(1) 영국(Net zero highways)
영국은 전체 가정의 80%가 자동차를 소유하고 있고, 화물의 79%가 도로를 이용하여 운송이 이루어지므로 많은 인적·물적 자원들이 도로 운송체계에 의존하고 있다(Transport Statistics Great Britain, 2020). 그러므로, 파리협약에 따른 영국의 탄소배출 저감 전략에 도로 분야의 탈탄소화 전략이 높은 비중을 차지하고 있다. National Highway는 영국 교통부의 지원을 받아 고속도로와 간선도로의 설계, 운영, 유지관리 등의 표준을 설정하는 정부기관으로서, 영국 도로의 운송 및 건설에 관한 Net-Zero Highway 2050 계획을 발표하였다. Net-Zero Highway 2050 계획은 2030년까지 전체 고속도로를 관리하고 운영하는 데 필요한 각종 자체 시설물(가로등, 관리 사무실 포함)의 조명을 LED 제품으로 전환하여 기업 탄소 배출량의 75% 감소하고, 유지관리 및 도로 순찰용 차량의 70%를 전기 또는 하이브리드 차량으로 전환하는 등 기존의 자체 시설물에 감축 가능한 모든 탄소를 줄이는 데 계획을 제시하였다. 또한 2040년까지 고속도로의 포장 수명을 장기간 유지하고 도로포장 재료(아스팔트, 시멘트, 콘크리트 등)의 생산을 포함하여 자재 운송, 유지 관리 및 포설 작업 시에 발생하는 배출량의 Net-Zero 하는 것을 목표로 하고 있다. 2050년까지 도로를 이용하는 운송수단(대중교통, 화물차 등)의 전기 에너지 활용을 지원하는 EV 충전 서비스 및 에너지 저장시설 확충을 통해 운송 수단의 탈탄소화를 추진할 계획이다.
(2) 미국(The Road Forward)
2022년 1월, 미국 NAPA는 2050년까지 Net-Zero 탄소 배출을 달성하기 위한 아스팔트 포장 산업 목표로 ’The Road Forward’ 비전을 발표하였다. NAPA는 기후 관리를 위한 아스팔트 포장 산업의 Net-Zero 탄소배출을 위해 4가지 산업 목표와 이를 이행하는 각각의 전략을 제시하였다(NAPA, 2023). 먼저, 산업 목표 ①은 2050년까지 아스팔트 생산 및 건설 과정에서 Net-Zero를 달성하며, 이를 위해 아스팔트 공장에서 대체 및 재생 가능 연료의 사용과 아스팔트 혼합물의 생산온도를 낮추는 WMA(Warm-Mix Asphalt) 기술의 사용을 장려한다. 산업 목표 ②는 장수명포장 기법의 채택을 확대하여 도로포장의 내구성을 증대함으로써, 잦은 유지보수 공사로 인한 건설장비 및 교통체증으로 인한 작업구간 내 차량의 탄소배출을 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 그리고 산업 목표 ③은 BMD(Balanced Mix Design)와 공용성능 지표를 연계한 LCA를 활용하여 모든 재활용 아스팔트(RAP)를 관리함으로써 2050년까지 Net-Zero 자재 공급망을 구축한다. 또한 저온 중앙 플랜트 재생기술과 저온 및 고온 현장 아스팔트 재활용 기술을 발전시켜 RAP 함량을 40% 이상 증가시키는 것을 목표로 하고 있다. 산업 목표 ④는 아스팔트 혼합물 생산과정에서 필요한 전력을 재생 가능한 에너지로 전환해서 전기 집약도를 줄이고 전기 에너지 효율성을 높여 아스팔트 산업의 자체 탄소배출량을 줄여 탄소상쇄(carbon offset)를 확보하도록 권장하고 있다.
바이오 오일 아스팔트(Bio oil-asphalt)
바이오 아스팔트란 바이오 오일(목질 섬유형, 돼지분뇨형,폐유형)을 증류, 추출 산화 과정을 거쳐 중합 처리한 제품으로 아스팔트의 개질제, 희석제 또는 대체 재료로 사용된다(Zhangqi, 2022). 바이오 오일의 주요 성분에는 에테르,에스테르, 알데히드, 케톤, 유기산 등이 포함되어 있어, 석유아스팔트를 바이오 바인더로 대체하거나 개질이 가능하다(Cao et, al,. 2014). 바이오 바인더는 석유 아스팔트를 직접 대체(100% 대체율)하거나, 석유 아스팔트를 개질하기 위한 개질제(대체율은 10% 미만)로 활용되며, 석유아스팔트를 혼합하기 위한 희석제(대체율 25%~75%)로 사용된다. 또한 바이오 아스팔트는 석유 아스팔트에 첨가하여 개질 또는 혼합한 것으로 천연 아스팔트보다 아스팔트 바인더의 전단강도 및 저온성능과 내노화성이 높은 것으로 평가되고 있다.
최근 주목 받는 바이오 오일은 리그닌을 활용한 제품이다. 리그닌(lignin)은 관속식물(vascular plant)과 일부 조류(algae)의 세포 조직을 지지하는 중요한 구조 물질을 형성하는 유기폴리머(organic polymer) 중 하나이며, 목재나 풀의 20~40%를 차지하고 있다. 유기 폴리머인 리그닌은 일반적으로 점도와 점성이 높고 다른 물질과 혼합이 잘 이루어지지 않아 종이를 만드는 제지공정 과정에서 대부분 폐기 처분하였다. 그러나 최근에는 리그닌의 열분해과정에서 수소 첨가 분해를 통해 점도와 점성을 낮추고 발열량(HHV)을 높인 리그닌 혼합 오일은 기존의 항공유와 유사한 품질기준을 만족시켰으며, 2027년부터 시행되는 항공유 온실가스 감축 규제에 적용할 것으로 기대되고 있다(Kim, et,al., 2020). 리그닌을 활용한 대체 연료의 주요 장점은 산업 활동을 통해 공기 중으로 배출된 이산화탄소를 장기간 격리(sequestration)시키는 특성이다. 네덜란드의 Wageningen University & Research에서는 아스팔트 바인더의 50%를 리그닌으로 대체한 바이오제닉 아스팔트를 통해 기존의 아스팔트에서 배출되는 연간 550 kt의 이산화탄소를 30~60%까지 감소시킬것으로 예상되며, 이는 유럽시간에서 확장되고 있는 연간 아스팔트 1,100만 톤에 적용할 경우, 연간 최대 12,000톤의 이산화탄소 배출을 감소할 것으로 예상하고 있다(Christian, et,al,. 2022).
바이오 숯 아스팔트(Bio-char asphalt)
바이오 숯(char) 아스팔트는 식물성 기름, 바이오매스 재료 및 바이오 기반 폴리머와 같은 재생 자원을 아스팔트에 활용한 기술이다. 바이오 숯은 탄소성 물질로 산소 농도가 낮은 조건에서 농업 폐기물 및 목재 칩과 같은 유기 물질을 연소시킬 때 형성된다. 바이오 숯은 고유한 다공성과 탄소 음성(inherent porosity and carbon negativity)적인 특성으로 인해 아스팔트의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 흡착하고 생산공정에서 발생되는 이산화탄소 배출량을 최대 50%까지 감소시킨다(Zhou et al. 2020). 또한 아스팔트 포장의 내구성을 향상시켜 포장체의 수명을 연장함으로써 재포장 주기를 확대한다(Abe et al., 2022). 이러한 장점으로 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)에서는 바이오 숯을 이용한 아스팔트를 저탄소 기술로 인정하고 탄소 감축을 위한 지속적이고 경제적인 해결책으로 기대된다.
기후변화 시대에 저탄소 아스팔트 포장 기술의 나아갈 방향
전 세계가 기후변화 및 이상기온 현상에 따른 인류 생존의 위협을 받는 현시점에서 모든 산업분야에서 저탄소 및 탈탄소화 정책의 추진은 전 인류의 최대 당면 과제이다. 2015년 파리협약에 따라 선진국뿐만 아니라 개도국도 탄소 감축목표를 설정하고 감축목표 달성을 위해 국가 경제구조의 개혁과 변혁이 요구되고 있다. 우리나라도 향후 5년간(2023~2027년) 약 89.9조 원의 예산 투입을 통해 탄소중립 산업의 핵심기술 개발과 건축 분야의 제로에너지·그린 리모델링를 추진하고, 전기 및 수소차량 보조금 지원을 통한 수송 부문 등의 온실가스 감축 사업 진행을 통해 경제·사회 전반에 걸친 탄소중립과 녹색성장 추진을 위한 ‘한국 2050 탄소중립’ 계획을 실행하고 있다.
지금까지 아스팔트 포장 산업은 많은 이산화탄소를 배출하고 환경에 악영향을 미치는 산업으로 인식되었다. 그러나 재활용 아스팔트 포장(RAP), 중온 아스팔트(WMA), 현장 저온 재생 아스팔트 포장 등과 같이 저탄소 아스팔트 포장 기술 개발을 위한 노력은 계속되어 왔다. 전 지구적인 저탄소 및 탈탄소화가 요구되는 현 시점에서 아스팔트 포장 산업은 기존의 저탄소 아스팔트 기술의 고도화를 통해 100% 재생 아스팔트 기술뿐만 아니라 바이오 기반의 대체 아스팔트 개발과 같은 Net-Zero 신기술 개발에 박차를 가해야 할 것이다. 이를 위해서는 저탄소 아스팔트 포장용 폐기물 및 재생 기술 사용에 관한 기존 연구를 체계적으로 검토하고 과학적으로 평가를 통해 구현 가능한 현장 적용 기술 체계의 마련이 요구된다. 과거 도로포장 건설 산업이 환경 오염 산업이라는 오명을 벗고 인류의 번영과 보존에 기여할 수 있는 친환경 핵심 산업으로 거듭나기 위해서는 아스팔트가 석탄연료인 석유의 부산물을 원재료로 활용하기보다는 근본적으로 원재료 자체가 환경에 무해한 친환경 재료로 탈바꿈할 수 있는 기회가 되었으면 한다.
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