강철의 수명주기 평가: 지속 가능한 산업 성장의 핵심 동력

석유 및 가스 산업에 이어 세계에서 두 번째로 큰 산업인 철강 산업은 건축, 건설, 포장, 운송, 전력 및 신재생 에너지 등 거의 모든 분야에서 사용됩니다. 현대 사회에서 강철이 사용되지 않는 제품이나 자재는 사실상 없습니다.

강철 생산 현황과 지속가능성의 중요성

조강 생산량은 지난 30년간 두 배 이상 증가했으며, 2020년 18억 6,400만 톤, 2019년 18억 6,900만 톤을 기록했습니다. 강철은 사회 발전과 진보의 근간이자 필수 요소이며, 무한히 재활용 및 재사용 가능한 자산으로서 지구 자원에 대한 부담을 줄여줍니다. 미래의 스마트 시티도 강철을 기반으로 건설될 것입니다.

이러한 대규모 생산은 철강 부문에 환경적 책임감을 요구합니다. 따라서 순환 경제 패러다임의 구현을 포함한 주요 환경 영향과 해결 방안을 명확히 파악하기 위해 철강 산업 공정을 분석하는 것이 필수적입니다.

강철의 특성과 재활용성

설계 단계에서 의사결정에 고려해야 할 강철의 특성에는 화학적·야금적·기계적 특성, 내식성, 내화성, 재활용성, 긴 수명, 유지보수 요구사항, 위생 요건, 미적 요소, 환경 영향 등이 있습니다.

강철은 품질 저하 없이 재활용 가능합니다. 금속 결합이 재응고 시 복원되므로, 강철은 여러 번의 재활용 과정을 거쳐도 원래의 성능 특성을 회복합니다. 이는 대부분의 비금속 재료가 재활용 후 성능이 저하되는 것과 대조적입니다.

일반적으로 전로 공정으로 생산된 강철 제품의 공정 스크랩 함량은 10~20%인 반면, 수명주기 종료 시 재활용률은 85~95%에 달합니다. '재활용 함량' 방식은 현재 실현된 환경적 이점만 반영하지만, '수명주기 종료' 방식은 수명 종료 시 발생하는 스크랩으로부터 미래의 환경적 이점까지 고려합니다. 강철 산업에서는 '수명주기 종료 재활용률'이 가장 적절한 지표이나, 가용한 수명 종료 스크랩 양이 현재 수요를 충족시키기에는 부족합니다.

강철 생산 공정과 환경 영향

일차(버진) 강철 생산은 일반적으로 광석 채굴 및 선광, 제련, 정련 단계를 거쳐 지정된 화학 성분의 강철을 얻으며, 다양한 공정 루트가 존재합니다. 각 단계에서 불순물과 부산물이 분리되고 최종 제품의 철 농도가 높아집니다. 강철을 충분한 순도로 정련하려면 에너지 집약적이고 정밀하게 제어된 용해 단계가 필요하며, 이는 보통 화석 연료를 직접 환원제로 사용하거나 간접적으로 열과 전력을 위해 사용합니다. 철강 생산은 전 세계 산업 이산화탄소(CO₂) 배출량의 상당 부분을 차지합니다.

채굴 및 선광 공정에서는 광석을 액체 용액에서 처리하여 관련 광물로부터 광석을 농축합니다. 일부 공정에서는 매우 높은 온도가 필요하지 않지만 고압 유지가 필요해 에너지가 소모됩니다. 광산이 고품위 광석에서 저품위 광석으로, 더 복잡한 매장지로 이동함에 따라 채굴 및 선광 공정의 에너지 집약도는 시간이 지남에 따라 증가할 가능성이 높습니다. 공정 효율 향상을 통해 에너지 소비를 개선할 수 있습니다.

건식 제련은 광석 정광을 고온에서 처리하여 철을 관련 광물 성분으로부터 분리하는 과정으로, 화석 연료를 사용해 노를 가열하거나 전기로 노에 동력을 공급해야 합니다. 또한 강철 산업은 다양한 유형의 강철 제품을 생산하며, 이들 제품은 같은 제강소에서 같은 일차 생산 공정으로 만들 수 있지만, 최종 소비자가 사용하는 제품을 만들기 위해 각각 다른 가공 루트가 필요합니다.

수명주기 평가(LCA)의 발전과 표준화

소재 과학자와 제품 개발자들은 소재 선택의 환경적 영향을 고려할 수 있는 다양한 도구를 보유하고 있으나, 일반적으로 소수의 환경 종점만 고려하고 데이터 격차가 많습니다. 전 세계 강철 수요 증가가 예상되고 현대 기술에서 강철의 중요성을 고려할 때, 강철 생산의 수명주기 기반 환경 부하에 대한 높은 재현성을 가진 데이터 확보와 여러 강철 제품의 공동 생산 함의를 명확히 이해하는 것이 중요합니다.

물질과 에너지를 필요로 하는 인간 활동은 기후 변화, 천연자원 고갈, 폐기물 발생, 오염 등 생태계와 환경에 돌이킬 수 없는 영향을 미칩니다. 이러한 영향 대부분은 인간의 건강과 생존에 해로운 결과를 초래하며 장기적 효과를 가집니다. 1987년 브룬트란트 보고서에서 지속가능한 개발은 '미래 세대가 자신들의 필요를 충족시킬 능력을 저해하지 않으면서 현재 세대의 필요를 충족시키는 개발'로 정의되었습니다.

지속가능한 개발 개념은 매우 복잡하고 역동적인 도전으로, 다양한 활동 부문의 기여를 요구합니다. 기후 변화와 천연자원의 지속가능한 이용은 오늘날 사회의 주요 과제 중 하나로, 정치적 환경 의제의 최상위에 위치해 있습니다.

강철 지속가능성의 세 가지 구성 요소

강철의 지속가능성은 제품 생산의 전 주기, 즉 원자재 획득부터 기획, 설계, 시공, 운영, 사용, 수명 종료 폐기물 관리까지를 포괄합니다. 이는 강철 산업의 미래에 있어 크고 중요한 과제입니다. 강철 산업은 재활용성 증대와 공정 개선을 통해 탄소 발자국을 줄이기 위한 다양한 노력을 기울여 왔습니다.

지속가능한 개발에서는 경제적·환경적으로 건전한 방법의 개발이 장려됩니다. 자재의 생산과 유통은 최소한의 운송으로 이루어지며, 가능한 한 가까운 곳에서 구할 수 있는 자재를 사용합니다.

강철 지속가능성은 환경, 사회, 경제의 세 가지 요소로 구성됩니다. 강철 산업은 사회적, 경제적, 환경적으로 지속가능한 개발을 개선하는 데 매우 효과적인 산업이며, 선진국과 개발도상국 모두에서 매우 활발한 산업으로 부상하고 있습니다. 이 산업은 강철 생산을 위해 지구에서 천연자원을 채취하며, 이는 건물, 교량, 도로 등 인공 구조물과 일상생활용 제품 제작에 사용됩니다.

환경적 측면

강철의 수명주기 분석은 환경 영향을 결정하기 위해 수행됩니다. 환경 영향을 결정하는 세 가지 측면은 강철 제품의 생산, 강철 제품의 사용, 수명 종료 자재의 재활용입니다. 환경 영향은 천연자원 사용, 환경 관리, 폐가스·액체·고체에 의한 대기·수질·토양 오염 방지에 의해 영향을 받습니다.

강철 제품의 자재 효율성은 감축(Reduce), 재사용(Reuse), 재활용(Recycle)의 세 가지 기준에 의해 결정됩니다. 강철 생산을 위한 원자재 양은 CO₂ 배출 감축을 위해 공정 효율 개선으로 줄여야 합니다. 강철 제품의 수명이 다하면 제품의 강철 부분을 강철 기본 특성의 손실 없이 재사용할 수 있어 강철 재사용이 매우 중요합니다. 강철은 100% 재활용 가능하며, 모든 강철 스크랩은 새로운 강철 제조에 재사용됩니다. 또한 강철 생산 중 발생하는 부산물은 다양한 산업에서 사용되어 해당 산업의 원자재 수요를 줄이고 천연자원 보존에 기여합니다.

사회적 측면

강철의 사회적 영향은 상당합니다. 이는 생활 수준, 교육, 공동체, 모두를 위한 평등한 기회에 의해 영향을 받습니다. 지속가능한 자재는 이를 생산하는 사람, 사용·재활용·최종 처분 과정에서 다루는 사람에게 해를 끼치지 않습니다. 강철은 생산 과정이나 사용 중에 사람에게 해롭지 않습니다. 이러한 이유로 강철은 여러 응용 분야에서 주요 자재로 사용됩니다. 직원의 안전, 즉 부상 없는 건강한 작업장은 강철 산업의 핵심 우선순위입니다. 강철은 기술 발전을 가능하게 함으로써 삶의 질을 향상시킵니다. 오늘날 강철 없는 삶은 상상할 수 없습니다.

경제적 측면

강철 지속가능성의 경제적 요소는 매우 중요합니다. 경제성에 영향을 미치는 요소에는 생산 비용, 이익, 비용 절감, 경제 성장, 연구개발 활동을 위한 수익 창출 등이 있습니다.

수명주기 비용(LCC)은 강철 지속가능성 경제 요소의 중요한 기준입니다. LCC는 자산이 성능 요구사항을 충족하면서 수명주기 동안 발생하는 비용의 합입니다(ISO 15686-5). 이는 개념화, 생산/제작, 사용/운영, 수명 종료 등 수명주기 동안 발생하는 모든 비용의 합입니다. LCC는 투자 결정을 내리거나 다양한 투자 옵션을 비교하는 데 도움이 되는 수학적 절차입니다. 수명주기 비용을 고려하면 강철은 비싸지 않습니다. 다른 자재의 비용은 시간이 지남에 따라 크게 증가하지만 강철 비용은 보통 일정하게 유지됩니다.

중첩 영역

환경·사회·경제적 측면 외에도 환경-사회, 사회-경제, 경제-환경의 세 가지 중첩 영역이 있습니다. 환경-사회 영역은 지역적·전지구적 영향을 미치는 환경과 천연자원 보존에 대한 관심을 포함합니다. 사회-경제 영역은 윤리, 공정성, 직원의 건강·안전·복지에 대한 관심을 포함합니다. 경제-환경 영역은 운영 효율, 에너지 효율, 재생 가능 자원 사용을 포함합니다.

전체 수명주기 접근법의 중요성

강철 지속가능성의 핵심은 제품의 환경 영향을 평가하는 데 있어 전체 수명주기 접근법이 최선이라는 인식입니다. 따라서 이는 사회가 자재 사용과 그 경제적 중요성에 대해 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움을 주는 최선의 방법입니다. 자재 생산 등 제품 수명의 한 측면에만 초점을 맞추면, 사용 단계 등 다른 수명주기 단계에서 증가된 영향을 무시할 수 있으므로 실제 모습을 왜곡할 수 있습니다.

가장 적절한 자재를 선택하기 위해서는 기능성, 내구성, 비용 등 다양한 기술적·경제적 요소를 고려해야 합니다. 지속가능한 개발이 핵심 이슈인 세상에서 자재를 지정하는 사람들에게 점점 더 중요한 요소는 제조 및 제품 성능 관점에서 자재 응용의 관련 환경 성능입니다.

LCA의 역사와 국제 표준

수명주기 개념에 대한 최초의 연구는 1960년대 후반과 1970년대 초반에 수행되었습니다. 수명주기 개념은 미국에서 공공 조달 영역 내에서 개발되었습니다. '수명주기'라는 용어가 처음 언급된 것은 1959년 노빅이 RAND사를 위해 작성한 수명주기 비용 분석 보고서에서였습니다. 당시 '수명주기 분석'(아직 평가라는 용어는 사용되지 않음)은 무기 시스템의 구매, 사용, 수명 종료 작업 비용에 사용되었으며, 정부 예산 관리 개선 도구로도 활용되었습니다.

1972년 이안 부스테드가 유리, 플라스틱, 강철, 알루미늄 등 다양한 음료 용기의 생산에 소요되는 총 에너지 사용량을 계산한 것은 1979년의 일로, 그의 방법론이 다양한 재료에 적용 가능하게 만들었습니다. 대중의 관심이 높아지고 그 시기에 다양한 수명주기 연구가 수행되었습니다. 1992년에는 환경독성학화학회(SETAC)가 LCA 워크숍을 개최했으며, 그중 하나는 수명주기 영향 평가에, 다른 하나는 데이터 품질에 초점을 맞췄습니다.

1993년 '수명주기 평가: 실무 지침'으로 알려진 'LCA 바이블'이 발간되었습니다. 1990년대에는 네덜란드 LCA 지침, 북유럽 국가들(스웨덴, 핀란드, 덴마크, 노르웨이)이 발간한 북유럽 LCA 지침 등 다양한 그룹에서 LCA를 연구하고 지침을 발간했습니다. UN 환경계획은 '수명주기 평가: 정의와 수행 방법'을, 유럽 환경청은 '수명주기 평가: 접근법, 경험, 정보 소스 가이드'를 발간했습니다.

LCA 연구에서 '제품'은 재화나 서비스로 정의됩니다. LCA는 '수명주기 접근법', '요람에서 무덤까지 분석(cradle-to-grave analysis)', '수명주기 분석'이라고도 불립니다. 완전한 요람에서 무덤까지 연구는 원자재(요람)에서 사용 단계를 거쳐 수명 종료(무덤)까지의 생산을 살펴봅니다.

1993년 11월, ISO(국제표준화기구) 기술위원회(TC 207) 소위원회 SC 5에서 파리에서 LCA 표준화 작업이 시작되었습니다. 표준은 SETAC이 개발한 실무 지침을 기반으로 했습니다. 현재 ISO는 LCA를 위한 14040 시리즈 표준과 기술 보고서를 발행했습니다. ISO 14040 시리즈는 LCA 작업이 준수해야 할 접근법과 엄격성을 개요로 설명하며, 제3자의 독립적인 비판적 검토의 필요성을 포함합니다.

ISO 14040 시리즈 표준과 LCA 프레임워크

ISO 14000 시리즈에는 환경경영시스템에 대한 ISO 14001이 포함됩니다. ISO 14040 시리즈에는 ISO 14040 '원리와 프레임워크', ISO 14041 '목적 및 범위 정의와 목록 분석', ISO 14042 '수명주기 영향 평가(LCIA)', ISO 14043 '수명주기 해석', ISO 14044 '요구사항과 지침', ISO 14047 'ISO 14042 적용 사례', ISO 14048 '데이터 문서화 형식', ISO 14049 'ISO 14041 적용 사례'가 포함됩니다. ISO 14040 시리즈에 따르면 LCA는 제품 개발 및 개선, 전략적 기획, 공공 정책 수립, 마케팅 등 다양한 목적으로 사용됩니다.

LCA는 제품의 모든 단계에서 환경적 측면을 평가하는 도구입니다. ISO 14040 표준에서는 LCA를 '제품 시스템의 수명주기 전반에 걸친 투입, 산출 및 잠재적 환경 영향의 편집과 평가'로 정의합니다. 제품의 수명주기에는 원자재 획득부터 자재 생산과 제조를 거쳐 사용과 재활용 옵션을 포함한 최종 처분까지의 모든 공정이 포함되며, 이들 단계 간의 운송도 고려해야 합니다.

LCA의 4단계 프로세스

1단계: 목적 및 범위 정의

제품의 수명주기는 하나 이상의 정의된 기능을 수행하는 제품 시스템으로 모델링됩니다. 제품 시스템은 그 기능으로 정의되며, 흐름으로 연결된 일련의 단위 공정으로 세분화됩니다. 단위 공정은 제품 시스템의 투입과 산출을 포함하며, 그 활동의 결과로 다른 공정을 위한 산출물을 생성합니다.

LCA 연구의 목적에는 연구의 의도된 적용과 대상, 연구 수행 이유, 연구 결과가 비교 주장에 사용되고 공개될 것인지 여부가 포함됩니다. 범위에는 제품 시스템 정의, 기능과 기능적 측면, 단위 시스템 경계, 배분 절차, 영향 범주, 데이터 요구사항, 가정, 제한 사항, 초기 데이터 품질 요구사항, 비판적 검토 유형, 연구에 필요한 보고서 유형과 형식이 포함됩니다.

기능 단위의 주된 목적은 측정 가능한 참조 시스템을 제공하는 것입니다. LCA 결과의 비교 가능성을 보장하기 위해 참조 흐름도 결정되어야 합니다. 참조 흐름이란 기능을 충족하는 데 필요한 제품의 양을 의미합니다.

2단계: 목록 분석(LCI)

목록 분석 단계는 제품 시스템의 관련 투입·산출 데이터의 수집과 계산을 포함합니다. 데이터 수집 과정에서 시스템에 대해 더 많이 알게 되면 새로운 데이터 요구사항이나 제한 사항이 발생할 수 있으며, 때로는 연구의 목적이나 범위 수정이 필요할 수 있습니다. 수집이 필요한 데이터 유형의 예로는 원자재, 에너지 투입, 대기 및 수질 배출, 산출물 등이 있습니다.

3단계: 영향 평가(LCIA)

수명주기 영향 평가 단계는 연구의 목적과 범위를 구현하기 위해 신중하게 계획된 기능 단위 기반의 상대적 접근법입니다. 이 단계의 목적은 수명주기 목록 분석 결과에 따라 제품 또는 서비스의 잠재적 환경 영향을 수명주기 전반에서 평가하는 것입니다. 영향 평가 단계는 필수 요소와 선택 요소로 구성됩니다.

필수 요소: 영향 범주, 범주 지표, 특성화 모델의 선택; 분류와 특성화

선택 요소: 정규화, 그룹화, 가중치 배분, 데이터 품질 분석

영향 평가에는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 문제 지향적 방법(중간점)과 손상 지향적 방법(종점)입니다. 중간점 방법에는 기후 변화, 산성화, 부영양화, 광화학 오존 생성 가능성, 인체 독성 등이 포함됩니다. 종점 방법은 손상 지향적 방법으로, 흐름을 인체, 자원 등 다양한 환경 손상 그룹으로 분류합니다.

표 1 LCA에서 일반적으로 사용되는 영향 범주
영향 범주	정의
지구 온난화	지구 평균 온도 상승
광물 및 화석 연료 고갈	비재생 에너지 또는 자재 자원의 소비
광화학 산화(스모그)	휘발성유기화합물(VOCs), 질소산화물 등의 대기 배출
인체 독성	환경 내 유해 물질 농도 증가에 대한 인체 노출
오존층 파괴	성층권 오존 분해 증가
부영양화	수역과 육지의 화학적 영양소 농도 증가
물 사용	물 소비
토지 사용	다양한 용도로 토지 변형
산성화	산성화 물질의 대기 및 수질 배출
생태 독성	유기 물질과 화학 물질의 대기, 수질, 토양 배출

4단계: 해석

수명주기 해석은 LCA의 마지막 단계로, 연구 결과를 요약하고 논의합니다. 이 단계에서는 목록 분석 결과와 영향 평가 결과를 함께 평가합니다. 수명주기 해석은 정의된 목적 및 범위와 일치하는 결론을 도출하고 제안을 제시합니다.

LCA의 활용과 미래

환경 성능을 평가하는 도구 중에서 LCA는 제조, 제품 사용, 수명 종료(재사용, 재활용, 처분) 모든 단계의 잠재적 영향을 고려하는 포괄적 접근법을 제공합니다. 이를 요람에서 무덤까지 접근법이라고 합니다. LCA는 건전한 환경 평가 도구로 잘 확립되어 있으며, 구현이 쉽고 비용 효율적이며, 자재 의사결정과 제품 설계에 유익하고 실행 가능한 솔루션을 제공합니다.

LCA의 활용은 점점 더 확산되고 있습니다. 제조 공정의 환경 영향, 원자재 채굴, 소비자의 제품 사용 및 유지보수, 수명 종료(재사용, 재활용, 처분), 그리고 체인 모든 링크 사이의 다양한 운송 방법을 고려하기 때문입니다. 현재 주요 산업 부문을 다루는 국가 또는 지역 데이터베이스가 증가하고 있으며, 많은 제조 기업에 LCA 부서가 있고, 더 많은 LCA 소프트웨어 패키지가 출시되고 있습니다. 또한 대학에서 가르치는 과목이 되었습니다.

유럽에서는 환경성적표지(EPD)가 수명주기 분석에 따라 제품이나 시스템의 환경 영향을 정량화하는 표준화된 방식입니다. 제강사에게는 이러한 수명주기 접근법을 입증하는 것(정부와 정책 측면에서)이 전략적으로 중요하며, 강철의 긴 수명, 재사용, 다중 재활용 특성이 적절히 평가되고 측정되도록 합니다.

LCA 데이터는 (1) 에코디자인/재활용 설계 응용, (2) 특정 제품 벤치마킹, (3) 조달 및 공급망 의사결정, (4) 제품에 대한 '타입 I 환경라벨' 기준 포함, (5) 특정 제품에 대한 '타입 III 환경성적표지' 포함, (6) 탄소 발자국이나 1차 에너지 소비 등 특정 지표 분석 등 다양한 목적으로도 사용될 수 있습니다.

수명주기 사고의 중요한 장점은 LCA를 통해 제품의 전 수명, 즉 생산, 사용, 수명 종료 처분을 평가할 수 있다는 것입니다. 환경 영향은 원자재 채굴과 운송, 생산 현장에 전력을 공급하는 발전소 등 전체 공급망에서 발생합니다. 직접적·간접적 영향을 모두 포착하면 한 수명주기 단계에서 다른 단계로 환경 부담이 전가되는 것을 방지할 수 있습니다. 제품 수명주기의 한 단계(사용)만 규제하는 환경 규제는 의도하지 않은 결과, 즉 CO₂ 배출 증가를 초래할 수 있습니다. 수명 종료 단계에서 강철 제품의 재활용 잠재력을 올바르게 모델링하는 것은 우리 부문이 다른 자재와 경쟁하고 '최고 수준'의 지속가능한 용도에 부합하는 강철 솔루션의 성능을 입증하는 데 매우 중요합니다.