실제 적용 사례로 본 LCA: 산업 인프라에서 이중상 스틸과 탄소강의 환경 영향 비교

실제 적용 사례로 본 LCA: 산업 인프라에서 이중상 스틸과 탄소강의 환경 영향 비교

화학 플랜트, 해양 플랫폼 및 교량과 같은 산업 인프라에 사용할 자재를 선택할 때, 결정은 전통적으로 초기 비용과 기계적 특성에 초점이 맞춰져 있었습니다. 그러나 환경, 사회 및 지배구조(ESG) 규정의 증가와 지속 가능성에 대한 진정한 추구 노력에 따라 질문은 다음과 같이 진화하고 있습니다: 전 생애 주기를 고려할 때, 어떤 소재가 전체적인 환경 영향 발자국이 더 낮은가요?

이 질문에 답하기 위한 과학적 틀을 제공하는 것이 LCA(생애 주기 평가)입니다. 이 분석을 통해 2205와 같은 이중상 스테인리스강을 A516 Gr. 70과 같은 탄소강과 비교함으로써 단순한 초기 인상을 넘어 데이터 기반의 선택을 할 수 있습니다.

생애 주기 평가(LCA)란 무엇인가요?

LCA는 제품 또는 시스템의 생애 전 주기에 걸친 모든 단계에서 발생하는 환경 영향을 정량적으로 분석하는 '태생에서 무덤까지(cradle-to-grave)'의 분석 방법입니다.

1. 원자재 확보 및 생산(태생): 광물 채굴, 용융, 합금 제조 및 금속 성형 과정.

2. 제조 및 가공(게이트): 절단, 용접 및 부품 제작 과정.

3. 사용 단계: 구조물의 운전 기간 동안의 성능.

4. 폐기 단계(폐기): 철거, 재활용 및 폐기.

구조용 재료의 경우 사용 단계가 종종 가장 큰 영향을 미친다 , 초기 생산으로 인한 영향을 압도한다.

경쟁자들: 개요

• 탄소강(A516 Gr. 70): 산업 현장에서 널리 사용되는 재료. 초기 비용이 저렴하고 강도가 높지만, 부식이 심한 환경에서는 코팅이나 피보호 등의 강력한 부식 방지 대책이 필요하다.

• 이중상 스테인리스강(2205): 고급 재료. 초기 비용은 높지만 뛰어난 강도와 내식성을 제공하여 종종 코팅이 필요하지 않다.

단계별 LCA 비교

1. 제조 단계(Cradle-to-Gate)

• 탄소강: 초기 탄소 함유량 발자국이 더 낮습니다. 상대적으로 효율적인 생산 과정으로, 스테인리스강보다 적은 에너지가 필요합니다. 주요 영향은 코크스를 사용한 고로-전로(BF-BOF) 공정에서 비롯됩니다.

  • 일반적인 탄소 함유량: ~1.8 - 2.2 kg CO₂e per kg of steel.

• 듀플렉스 스테인레스: 초기 탄소 배출량이 현저히 높습니다. 크롬, 니켈, 몰리브덴과 같은 핵심 합금 원소들의 에너지 다소비 생산 과정과 전기로(EAF) 용융 공정이 영향을 증가시킵니다. 그러나 재활용 스크랩을 사용하는 경우(스테인리스강은 이 측면에서 우수함) 이러한 영향을 완화할 수 있습니다.

  • 일반적인 탄소 함유량: ~4.5 - 6.5 kg CO₂e per kg of steel.

판정: 탄소강은 제조 단계에서 약 60~70% 낮은 탄소 함유량으로 명확한 우위를 차지합니다.

2. 제작 및 가공 단계

• 탄소강: 표면 준비(연마 분사)가 광범위하게 필요하며 다층 코팅 시스템(프라이머, 에폭시, 탑코트)을 적용해야 합니다. 이러한 코팅에는 VOC(휘발성 유기화합물)가 포함되어 있으며 제조 및 적용 과정에서 자체적인 환경 영향을 미칩니다.

• 듀플렉스 스테인레스: 일반적으로 코팅이 필요하지 않아 막대한 에너지, 화학물질 및 노동력을 절약할 수 있습니다. 높은 강도로 인해 더 얇은 단면 두께 를 구현할 수 있어 필요한 전체 재료의 무게를 줄일 수 있습니다. 용접에는 보다 전문적인 기술이 필요할 수 있지만 코팅 공정에서 발생하는 배출가스를 제거할 수 있습니다.

결론: 이 단계에서는 이중상 스테인리스강이 코팅 시스템의 환경 비용을 제거하고 경량 설계를 가능하게 함으로써 종종 우위를 차지합니다.

3. 사용 단계: 결정적인 요소

이것이 전과정평가(LCA)의 서사가 전환되는 지점입니다. 사용 단계는 구조물 전체 생애주기 영향의 90% 이상 줄어듭니다 까지 차지할 수 있습니다.

• 탄소강: 지속적인 유지보수가 필요합니다. 코팅은 노후화되어 5~15년마다 수리하거나 다시 도포해야 합니다. 이 과정에는 다음이 포함됩니다.

  • 새로운 코팅의 생산.

  • 에너지 소비가 많은 표면 처리 (유해한 블라스트 잔해를 포집해야 할 수도 있음).

  • 작업 인력 및 장비의 운송.

  • 정비로 인한 가동 중단 정비 중에는 수익이 중단되며 공장 내 다른 부문들이 효율적으로 운영되지 못하게 됨.

  • 고장 위험성: 코팅이 조기에 손상될 경우, 심각한 부식으로 인해 누출 및 유출 사고가 발생하고 예기치 못한 수리가 필요하게 되며 이는 막대한 환경적·경제적 비용을 초래함.

• 듀플렉스 스테인레스: 패시브층 덕분에 수십 년간 유지보수가 필요 없는 부식 저항성을 제공함. 반복적인 코팅 관련 배출물이 없으며 유지보수를 위한 가동 중단도 없고, 고장 날 위험성도 현저히 낮음. 더블렉스 구조는 전혀 손질 없이도 40년 이상 지속될 수 있음.

결론: 사용 단계에서 더블렉스 스테인리스강이 압도적인 우위를 차지함. 반복적인 유지보수 사이클과 이로 인한 배출을 피할 수 있다는 점이 가장 큰 환경적 이점임.

4. 폐기 단계

• 두 소재 모두: 특성의 손실 없이 100% 재활용이 가능합니다. 스테인리스강은 합금 성분 덕분에 더 높은 재활용 가치가 있어 재활용에 대한 경제적 유인이 강합니다. 제품 수명 종료 시 두 소재 모두 일반적으로 새 강철로 재활용되어 다음 제품 사이클에 효과적으로 크레딧이 부여되고, 원광 채굴의 필요성이 줄어듭니다.

결론: 동률입니다. 두 소재 모두 순환 경제성에서 우수합니다.

LCA 결론: 맥락에 따라 다릅니다.

"더 나은" 소재는 보편적이지 않으며, 이는 환경의 부식성 그리고 설계 수명 자산의

실제 사례: 해상 보도

• 옵션 A(탄소강): a516 강철 100톤. 10년마다 재도장이 필요합니다. 30년 동안 운용할 경우, 도장, 샌드블라스팅, 선박 연료, 가동 중단으로 인한 상당한 탄소 배출을 수반하는 두 차례의 주요 유지보수 작업이 필요합니다.

• 옵션 B(이중상 2205): 70톤의 이중강(Duplex) 사용 (고강도로 인해 더 얇은 단면). 30년 이상 유지보수가 전혀 필요하지 않음.

LCA 결과: 70톤의 이중강(Duplex) 생산은 100톤의 탄소강 생산보다 초기 탄소 비용이 더 높지만, 옵션 B의 회피된 유지보수 배출량 이로 인해 옵션 B가 전 생애 주기 동안 더 지속 가능한 선택이 됩니다.

엔지니어를 위한 핵심 요약

재료 선택을 단순히 초기 비용이나 탄소배출량에만 기반하지 마세요. 진정으로 지속 가능한 건설을 위해서는:

1. 간소화된 LCA 수행: 탄소강의 예상 유지보수 주기를 모델링하세요. 코팅의 내재 탄소, 운송 및 정지 비용을 고려해야 합니다.

2. 내구성 우선시하기: 부식이 심한 환경에서는 최소한의 관리로 가장 오래 지속되는 소재가 가장 지속 가능합니다. 내구성은 궁극적으로 폐기물 감축의 핵심입니다.

3. 탄력성을 위한 명세: 더블렉스 스테인리스강과 같은 소재를 선택하는 것은 운영 중단을 줄이고, 수명 주기 동안 배출량을 낮추며, 우수한 환경 성능을 실현하는 투자입니다. 이는 비용 중심의 항목을 지속 가능성과 신뢰성을 기반으로 한 가치 제안으로 전환시킵니다.