| 연구개발개요 |
제21차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP21) 협약에 따라 국내에서는 2030년 온실가스 배출전망치(BAU)대비 2.2억 톤의 이산화탄소 저감이 필요하며, 건설 및 산업부문에서 각각 3,600만 톤, 5,600만 톤을 저감이 할당되었으나 목표치 달성을 위한 뚜렷한 대안이 없는 상태이다. COVID-19 사태로 인한 경기침체국면을 해결하기 위해 정부는 2021년에는 SOC 인프라 자본 확대로 일자리 창출, 고용난 해결, 경제 활성화를 도모하고 있으나, 이로 인해 앞으로 증가하게 될 건설분야에서의 이산화탄소 발생 저감에 대한 대책은 전무한 실정이다. 2050년 탄소중립 실현을 위한 국가온실가스감축목표(NDC; Nationally Determined Contribution) 달성을 위해서는 저탄소 콘크리트 개발, 자원순환 활성화, 생산기술의 디지털화를 통해 탄소발생량 저감 및 에너지사용 효율화가 가능한 기술개발이 시급히 요구된다.본 연구진이 제안하는 “CO2 순배출량 Zero(Net-Zero) 콘크리트 개발 및 DFT-열역학-기계학습 시뮬레이션 기반 해석적 기술 검증”은 대량의 이산화탄소 발생을 야기하는 포틀랜드 시멘트 기반 콘크리트에서 탄소중립 콘크리트로 전환시키고, 콘크리트 재료개발·성능검증 시험·기준/규격 등에 대한 부분을 전면 디지털화·스마트화하여 디지털 뉴딜 및 그린뉴딜 실현에 앞장서고자 한다. 세부 연구목표는 CO2 흡수율 20 wt%급 콘크리트 배합설계 기술개발 및 DFT-열역학-기계학습 시뮬레이션 기반 해석기술 개발이며, 이를 통해 건설재료 부문 탄소경제시장 및 CCUS(Carbon Capture, Utilization, Storage) 신산업 육성 활성화 및 에너지사용 효율성을 제고하고자 한다.
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| 최종목표 |
○ (최종목표) 콘크리트 성능 예측·평가 시뮬레이션 방법론 개발- (세부목표) DFT-열역학 시뮬레이션 기반 콘크리트 CO2 흡수율 최적화 설계기술 개발- (세부목표) 기계학습 모델의 고도화 및 Net-Zero 콘크리트 장기성능 예측기술 개발○ (최종목표) CO2 순배출량 Zero(Net-Zero) 콘크리트 개발 및 시뮬레이션을 통한 해석적 기술 검증- (세부목표) 콘크리트의 CO2 흡수율 20 wt% 이상 물질설계 및 배합설계 기술 개발- (세부목표) 산업부산물 활용 및 콘크리트의 탄산화 양생 조건 최적화를 통한 CO2 순배출량 Zero(Net-Zero) 달성
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| 연구내용 및 범위 |
(1) 1년차- 주관연구개발기관(부경대학교) : DFT-열역학 시뮬레이션 기반 해석기술 개발열역학 계산을 수행하기 위해 필요한 고체/액체/기체 상태의 원소에 대한 열역학 특성 데이터베이스를 구축하고, DFT 시뮬레이션을 통해 예측한 수화물의 열역학 특성을 데이터베이스로 활용하기 위한 DFT-열역학 계산 연계기술을 제시함. 또한 콘크리트의 수화거동 및 탄산화 양생에 의한 화학구조 변화 예측연구를 수행함.- 공동연구개발기관(충북대학교) : 기계학습 입력값의 지문화 및 초기모델 구축Net-Zero 콘크리트 물질의 구조와 성분이 물성에 끼치는 영향을 파악하기 위한 고유의 입력 및 결과값의 범주 정밀분류. 분류된 재료지문과 물성 사이의 통계적 상관관계를 찾기 위하여 현재까지 발표된 기계학습 훈련모델(현재 적용고려중인 방법: Linear regression, Decision tree, Support vector machine, Deep belief network, Gaussian process regression, Genetic algorithm, Bagging ensemble, Random forest ensemble, Boosting ensemble)을 비교시험하여 초기 모델을 구축함.- 공동연구개발기관(인천대학교) : 탄산화 양생의 영향요소 규명 및 시작품 제작탄산화 효율 최적화를 목표로 실험실 조건 하에서 다양한 탄산화 양생 조건에 대해 실험을 수행함. 문헌조사를 바탕으로 탄산화 양생의 영향 요소를 분석하며, 실험을 통해 시중에서 활발히 사용되고 있는 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 탄산화 양생 최적 조건을 도출함. 혼화재료를 혼입하지 않고 포틀랜드 시멘트만을 사용한 CO2 흡수율 15 wt%급 콘크리트 개발을 목표로 함. (2) 2년차- 주관연구개발기관(부경대학교) : DFT-열역학 시뮬레이션 기반 콘크리트 CO2 흡수율 최적화 설계기술 개발1년차에 개발한 DFT-열역학 연계기술을 활용하여 콘크리트의 CO2 흡수율을 극대화시키기 위한 배합 시뮬레이션을 수행함. 결합재 종류 및 조성 등 재료 및 조건 변수에 따른 CO2 흡수율을 예측함. CO2 흡수에 의한 콘크리트의 물리적 특성변화를 모사하여 CO2 흡수율을 극대화하면서 콘크리트의 역학적 성능을 개선하기 위한 방안을 조사함. 시뮬레이션 해석결과를 제공함으로써 CO2 순배출량 Zero 콘크리트 배합기술개발에 기초자료로 활용함.- 공동연구개발기관(충북대학교) : 기계학습 모델의 고도화 및 Net-Zero 콘크리트 장기성능 예측기술 개발1년차에 도출한 기계학습 입？출력값 분류와 관련 실험 데이터베이스 추가조성을 통한 개발 시뮬레이션 방법론을 고도화하며, 이를 통해 실험적으로 접근하기 어려운 범위의 특성치를 계산함. 또한 탄산화로 인한 광물의 결정구조, 에너지 변화 및 물성에 대한 장기특성 변화를 예측하여 이를 토대로한 최적 반응조건 및 구조형상을 제안함.- 공동연구개발기관(인천대학교) : CO2 순배출량 Zero 시멘트 콘크리트 개발 및 건설재료 시뮬레이션 기술 검증1차 년도에 개발한 콘크리트 배합을 기반으로 다양한 혼화재료를 혼입함으로써 보다 친환경적인 콘크리트를 제조하며 CO2 흡수율뿐만 아니라 압축강도, 내구성 등을 종합적으로 평가하여 기존 성능 대비 동등 이상(압축강도 50 MPa, CO2 흡수율 20 wt% 이상 급)의 성능을 발현하도록 함. 결과적으로, 시멘트 제조 시 소성 과정에서 발생되는 이산화탄소량 대비 산업부산물 대체율과 탄산화양생으로 흡수 가능한 이산화탄소량을 합산하여 “CO2 순배출량 Zero“ 콘크리트를 제조하는 것을 목표로 함. 또한 1, 2차 년도 연구 데이터와 결과를 바탕으로 건설재료 시뮬레이션 기술 검증에 활용함으로써 기술의 신뢰도를 높임.
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