Scenario Based Dynamic Material Flow Analysis of Dutch Macro Infrastructure Stocks: Assessing Future Material Demand and Circularity Potentials

기술 요약: 네덜란드 거시 인프라 주식에 대한 시나리오 기반 동적 물질 흐름 분석

문제 정의
인프라 시스템의 순환성을 달est하기 위해서는 미래의 버진(virgin) 재료 수요를 상쇄할 수 있도록 수명이 다한(end-of-life, EoL) 재고로부터 이차 원자재를 효과적으로 회수해야 한다. 네덜란드는 현재 설계 수명(주로 1960~1970년대에 건설됨)에 도달하고 있는 잘 발달된 인프라 재고를 보유하고 있으나, 비건축 분야의 거시 인프라로부터 발생하는 미래의 이차 재료 가용성을 정량화하는 데 있어서는 상당한 연구 공백이 존재한다. 기존 연구들은 주로 건물이나 모빌리티와 같은 특정 부문에 집중되어 있어, 용수, 유틸리티 및 화석 연료 인프라를 간과하는 경면이 있다. 또한, 이론적인 회수 잠재력과 재료가 원래의 기능과 가치를 유지하는 실제 "폐쇄 루프(closed-loop)" 순환성 사이에는 중요한 구분이 존재한다. 현재 네덜란드의 많은 회수 방식은 콘크리트 골재를 도로 기층재로 사용하는 것과 같은 다운사이클링(downcycling)에 해당하며, 이는 일차 재료 수요를 효과적으로 줄이는 데 실패한다. 본 연구는 다양한 전환 시나리오 하에서 네덜란드 거시 인프라의 철강, 콘크리트, 아스팔트에 대한 미래 재료 수요와 폐쇄 루프 순환 가능성을 정량화하는 필요성을 다룬다.

방법론
본 연구는 Müller(2006)의 프레임워크를 기반으로 개념화된 재고 기반 동적 물질 흐름 분석(dMFA) 모델을 사용한다. 분석 범위는 고속도로 및 철도, 용수, 석유 및 가스, 전기, 유틸리티의 5가지 범주에 걸친 거시 인프라(건물 제외)를 포함한다. 분석 대상인 세 가지 벌크 재료는 철강, 콘크리트, 아스팔트로, 이들은 해당 부문 재료 사용량의 무게 기준 90% 이상을 차지한다.

• 데이터 출처: SUBLIME 데이터베이스로부터 역사적 재고 발전, 재료 집약도 및 평균 수명(1950~2023) 데이터를 수집하였다.
• 수명 모델링: 장기 자산에 권장되는 방식에 따라, 인프라 수명 생존 곡선을 모델링하기 위해 와이불(Weibull) 분포 함수를 사용하였다.
• 시나리오 개발: 미래의 불확실성을 포착하기 위해 세 가지 뚜렷한 시나리오를 개발하였다:
  • 기준 시나리오(Reference Scenario): 자산 소유자의 중앙 전망 및 현재 추세와 일치한다.
  • 저수요 시나리오(Low-Demand Scenario): 제한적인 규제 인센티브와 느린 기술 발전을 가정한다.
  • 고수요 시나리오(High-Demand Scenario): 야심 찬 에너지 전환, 강력한 정책 개입(예: 회수 의무화), 그리고 고급 재활용 인프라를 가정한다.
• 정량화: 미래 재료 재고($MS$)는 재고-흐름-서비스 넥서스를 사용하여 계산되었다:$MS = Pop \times (S/Pop) \times (M/S)$, 여기서$Pop$은 인구,$S/Pop$은 1인당 인프라 요구량,$M/S$는 재료 집약도이다.
• 순환성 지표: 본 연구는 최대 공급 잠재력(이론적 유출량)과 실제 회수 잠재력(시스템적 손실을 고려함)을 구분한다. 결정적으로, 본 연구는 동일한 기능 수준에서 재사용되는 이차 재료에 의해 충족되는 총 재료 수요의 비율로 정의되는 **폐쇄 루프 순환성(Closed-Loop Circularity, CLC)**을 계산하며, 여기에는 다운사이클링을 명시적으로 제외한다.

주요 결과
분석은 2024년부터 2070년까지의 재료 흐름을 세 가지 시나리오에 따라 투영한다:

• 재료 수요 트렌드:

  • 철강: 에너지 인프라(해상/육상 풍력, 태양광)의 확장에 힘입어, 연간 수요는 2070년까지 2024년 대비 94~104% 크게 증가할 것으로 예상된다.
  • 콘크리트: 유틸리티 네트워크와 재생 에너지 기초 시설에 의해 수요가 58~94% 증가할 것으로 예상된다.
  • 아스팔트: 도로망이 성숙 단계에 있고 수요가 확장이 아닌 교체에 의해 발생하므로, 수요는 **1~2%**의 증가에 그치며 비교적 안정적인 상태를 유지할 것으로 보인다.

• 공급 및 회수 잠재력:

  • 철강: 이론적 EoL 공급은 미래 수요의 **7486%**를 충족할 수 있다. 그러나 수출 의존도, 오염(예: 6가 크롬), 규제 장벽(NEN-EN 1090)으로 인해 실질적인 **폐쇄 루프 순환성은 3140%**로 추정된다.
  • 콘크리트: 이론적 공급은 수요의 **7183%**를 충족할 수 있다. 그러나 저가형 도로 기층재로의 광범위한 다운사이클링으로 인해 실질적인 **폐쇄 루프 순환성은 323%**로 제한된다.
  • 아스팔트: 이론적 공급은 수요의 **92101%**를 충족할 수 있다. 성숙한 재활용 체계와 높은 재생 아스팔트(RAP) 사용량 덕분에 실질적인 **폐쇄 루프 순환성은 5085%**로 추정된다.

• 부문별 변화: 2070년까지 에너지 인프라가 철강(5060%) 및 콘크리트(4256%) 재고와 유출량의 대부분을 차지하게 되어, 기존의 고속도로 및 유틸리티 중심에서 변화할 것으로 예측된다.

핵심 기여

1. 포괄적 범위: 본 연구는 물질 흐름 분석의 범위를 건물과 모빌리티를 넘어 용수, 유틸리티 및 에너지 인프라까지 확장하여, 네덜란드 거시 인프라 재고에 대한 총체적인 관점을 제공한다.
2. 순환성의 차별화: 본 연구는 이론적 회수와 폐쇄 루프 순환성 사이의 격차를 명시적으로 정량화하며, 높은 재활용률(예: 건설 폐기물의 98%)이 종종 버진 재료를 대체하지 못하는 상당한 다운사이클링을 은폐하고 있음을 강조한다.
3. 시나리오 민감도: 본 분석은 정책적 야심과 기술적 진보(특히 High 시나리오에서의)가 어떻게 순환성 결과를 유의미하게 개선할 수 있는지 입증하며, High 시나리오는 Reference 시나리오보다 최대 13~35% 더 높은 순환성을 달성한다.
4. 병목 구간 식별: 본 연구는 구조용 철강을 위한 국내 전기로(EAF) 용량 부족, 고가치 콘크리트 재사용을 방해하는 엄격한 품질 표준, 도시 지역 내 재생 아스팔트 저장의 물류적 어려움 등 구체적인 시스템적 장벽을 식별한다.

의의 및 주장
저자들은 이러한 연구 결과가 네덜란드 거시 인프라 부문의 재료 순환 잠재력에 대한 시스템 차원의 이해를 제공한다고 주장한다. 본 연구는 이론적 잠재력은 미래 재료 수요의 대다수를 충족할 수 있을 만큼 충분하지만, 현재의 시스템적 비효율성이 실제 폐쇄 루프 순환성을 그 잠재력의 일부로 제한하고 있다는 점을 단언한다.

본 논문은 EoL 재료 재고를 완전히 회수함으로써 2024년에서 2070년 사이에 연간 버진 재료 수요를 16~49% 줄일 수 있다고 결론짓는다. 이러한 감소는 네덜란드 정부의 2050 넷제로(net-zero) 목표 달성을 위한 핵심 요소로 제시된다. 저자들은 이 잠재력을 실현하기 위해 다음을 통합하는 시너지 접근 방식이 필요하다고 강조한다:

• 기술 혁신: 특히 고등급 콘크리트 업사이클링 및 구조용 철강의 부품 단위 재사용.
• 정책 개입: 강력한 회수 의무화, 이차 재료 인센티브, 그리고 업데이트된 규제 프레임워크(예: NEN-EN 1090 제약을 넘어선 변화).
• 설계 개입: 해체 용이성 설계(design-for-disassembly), 모듈화 및 재료 추적성을 우선시하는 설계.

본 연구는 네덜란드를 유사한 노후 인프라 문제를 겪고 있는 다른 초기 산업화 국가들의 대표 사례로 위치시키며, 인프라 순환성으로의 전환을 위한 전이 가능한 통찰력을 제공한다.