희토류 원소 순환경제 구축 필요…경제성보다 타당성으로 접근해야

탄소 배출을 제로로 만드는 많은 기술과 희토류 원소(REE)와는 밀접한 관계가 있다. 태양 전지는 햇빛을 전기로 변환하기 위해 네오디뮴, 디스프로슘, 테르븀을 사용한다. 발광 다이오드는 유로퓸과 디스프로슘에 의존한다. 네오디뮴과 사마륨은 풍력 터빈과 전기 모터에 사용되는 강력한 자석의 성분이다. 이 모든 원소들은 란탄에서 루테튬, 스칸듐과 이트륨까지 주기율표에 있는 15개의 란탄 계열 원소다.

네이처 온라인판 보도에 따르면 REE 수요는 빠르게 증가하고 있다. 1MW의 풍력 에너지를 생산하는 데 필요한 REE는 170kg이다. 이는 미국 북동부 약 900가구에 공급할 수 있는 에너지다. 이러한 희토류 원소의 전 세계 사용량은 2005년 약 6만 톤에서 2030년 31만 5000톤으로 5배 증가할 것으로 예상된다.

그러나 그들의 가용성은 제한적이다. 중국, 미국 및 러시아는 전 세계 REE 매장량의 56%를 차지하고 있으며, 생산량의 76%를 점유한다. 지정학적, 코로나19 팬데믹, 전쟁으로 인해 글로벌 공급망은 혼란에 빠지고 가격은 큰 변동성을 갖게 됐다. 10여년 안정됐던 REE 가격은 2020년과 2021년 3~5배 올랐다. REE 시장은 한 국가 또는 기업의 이득이 다른 국가의 손실이 되는 '제로섬' 게임이다.

미국과 유럽의 녹색 산업은 정치적인 이유로 중국과 러시아로부터의 REE 수입 중단으로 어려움을 겪고 있다. 이들은 국내 탐사와 채굴을 더욱 강화하고 있다. 2022년 미국 국방부(DoD)는 네바다주 라스베가스에 본사를 둔 MP머티리얼즈와 3500만 덜러의 REE 조달 계약을 체결했다. 지난 1월 스웨덴의 국영 광산 회사인 LKAB는 현재 유럽에서 가장 매장량이 방대한 REE 광산을 발견했다.

REE의 시장 또한 분산돼 있으며 비효율적이다. 철강 또는 알루미늄 등을 채굴 생산하는 대기업보다는 중소 또는 국영 기업에서 소량으로 생산 공급하는 틈새 상품이다. REE는 스마트폰 등 핵심 상품에 필수지만, REE의 세계 시장 규모는 원유의 0.18%에 불과하다. 미얀마 등 일부 지역에서는 REE가 불법으로 거래되고 있다.

또 다른 특이점은 REE가 직접 채굴되지 않아도 보크사이트나 철광석과 같은 다른 광물의 부산물로 추출된다는 것이다. 그러나 채굴 부산물은 거의 처리되지 않는다. REE 추출은 막대한 양의 에너지와 물을 소비하고 오염 물질과 탄소를 방출하기 때문이다. 1kg의 REE 산화물을 정제하면 40~110kg의 이산화탄소가 발생한다. 1톤의 REE 산화물을 정제하면 1.4톤의 방사성 폐기물, 2000톤의 폐기물 및 1000톤의 중금속이 포함된 폐수를 생성할 수 있다.

환경을 훼손하지 않고 급증하는 REE 수요를 충족하기 위해서는 REE 공급망 전반을 재검토해야 한다. REE 순환 경제를 구축하는 것이 바람직하다. 네이처지는 REE에 대한 세 가지 우선 순위는 제시했다. 

◆ 전 세계적인 REE 재활용 활성화
현재 REE의 약 1%만이 재활용되고 있다. 그러나 재활용은 분명한 이점이 있다. 수명이 다한 자석에서 네오디뮴을 재활용하는 것은 원광석에서 추출하는 데 필요한 에너지의 35%만 소요되며, 독소는 적게 방출한다. 

그러나 전 세계 어디에도 REE를 재활용하기 위한 정책이나 프로그램이 없다. 또한 풍력 발전, 전기차 배터리, 자석 등 많은 양의 REE를 함유한 장치들은 여전히 사용되고 있다. 폐기되기까지 수년이 걸린다. REE 재활용 기술 또한 미성숙하고 경제성이 부족하다. 

REE 강제 회수 정책을 도입하고, 재활용 회사의 네트워크를 구축해야 한다. REE에 대한 의무 재활용률 또는 요구 사항을 설정하고 시행해야 한다. 유럽 위원회는 2030년까지 유럽연합 내 REE 소비의 15%를 2차 공급원으로 충당토록 하는 법을 통과시켰다

◆ REE 복구 및 추적을 위한 투자
REE의 추적, 제품 수집, 분해 기술 자동화, 분리 및 복구를 위한 시스템 및 기술에 대한 투자가 필요하다. REE를 수집하기 위한 수소 금속학 및 용액 기반 화학 방법 등 재료 및 엔지니어링 혁신이 요구된다. 이러한 기술이 여러 산업에 확장돼야 한다. 

정부는 연구 개발 및 혁신에 자금을 지원하고 세제혜택 및 보조금을 지급해야 한다. 파트너십을 통해 HDD의 영구 자석, 풍력 터빈 및 차량 모터, 스피커, 자기 공명 영상 기계, 위성 통신 장비 등에서 REE를 재활용하기 위한 자금을 조달해야 한다. EU는 최대 2억 유로를 동원해 부문 간 협업을 촉진하고, EU 전반에 걸쳐 REE 회수 및 재활용을 늘리기 위해 10개의 'REE 순환 허브'를 만들 계획이다.

그러나 REE 가격 변동성으로 인해 재활용 프로세스의 경제성은 낮다. HDD에는 몇 g의 REE가 포함돼 있다. 신용카드의 소형 칩에는 극미량이 들어 있다. 이들은 대체로 낮은 수율로 인해 재활용 수익성이 떨어진다. 비용 절감 및 시장 안정화에 대한 더 많은 연구가 필요하다.

◆ REE 공급망 재구축
공급망 설계에 대한 추가 연구도 필요하다. 비즈니스 모델은 수익성이 좋을 수 있다. REE 광물 임대 비즈니스 등이 가능하다. 그러나 법적 및 공정성 장벽 등은 남아 있다. 중요한 과제는 REE를 누가 소유해야 하는지를 결정하는 것이다. 향후 공급망 전반에 걸쳐 재활용 인프라, 금융, 플랫폼, 추적성 및 정보 공유 표준의 개발 및 조정이 필요하다. 추출에서 제조에 이르기까지 모두를 가진 국가는 내부 시스템을 가질 수 있지만, 글로벌 협력을 위해서는 일정한 기준과 국제 협정이 필요하다. 

중국, EU, 미국 및 기타 주요 국가들 간의 협력이 긴요하다. 국제 REE 데이터베이스를 구축하고 REE의 공정한 무역을 개발할 수 있다. 이들 협력은 국제 무역을 활성화하고 에너지 전환에 대한 글로벌 파트너십을 확대할 수 있다. REE의 순환 경제 시스템은 전 세계의 자원 무기화 우려를 불식시킬 수 있다고 네이처지는 강조했다.