희귀종을 위한 순환 경제를 구축하는 방법

Yong Geng은 중국 상하이 200240에 위치한 Shanghai Jiao Tong University의 환경 과학 및 공학부 환경 관리 교수입니다.

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Joseph Sarkis는 미국 매사추세츠 주 우스터에 위치한 우스터 폴리테크닉 연구소(Worcester Polytechnic Institute)의 경영학 교수이자 프랑스 발랑시엔에 있는 Université Polytechnique Hauts-de-France의 TEC-LOGd 의장입니다.

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라이문트 블레이슈비츠(Raimund Bleischwitz)는 독일 브레멘에 위치한 라이프니츠 열대 해양 연구 센터(ZMT)의 과학 책임자입니다.

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전자 폐기물에서 희토류 원소를 추출할 수 있습니다. 출처: Christophe Archambault/AFP(Getty 경유)

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탄소 배출 제로 경쟁에 힘을 실어줄 많은 기술들 사이에는 핵심적인 화학적 연관성이 있습니다. 태양전지는 네오디뮴, 디스프로슘, 테르븀을 사용하여 햇빛을 효율적으로 전력으로 변환합니다. 발광 다이오드는 발광을 위해 유로듐과 디스프로슘에 의존합니다. 네오디뮴과 사마륨은 풍력 터빈과 전기 모터에 사용되는 강력한 자석의 성분입니다. 이들 원소는 모두 란타늄부터 루테튬, 스칸듐, 이트륨까지 주기율표의 15개 란탄족 원소인 17개 '희토류' 그룹의 일부입니다.

희토류 원소(REE)에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있습니다. 예를 들어1 메가와트의 풍력 에너지를 생성하려면 약 170kg의 REE가 필요합니다. 이는 미국 북동부의 약 900가구에 전력을 공급하기에 충분합니다. 이러한 원소의 세계적 사용은 2005년 약 60,000톤에서 2030년 315,000톤으로 5배 증가할 것으로 예상됩니다1.

그러나 가용성은 제한되어 있습니다. 중국, 미국, 러시아는 전 세계 REE 매장량의 56%와 생산량의 76%를 통제합니다(go.nature.com/3h1aeji 및 '희토류 상승' 참조). 10년 넘게 지정학, 코로나19 팬데믹의 여파, 그리고 전쟁으로 인해 글로벌 공급망이 붕괴되고 가격이 불안정해졌습니다. 2020년과 2021년에 일부 REE 가격은 거의 10년 동안 상대적인 안정성을 유지한 후 3배 또는 5배로 올랐습니다.

출처: 미국 지질조사국

REE 자원을 통제하고 국가가 다른 국가를 압박하기 위한 지정학적 경쟁이 있습니다. REE 시장은 한 국가나 기업의 이익이 다른 국가나 기업의 손실이 되며 순이익은 없는 '제로섬' 게임입니다.

미국과 유럽의 녹색 산업은 정치적 이유로 중국과 러시아의 수출을 포기하면서 이러한 중요한 원자재 부족에 직면해 있습니다. 많은 국가에서 수입원을 제한하는 동시에 국내 탐사 및 채굴을 촉진하고 있습니다. 예를 들어, 2022년 미국 국방부(DoD)는 네바다주 라스베이거스에 본사를 둔 MP Materials Corporation과 캘리포니아 생산 현장에서 중희토류 원소를 처리하기 위해 3,500만 달러 규모의 계약을 체결했습니다. 2023년 1월, 스웨덴의 국영 광산 회사인 LKAB는 현재 유럽 최대 규모인 막대한 REE 매장지를 발견했다고 발표했습니다.

REE의 시장 또한 분산되어 있고 비효율적입니다. 이러한 요소는 예를 들어 철강이나 알루미늄 생산을 통제하는 대기업보다는 주로 중소기업, 대부분 국영 기업에서 소량으로 생산 및 사용되는 틈새 상품입니다. REE는 스마트폰과 같은 많은 기술에 필수적이지만, REE의 세계 시장 가치는 원유 상품 가치의 0.18%에 불과하여 투자자를 방해합니다(go.nature.com/43avjku 참조). 미얀마와 같은 일부 지역에서는 REE가 불법적으로 거래됩니다(go.nature.com/43e4tzx 참조).

또 다른 문제는 REE가 직접 채굴되지 않고 일반적으로 보크사이트 및 철광석과 같은 다른 유형의 채굴의 부산물인 광물에서 추출된다는 것입니다. 그러나 실행 가능한 광산 폐기물 중 상당수는 처리되지 않은 채로 남아 있습니다. REE 가치 사슬은 막대한 양의 에너지와 물을 소비하고 오염 물질과 탄소 배출을 배출합니다('희토류의 순환 경제' 참조). 1kg의 REE 산화물을 정제하면 40~110kg의 이산화탄소(등가)가 생성됩니다2. 1톤의 REE 산화물을 정제하면 1.4톤의 방사성 폐기물, 2,000톤의 폐기물, 1,000톤의 중금속을 함유한 폐수가 생성될 수 있습니다3.