에너지 전환에는 더 많은 희토류 원소가 필요합니다. 지속 가능하게 보안을 유지할 수 있습니까?

캘리포니아의 Mountain Pass 광산은 미국에서 유일하게 활동 중인 희토류 채굴 및 처리 시설입니다. 사진: Tmy350

지구 온도 상승을 1.5도 이하로 제한하려면 모든 국가에서 탈탄소화, 즉 화석 연료 사용을 줄이고, 탄소 제로 재생 에너지원으로 전환하고, 가능한 한 많은 부문에 전력을 공급해야 합니다. 이를 위해서는 엄청난 수의 풍력 터빈, 태양광 패널, 전기 자동차(EV) 및 축전지가 필요하며, 모두 희토류 원소와 중요한 금속으로 만들어집니다.

에너지 전환에 중요한 요소에는 17개의 희토류 원소, 15개의 란탄족 원소, 스칸듐 및 이트륨이 포함됩니다. 많은 희토류 금속이 실제로 흔하지만, 쉽게 또는 경제적으로 추출할 수 있을 만큼 충분한 양이 거의 발견되지 않기 때문에 "희귀"라고 불립니다.

희토류 원소표입니다. 이미지: 이브토로프

실리콘, 코발트, 리튬, 망간 등의 원소는 희토류 원소는 아니지만, 에너지 전환에도 필수적인 핵심 광물입니다.

이러한 막대한 양의 광물을 지속 가능한 방식으로 공급하는 것은 중요한 도전이 될 것이지만, 과학자들은 사람과 지구에 덜 해를 끼치면서 에너지 전환을 위한 재료를 제공할 수 있는 다양한 방법을 모색하고 있습니다.

희토류 수요는 향후 수십 년 동안 400~600% 증가할 것으로 예상되며, 전기차 배터리에 사용되는 리튬, 흑연 등 광물 수요도 최대 4000% 증가할 수 있다. 대부분의 풍력 터빈은 네오디뮴-철-붕소 자석을 사용하는데, 여기에는 희토류 원소인 네오디뮴과 프라세오디뮴이 포함되어 있어 강화되고, 디스프로슘과 테르븀은 감자에 대한 저항력을 갖게 됩니다. 전 세계 네오디뮴 수요는 2050년까지 48% 증가해 2030년까지 예상 공급량을 250% 초과할 것으로 예상됩니다. 프라세오디뮴 수요는 공급량을 175% 초과할 수 있습니다. 테르븀 수요도 공급을 초과할 것으로 예상된다. 그리고 2035년까지 흑연, 리튬, 니켈, 코발트에 대한 예상 수요를 충족시키기 위해 한 분석에서는 384개의 새로운 광산이 필요할 것으로 예상했습니다.

한때 중국은 전 세계 희토류 원소의 97%를 공급했습니다. 정부 지원, 값싼 인건비, 느슨한 환경 규제, 저렴한 가격 덕분에 희토류 금속 생산을 독점할 수 있었다. 오늘날 중국은 세계 희토류 원소의 60~70%를 생산하고 있으며 아프리카에서도 채굴권을 확보하고 있습니다. 미국은 14%가 조금 넘는 희토류 원소를 생산하고 호주는 6%의 희토류 원소를 생산합니다.

2018년에 미국은 21가지 주요 광물에 대해 다른 나라에 100% 의존했습니다. 중국이 분쟁으로 인해 일본에 대한 희토류 수출을 중단한 후, 많은 국가들은 한 시장에 의존하는 것이 정치적, 경제적 영향에 대해 우려하게 되었고 자체적으로 희토류 원소 생산을 개발하기 시작했습니다. 바이든 행정부는 희토류 금속과 중요 광물에 대한 국내 공급망 개발을 우선순위로 삼았습니다.

광업은 종종 토지, 물, 공기 오염, 독성 폐기물 확산, 물 고갈, 삼림 벌채, 생물 다양성 손실 및 사회적 혼란을 초래합니다. 연방 및 주 환경 규제의 적용을 받는다는 사실에도 불구하고 금속 채굴은 미국에서 가장 큰 독성 오염 물질입니다.

희토류 원소를 추출하는 방식 때문에 환경에 피해를 주지 않고 채굴하는 것은 어렵습니다. 한 가지 방법은 표토를 제거한 다음 화학 물질을 사용하여 광석에서 희토류 원소를 분리하는 침출 풀을 만드는 것입니다. 독성 화학물질은 지하수로 스며들어 침식을 일으키고 공기를 오염시킬 수 있습니다. 또 다른 기술은 땅에 구멍을 뚫고 PVC 파이프와 호스를 사용하여 화학 물질을 땅에 퍼내는 것입니다. 생성된 혼합물은 분리를 위해 침출 연못으로 펌핑되어 동일한 환경 문제를 야기합니다.

몬태나주 뷰트에 있는 광미 웅덩이. 사진: 제임스 세인트 존

또한 희토류 원소는 방사성 토륨과 우라늄 근처에서 흔히 발견되기 때문에 희토류 원소가 광석에서 분리된 후 남은 폐기물(광미)에는 화학 물질, 염분 및 방사성 물질이 포함되어 있습니다. 광미는 일반적으로 수자원이 누출되어 오염될 수 있는 연못에 저장됩니다.