전기 자동차, 의료 스캐너 및 무기류에 필수적인 희토류 자석에 사용되는 재료에 대해 EU는 거의 전적으로 중국에 의존하고 있다. 유럽은 새로운 광산을 열고, 대안을 개발하고, 폐기물을 줄이고, 더 많이 재활용하기 위해 노력하고 있다.
유럽은 2020년대까지 전기 자동차, 풍력 터빈, 미사일, 전투기 및 소비자 전자 제품에 중요한 희토류 자석에 대해 거의 전적으로 중국에 의존할 것으로 예상된다.
러시아의 우크라이나 침공으로 EU는 러시아 석유 및 가스에 대한 의존을 중단했지만 희토류 재료의 중요한 공급과 관련하여 유럽의 중국 의존도는 98%로 훨씬 더 심각하다.
이달 초 Thierry Breton 내부 시장 위원은 블로그에 “중국이 전체 가치 사슬을 통제한다. 우리는 중요한 원자재를 조달하고 재활용하기 위한 진정한 글로벌 경쟁을 보고 있다”고 경고했다.
유럽 정책연구센터의 지속 가능한 자원 및 순환 경제 책임자인 Vasileios Rizos는 브뤼셀에서의 이러한 우려는 새로운 것이 아니며 적어도 2008년까지 거슬러 올라간다고 말한다. "그러나 이것은 러시아에 대한 가스와 석유 의존도에 힘입어 우리가 전에 본 적이 없는 모멘텀이다."
아이러니한 것은 유럽이 전기 자동차와 풍력 터빈을 통해 러시아 화석 연료에 대한 의존도를 줄이려고 노력하고 있다는 것이다. 그러나 이들은 중국 희토류 자석을 사용하여 제작되었다.
Rizos는 "석유와 가스에 대한 의존도를 재료에 대한 의존으로 대체하고 있다는 것을 우리가 어느정도 알고 있다는 것도 사실이다"고 경고했다.
희소하지 않은 희토류
희토류는 이 17가지 원소가 실제로 상대적으로 풍부하다는 점에서 잘못된 명칭이다. 그러나 희토류는 지각에 흩어져 있어 추출하기 어렵고 비용이 많이 든다. 중국은 광산과 정제 시설에 대한 수십 년간의 전략적 투자를 통해 시장을 장악했다. 반면 다른 세계는 환경 영향으로 광산을 폐쇄해 왔다.
일반적으로 이러한 요소 중 하나 이상이 철, 코발트 또는 니켈 자성 요소와 결합되어 극한의 온도에서 기능하고 마모에 저항하는 강력한 합금 자석을 만든다. 가장 일반적인 자석인 NdFeB는 철, 희토류 금속 네오디뮴 및 붕소를 결합하여 만들어진다.
각 전기 자동차 모터에는 약 2kg의 희토류 자석이 필요하다고 Uppsala 대학의 재료 과학자인 Alena Vishina는 말한다. 단일 풍력 터빈에는 400kg이 필요할 수 있다. "이는 말도 안되는 엄청난 양이다."
따라서 자석은 Volkswagen과 같은 유럽 자동차 제조업체의 계획의 중심에 있다. 이들은 2030년까지 자동차 시장의 1/3을 차지할 것으로 추정되는 전기 자동차 시장에서 Tesla 및 중국 라이벌인 Nio, Xpeng, Li와 경쟁하고 있다.
희토류 자석은 레이저 유도 미사일, 비행기 및 탱크와 같은 현대 무기 - 정확히 서방에서 우크라이나로 보내는 정밀 장비와 같은 종류 - 에 있어서도 중요하다. 예를 들어 F-35 전투기 한 대에는 400kg 이상의 희토류 물질이 필요하다. 2019년 미 육군의 분석은 “희토류 원소가 새로운 석유가 됐다”고 결론지은 바 있다.
또한 희토류는 스마트폰 및 헤드폰과 같은 가전제품(소형화가 중요한 모든 것)에서 핵심적인 역할을 한다.
중국의 요충지
수년 동안 중국의 자석을 행복하게 수입하던 - 그리고 채굴 및 분리 과정에서 발생하는 환경 피해와 함께 수반하는 막대한 양의 저준위 방사성 폐기물을 수출하던 - 나머지 세계는 2010년 해상 분쟁 중에 중국이 일본에 대한 수출을 중단하며 국제 가격이 10배 이상 폭등했을 때 경종을 울렸다.
그 이후로 가격은 안정되었지만 이후 12년 동안 중국과의 긴장은 고조되어 중국이 다시 한 번 수도꼭지를 잠글 수 있다는 두려움으로 이어졌다. 중국이 희토류 자석을 독점하지 않더라도 유럽과 더 넓은 세계는 여전히 문제가 될 것이다.
희토류가 전기 자동차와 풍력 터빈에 의해 소비되면서 그 수요가 공급을 빠르게 추월하고 있기 때문이다. 올해 초 발표된 미국 에너지부의 평가에 따르면 NdFeB 자석에 대한 전 세계 수요는 올해 12.5% 증가할 것으로 예상된다.
차세대 마이닝
이 문제에 대한 첫 번째이자 가장 분명한 해결책은 유럽이 중국을 따라 희토류 금속을 직접 채굴하고 가공하는 것이다.
노르웨이 회사인 REE Minerals는 바로 이를 위해 노력하는 회사 중 하나이다. 예비 시추 결과 네오디뮴을 포함한 주요 희토류가 오슬로에서 남서쪽으로 약 120km 떨어진 곳에서 확인된 바 있다.
회사의 CEO인 Thor Bendik Weider는 "시장이 원하는 것을 조금이라도 공급하려면 향후 몇 년 동안 매년마다 우리와 같은 광산을 열어야 한다"라고 말했다.
만약 광산이 가동되기 시작하면 "매우 수익성이 높아야 한다"고 Weider는 말한다. 그러나 문제는 수익이 불확실하고 이익이 멀리 떨어져 있는 동안 회사가 광산이 실행 가능하다는 것을 증명하고 민간 자금을 유치하기 위해 힘들고 값비싼 탐사 작업을 수행할 수 없다는 것이다.
여기에서 정부가 개입해야 하지만 EU 기관은 지원에 실패했다. Weider는 "좋은 의도는 있었지만 약간의 조치만 있었다"고 밝혔다.
중요 자원 공급을 늘리려는 EU 자금 지원 벤처인 EIT Raw Materials의 대변인은 이 프로젝트가 아직 자금을 조달하기에는 너무 이른 단계이지만 최근 더 발전된 단계에 있는 노르웨이의 다른 희토류 채굴 프로젝트에 500만 유로를 투자하였다고 밝혔다.
유럽혁신기술연구소(EIT)는 또한 작년 유럽원자재연합(ERMA) 실행 계획에서 자금이 필요한 것으로 확인된 14개의 희토류 금속 프로젝트 중 일부를 위한 자금을 확보하기 위해 투자자들과 논의하고 있다.
그러나 이러한 모든 프로젝트에 자금이 지원되는 최상의 시나리오(계획에 따르면 17억 유로가 필요할 것으로 추산)에서도 EU는 2030년까지 희토류 자석 수요의 20%만 공급할 수 있을 것으로 보인다.
환경적 장애물
REE Minerals가 필요한 자금을 제공하더라도 Weider는 광산을 가동하고 운영하는 데 5년이 걸릴 것으로 추정한다. 물리적으로는 이보다 훨씬 빨리 광산을 여는 것이 가능하지만 현지 규정과 법률에 따라 훨씬 더 오래랜 시간이 걸린다.
이러한 점은 유럽의 광산 활성화에 큰 장애물이 있음을 나타낸다. 바로 광산이 환경과 지역 사회에 미치는 영향이다. 작년 연설에서 Breton 위원은 "금기가 없는" 광산 토론을 촉구했다.
Rizos는 "지역사회와 지역환경에 대한 환경영향 문제가 있어 매우 까다롭다. 그렇다고 유럽이 이러한 환경 문제를 그냥 해외로 내보낼 수도 없다"고 말하였다.
Weider는 그의 광산이 중국의 일부를 황폐화시키는 노천굴과는 달리 "최첨단"이며 지하에 있을 것이라고 주장한다.
2010년의 가격 폭등 이후, 나머지 세계는 자체 광산을 열기 시작했다. 환경 문제와 중국 경쟁으로 인해 2002년에 운영을 중단하였던 미국 캘리포니아의 Mountain Pass 광산은 2017년에 다시 시작되었다. 중국의 희토류 채굴 점유율은 2010년 92%에서 10년 후 50%로 감소했다고 나토 국방대학 재단이 최근 분석한 바 있다.
그러나 미국 에너지부에 따르면 중국은 여전히 채굴된 공급 원료를 처리하고 완성된 자석을 제조하는 시장을 지배하고 있다.
유럽에는 이러한 가공 및 제조 시설이 매우 적다. 캐나다 회사인 Neo Performance Materials는 에스토니아에 공장을 가지고 있으며 확장할 계획이다.
3D 프린팅
또 다른 해결책은 유럽이 수입하는 희토류 금속을 보다 효율적으로 사용하는 것이다.
현재 자석은 자석을 녹이지 않고 압축과 열처리를 하는 공정인 프레스와 소결을 거쳐 기본적인 형태로 만들어지고 있다. 그런 다음 완벽한 형태를 얻으려면 이러한 모양을 깎아야 하며, 이는 절단과 낭비가 있음을 의미한다.
3D 프린팅은 이러한 낭비를 없앨 수 있지만 현재로서는 자석을 만드는 데 사용되는 금속 분말을 프린팅할 수 없다.
핀란드 VTT 기술 연구 센터의 고급 제조 연구 과학자인 Joni Reijonen은 EIT Raw Materials를 통해 자금을 지원받는 3DREMAG 프로젝트에서 2년간 유럽 전역의 협력자들과 협력하여 3D 프린팅에 적합한 NdFeB 분말을 생산했다.
그러나 아직까지 3D 프린팅 자석의 자기 강도는 상용 소결 버전에 미치지 못한다. Reijonen은 이 문제를 극복하기 위해서는 "작은 돌파구"와 보다 기초적인 과학이 필요하다고 말했다.
이러한 장애물에도 불구하고 3D 프린팅 자석은 여전히 매력적인 상품이다. Reijonen은 제조 과정에서 희토류 금속 폐기물을 최대 20-30%까지 절약할 수 있을 것으로 추정한다. 더 나아가 자동차 제조업체가 현재 가능한 것보다 훨씬 더 복잡한 기하학적 모양으로 자석을 만들 수 있도록 하여 훨씬 더 효율적인 엔진의 문을 열 수도 있다.
그러나 Reijonen은 유럽이 조만간 중국에 대한 의존도를 줄일 수 있을 것이라는 점에는 비관적이다. 그는 "희토류 자석은 미국의 전략적 의제에서도 중요하므로 공급이 다각화될 것이나 하루아침에 될 일이 아니다"고 밝혔다.
대안 탐색
전기 자동차의 95%가 희토류 자석 모터를 사용하지만 여기에는 대안이 있다. 예를 들어 Tesla 모델 S 및 X에는 전류를 통과하여 자기장을 얻는 전자석이 있는 유도 전동기가 사용되었지만 회사는 최신 모델 3에서 희토류 자석으로 전환했다.
Reijonen은 "유도 모터로도 여전히 좋은 전기 자동차를 만들 수 있다"고 말했다. 그러나 인덕션 모터는 부피가 크고 효율성이 떨어져 주행 범위가 제한되며, 이를 강제로 사용하게 하면 해당 자동차 제조업체는 상당한 불이익을 받게 될 것이다.
다른 과학자들은 더 급진적인 것을 찾고 있다. 현재 자석만큼 효율적이지만 희토류 금속이 필요하지 않은 새로운 합금이다. 예를 들어 Uppsala의 Vishina는 슈퍼컴퓨터를 사용하여 지난 60~70년 동안 생성된 모든 재료의 방대한 데이터베이스를 살펴보고 어느 것이 좋은 자석이 될 수 있는지 확인하고 있다.
그녀가 좋은 잠재적 적합성에 주목하면 동료들이 이를 실제 세계에서 테스트한다. Uppsala의 다른 연구원들은 약간 다른 접근 방식을 취하고 있으며 이전에 자기 잠재력을 위해 만들어진 적이 없는 합금을 시뮬레이션하고 있다.
Vishina는 지금까지 몇몇 유망한 대체품을 찾을 수 있었다. 그러나 일부에는 희토류 금속보다 훨씬 비싼 백금이 포함되어 있다. 이론적으로 Vishina 또는 다른 과학자들은 거의 하룻밤 사이에 희토류 자석의 부족을 해결할 완벽한 대체품을 발견할 수 있다. 그러나 그러한 대체물이 존재한다는 보장은 없으며 후보 자석을 가려내는 데 엄청난 컴퓨팅 성능이 필요하다.
Vishina는 더 많은 컴퓨팅 파워가 필요하다고 말한다. 슈퍼컴퓨터가 더 강력해짐에 따라 대체품을 찾는 속도가 엄청나게 빨라질 수 있다. "(이 데이터베이스를 살펴보는 데) 몇 년이 걸리는 일을 며칠안에 해결할 수 있을 것이다"고 그녀는 말했다.
그녀 역시 유럽이 중기적으로 중국에 대한 의존도를 크게 줄일 수 있을지에 대해서는 회의적이다. “예를 들어 5년 안에 그것을 바꿀 수 있다고 생각하지 않는다. 아마 10년, 20년은 걸릴 것이다."
해결책은 재활용?
현재 자동차에 있는 희토류 자석의 1%만이 재활용되므로, 재활용을 통해 공급을 늘릴 수 있는 여지가 엄청나다.
전기 자동차와 함께 식기 세척기 및 세탁기와 같은 가전 제품이 재활용 자석을 공급할 가능성을 평가해야 한다고 Rizos는 말한다. 이것은 재활용할 자석의 새로운 소스를 찾는 프로젝트인 INSPIRES의 초점 영역 중 하나이다.
그러나 지금까지 EU 전역에서 이러한 제품에 대한 체계적인 추적이 이루어지지 않아 귀중한 유물을 수확하기가 훨씬 더 어렵다. 또한 휴대전화나 가전제품 내부에 자석이 무엇인지 명확하지 않은 경우가 많기 때문에 기관들은 내부에 무엇이 있는지 파악하기 위해 제품을 수동으로 분해해야 한다. Rizos는 "확실히 투명성이 부족하다. 많은 경우 [… ] 안에 무엇이 들어 있는지 모른다."
CEPS는 전기 자동차 리튬 이온 배터리용 니켈 및 리튬의 경우 2040년까지 재활용이 야심찬 시나리오에서 유럽 수요의 약 절반을 제공할 수 있을 것으로 추정한다. INSPIRES는 현재 자석에 대해 유사한 계산을 수행하고 있다.
재활용의 가장 큰 문제는 수요와 공급의 불일치이며, 전기 자동차 시장의 급속한 성장은 2030년까지 폐기되는 것보다 훨씬 더 많이 판매될 것임을 의미한다.
"가까운 미래에 재활용만으로는 증가하는 자재 수요의 극히 일부만 충족할 수 있다"고 작년 ERMA 실행 계획은 경고했다.
따라서 적어도 10년 동안 유럽은 현재 지정학적 경쟁자가 된 국가에 의존하게 된 대가를 계속 치르게 될 것으로 보인다.
“유럽이 (중국을) 따라잡기 위해서는 시간이 필요하다다. 우리는 중국이 수년 동안 이 일을 해왔다는 점을 명심해야 한다. 중국은 수십 년 전에 이 영역에 투자하기 위해 의식적인 결정과 노력을 했다"고 Rizos는 말했다.
