핵심광물 확보 전략
Critical Minerals Procurement Strategies
정부가 발표한 “지속가능한 녹색사회 실현을 위한 대한민국 2050 탄소중립 전략”의 탄소중립 5대 기본 방향의 1위는 ‘전기 및 수소의 활용 확대’이다. 우리나라는 2030년에는 전기차, 수소차를 신차 판매량의 1/3까지 끌어올릴 목표로 친환경차 기술을 집중 육성하고 있다. 배터리와 촉매, 최첨단 기기 등의 제조에는 ‘핵심광물’이 필수적이다. 일례로 전기차 제조에는 내연기관차에 비해 6배 이상의 핵심광물이 필요하다. 세계은행의 전망에 따르면 에너지 저장 분야와 관련된 핵심광물인 흑연, 리튬, 코발트 등의 수요는 2018년 대비 2050년 약 450~500% 증가할 것으로 예상된다.
지금까지 우리나라는 핵심광물 수요의 약 95%를 수입에 의존해 왔다. 그래서 최근에는 해외 핵심광물 자원을 공동 탐사, 개발하기 위해 다각적인 노력을 기울이고 있다. 한국지질자원연구원은 해외 자원 개발을 위한 연구와 더불어 경상북도 울진 지역에서 리튬 매장을 확인하여 광산개발 연구를 진행 중이다. 한편 폐기되는 2차전지로부터 핵심광물을 회수하는 자원재활용 연구를 수행하는 등 국가 핵심광물의 안정적인 확보를 위해 지속적인 연구개발을 추진 중이다.
핵심광물 수입의존도 상황표(산업통상자원부)
Critical Mineral Import Dependency (Ministry of Trade, Industry, and Energy)
리튬 / 수산화리튬 중국 84%, 탄산리튬 칠레 45%
니켈 / 황산니켈 핀란드 45%
코발트 / 수산화코발트 중국 69%, 황산코발트 중국97%
망간 / 황산망강 중국 97%, 탄산망간 중국 100%
흑연 / 천연흑연 중국 72%, 인조흑연 중국 87%
출처 : 대전지질박물관
[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 3부
D-29
배터리가 다시 핵심광물로
이제까지 인류의 경제 체제는 자원을 채취 -> 생산 -> 사용 -> 폐기하는 구조였다. 그러나 천연자원은 고갈되고 있으며, 폐기물을 매립하거나 소각할 장소도 부족하게 되었다. 또한 폐기물 처리과정에서 많은 탄소가 배출된다. 세계의 전문가들은 환경 파괴를 완화하면서 지속가능한 경제성장을 추진하기 위해서는 투입되는 자원의 양을 최대한 절약하고 일단 투입된 자원은 최대한 재활용해야 한다고 말한다. 폐 2차전지에 포함된 고가의 핵심광물을 추출하여 재활용하는 것은 환경적, 경제적으로 큰 이익이다.
The economic system of humanity has been extracting resources, producing, using and disposing. However, natural resources are depleting, and there is a shortage of places to dispose of waste. Additionally, a significant amount of carbon is emitted during the waste disposal process. Experts suggest that to promote sustainable economic growth while mitigating environmental destruction, the amount of input resources should be minimized, and once input, resources should be maximally recycled. Extracting and recycling valuable critical minerals from spent batteries, particularly from discarded secondary batteries, brings significant environmental and economic benefits.
광석이 된 배터리
Batteries to Ore
휴대전화부터 전기차까지 2차전지는 곳곳에 많이 쓰인다. 전세계적으로 2030년에는 순수한 전기차가 1년에 약 3,500만 대 생산될 것으로 추정된다. 전기차의 수명을 15만 km로 가정하면 2030년에는 2만~5만 대 정도의 전기차가 폐차될 것으로 예상된다. 전기차 배터리와 같은 2차전지에 포함된 니켈과 코발트는 발암물질이고, 유기 전해액은 환경호르몬을 유발한다. 한편 자연 상태의 광석에서 핵심광물을 얻는 과정 중에는 큰 자본이 필요하며 이산화탄소도 많이 배출된다.
From mobile phones to electric cars, secondary batteries are widely used everywhere. Globally, it is estimated that by 2030, about 35 million electric cars will be produed annually. Assuming a lifespan of 150,000 km for electric cars will be scrapped in 2030. Nickel and cobalt included in secondary betteries such as electric car batteries are carcinogenic substances, and organic electrolytes induce endocrine disruption. On the other hand, the process of obtaining critical minerals from natural ore requires significant capital and also results in the emission of a considerable amount of carbon dioxide.
전기차 시장이 급성장하면서 배터리에 사용되는 리튬, 코발트, 니켈, 망간 등의 핵심광물 가격이 상승했다. 핵심광물은 돈을 주고도 사기 어려운 경우가 많다. 결국 전기차 배터리에 사용된 금속을 회수하여 다시 배터리의 원료로 사용하는 것이 환경오염과 탄소배출도 줄이면서 경제적이기도 하다. 전기차의 폐배터리 자체가 배터리 원료를 추출하기 위한 광물자원, 즉 광석인 셈이다.
With the rapid growth of the electric vehicle market, the prices of critical minerals such as lithium, cobalt, nickel, maganese, used in batteries, have increased. Critical minerals are often challenging to procure even with significant financial investment. Recovering metals used in electric vehicle batteries and reusing them as raw materials for new batteries is not only environmentally friendly but also economically viable. The retired batteries from electric cars essentially become mineral resources, or ores, for extracting battery materials
배터리에서 다시 찾은 핵심광물
Critical Minerals Rediscovered in Batteries
폐배터리에서 핵심광물을 회수하는 과정은 크게 두 가지로 나뉜다. 1단계는 물리적 과정이다. 전기차에서 폐배터리를 분리한 후 배터리 케이스는 버리고 양극 물질만 꺼내야 한다. 그리고 이 양극물질을 화학적 처리가 가능한 블랙파우더 형태로 만들어야 한다. 그런데 양극 물질을 추출하는 과정 중에 화재나 폭발이 일어날 수 있어 안전하게 추출하는 방법을 개발 중이다. KIGAM은 “전기차용 고용량 리튬이온전지팩의 안전한 방전-해체-파쇄-선별 공정연구” 등을 통해 친환경적이고 효율적인 폐배터리 재활용 기술을 개발하고 고도화하고 있다. 2단계는 화학적 과정인데, 1차 전지와 2차 전지 에서 금속을 회수하는 기술은 이미 개발되어 있으며, 근본적으로 광석 가루로부터 금속을 추출하는 제련과정과 거의 같다.
전기차 사용후 폐배터리 재활용 과정
Waste EV Battery recycling Process
사용후 배터리 -> 수거. 해체. 전처리 -> 블랙파우더 -> 제련 -> 황산니켈, 황산코발트, 황산망간, 수산화리튬 -> 양극재 제조 -> 배터리 제조 -> 신규 배터리 -> 사용후 배터리
출처: 대전지질박물관
“ 구불거리는 함백산 만항재를 넘어 태백으로 왔다. 추적추적 비가 내렸다. 태백산 국립공원 입구 근처에 큰 호텔이 몇 개 보였다. 국립공원 주차장 옆에는 태백석탄박물관이 있다. 솔직히 나는 큰 기대를 하지 않았다. 무엇이 남아 있을까. 석탄 광산에 대한 흔적을 볼 수 있겠지. 나의 이런 생각은 입장료 2,000원을 내고 박물관 로비에 들어서자마자 흔들렸다. 커다란 암석이 보였다. 첫 번째 전시실에 들어가자 본격적으로 광물에 대한 설명이 시작되었다. 이 박물관 이름이 '광산'박물관이 아니라 '석탄'박물관이라는 사실이 비로소 떠올랐다. 광물에 대해 심도 있게 정리되어 있었다. 태백석탄박물관에서 수많은 광석을 보면서 놀라움을 금치 못했다. 자원이 아닌 자연으로 존재하는 광석들은 경이로웠다. 반복과 질서, 화려한 색으로 구성된 광석은 그 자체로 강렬한 아름다움을 뿜어냈다. 다이아몬드만이 아니라 모든 광물이 아름다웠다. 인류는 아름다움을 파헤치고 살아왔다. 박물관 마지막에는 석탄빵을 비롯해 지역에서 만든 소품들을 팔고 있었다. 오늘날 폐광지에서는 각종 연탄빵과 석탄빵이 만들어지는데 역시 이곳에도 석탄빵이 있었다. 사북에는 연탄빵, 영월에는 석탄빵, 문경에는 연탄젤리가 있었다. ”
『쇳돌 - 사라지는 세계, 사라지는 노동, 사라지는 목소리를 채굴하기』 5부 3장 닫히는 광산, 열리는 광산, 이라영 지음
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철암탄광역사촌, 태백석탄박물관에 꼭 한번 가보고 싶어졌어요.
https://naver.me/x7eL02AX
까치발 건물을 아시나요? 태백 철암탄광역사촌
저는 지금 대전 지질박물관을 둘러보고 이동중이에요. 버스에서도 와이파이가 되는군요. 핸드폰은 밧데리가 남아 있지 않고 아이패드로 쓰고 있습니다. ^^ 지질박물관답게 돌덩어리가 큼직하니 좋은 것들을 많이 볼 수 있었어요.
오호, 다양한 돌로 바닥을 깔아놓은 산책로를 걸으셨는지 모르겠네요.
지질박물관에 오래 있어서 좀 지치긴 했지만 밥심님께서 2부 시작할 때 올려주신 사진 속의 길을 찾아서 걸었습니다.
방학이라 여유가 생긴 큰 아이와 새벽에 KTX를 타고 내려가 대전 나들이를 했네요. ^^
세번째 사진은 역암/ 경상누층군 하양층군 경북 영양군 이라고 써 있네요. 암석마다 출신 지역을 적어 놓았더라고요.
이 큐브 모양으로 잘라놓은 암석을 보고 큰 애가 베스킨라빈스 큐브 아이스크림 같다고 했어요. 저는 세번째 사진의 역암을 보고 초코볼 같은 걸 떠올렸고요. ㅎㅎ 역시 먹는 게 중요한가 봅니다.
위 댓글에서 제일 오른쪽에 있는 가장 낮은 암석은
‘유문암 경상누층군 유천층군 경북 청송군’ 이라고 써 있는 바닥돌과 같은 암석입니다.
위 댓글 세번째 사진에는
‘역암 경상누층군 통리층군 적각리층 강원도 삼척시 도계읍’ 이라고 써 있고요.
지질박물관 내부에도 유문암을 볼 수 있었어요. 예전에 다른 곳에서도 이렇게 생긴 크고 작은 돌을 많이 보았어요. 쓰여 있는 것과 같이 수석 좋아하시는 분들에게 인기가 있었던 것 같습니다. 자세히 보면 몽글몽글하고 귀여운 형태입니다. ^^ 보는 시각에 따라서 다양하게 볼 수 있을 것 같아요.
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유문암 Rhyolite
산지 : 경상북도 청송
시대 : 중생대 백악기
용암이 이동하면서 빠르게 식을 때 용암 내의 일부 물질들이 불균질하게 결정화되면서 석영과 알칼리장석 반정들을 보여주는 반상조직과 물이 흐른 듯한 유동 구조를 보여준다. 일부의 경우에는 이 표본처럼 예쁜 꽃모양의 반상조직을 보여주기도 하여 관상용 수석으로 애용되기도 한다. 경상북도 청송지역에서는 이러한 유문암을 ‘꽃돌’이라고 부르며 반상조직의 모양에 따라 국화석, 매화석, 장미석, 모란석, 해바라기석 등의 명칭을 붙여 판매된다.
오 정말 꽃 모양이네요. ‘꽃돌’이란 이름도 이쁘고요.
어렸을 때 이렇게 꽃핀 수석을 보고 이건 꽃을 돌에다 그린건가 하고 생각했던 기억이 어렴풋이 나네요. ㅎㅎ
태백고생대자연사박물관이 있네요. 강원도에 삼엽충 박물관이 있다고 어디선가 본 것 같은데 찾으니 태백고생대자연사박물관이 나옵니다.
https://tour.taebaek.go.kr/tpmuseum
태백에 둘러볼 만한 곳이 많군요!
“ 이제 영국에서는 증기기관을 원동력으로 사용하는 새로운 산업들이 등장했습니다. 그중 가장 대표적인 산업이 바로 제철공업입니다. 잉글랜드의 콜브룩데일은 영국 제철공업의 중심지였는데 이곳에서는 모래를 굳혀 주형을 만들어서 철을 제련했습니다. 당시 철 생산량이 증가함에 따라 철 제련에 사용되던 목탄의 수요 역시 증가하고 있었습니다. 이에 따라 1709년 제철업자 다비 1세는 목탄 대신 당시 영국에 풍부하던 석탄으로 철을 제련하는 기술을 개발했습니다. 일반적으로 석탄을 이용하면 황을 비롯한 불순물이 섞일 가능성이 발생하고, 결과적으로 철의 품질이 저하됩니다. 다비 1세는 이런 불순물을 제거하기 위해 휘발분이 높은 석탄을 1,000~1,300도에서 가열했습니다. 이렇게 만들어진 것이 바로 ‘코크스cokes’입니다. 코크스가 타면서 발생하는 일산화탄소가 산화철을 환원시키면서 철이 만들어졌습니다. 이후 다비 1세의 아들인 다비 2세는 용광로를 가동시킬 때 석회석을 이용했습니다. 석회석이 철의 불순물인 이산화규소(SiO2)를 제거하기 때문에 결과적으로 더욱 품질이 좋은 철을 생산할 수 있었습니다.
다비 1세의 손자인 다비 3세는 콜브룩데일의 제철소를 영국에서 가장 큰 제철소로 발전시켰습니다. 와트가 개량한 증기기관을 설치한 것입니다. 그는 이렇게 대량생산된 철을 이용해 새로운 다리를 건설하기도 했습니다. 콜브룩데일에서 생산되는 철의 양이 급증함에 따라 이를 영국 전역으로 수송하는 문제가 발생했기 때문이었습니다. 콜브룩데일 옆에 흐르는 세번 강은 영국에서 가장 긴 강으로, 당시 아직 강을 가로지르는 다리가 없었습니다. 다비 3세는 1779년 영국 기술자인 존 윌킨슨과 함께 세계 최초의 철교를 건설했습니다. 이른바 ‘아이언 브리지’입니다. 아이언 브리지 건설 이후 콜브룩데일은 영국의 산업혁명 중심지로 부상할 수 있었습니다. 수많은 용광로가 건설되었고 석탄과 철광석 채굴량은 급증했습니다. 1740년에 1만 7,000톤에 불과했던 철 생산량은 한 세기 뒤인 1839년에 124만 8,000톤으로 증가했습니다. 영국이 전 세계의 공장이 된 것입니다. 모두 철의 생산 덕분이었습니다. ”
『김서형의 빅히스토리 Fe연대기』 pp.142~146, 김서형 지음
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“ 하지만 많은 역사학자들이 주장해온 것처럼 산업혁명이 영국을 비롯한 서유럽 일부 국가들의 우월성을 보여주는 역사적 현상은 아닙니다. 18세기 중반까지 전 세계에서 가장 부유했던 국가는 사실 중국과 인도였습니다. 아시아로 가는 항해를 시작했던 콜럼버스나 바스쿠 다 가마 등도 중국이나 인도에서 값비싼 차와 설탕, 향신료 등을 가져와 부를 축적하고자 했던 사람들입니다. 산업혁명이 발생하기 전까지 유럽은 아프로-유라시아 네트워크의 주변부였다고 할 수 있습니다.
그렇다면 왜 18세기 중반 영국에서 산업혁명이 발생했을까요? 그리고 산업혁명 이후 영국을 비롯한 서유럽 국가들에게 나타났던 변화는 무엇일까요? 산업혁명의 시작은 좀 더 광범위한 시간.공간적 맥락 속에서 살펴볼 필요가 있습니다. 지구가 탄생한 이후 지난 45억 년 동안 지구의 온도는 계속 변화해왔지만, 약 1만 년 전에 마지막 빙하기가 종식된 이후로는 지구가 상당히 따뜻한 편이었습니다. 그런데 15세기 중반부터 19세기 중반까지 지구에 추위가 닥쳤습니다. 지난 1만 년 중에 가장 극심하고 혹독한 추위가 찾아온 것입니다. 많은 학자들은 이 시기를 ‘소빙기Little Ice Age’라고 부릅니다. 수천만 년에서 수억 년에 걸쳐 발생했던 과거의 빙하기들보다 지속 시기가 비교적 짧기 때문입니다. 소빙기가 15세기에 시작되면서 지구 전체에 기후변화가 나타났고, 이는 흉작과 기근, 전염병의 만연으로 이어졌습니다.
…
경신대기근과 비슷한 기근이 유럽에도 있었습니다. 1740년에 아일랜드에서 발생했던 기근은 아일랜드 역사상 가장 치명적이었습니다. 당시 아일랜드 인구의 약 20퍼센트 이상이 굶주림으로 사망했습니다. 급격한 추위가 발생하면서 당시 상대적으로 온화했던 아일랜드의 강과 호수까지 모두 얼어버린 것입니다. 이 시기에 아일랜드에서는 무려 7주 동안 서리가 내렸다고 합니다. 혹한과 계속된 서리 때문에 감자나 귀리 등의 작물들이 제대로 자라지 못했고, 이는 결국 곡물 가격의 상승과 기근으로 이어졌습니다. ”
『김서형의 빅히스토리 Fe연대기』 pp.138~140, 김서형 지음
김서형의 빅히스토리 Fe연대기빅히스토리의 이야기를 한 권에 담아, 누구나 빅히스토리에 발을 내딛을 수 있도록 돕는다. 저자는 단순히 역사를 나열하고 있지 않다. 그 스스로도 '역사학자'로서 자연과학을 외면하며 절반의 삶을 살았었다 고백하며, 빅히스토리를 통해 어떻게 세상을 보는지 그리고 이를 통해 무엇을 얻을 수 있는지를 보여준다.
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“ 이와 같이 치명적인 기근을 야기했던 소빙기의 발생 원인에 대해서는 아직 명확하게 규명되지 않았습니다. 하지만 많은 과학자들은 소빙기 동안 발생했던 기후변화가 태양의 흑점 활동과 관련 있다고 생각합니다. 1645년부터 1714년까지를 마운더 극소기Maunder minimum라고 부르는데, 태양의 흑점이 현저하게 감소했던 시기입니다. 이와 더불어 1739년에 발생했던 화산 폭발로 인해 화산재와 이산화황(SO2)이 지구 대기를 뒤덮었습니다. 태양에너지의 반사율이 높아졌고 상대적으로 대기는 차가워졌습니다. 결국 이러한 환경 변화로 인해 작물들이 제대로 자라지 못하자 우리나라와 유럽에서 극심한 기근이 발생할 수밖에 없었던 것입니다.
소빙기에 전 지구적으로 만연했던 추위는 새로운 현상을 야기했습니다. 당시 추위를 피하기 위해 사람들이 사용했던 연료는 바로 목재였습니다. 하지만 극심한 추위로 목재 수요량이 급증하자 목재 가격이 치솟았고, 결국 사람들은 새로운 연료를 찾을 수밖에 없었습니다. 이 과정 속에서 사람들이 사용하기 시작한 것이 바로 석탄입니다. 석탄은 지질시대 식물이 퇴적되어 매몰된 후 열과 압력으로 인해 변질되어 생성된 광물입니다. 고생대의 5번째 기로, 약 3억 6,700만 년 전부터 2억 8,900만 년 전까지의 시기를 ‘석탄기’라고 부릅니다. 석탄기는 기후가 온난하고 습기가 많았기 때문에 삼림이 무성했습니다. 이 시기에 자랐던 식물들이 석탄으로 변했으며, 전 지구적으로 많은 탄광들이 형성될 수 있었던 것입니다.
사실 인류가 석탄을 사용한 것은 아주 오래전부터입니다. 최근 중국의 한 유적지에서는 석탄 덩어리와 아궁이가 발견되었습니다. 고고학자들은 이 유물을 기원전 3500년의 것으로 추정하고 있습니다. 기원전 6세기부터 중국은 이미 철을 제련하는 데에 석탄을 사용했다고 합니다. 1302년에는 영국 국왕인 에드워드 1세가 공기를 오염시킨다는 이유로 석탄 사용을 금지했는데, 이를 통해 영국에서도 그 이전부터 석탄을 사용해왔다는 것을 알 수 있습니다.
”
『김서형의 빅히스토리 Fe연대기』 pp.140~141, 김서형 지음
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“ 철 역시 지구 온난화와 밀접한 상호 관련성을 가지고 있습니다. 바닷속에 사는 식물성 플랑크톤이 성장하는 데 반드시 필요한 성분 중에 철이 있습니다. 다른 식물들과 마찬가지로 식물성 플랑크톤 역시 광합성을 통해 대기 중 이산화탄소를 흡수하며, 철이 풍부해지면 식물성 플랑크톤의 수가 증가합니다. 그럼 철은 어떻게 바다로 유입된 것일까요? 이 역시 지구온난화 때문입니다. 대륙빙하라고 불리기도 하는 빙상icesheet에는 철 성분이 많이 함유되어 있습니다. 이산화탄소의 배출량이 증가해서 지구 온난화가 발생하면 빙상이 녹으면서 철이 바다로 유입되는 것입니다. 그런데 바닷속 철 함유량이 증가하면 식물성 플랑크톤의 수가 증가하게 되고, 다시 이들이 상당량의 이산화탄소를 흡수하면서 결과적으로 지구온난화를 저지할 수 있습니다. 지구온난화 때문에 바다로 유입된 철이 다시 지구온난화를 막는 데 활용된다니 그야말로 역설적이면서도 재미있는 관계가 아닐 수 없습니다. ”
『김서형의 빅히스토리 Fe연대기』 p.89, 김서형 지음
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