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중국은 어떻게 희토류, 희소금속 강대국으로 등장했는가?(제1편)
김연규 소속/직책 : 한양대학교 국제학부 교수 2021-10-27
최근 탈석유화와 디지털 전환의 결과로 국가들간 희토류, 희소금속과 같은 자원 광물 확보 경쟁이 치열해 지고 있다. 10월 기고문과 11월 두 차례 기고문에 걸쳐 (1) 희토류, 희소금속이란 무엇이고, 왜 중요한지, 어떠한 미래 첨단산업에 응용되는지 (2) 중국이 어떻게 희토류, 희소금속 강국으로 등장했는지, 미국, 유럽연합, 일본 등은 어떻게 대응하고 있는지 살펴보기로 하자.
20세기, 21세기 강대국 경쟁 무엇이 다른가?
20세기 동안 러시아와 미국 경쟁의 경제적 기반은 석유와 가스였다. 석유와 가스는 20세기 제조업과 자동차 산업의 가장 근본적인 원료였기 때문에 이 핵심원료를 지배한 국가가 세계를 지배하는 것은 당연했다. 미국은 세계 석유 생산, 가격, 운송, 정제산업 등 공급망을 지배했다. 러시아가 미국과 강대국 경쟁을 대등하게 벌일 수 있었던 것은 석유, 가스 생산과 운송, 공급망을 미국에 도전할 수 있을 만큼 지배했기 때문이다. 결국 세계는 러시아 석유 가스를 가스관으로 공급받아서 제조업을 유지하는 국가와 미국 석유가스를 공급받아서 산업을 발전시키는 2가지의 국가들로 양분되어 있었던 것이다. 사우디아라비아와 걸프중동국가들의 도움으로 미국은 러시아와 대결할 수 있었다. 결과는 1980년대 말 소련의 붕괴, 2010년대는 러시아에 대한 장기 경제제재로 미국의 승리였다. 1980년대 말은 미국과 사우디아라비아의 석유공조, 2010년대는 미국의 셰일가스개발이 결정적이었다.
20세기의 경쟁구도가 이제는 종반으로 접어드는 동시에 새로운 강대국 경쟁 구도가 이미 등장했다. 21세기 구도는 중국과 미국의 경쟁이다. 이제 세계경제는 첨단제조업, 재생에너지, 디지털산업이 주도하고 그 주된 원료는 희토류와 희소금속이다. 20세기와는 판세가 완전히 바뀌어서 희토류, 희소금속의 생산, 가격, 정제와 공급망 모두 중국이 장악하고 있다.
우선 희토류는 산업적 경제적 활용의 중요성이 매우 크다. 재생에너지, 전기차, 스마트폰, 인공위성 등에 없어서는 안 될 원료 물질이며 첨단 무기에도 사용되기 때문에 최고의 전략물자이다. 희토류를 사용하지 않고 비슷한 기능을 유지하기는 현재로서는 힘들기 때문에 대체 기술과 물질이 존재하지 않기 때문에 그 가치가 더욱 높다. 재활용을 통해 2차 물질을 활용하기도 힘들다.
중국은 어떻게 이렇게 중요한 전략물자를 세계에서 제일 많이 생산하게 되었을까? 중국은 단순히 희토류 원재료 생산에 그치지 않고 기능성 소재를 개발하고 부품을 개발하여 첨단 제조업으로 가는 중요한 기반을 희토류 산업 개발을 통해 마련하였다. 희토류 가공기술과 부품 소재화 기술, 특히 영구자석 부품 기술을 어떻게 그렇게 빠른 시간 안에 손에 넣을 수 있게 되었을까? 1970년대 까지 세계 희토류 생산의 중심지이자 희토류를 활용한 산업기술 혁신의 중심지였던 미국이 왜 희토류 생산과 연구개발이 점점 쇠퇴하여 1990년대가 되면 희토류생산과 기술 개발이 사라지게 된 이유는 무엇인가?
2009년 이후 현재까지 중국의 희토류-첨단 제조업 연결 전략은 어떻게 진화되어 왔을까? 국내에서는 희토류와 기타 광산 활동을 줄이고 중국에 아웃소싱하면서 중국에서 희토류와 기타 금속들을 주로 수입하던 미국, 유럽, 일본은 이제 금속 부족으로 첨단 제조업이 위기에 빠지게 되자 어떻게 대응하였는가?
미국 중국 유럽연합 일본 등은 희토류와 희소금속과 같은 기술금속이 21세기의 새로운 첨단 산업에서의 각국의 경쟁력과 주도권을 결정할 것이라고 보고 기술금속의 안정적 공급 확보에 사활을 건 쟁탈전을 벌이고 있다.
에너지, 디지털 전환의 역설
오늘날 우리 사회와 세계를 이해하는 총체적 틀로써 에너지와 디지털 전환을 꼽는데 반대하는 사람은 별로 없을 것이다. 이러한 새로운 개념을 처음으로 종합적으로 전달하는데 중요한 역할을 한 사람이 경제학자 겸 미래학자인 제레미 리프킨(Jeremy Rifkin)이었다.
그는 당시 큰 반향을 불러일으킨 각각 2011년과 2014년에 출판된 그의 저서 『3차 산업혁명』과 『한계비용 제로 사회』에서 그동안의 자본주의와 정치체제, 국제체제가 자원집중적인 화석연료 사용에 기반을 둔 것이라고 규정하고 앞으로 40년 안에 태양광과 풍력이 화석연료를 대체하게 되면서 기존의 자본주의 체제와 정치사회, 글로벌 경제가 새로운 형태로 재편될 것이라고 예측했다.
리프킨에 의하면 새로운 세계경제와 정치사회 체제의 요체는 과거처럼 희소한 자원을 놓고 싸울 필요 없이 번영을 꾀하는 것이 훨씬 쉬워졌다는 것이다. 이게 바로 3차 산업혁명이고 에너지부문의 혁명이 디지털부문의 혁명과 서로 결합되어 나타난다는 것이다. 신재생에너지의 발달과 또 이를 더욱 촉진하는 사물인터넷(IoT), 블록체인 등의 혁신에 힘입어 재화와 서비스를 생산하고 제공하는 비용이 거의 제로(0)로 줄어드는 사회로 진입할 것이라고 주장했다. 2014년에 출판된 당시 에릭 슈미트 구글 회장의 첫 저서 『새로운 디지털 시대』는 에너지, 디지털 전환을 우리 시대의 지배적 사고의 틀로 자리잡게 만드는데 큰 공헌을 하였다.
최근 초기의 이러한 낙관적인 에너지, 디지털 전환에 대한 시각들에 의문을 제기하는 주장들이 힘을 얻어가고 있다. 2017년 『네이처』紙에 실린 한 논문은 저탄소 사회로의 전환이 막대한 양의 금속과 광물을 필요로 하는 변화임을 강조하고 온실가스를 줄이기 위한 기후변화가 역설적으로 전세계적인 광산개발붐을 가져오고 이로 인한 또 다른 환경폐해가 늘어나고 있다고 경고했다.
이러한 주장을 뒷받침하듯이 2021년 5월 국제에너지기구(IEA)는 금속과 광물에 대한 특별보고서에서 향후 지구온도 상승을 1.5도로 제한하려면 2020-40년 기간 리튬수요가 40배, 흑연, 코발트, 니켈은 25배, 희토류는 7배 폭증할 것이라고 예측했다.
이러한 예측들은 최근 시장변화에서 확인이 되고 있다. 전기차·태양광패널〮·디지털 제품 등의 주요 소재인 베이스 메탈 구리, 알루미늄, 니켈, 아연 등의 가격이 일제히 폭등하는 그린플레이션 현상이 등장하고 있다. 천연가스 가격도 덩달아 오르고 있다. 전기차 제조와 금속 가공 등 자체에 전기 수요가 많기 때문이다.
과학기술로 세계경제가 재편되던 19세기 말 강대국들은 자원확보를 위해 “아프리카 쟁탈전”을 벌였다. 2009년 이후 세계는 사실상 자원쟁탈전에 돌입해있다. 21세기의 새로운 아프리카 자원쟁탈전 (A New Scramble for Africa)에 중국이 포문을 열고 뒤늦게 미국과 유럽이 뛰어들고 있다.
1973년 소련의 지도자 브레즈네프 (Leonid Brezhnev)의 다음과 같은 말은 냉전기간에도 소련과 미국이 아프리카와 중남미 국가들을 상대로 19세기에 일어났던 자원전쟁을 벌이고 있었음을 잘 보여준다. “우리의 목표는 두 개의 거대한 보물 창고를 통제하는 것이다. 서방이 의존하는 페르시아만의 에너지 보물창고와 중부 및 남부 아프리카의 광물 보물 창고가 그것이다.” 미국, 유럽, 일본, 우리나라는 모두 예전이나 지금이나 중앙아프리카의 구리와 콜탄 (탄탈럼), 남아프리카 공화국의 크롬, 코발트, 백금족 광물 (Platinum Group Metals), 망간 등 안정적 공급에 매우 취약하다.
우리사회가 많이 변한 것 같지만 자원공급의 기본 구조는 별로 변한 것이 없다는 것이 놀랍다. 새로운 자원쟁탈전이 에너지, 디지털 전환의 결과라는 것은 더욱 놀랍다.
전기차와 금속수요
그린 에너지전환과 디지털 전환이 왜 희소금속과 희토류에 대한 수요 급증으로 나타나고 있는지를 설명하려면 먼저 우리가 잘 알고 있는 기본 금속, 베이스메탈 가운데 하나인 구리의 예를 보면 알 수 있다.
■ 내연기관차보다 전기차에 3배 이상 더 많은 구리가 사용된다.
전기차와 하이브리드 차량에는 다양한 희토류 금속들이 들어간다. 하이브리드 자동차인 도요타 프리우스 한 대에는 30 파운드 (13 kg) 가량의 디스프로슘, 네오디뮴, 테르븀, 란탄 등의 희토류가 필요하다. 희토류는 주로 다음과 같은 전기차와 일반 내연기관차의 주요 기능을 향상시키기 위해 사용된다.
■ 유로퓸, 이트륨, 세륨 – 대시보드 LCD 화면
■ 세륨 – UV 컷 유리 및 거울 (UV cut glass)
■ 란탄 – 배기가스 정화장치 (catalytic converters), 하이브리드 모델 연료정제
■ 네오디뮴 – 헤드라이트 유리, 전기모터용 소형 영구자석 (한대에 약 40개)
■ 이트륨 – 다양한 부품 센서
전기차에 소요되는 희토류, 희소금속 종류
전기차 관련 가장 중요한 희토류는 네오디뮴이며 부품은 영구자석이다. 전기차 한 대에 약 13 kg의 희토류가 소요되는데 영구자석에 소요되는 희토류만 약 2 kg이다 (Edison Brilliant Knowledge 2019). 희토류의 산업적 응용 가운데 약 70%는 유리, 합금, 정유화학 등에 쓰이고 영구자석 제조가 약 30%를 차지한다. 전기차의 전기견인모터 (electric traction motors)는 2개의 반대되는 영구자석이 서로 밀쳐내는 힘으로 전기차를 구동시키는 전기를 얻는다. 테슬라의 초기 모델은 영구자석을 사용하지 않는 인덕션모터를 사용하기도 했지만 영구자석 기반 전기모터형 보다 효율성을 갖추지 못했다. 르노 전기차도 영구자석을 사용하지 않는 전기모터 (wound rotor motors)를 사용하였다. 현재 영구자석을 사용하는 전기모터의 비중은 92-93%에 달하며 2019년 이후 테슬라 모델3도 영구자석을 사용한다 (Alves Dias et al. 2020).
태양광, 풍력 발전과 금속 수요
■ 재생에너지 시스템 자체가 기존 전력시스템보다 5배나 많은 구리를 필요로 한다.
■ 1 MW 규모 풍력은 3.6 톤의 구리
■ 1 MW 태양광은 4-5 톤의 구리가 필요하다
우드맥킨지는 최근 태양광 발전 의존으로 비철금속의 수요가 증가할 것이라는 보고서를 발표했다. 알루미늄은 태양광 패널 프레임과 구조 부품에 사용된다. 우드맥킨지의 보고서는 태양광 패널(PV)의 평균 알루미늄 함량을 킬로와트(kW)당 21kg으로 추정한다. 태양집광(Concentrating Solar Power: CSP) 시스템에서 알루미늄 함량은 kW당 총 47kg로 2배 이상이다. 지구 온도가 1.5°C~2°C 사이에서 유지된다면 태양광 발전에 대한 알루미늄 수요는 2040년까지 연간 850만톤~1000만톤에 이를 것으로 전망했다.
풍력 터빈은 바람을 이용하여 메인 샤프트에 연결된 하나의 로터(rotor) 주위에 블레이드와 같은 2개 또는 3개의 프로펠러를 회전시킨다. 전기를 생성하는 것은 이 샤프트의 회전 때문이다. 많은 기존의 풍력 터빈은 블레이드를 발전기에 연결하는 기어박스를 사용하며 이렇게 해서 낮거나 중간 정도의 풍속에서 전기를 생성하기 위해 블레이드 회전 속도를 높이는 것이다. 이러한 기어식 터빈은 상당한 양의 구리가 필요하지만 영구 자석이 없는 코일 구동 발전기를 사용하고 2009년에 설치된 모든 풍력 터빈 용량의 85%가 기어식 모델이었다 (Lynas Rare Earths 2020).
직접구동식 (다이렉트 드라이브 터빈)은 기어박스를 사용하지 않는다. 따라서 제조 비용이 저렴하고, 더 가볍고, 소형이며, 더 안정적이며, 유지 관리 비용이 저렴하다. 또한, 약한 바람에서 더 나은 전기를 만들어낸다.
영구자석을 사용하는 직접 구동식 터빈이 등장하기 시작한 것은 2005년 이었다. 2018년유럽에서 해상풍력 터빈의 경우 영구자석을 사용하는 직접구동식을 채택한 비율이 76%였다. 이 기술은 특히 낮은 유지보수가 필수적인 해상 풍력 터빈 제작에 적용되어 앞으로 몇 년 동안 많이 사용될 기술이 될 것으로 예상된다.
미국, 중국, EU, 일본 21세기 자원쟁탈전에 돌입하다
희소금속이나 베이스 메탈 모두 확보에 차질을 빚게 될 경우 관련 전기전자, 자동차, 철강, 기계, 의료, 군수, 각종 인프라 산업 등 많은 산업의 생산을 위축시키고 경제에도 막대한 영향을 주기 때문에 각국은 전략적 관리를 위해 각각의 중요성과 취약성에 대한 면밀한 검토를 통해 관리 우선 순위 리스트를 만들고 있다 (이지평 2010). 금속자원 공급리스크는 다양하다. 신흥국의 고성장에 따른 베이스 메탈의 소비 급증, 그린 산업 발전으로 인한 희소금속 의존도 확대, 자원 보유국의 공급 통제, 대규모 자원 기업의 고가격 정책 등으로 인해 상당수의 금속 자원에서 공급불안이 발생할 가능성이 있는 상황이다.
미국, 유럽, 일본이 중국과 제3국에서 자원개발을 두고 치열한 경쟁을 벌이는 기술금속과 국가들은 다음과 같다.1)
브라질
■ 니오븀 (90%)
칠레, 볼리비아의 리튬
■ 리튬
중앙아프리카
■ 코발트 (DRC 콩고-64%)
■ 탄탈럼 (르완다-31%)
남아프리카공화국
■ 인듐 (85%)
■ 크롬 (43%)
■ 백금족 (Platinum Group Metal: PGM-70%)
■ 로듐 (83%)
■ 루테늄 (93%)
■ 망간 (33%)
인도네시아
■ 니켈 (33%)
호주 (호주는 2000년대에는 중국에게 경도, 2010년대에는 미국에 경도)
■ 리튬 (44%)
■ 희토류
■ 철광석
아프리카 희토류
■ 나미비아 (Namibia, Lofdal Heavy Rare Earths Project)
■ 말라위 (Malawi, Kangankunde)
■ 앙골라 (Angola, Longonjo Project)
■ 탄자니아 (Tanzania, Ngualla Rare Earth Project)
■ 우간다 (Uganda, Makuutu Project)
■ 마다가스카르 (Madagascar, Tatalus)
■ 모잠비크 (Mozambique, Xiluvo REE Project)
■ 남아공 (South Africa, Steenkampskraal, Glenover and Phalaborwa Projects)
■ 부룬디 (Burundi, Gakara Project)
미얀마의 희토류
■ 희토류
아프가니스탄의 구리와 희토류
■ 구리
■ 희토류
북한의 희토류
■ 희토류
미국, 유럽, 일본이 중국에 생산이 집중되어 있기 때문에 특히 우려하고 있는 금속들은 다음과 같다.
■ 안티모니 (87%)
■ 비스무스 (82%)
■ 갈륨 (73%)
■ 게르마늄 (67%)
■ 마그네슘 (87%)
■ 텅스텐 (84%)
■ 바나듐 (53%)
■ 중희토류 (99%)
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1) Marc Humphries, "Critical Minerals and US Public Policy," US Congressional Research Service, June 28, 2019 , p. 25, 괄호 안은 중국 생산 비중
[참고문헌]
김나윤. “태양광 비중 높아지면 수요 급증할 '3가지 금속'” 2021.8.13. (https://www.newstree.kr/newsView/ntr202108120007)
이지평. 2010. “잠재적인 경쟁력 위협요인, 금속 자원 리스크.” LG Business Insight, 2010.11.17
에릭 슈미트. 『새로운 디지털 시대』 알키. 2014.
제레미 리프킨. 『3차 산업혁명』 민음사. 2011.
제레미 리프킨. 『한계비용제로 사회』 교보문고. 2014.
Alves Dias, P., Bobba, S., Carrara, S., Plazzotta, B. 2020. “The Role of Rare Earth Elements in Wind Energy and Electric Mobility,” JRC Science for Policy Report, European Commission, 2020, p. 6.
Danica Cullinane. 2019. “Rare earth stocks on the ASX: The Ultimate Guide,” September 11, 2019 (https://smallcaps.com.au/rare-earth-stocks-asx-ultimate-guide/)
Edison Brilliant Knowledge. 2019. “Electric vehicles and rare earths,” January 29, (https://www.edisongroup.com/edison-explains/electric-vehicles-and-rare-earths/)
Lynas Rare Earths. 2020. “Wind Turbines,”
(https://lynasrareearths.com/products/how-are-rare-earths-used/wind-turbines/)
the World Bank. 2018. The Growing Role of Minerals and Metals for Low Carbon Future.
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