<신년특집 : 신재생에너지와 기후변화대응, 핵심은 '광물'>

[한국에너지신문] 파리협정이 효력을 본격적으로 발휘하면서 유가의 등락과 관계 없이 신재생에너지는 어느 나라에나 필수요소로 자리잡고 있다. 신재생에너지는 태양광과 풍력이 대표적이지만, 전기자동차와 에너지저장장치도 기후변화에 대응하기 위한 요긴한 수단이 된다.

연료전지와 대기오염을 일으키는 다양한 화학화합물을 저감해주는 장치도 속속 선을 보이고 있다. 파리협정체제의 에너지산업과 환경산업을 변화시킬 다양한 수단들이 ‘기술’이라는 이름을 달고 있다, 하지만 ‘광물’이 없다면 기술도 없다. 

태양광·풍력설비·에너지저장장치 필수 재료
리튬·코발트·니켈 ‘유명세’…희토류도 ‘관심’
‘백금족 귀금속’ 대기오염 저감 등에 널리 사용
친환경 트렌드 따라 수요 늘어 확보 경쟁 치열

태양전지에는 갈륨(Ga)과 텔루륨(Te)·풍력발전 터빈에는 니켈(Ni)과 망간(Mn)

신재생에너지의 대표주자는 태양광과 풍력이다. 그 자체로도 아주 좋은 에너지원이라고는 하지만 전기로 바꾸기 위해서는 꼭 필요한 것이 바로 태양 전지와 풍력 터빈이다.

태양전지의 재료로는 현재 실리콘이 사용되고 있다. 실리콘도 좋은 재료지만 효율을 높이고 단가를 낮추기 위해서는 다른 재료가 사용될 필요가 있다. 특히 기존의 발전 방식을 완전하게 대체하기 위해서는 다양한 광물 재료의 도움이 필수적이다.

태양전지의 가장 작은 구성단위로 p형과 n형 반도체를 접합한 것을 셀이라고 하고, 셀을 연결해 유리와 프레임으로 싸서 전력을 얻는 구성품을 모듈이라고 한다.

이 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하면 어레이 패널이 되는데, 이것이 바로 태양광 발전기를 구성한다.

이 반도체의 재료가 실리콘이면 실리콘 태양전지라고 하고, 그 이외의 다양한 광물 화합물도 반도체의 재료가 된다. 실리콘을 단결정으로 만드는 등 실리콘만으로도 효율을 높일 수 있는 방법은 있지만, 특히 갈륨과 텔루륨, 카드뮴, 인듐, 비소와 같은 물질들은 태양전지 효율을 높이는 데에 유용하다.

그 중에서도 갈륨과 텔루륨, 인듐 등이 비교적 독성이 덜해 주목받고 있다. 반도체 화합물 재료지만 비소와 카드뮴 등은 유독성 광물로 사용처가 제한돼 있다.

풍력발전 터빈에는 니켈과 망간이 합금강철 재료로 많이 사용된다. 보통 합금강을 만드는 이유는 산화, 부식, 충격, 마모, 열기, 냉기 등에 버티는 성질을 좋게 하기 위해서다.

니켈과 망간 이외에도 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 붕소 등이 철에 합금하는 재료들이다. 풍력발전 터빈은 대부분 실외에 노출돼 있어 비와 온도의 영향을 많이 받기 때문에 이들 광물을 사용하는 것이다.
 

배터리에는 리튬이 필수·모터 효율성 잡는 네오디뮴 디스프로슘

전기자동차와 에너지저장장치(ESS)의 핵심은 내연기관차의 ‘엔진’에 해당하는 2차전지다. 2차 전지 중 가장 널리 쓰이는 리튬이온 전지에는 리튬(Li)과 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co) 등이 원료로 사용된다.

리튬이온 전지는 방전과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동한다. 충전하면 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동한다. 양극과 음극 사이에는 전해질이 있어야 한다.

이들을 구성하는 재료가 광물이다. 일단 상용화된 음극 재질은 흑연이다. 양극 재질 중 최근 가장 많이 사용되는 것이 산화리튬코발트, 산화리튬망간, 인산철리튬 등이다. 음극, 양극, 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀔 수 있다.

방전성만 있어 충전을 하지 못하는 1차전지인 리튬 전지는 휴대용 전자기기나 의료용 인공 장기 등에 전원 공급을 하는 데에 사용된다. 순간적으로 큰 전류를 공급하거나 일반적인 알칼리 전지보다 고전압의 출력을 유지할 수 있다.

고효율 모터도 신재생에너지와 전기자동차 등에 중요한 역할을 한다. 풍력발전기 터빈 효율을 높이고, 전기자동차의 단점인 속도 문제를 해결해 주기 때문이다. 고효율 모터에 들어가는 영구자석에는 네오디뮴(Nd)과 디스프로슘(Dy) 등 희토류가 들어간다. 고효율 전구인 LED에는 갈륨 등이 전극재 재료로 사용된다.
 
배기가스 저감 위한 촉매 용도 ‘백금족’  

내연기관 배기가스 저감을 위한 정화장치 촉매로 주목받는 것이 백금(Pt)과 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등 백금족이다.

자동차의 내연기관이 배출하는 기체는 일반적으로 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소, 황산화물, 황화수소, 질소산화물, 암모니아, 오존, 옥시던트 등이 있다. 이 중에서 일산화탄소와, 탄화수소, 질소산화물 등이 가장 유해한 것으로 알려져 있다. 자동차는 이를 관리하기 위해 삼원촉매라는 자동차 배기가스 정화장치를 사용한다.

백금, 팔라듐, 로듐 등이 포함된 알루미나합금 촉매 변환장치가 혼합기를 이상적 혼합비로 유지시켜 배기 중 유해가스를 남기지 않는다. 배기온도가 높아지면 일산화탄소와 탄화수소는 질소산화물이 산화제로 작용하고, 질소산화물의 환원제로는 일산화탄소와 탄화수소가 작용하면서 세 가지 유해 성분이 동시에 절감된다.

이는 지구상에 그리 많이 존재하지 않는 백금족 금속의 기체 흡수성을 이용한 것이다. 백금은 고온에서 탄소를 흡수하고 냉각되면 방출하는 성질을 갖고 있다. 고온에서는 수소 기체도 많은 양을 흡수한다.

이 때문에 자동차에서 나오는 해로운 오염 물질을 무해한 화합물로 바꿀 수 있다. 세계 백금 생산량의 절반 정도가 촉매 용도로 사용되며, 최근에는 수소 연료전지의 촉매 용도로도 사용되고 있다.

팔라듐은 수소를 자기 부피의 900배까지 흡수해 저장했다가 방출할 수 있다. 환원성도 좋아 은과 합금해 수소를 정제하는 데에도 이용되는 금속으로 배기가스를 정화하는 데에는 안성맞춤이다.

로듐은 주로 배기가스 중의 질소산화물을 질소와 산소로 분리 환원하는 역할이 뛰어나다. 이 때문에 화석연료를 사용하는 내연기관과 발전소, 공장 등이 있는 한 로듐의 이용은 해마다 증가하고 있다. 세계 로듐 생산량의 80% 내외는 차량의 촉매 변환 장치에 사용되는 것으로 알려져 있다.

이들 백금족은 배기가스를 거르는 용도 이외에 옥탄가가 높은 휘발유를 생산하기 위해 탄화수소에서 나프타를 정제하는 석유산업에도 사용된다. 백금족 광물에는 이외에도 루테늄, 오스뮴, 이리듐 등이 있다.

관련 자원 확보 위한 글로벌 경쟁 치열

파리협정으로 시작된 신기후체제는 관련 광물 자원을 확보하기 위한 각축장이 될 것으로 보인다. 리튬, 코발트, 희토류 등의 확보를 위한 경쟁은 이미 시작됐다.

지난해 LG경제연구원이 내놓은 ‘그린에너지 시대의 새로운 자원 전쟁’ 보고서에 따르면 신재생에너지의 확산과 전기차의 가격경쟁력 확보가 이뤄지면 관련 광물의 수요가 빠르게 늘고 공급은 원활하지 않아 가격변동성이 심각해질 것으로 보인다.

도이체방크와 골드만삭스는 오는 2025년 전기자동차와 에너지저장장치에 들어가는 2차전지용 리튬 수요가 현재의 3배 수준인 53만~57만 톤으로 늘어날 것으로 예상하고 있다. 캐나다의 광산투자회사인 크루즈 캐피탈은 코발트 수요도 2025년 현재의 2.3배 수준인 12만1000톤까지 증가할 것으로 추산하고 있다.

수요 확대는 이미 현재진행형이다. 리튬 가격은 중국의 전기차 보급이 확산되면서 최근 1년사이 3배 가까이 폭등했다. 하지만 공급은 주요 생산국에만 의존해야 한다. 리튬은 칠레·아르헨티나, 희토류는 중국, 코발트는 콩고민주공화국 등이다.

관련 기업들은 다양한 자구책을 모색하고 있다. 중국 최대 국영 기업인 CITIC 그룹은 지난해 6월 칠레 리튬 생산업체의 지분을 사들였다. 다국적 광산기업인 리오틴토는 세르비아에 세계 수요의 10%를 공급하는 신규 리튬 프로젝트를 추진하고 있다.

중국 광산기업인 뤄양몰리브덴은 구리 및 코발트 확보를 위해 지난해 5월 콩고의 광산을 인수했다. 일본 종합상사들도 자국 앞바다를 탐사하면서 이들 광물자원을 개발하는 방안을 타진하고 있다.

폐기물에서 이들 자원을 회수하는 일명 ‘도시광산’ 산업도 부상할 것으로 보인다. 자원부국에서는 환경 문제에 대응하기 위해서, 자원 수입국은 수요를 충당하기 위해서 필요하기 때문이다.

세계 각국이 지속가능한 성장을 위해 재생에너지와 전기차 등 그린에너지 산업을 육성하고 있는 가운데, 이들 광물의 수요는 지속적으로 증가할 것으로 보인다.