금속, 희소자원 고갈시대의 전망과 과제

이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다. 금속, 희소자원 고갈시대의 전망과 과제 (독)물질·재료연구기구_하라다 코메이(原田幸明) 개요 지구온난화 문제의 심각도가 한층 심해짐에 따라, 세계 각국은 온난화를 방지하기 위해 적극적인 노력을 기울이고 있다. 유럽 각국과 미국의 선진 주(州)는 2030년, 2050년의 중장기적인 기간을 정해 CO2의 반감(半減)과 탄소중립 등의 수치 목표를 설정하여 그것을 경쟁하듯 진행해 왔다. 또한 바이오연료 도입 및 원자력 에너지 재검토 등 일부 나라에서는 기존 정책을 전환해서라도 지구온난화 대책에 착수하는 방향을 나타내기에 이르렀다. 이러한 경향 자체는 환영할 만하지만, 이럴 때 종종 일어나는 것이 리스크의 전가(轉嫁)다. 예를 들면 일본의 ‘아름다운 지구 50(COOL EARTH 50)’에서는 2050년까지 CO2 배출을 반감시키겠다는 슬로건을 내세우고 있다. 이것을 실현하는 열쇠로 ‘에코 이노베이션’과 ‘탈(脫)탄소사회’를 들면서, 기본적으로 기술을 혁신하여 문제를 해결하는 자세를 취하고 있다. 이처럼 기술혁신을 맨 앞으로 내세운 경우 그것을 추진하는 기반은 과연 지금도 존재하고 있는가, 존재한다면 어느 정도 검토된 것인가. 인적자원에 대한 교육과 전승 문제, 재정적 자원에 대한 글로벌리제이션(Globalization)과 자금 유동화 문제 등 이노베이션(Innovation)을 해결하는 열쇠라면 그 기반 및 그것에 의해 유발되는 리스크를 확실히 봐둘 필요가 있다. 여기에서는 그 기반 또는 유발된 리스크로서 자원, 특히 금속자원 상황에 대해 설명한다. 2050년까지의 자원수요 증대 예측 자원소비를 더욱 증대시키는 원인으로 BRICs 국가들의 급속한 사회기반 정비를 들 수 있다. 일찍이 일본도 1960년대는 이처럼 자원수요의 증대가 급속히 이뤄졌지만, 어느 정도 사회기반이 정비된 1970년대 후반 이후에는 에너지 절감형 경제로 이행했으므로 BRICs 나라들도 현재의 자원소비 증대가 그대로 계속되지는 않을 것이다. 이 나라들이 일인당 GDP 성장을 통하여 일본과 마찬가지로 에너지 절감형 경제로 이행할 경우 어느 정도의 자원소비가 예상되는지를 검토한 예를 소개한다.

[그림 1] 일인당 GDP와 일인당 연간 금속 소비량의 관계

먼저 일본 일인당 GDP와 일인당 각 금속의 연간 소비 관계를 2단계 직선 모델로 표시했다. 이 대표적인 예를 <그림 1>로 나타냈다. 제1단계 원점을 통한 급격한 기울임은 성장기로, 이 시기에 많은 금속의 경우 기울기가 저하되거나 또는 음의 기울기로 바뀌었다. 이것은 경제와의 디커플링(Decoupling)으로, 기울기가 음이 된 아연이나 금 등의 경우가 그 전형적인 예다. 한편 철 등 기울기가 무난한 것은 약한 디커플링 상태며, 백금 및 코발트 등은 일본에서도 디커플링에 이르지 않았다. 또한 희토류 원소는 성장 단계의 레벨을 더욱 향상시키고 있다. 이와 같은 일인당 GDP와 금속소비 관계의 2단계 직선 근사값에 BRICs 나라들의 GDP와 인구 예측을 적용시켜 금속 소비를 예측했다. 그 전형적인 예가 <그림 2>다. 절선(折線) 그래프가 연간 금속 소비를 예측한 것이며, 봉 그래프는 그 누적량이다. 또한 봉 그래프 하부의 짙은 색 부분은 지금까지의 소비량 누적값이며, 아래의 파선(破線)은 현유(現有)매장량, 그 상부에 있는 파선은 경제 한계를 무시한 매장광량인 매장량 베이스를 나타낸 것이다.

[그림 2] 금속자원의 매장량과 소비량

<그림 2>에서 알 수 있듯이, 비교적 자원이 풍부해 보이는 철 및 백금조차 현유매장량을 거의 다 소비하는 자원소비가 예측되고, 동(銅)은 현유매장량을 능가하며 매장량 베이스조차 초과하는 자원소비가 예측된다. 각 금속에 대한 이런 경향을 한눈에 볼 수 있도록 나타낸 것이 <그림 3>이다.

[그림 3] 현유매장량에 대한 2050년까지의 누적수요량

봉 그래프 중 하향 부분이 지금까지의 소비량을 누적한 값인데 반해, 상측이 2000년부터 2050년에 걸친 누적소비량을 나타냄으로써 각각의 금속 현유매장량을 1로 하여 비교하기 쉽게 나타냈다. 또 짧은 가로 바는 매장량에 대한 매장량 베이스 양을 나타낸다. 대부분의 금속이 현유매장량을 초과하는 소비량이 전망되어, 탐색 및 리사이클 그리고 사용량의 대폭 삭감이 요구되는 것을 알 수 있다. 이런 경향은 금, 은, 동, 납, 아연 등 일상적인 금속에서 현저하게 나타나 그 사회적 영향이 크다고 하겠다. 자원단과 소비단 자원수요의 증대는 현저하게 현유 매장량 베이스를 능가하는 추세며, 자원리스크는 점점 더 커지고 있다. 자원리스크에는 가격변동이나 광산의 국가적 편재 등 경제성·정치성이 강한 공급양식에 관계되는 측면과 자원의 희소성 및 고갈 등 자원 그 자체에 관계되는 측면이 있다. 여기에서는 후자에 초점을 맞추지만, 여기에도 지질학적인 측면이 강한 자원의 희소성에 관련된 측면과 그 희소성과 인류 수요의 미스매치에 의한 고갈성의 측면이 있다. 희소성, 고갈성 각각의 지표에 대해서는 보다 자세한 설명을 참조하고 싶지만, 여기에서는 그 중 희소성에 대해서 초점을 맞춰본다. 여기서 말하는 자원 희소성이라는 것은 금속 1t을 얻기 위해서 지구 자원을 몇 t 파내야 하는가를 말하는 것이다. 이것은 독일 Wuppertal 연구소 Schmidt-Bleek에 의해 ‘생태적 배낭(Ecological Rucksack)’으로 제안됐으며, 여기에서는 관여물질총량(TMR : Total Material Requirement)으로 각 금속에 대해 산정된다. 그 가치를 각 금속마다 연간 소비량을 횡축으로 둔 대수 그래프를 <그림 4>로 나타냈다. 예를 들면 동(銅)의 경우 TMR은 거의 300으로, 1㎏의 동 제품을 만들기 위해서는 0.3톤의 물질이 지구에서부터 채굴되는 것을 의미하고, 그것이 금(金)일 경우에는 1g의 제품에 대해서 1톤의 물질이 있어야 한다는 것을 의미한다.

[그림 4] 금속과 관여물질총량의 관계

이 수치는 어느 금속의 최종 제품 중 중량을 ‘소비단중량’으로 보게 되면 ‘자원단중량’으로 볼 수 있게 되어, 어느 제품의 성분에 대해서 이 TMR을 요구하면 소비자가 직접 의식하지 않고 움직이는 그 제품에 관한 자원량에 해당한다. <그림 5>는 이것을 휴대전화의 예로 나타낸 것이다. 상부가 소비단 즉, 휴대전화를 분해했을 경우 소비자가 얻을 수 있는 중량으로 플라스틱, 동, 철, 알루미늄 등이 주체가 된다. 이것을 자원단으로 TMR로 표시한 것이 하측 그림이며, 소비단중량적으로는 극히 미량인 금이나 팔라듐 등이 자원적으로 보면 큰 비율을 차지하게 된다.

[그림 5] 휴대전화의 관여물질

이런 사실로 봐도 휴대전화를 재활용하여 금을 회수하는 것이 이치에 맞다는 것을 알 수 있다. <그림 6>은 이것을 일본 전체로 본 것을 나타냈으며 금속뿐 아니라 사리(砂利), 토석 등의 건축용 광물도 함께 표시하고 있다.

[그림 6] 일본의 물질소비량

<그림 6> 상측 소비단으로 보면 전체의 10억 톤/년으로 건축용 광물이 차지하는 비율이 매우 크며, 금속에서는 철(鐵)만 유의하게 나타나고 있다. 그러나 자원단이 되면 동, 알루미늄 그리고 금이 차지하는 비율이 커지고 전체에서도 36억 톤으로 크게 부푼다. 이 TMR을 사용하면 다른 자원이 TMR 계수의 중첩으로 가산할 수 있는 것도 하나의 특징이다. <그림 7>은 이런 중첩된 ‘내용연수’라고 하는 매장량을 연간 소비량으로 나눈 값을 나타낸 것으로, 금속의 포괄적인 내용연수로 경향을 알 수 있다.

[그림 7] TMR에 의한 금속의 포괄적 내용연수

이 포괄적 내용연수는 1980년대에는 120년 가까이나 됐지만 현재는 80년에 이르러, 만약 이것을 외삽(外揷)하는 것이 허락되면 2040년대에는 포괄적 내용연수는 10년이라는 수치가 돼 버리고 만다. 일찍이 1970년대에도 ‘성장의 한계’로 자원고갈이 떠들썩했지만, 현재의 자원리스크는 그 이상으로 심각한 상황이다. 에코 이노베이션과 자원 사용 이러한 자원리스크의 상승 가운데, 반대로 TMR 계수가 큰 희토류 금속류의 수요가 높아진 것도 현재의 경향이다. <그림 1>에서 디커플링에 이르지 않은 백금 및 보다 깊은 커플링 경향으로 전화되고 있는 희토류 원소 등은 제품 속에 최종적으로 담긴 사용량은 적지만 TMR 계수가 커서 자원단의 수치가 크다. 또한 정밀도가 높은 IT기기 등에 사용되는 금, 은 등도 마찬가지며 소비단으로서 제품 속 금속량은 보기에는 감소해도 자원사용량은 증대하고 있는 경우가 많다. 특히 지구온난화 대책 등으로 에코 이노베이션을 표명하고 있지만, 그 기술적 해결 열쇠로서의 고기능 시스템에는 희토류 원소 및 백금족 등을 비롯하여 희토류 금속의 특수한 기능을 기대하는 것이 많다. 자원이나 재료기술의 현황과 리스크 분석을 행하지 않으면 신기능 소자로의 과잉 기대 및 CO2로 편중되거나 리사이클의 마이너스 평가 등으로 지구온난화 리스크가 자원문제의 리스크로 전가될 위험성이 충분하다.

[그림 8] 산업기기의 희토류 금속 사용량

특히 전자기기 관계에서의 희토류 금속은 불가피해졌다. <그림 8>은 산업연관표를 기초로 작성한 전자 관련기기 제조업에서 제품 100만 엔에 해당하는 비철금속 및 희토류 금속에 투입한 금액이다. 그림의 흰 부분은 그 제품의 시장규모를 타나낸다. 특히 반도체, 개폐기, 전자계산기 부문에서 희토류 금속의 투입 비율이 커지고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 전자기기류에서는 하나하나 사용되는 금속량은 극히 적기 때문에, 제품 중 성분 구성을 제조 중 가장 중요한 소비단이 아닌 TMR 계수로 곱한 자원단으로 얻을 수 있도록 관리해 나갈 필요가 있다. 4가지 노력과 원소전략 이런 자원리스크에 대해 정면에서 대처하려는 움직임이 곳곳에서 일어나고 있다. 2007년 9월 국제연합환경계획(UNEP)과 OECD는 도쿄에서 워크숍 및 관련 세미나를 개최하여 자원리스크의 경감과 자원 생산성의 향상을 위한 세계 속 예지(叡智)의 결집을 환기시켰다. 또 1990년대부터 지구환경문제와 재료 문제를 선진적으로 대처해 온 Eco-Material 포럼은 일본 이시가키지마(石垣島)에서 국제회의를 열고 ‘자원이용의 세 가지 원칙과 네 가지 노력’을 제창할 계획이다. 세 가지 원칙은 어느 의미에서는 당연한 것을 확인하려고 하는 것이다. 그러나 거기에 기초한 실천으로 거국적인 대책이나 국제적인 공동으로 추진할 수 있는지가 의문이었다. 예를 들어, ‘1. 자원을 고갈에 이르기 않도록 하겠다’에 대해서는 a) 과학적인 자원의 고갈 예측으로서 이용가능한 잠재성 및 고갈의 시나리오의 검토 등 미래 예측의 국제적 정보 교류가 요구되어, b) 자원 리스크 경감의 추구로서 대체·감량·순환의 기술개발이나 내용연수 10년 미만의 자원 마테리얼리스의 의무 부과 등과 같은 규제적 조치 결정 및 국제적인 자원탐색·개발의 협력, 또한 C) 목표 설정과 서플라이 체인에서의 역할분담으로서 삭감목표의 설정 및 제품에의 자원량 표시 의무 부과 등으로 결부시켜 나가야 할 것이다. 이 4가지 노력은 제품 사용 및 기술 개발 전체에 일괄된 사고방식이며, 기술개발의 접근으로 이어진다. 이 중 Reduce, Reuse, Recycle은 자원의 관점에서 더욱 강해졌다. 예를 들어 Reduce는 분명 미국의 ‘국회도서관을 각설탕 한 개로’를 실현시키는 나노테크놀로지 승부의 장이다. 여기서 더욱 새롭게 첨가된 것이 ‘있는 것을 사용한다’라고 하는 관점이다. 이것은 본래 지구 자원이 준비한 물질의 밸런스와 인류의 이용 형태의 밸런스가 일치하지 않는 것에 자원리스크의 근원이 있다고 하는 견해로, 고갈성 자원을 고갈시키지 않는 기본적인 도리다. 이 ‘있는 것을 사용한다(=Replace)’는 관점은 실제 일본의 재료개발 국가 프로젝트가 이미 연구개발로 연구하고 있는 과제이기도 하다. 이것은 문부과학성=원소 전략, 경제생산성=희소자원 전략으로서 2007년도에 공동으로 진행해 온 연구다. <표 1>에는 2007년도 원소전략 연구의 채택테마를 표시했다. 앞으로도 이러한 원소전략 연구는 중요도가 높아질 것으로 예상되기 때문에 관계 연구자들이 적극적으로 대처해 가야 한다.

[표 1] 원소전략 연구 테마

마무리 금속자원의 미래는 1970년대 ‘성장의 한계’로 지적된 시기보다 훨씬 심각해졌다. UNEP(국제연합환경계획)도 2007년 가을부터 천연자원 이용의 국제 패널을 오픈했다. 자원리스크는 한 나라의 공급 문제를 초과하여 기후변동에 필적하는 국제적 과제가 되고 있다. 이제 모든 나라는 이 자원리스크 문제에 대해 적극적인 해답을 내야 할 것이다. 브릭스(BRICs) 2000년대를 전후해 빠른 경제성장을 거듭하고 있는 브라질·러시아·인도·중국 등 신흥경제 4국을 일컫는 경제용어. 생태적 배낭(ecological rucksack) 특정제품 하나를 만드는 과정에 관련된 물질 전체 무게에서, 그 제품의 무게를 뺀 값. 즉, 1㎏짜리 그릇 하나를 굽는 데 사용된 재료가 흙 2㎏과 석유 9㎏이라면 그릇 하나의 생태적 배낭은 10㎏이 된다. 이 수치가 커질수록 그 제품의 생산으로 인해 자연이 떠안게 되는 부담이 커진다고 해석되며, 한마디로 우리가 반짝이는 금반지를 끼는 대가로 애꿎은 자연이 무거운 배낭을 짊어져야 한다는 것을 의미한다. 내용연수(耐用年數, service life) 이것은 견적된 가능 연수를 말한다. 통상적인 사용에 감당할 수 있는 기간으로 내용기간 또는 내구연수(耐久年數)라고도 한다. 화석연료(Fossil Fuel) 태고의 생물이 지각층에 매장되어 연료로 바뀌어 사용할 수 있는 천연자원을 총칭해 화석연료라 부른다. 보통 석탄, 석유, 천연가스의 탄수화물을 지칭하며, 1차 에너지원으로서의 수력, 지열, 우라늄 등과 구분된다. 확인매장량(Confirmed Reserves) 현재의 기술로 채굴할 수 있고 소재가 명백하며 경제적으로 균형이 맞는 매장량을 말한다. 물, 가스의 주입 등 2차적 수단에 의한 회수가능분까지도 포함하는 것이 보통이다. 로지스틱곡선 (logistic curve) 인구는 자연상태에서 등비급수적(等比級數的)으로 증가하지만, 토지·음식물 등의 제약을 받으면 차차 증가세가 둔화되어 가는 것을 나타내는 곡선. 광상 (鑛床, ore deposit) 유용광물이 국부적으로 집합하여 채굴의 대상이 되는 곳이다. 일반적으로 성인(成因)에 따라 마그마 고결작용에 의한 마그마광상, 자연력에 의해 생성된 퇴적광상, 기존의 광상이 변질된 변성광상으로 나눈다.