Energy policy could curb Europe’s overconsumption of critical material supply

세계는 기후 변화를 막기 위해 화석 연료를 태우는 대신 전기에 의존하는 새로운 에너지 시스템을 구축하고 있습니다. 이러한 전환에는 풍력 터빈, 태양광 패널, 전기 자동차, 그리고 이들을 연결하는 데 필요한 방대한 규모의 전선 네트워크와 같은 엄청난 양의 물리적 하드웨어가 필요합니다. 이 모든 장비는 구리, 리튬, 희토류와 같은 특정 광물로 만들어집니다. 이러한 재료들은 깨끗한 미래를 위해 필수적이지만, 동시에 유한한 자원이기도 합니다. 만약 이들에 대한 수요가 너무 빠르게 증가한다면, 글로벌 공급망이 무너져 청정 에너지로의 전환이 중단될 수 있습니다. 정책 입안자들이 직면한 과제는 단순히 더 많은 재료를 어떻게 찾을 것인가가 아니라, 세계가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 것을 필요로 하지 않도록 새로운 에너지 시스템을 어떻게 설계할 것인가입니다.

스위스 ETH 취리히의 연구팀은 발전소에서 도로 위의 자동차에 이르기까지 유럽의 전체 에너지 시스템을 살펴보는 방식으로 이 문제에 접근했습니다. 그들은 다음과 같은 간단한 질문을 던졌습니다. 만약 유럽이 가능한 가장 효율적이고 저렴한 에너지 시스템을 구축한다면, 세계의 핵심 광물을 공평한 몫 이상으로 소비하게 될 것인가? 이 질문에 답하기 위해, 그들은 유럽의 에너지 미래를 2050년까지 확장한 상세한 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그들은 단지 에너지 분야만을 본 것이 아니라, 전자제품부터 건설에 이르기까지 유럽이 구매하고 사용하는 다른 모든 것들에 사용되는 재료들까지 고려했습니다. 그런 다음, 그들은 필요한 총 재료의 양을 유럽의 '공평한 몫'에 대한 세 가지 서로 다른 개념과 비교했습니다. 한 가지 아이디어는 인구 규모에 기반한 것이었고, 다른 하나는 경제적 부에 기반한 것이었으며, 세 번째는 개발도상국들이 성장을 돕기 위해 더 많은 자원을 가질 수 있도록 하는 원칙에 기반한 것이었습니다.

연구진은 만약 유럽이 단순히 현재의 기술 선택 경로를 따른다면, 그 대답은 단호하게 '예'라고 밝혀냈습니다. 즉, 유럽은 거의 모든 핵심 재료에 대해 자신의 공평한 몫을 훨씬 초과하는 양을 필요로 할 것이라는 점입니다. 그들의 표준 시나리오, 즉 현재의 시장 트rend와 가장 비용 효율적인 설계를 반영한 시나리오에서는, 연구된 24개 재료 중 23개에 대한 수요가 유럽의 1인당 할당량을 초과할 것으로 나타났습니다. 특히 공급이 매우 부족한 재료들이 있습니다. 예를 들어, 코발트와 이리듐에 대한 수요는 전 세계 전체 공급량의 절반 이상을 소비할 것입니다. 전기 모터와 풍력 터빈에 사용되는 강력한 자석에 쓰이는 희토류 요소에 대한 수요 또한 가용량을 훨씬 능가할 것입니다. 이러한 과잉 소비는 주로 영구 자석 모터를 사용하는 전기차나 동일한 자석을 사용하는 풍력 터빈과 같이 현재 산업계에서 선호하는 특정 유형의 기술에 의해 주도됩니다.

하지만 이 연구는 피할 수 없는 부족에 대한 경고로 끝나지 않습니다. 연구진은 에너지 시스템의 설계를 변경함으로써 이 문제를 해결할 수 있는지 확인하기 위해 일련의 대안적 경로들을 테스트했습니다. 그들은 기술적 선택을 통해 희귀 재료에 대한 필요성을 획기적으로 줄일 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들이 찾아낸 가장 효과적인 지렛대는 전기 자동차와 풍력 터빈에서 영구 자석의 사용을 중단하는 것이었습니다. 현재 대부분의 전기차와 많은 풍력 터빈은 효율적이고 강력하기 때문에 희토류 자석이 가득 찬 모터와 발전기를 사용합니다. 연구진은 희토류를 필요로 하지 않는 유도 모터로 전환하는 시나리오를 시뮬레이션했습니다. 이 단 하나의 변화는 희토류 요소에 대한 수요를 유럽이 현실적으로 충족할 수 있는 수준으로 낮추었습니다. 마찬가지로, 전기차의 배터리를 현재의 리튬 기반 유형에서 희귀한 리튬과 코발트 대신 흔한 소금(나트륨)을 사용하는 나트륨 이온 배터리로 교체하면 해당 재료들에 대한 압박을 크게 완화할 수 있다는 것을 발견했습니다.

다른 변화들도 도움이 되었지만, 일부는 상충 관계(trade-off)를 동반했습니다. 연구진은 전력망의 구리 전선을 알루미늄으로 교체하는 방안을 검토했습니다. 알루미늄은 구리보다 훨씬 풍부하기 때문에, 이 대체 방식은 유럽이 구리 고갈 없이 필요한 그리드 확장을 구축할 수 있게 해줄 것입니다. 또한 그들은 원자력 발전소를 대폭 확충하는 아이디어도 탐구했습니다. 원자력 발전은 풍력이나 태양광에 필요한 핵심 광물을 매우 적게 필요로 하기 때문에, 원자력의 비중을 높이는 것은 거의 모든 재료에 대한 전반적인 수요를 줄일 것입니다. 그러나 저자들은 이 경로가 높은 비용과 긴 건설 시간과 같은 자체적인 과제를 수반한다고 언급했습니다. 또한 이는 태양광 패널에 사용되는 인듐의 수요를 증가시킬 것입니다.

이러한 유망한 해결책에도 불구하고, 연구진은 관리가 여전히 까다로운 두 가지 재료, 즉 구리와 니켈을 식별했습니다. 최선의 기술적 선택들을 모두 결합하더라도, 이 두 금속에 대한 수요는 높게 유지됩니다. 이는 이들이 에너지 분야뿐만 아니라 경제 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되기 때문입니다. 구리는 배선에서 배관에 이르기까지 모든 것에 필요하며, 니켈은 스테인리스 스틸과 많은 산업 제품에 필수적입니다. 이 연구는 이러한 특정 재료들에 대해서는 에너지 시스템을 바꾸는 것만으로는 충분하지 않다고 제안합니다. 유럽은 글로벌 공급 한계 내에 머물기 위해 경제의 모든 부문에서 이 금속들의 전반적인 소비를 줄여야 할 것입니다.

또한 이 논문은 재료 부족을 해결하는 방법에 대한 몇 가지 일반적인 가정에 이의를 제기합니다. 예를 들어, 희귀 반도체 재료를 아끼기 위해 유럽이 박막 태양광 패널 사용을 중단해야 한다는 주장이 있지만, 연구진은 이것이 거의 영향을 미치지 않을 것이라고 밝혔습니다. 이 패널들은 이미 시장에서 아주 작은 비중을 차지하고 있으며, 그들이 사용하는 재료는 상대적으로 공급하기 쉽습니다. 대신, 초점은 자동차의 모터, 풍력 터빈의 발전기, 저장 시스템의 배터리와 같은 주요 품목에 맞춰져야 합니다. 연구는 재료 부족의 위기를 피하는 것이 가능하지만, 그것은 단지 더 많은 광산을 짓는 것 이상의 것을 요구한다고 결론지었습니다. 그것은 덜 재료 집약적인 기술의 사용을 장려하는 정책적 변화를 요구합니다. 만약 유럽이 희귀 재료를 사용하여 효율성을 극대화하는 현재의 추세를 계속 따른다면, 벽에 부딪힐 것입니다. 하지만 만약 재료의 희소성을 염두에 두고 에너지 시스템을 설계하기로 선택한다면, 세계가 제공할 수 있는 한계 내에 머무를 수 있을 것입니다.