1. 서 론
2. 희토류 처리 공정
2.1. 분석 대상 사업 및 제련 공정
3. 각 사업에서의 제련 플랜트 등 주요 비용 분석
3.1. 희토류 제련 플랜트의 용량 대비 비용
3.2. 용량-비용 곡선 도출 및 분석
4. 결 론
1. 서 론
희토류 원소(Rare Earth Elements, REEs)는 스칸듐(Sc), 이트륨(Y) 및 란타늄-루테늄(La-Lu) 계열 원소를 포함한 17개의 전이금속을 의미한다. 희토류는 첨단 전자제품이나 정밀기기를 비롯한 첨단 산업에 필수적인 원료로 인식되고 있다1). 일반적으로 희토류 회수를 위해서는 채광 후 광석을 일종의 물리적 전처리(Physical Upgrade, Beneficiation or Concentration) 공정에 유입시킨다. 여기서 파분쇄 및 기계적 선별 등의 처리 공정을 거쳐 정광을 생산한다. 희토류가 함유된 정광은 제련 플랜트로 유입되어 열처리, 침출, 침전, 농축, 여과, 건조 등 일련의 공정을 통해 불순물은 제거되고 희토류를 고농도로 함유한 혼합물로 전환된다1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11),. 이러한 희토류 제련공정은 매우 다양한 고가 기기 및 약품이 소요되어 상대적으로 고비용이 소모된다. 따라서, 효과적인 희토류 처리 및 회수를 위해서는 제련 관련 반응조건 파악이나 기기선정 등을 통한 기술적 최적화가 중요하다. 이는 별도의 연구개발이나 상용화를 통한 기술적 최적화를 통해 달성할 수 있을 것이다. 이와 더불어 비용 절감 등을 통한 경제적 측면에서의 최적화도 간과할 수 없다 즉, 희토류 제련 공정 및 사업의 타당성을 확보 목적으로 공정을 최적화하기 위해서는 희토류 제련에 연관된 물리화학적 공학적 메커니즘 등 기술적 측면뿐 아니라 경제성이나 시장성 등 다양한 측면을 분석하고 기초과학적 요소에서부터 사업적 요소 간의 연관성을 명시하고 이를 정량화해야 한다3,4). 이러한 기술경제적 최적화는 체계적인 비용 구조 분석이 전제된다. 희토류 제련 시스템은 관련 공정 및 장비를 포함하는 플랜트로 구현된다고 볼 수 있으며, 또한 이러한 플랜트 및 공정은 사업에 따라 상이하기 때문에, 효과적인 비용분석을 위해서는 먼저 실제 예정 혹은 진행 중인 여러 사례를 관찰하고 비용 등 관련 정보들을 정리 및 체계화하는 것이 일반적이다. 이에 본 연구에서는 기존에 보고되었던 희토류 제련 플랜트 중심으로 관련 비용(투자 및 운영단가)를 분석하였다. 참고로 해당 플랜트는 2014–2022년간 준비된 프로젝트를 대상으로 하였으며 논문 혹은 사업타당성 보고서에 수록되어 있는 비용 데이터를 수집하였다. 이를 통해 희토류 제련 플랜트의 생산량 대비 비용 및 단가 추세를 정량화하였다.
2. 희토류 처리 공정
희토류 생산은 대략 채광→선광→제련 단계별 처리과정을 거치며, 원광석 특성이나 대상 성분/불순물에 따라 세부 처리 공정은 다양하다. 채광 및 정광생산을 위한 물리적 전처리(Beneficiation, Concentration 또는 Physical upgrade 등)공정에서 생산된 희토류 정광은 이후 (습식)제련공정을 거치게 된다. 제련 공정에서는 주로 선별적 침출/침전/여과 등을 통해 불순물 제거 및 희토류 고농축화가 이루어지고 추가적으로 화학선별법, 이온교환법 및 용매추출법 등 성분별 분리공정이 적용될 수도 있다. 보통 희토류 함유 정광을 먼저 산이나 알칼리로 광물을 분해시켜 얻어진 용액이나 산물을 재용해한 다음 전술된 화학분리, 이온교환 및 용매추출법을 이용하여 원소별로 분리·정련함으로써 고순도 희토류 화합물로 전환된다. 이후 희토류 화합물은 환원제 혹은 용융염 전해법 등을 통해 환원/정련함으로써 상용 금속이나 합금으로 전환된다1,2,5,6,7,8,9,10,11).
2.1. 분석 대상 사업 및 제련 공정
구체적인 희토류 제련 공정은 현장 원석/정광이나 목표 회수율/순도 등에 따라 달라질 수 있다. 참고로 본 논문에서 기술할 사업별 정보(주로 기술 혹은 비용데이터)는 타당성 분석을 위한 추정 정보가 포함되어 있어, 실제 수행된 사업 정보와는 차이가 있을 수 있다. 본 연구에서는 분석 대상 사업 선정 시 몇 가지 조건을 고려하였는데, (1) 본 참고자료 외에 공신력 있는 자료 등을 통해 핵심 정보가 공유되어 교차검증이 가능한 사업일 것3,4,5), (2) 제련 비용 구조 관련 핵심 정보가 명시되어 있을 것, (3) 개발 과정 및 관련 정보 양식 등이 비교적 보편적인 형태일 것, (4) 신규 및 확장개발 등의 혼재 등으로 인한 복잡성이 포함된 사업은 가급적 배제하였음. 지나치게 적은 용량이나 대용량의 사업도 제외하였다. 해당 사항들을 고려한 결과 약 30개의 사업 중 6개를 선정하였으며 각 사업 및 플랜트명은 지역명, 프로젝트명 및 원료 등을 고려하여 각 참고문헌 제목이 명시된 명칭으로 하였다. 각 사업 및 플랜트에 대한 개략적인 사항은 다음과 같다.
Bear Lodge(BL) project: 해당 사업 관련 정보는 2014년에 공표된 예비타당성 보고서(PFS: Preliminary Feasibility Study)에 포함된 내용을 인용한 것이다6). 본 PFS의 목적은 미국 와이오밍주 내 Bear Lodge Mountains에 위치한 Bull Hill 광산과 인근 처리 시설에서 희토류(REE) 채굴 및 전처리/제련 공정을 포함하는 광산 사업 관련 예비 타당성 검토 결과를 제공하는 것이다.
해당 사업은 노천광상, 정광 생산을 위한 PUG(Physical Upgrading) 전처리플랜트 및 고순도 희토류 혼합물을 생산하는 습식제련(Hydromet) 플랜트로 대별된다. PUG 공장에서 생산된 정광이 습식제련 공정으로 유입되면 산 침출을 통해 희토류가 고농도로 함유된 용액이 생산되며, 다음 침전공정을 통해 희토류 함량이 97% 이상인 옥살산염 침전물이 생성된다.
Bokan Mountain(BM) project: 본 사업의 정보는 2013년에 공표된 예비 경제성 평가 보고서에서 인용되었다7). 해당 사업은 미국 알래스카 주 케치칸의 남서쪽 Bokan 산에 위치하고 있으며 1,500톤/일 규모의 지하광산에서 채굴이 진행된다. 채굴된 원광은 PUG plant에서 전처리를 거쳐 일부가 정광으로 전환되며 이 후 산침출과 자체 개발된 SPE(Solid Phase Extraction) 공정을 거쳐 개별 원소로 분리된다. 여기서, 산 침출은 90°C에서 질산을 사용하여 2단계로 진행하며, 8시간 동안 유지된다. 농축액은 확산 투석공정을 통해 분리되며 잔류 질산은 별도로 회수된다. 다음 SPE 공정은 유해 원소 제거, 불순물이 포함된 혼합물 형태로 분리, 정제된 혼합물로 분리 및 마지막으로 개별 원소로 분리의 4단계를 거친다.
Browns Range(BR) project: 2015년에 공표된 DFS(Definitive Feasibility Study) 자료의 내용에 기반하였다8). 참고로, DFS는 해당 사업의 경제적, 기술적 타당성을 확정하고 환경 승인 및 사용권 확보를 포함하고 있다. 해당 사업은 서호주 Halls Creek 홀스 크릭 지방의 고든 다운스 목초임대지에 위치해 있으며, 디스프로슘(전체 매출의 60%)과 중희토류 생산에 중점을 두고 있다.
희토류 원소를 용액으로 추출하기 위해 황산화 베이크 및 수침출 공정이 적용된다. 이 단계에서 실리카 및 기타 불순물은 잔류물로 제거된다. 남은 희토류 용액은 pH 조정을 통해 철, 알루미늄, 인산염 및 토륨을 제거하며 이온 교환을 통해 우라늄을 제거한다. 그 다음 희토류 성분을 탄산나트륨을 사용하여 탄산염 형태로 침전한다. 희토류 탄산염 혼합물은 세척, 농축, 여과 및 건조하여 평균 9%의 디스프로슘을 함유하는 52% TREO(Total Rare Earth Oxide)에 상당하는 희토류 탄산염 혼합물이 생성된다.
Nolans(No) project: 서호주에 위치한 도시 Gabanintha에서 수행되었으며, 2019년에 관련 DFS(Definitive Feasibility Study) 보고서가 발표되었다9). 이 사업의 특징 중 한가지는 3가지 희토류 외에도 인산이 부산물로 생산된다는 점이다. 물론 대부분의 매출(>85%)은 희토류화합물(네오디뮴-프라세오디뮴 산화물(NdPr oxide)의 생산에서 기인한다. Extraction plant는 맥석에서 희토류를 추출하고 인산 부산물, 수산화세륨 및 희토류 염화물 용액을 생산하는 공정이 포함되어 있다. 이 후 Separation plant에서는 NdPr 산화물 및 희토류 탄산염 제품을 회수할 수 있는 용매 추출 공정이 포함된다. 참고로, 일반 시약 취급/보관 시설과 황산 플랜트가 별도로 설치되어 운영된다.
Songwe Hill(SH) project: 해당 사업의 정보는 2022년에 공표한 NI 43-101 기술보고서에 포함된 것이다10). 해당 사업은 말라위에 위치해 있다. 습식제련 플랜트에서는 정광을 맥석침출제로 사용된 산으로 용해시킨다. 맥석 침출액은 불순물 침전 및 여과를 통해 정제하고 염화칼슘과 황산을 첨가하여 염산 재생 및 석고를 생산한다. 맥석 침출 잔류물은 고온 농축 NaOH 용액과 접촉시켜 잔류물 내 불용성 희토류 광물을 가용성 희토류 수산화물로 전환시킨다. 상기 반응 잔류물 슬러리에 공기를 분사하여 세륨을 산화시키고 불용화시킨다. 반응액은 증발-재농축 후 수산화나트륨을 재생하여 습식제련에 재사용한다. 세륨 산화 잔류물은 농축/여과를 거친 후 염산 기반 희토류 침출 공정에 투입된다. 침출 잔류물은 농축/여과 등을 거쳐 선별기로 이송되어 잔류 유가성분을 회수한다. 희토류 침출액은 중금속 및 방사성 핵종 정제 후 혼합 희토류 탄산염 생성물로 침전된다.
Strange Lake(SL) project: 해당 사업의 정보는 2014년 보고된 PEA(Preliminary Economic Assessment: 예비경제성평가) 관련 NI 43-101 Technical report에서 인용하였다11). 사업 지역은 캐나다 동부의 퀘벡 지방이며 퀘벡, 래브라도와 뉴펀들랜드의 경계에 위치하고 있다. 해당 사업의 제련플랜트는 광산이 있는 Strange Lake에서 떨어진 Bécancour에 위치하고 있다, 해당 제련 플랜트는 침전과 희토류(REE) 분리 공정을 포함하며, 유입물인 정광은 산 열처리를 통해 정광내 이트륨 등 희토류가 수용성 황산염으로 변환된다. 그리고 이들은 후단 수침출 및 침전 공정을 통해 회수된 후, 잔류 침출액 내 철, 알루미늄 및 토륨 등의 불순물은 pH 기반 선택 침전 등을 통해 제거된다. 그 다음, 정광은 세정을 거친 후 황산 용해를 거쳐 농축 희토류 황산액이 생성되고, 여기에 옥살산을 이용하여 희토류 옥살산염이 생성된다. 이 생성물은 소성을 통해 산화물로 전환되어 분리공정으로 유입된다. 분리공정에서는 (혼합)희토류 산화물이 산에 용해되어 농축액이 생성되고 농축액 내 용매 추출을 통해 희토류 개별 성분으로 분리된다. 이 후 선별 침전 둥을 통해 최종적으로 고순도 희토류 산화물이 생성된다. 각 사업별 전처리 및 제련 공정을 Table 1에 정리하였다.
Table 1
3. 각 사업에서의 제련 플랜트 등 주요 비용 분석
희토류 제련 플랜트를 비롯한 플랜트 관련 비용은 일반적으로 투자비(CAPEX)와 운영비(OPEX)로 대별된다. 투자비의 대부분은 주기기(예로 산처리, 침출/침전용 교반장비, 여과장비 등)와 펌프나 약품투입기 등의 일반기기 등의 구매에 소요된다. 그리고 나머지는 배관, 전기, 통신, 제어, 건축/토목 관련 시설이나 장비 설치 등에 쓰인다. 이를 직접비(Direct cost)라고 하며 여기에는 각종 공사나 설치에 투입되는 인건비, 자재비 등이 포함된다. 직접비 외에, 감리비나 세금 등은 간접비(Indirect cost)에 포함된다. 한편, 운영비(OPEX)는 플랜트 운영에 쓰이는 인건비, 유틸리티(전력, 물, 가스 등) 사용료, 소모품(약품, 소모성 자재 등) 비용, 인력 혹은 자재의 운송/조달 비용 등이 포함된다. 또한 비용이 투입되는 시점을 보면 플랜트 사업초기에 CAPEX의 대부분이 투입되는 반면, OPEX는 운영기간 동안 장기간 지불된다3,4,5,6,7,8,9,10,11).
3.1. 희토류 제련 플랜트의 용량 대비 비용
본 장에서는 전술되었던 사업별로 광산 채광 및 플랜트 용량 그리고 투자비와 운영비를 기술하였다. 우선 플랜트 용량 산정 관련, 일반적으로 각 전처리 및 제련플랜트에 유입되는 광석 혹은 정광의 시간에 따른 중량, 그리고 최종 생산물량이 용량과 관련 있다고 볼 수 있다.
BL 사업에서 원광(ROM: Run of Mine) 내 TREO(Total Rare Earth Oxide) 함량은 평균 약 2.8%이며 채광량은 약 9,260톤/일, PUG 플랜트로의 광석 유입량은 약 955톤/일로 추정되었다. 정광 생산량(=습식제련플랜트로의 정광유입량)은 약 547톤/일이었드며 습식제련을 거쳐 최종적으로 약 19/일톤 정도의 희토류혼합물을 생산할 것으로 추정하였다. 최종 생산물의 l kg 당 가격은 생산물 내 희토류 함량별 Adjusted trailing twelve months export value의 75% 기준으로 하여 24.6 USD/kg으로 평가되었다. PUG 플랜트에서의 희토류 회수율은 약 88%였으며 제련플랜트에서의 회수율은 약 90%로 추정되어 전체 회수율은 약 79%로 평가되었다. 해당 사업의 총 투자비 중 직접비는 약 3.4억 USD로 이 중 PUG 플랜트의 투자비가 약 0.45억 USD이었고 제련플랜트는 1.2억 USD여서 총 투자비 중 직접비의 30% 이상이 제련플랜트 투자에 소요되었다. 세부적으로 제련플랜트 관련 직접비 총액의 절반이상이 기계류 관련(초기 구매 및 설치 등)이었으며 1/4 정도가 토목구조 관련 비용이었다. 한편, 운영비의 경우 최종산출물 1 kg당 운영단가를 USD로 나타내었는데, 총 운영단가는 약 USD 9.8-21/kg이었으며 이 중 약 USD 7-15/kg이 제련플랜트 운영비로 평가되었다. 해당 운영비 중 대부분은 약품비로 소요되는 것으로 보이며 그 외 에너지나 인건비 등에 소요되었다.
BM 사업에서 원광(ROM: Run of Mine) 내 TREO 함량은 약 0.653% 정도일 것으로 보이며(0.4% Cut-off 가정), 원광 산출량 및 정광플랜트로의 광석유입량은 1,500톤/일로 추정되었다. 정광 생산량(=습식제련플랜트로의 정광유입량)은 약 547톤/일이었으며 이 중 375톤/일이 제련공정의 전단으로 생각되는 산침출공정에서 처리된다고 보고되었다. 이 후 습식제련을 거쳐 최종적으로 약 6/일톤 정도의 희토류혼합물이 생산될 것으로 추정되었다. 최종 생산물의 l kg 당 가격은 생산물 내 희토류 산화물 함량별 Metal-pages three-year trailing FOB China Price를 산정하여 총 100 USD/kg으로 평가하였다.
해당 사업의 총 투자비 중 직접비는 약 1.35억 USD로 이 중 약 절반 정도가 Process(정광+제련) 플랜트 투자비로 지출되었다. 자료에는 명시되어 있지 않지만 침출 회수 시설 투자 등에 소요되는 투자비를 바탕으로 제련플랜트 직접비를 추정해보면 대략 0.5억 USD 정도로 보인다. 한편, 운영비의 경우 최종산출물 1 kg당 운영단가를 USD로 환산하면, 총 운영단가는 약 USD 30.7/kg으로 산정되며 이 중 절반을 약간 하회하는 USD 13.7/kg 정도가 정광 및 제련플랜트 운영비로 쓰인다고 보고되었다. 투자비의 경우와 마찬가지로 제련플랜트 만의 운영비도 명시되어 있지는 않은데 다른 사업비의 운영비 구성을 고려하면 제련플랜트만의 운영비는 대략 USD 9–11/kg 정도일 것으로 추정된다.
BR 사업에서 원광(ROM: Run of Mine) 내 총 TREO 함량은 약 0.68%이며 채광량은 6,993톤/일, Beneficiation 플랜트로의 원광 유입량은 약 1,600톤/일로 추정되었다. 정광 생산량(=습식제련플랜트로의 처리량)은 약 46톤/일이었으며 습식제련을 거쳐 최종적으로 약 8.5/일톤 정도의 희토류혼합물을 생산할 것으로 추정하였다. 최종 생산물의 l kg 단가는 당시 희토류혼함물(TREO)의 Basket Price를 참조하여 A$ 119/kg(혹은 US$ 89/kg)으로 평가하였으며, 최종 산물 내 주 성분인 Dysprosium은 별도로 A$ 912/kg으로 산정하였다. 참고로 해당 사업의 광상 내 Dysprosium 성분의 비율은 전체 희토류 성분의 약 8.79%를 차지하였다(TREO 0.15% cut-off 기준). 정광을 생산하는 Beneficiation 플랜트에서의 희토류 회수율은 약 91%였으며 제련플랜트에서의 회수율은 약 91%로 추정되어 전체 회수율은 약 84%로 평가되었다. 해당 사업의 총 투자비 중 직접비는 약 A$ 2.4억으로 이 중 beneficiation 플랜트의 투자비가 약 A$ 0.56억 USD, 제련플랜트는 약 A$ 0.49억여서 총 투자비 중 직접비의 20% 정도가 제련플랜트 투자에 소요된 것으로 보인다. 한편, 운영비의 경우 해당 사업에서는 최종산출물 중 Dysprosium 1 kg당 운영단가를 A$로 나타내었는데, 제련 플랜트의 운영단가는 약 A$ 137/kg Dy이었으며 이는 전체 운영단가의 약 1/3 정도에 해당한다.
No 사업에서 원광 내 총 TREO 함량은 약 3%이며, 채광량은 약 2.1만톤/일, Beneficiation 플랜트로의 광석 유입량은 약 2,455톤/일로 추정되었다. 정광 생산량(=습식제련플랜트로의 처리량)은 약 803톤/일이었으며 제련을 거쳐 최종적으로 약 37톤/일 정도의 희토류혼합물과 약 201톤/일의 인화합물을 생산할 것으로 추정하였다. 최종 생산물의 l kg 단가는 당시 TREO 혼합물의 Basket Price를 참조하여 A$ 130/kg(혹은 US$ 89/kg)으로 평가하였으며, 최종 산물 내 주 성분인 Dysprosium은 별도로 산정하였다. 해당 사업의 총 투자비 중 직접비는 약 A$ 7.4억으로 이 중 beneficiation 플랜트의 투자비가 약 A$ 0.42억 USD로 평가되었고, 제련(Extraction & Separation)플랜트는 약 A$ 3.3억이여서 총 투자비 중 직접비의 45% 정도가 제련플랜트 투자에 소요된 것으로 보인다. 한편, 운영비의 경우 최종산출물 중 TREO 1 kg당 운영단가를 A$로 나타내었는데, 제련 플랜트의 운영단가는 약 A$ 9.53/kg(Chlor-Alkali가 없는 경우 A$ 12.25/kg)이었으며, 이는 전체 운영단가의 대략 절반에 해당된다.
SH 사업의 경우 원광(ROM) 내 TREO 함량은 약 1.16%(정확히 평균 head TREO grade) 정도이며, 광석 채광량은 4058톤/일로 추정되었으며(총 ROM 채광량은 약 1.3만톤/일), 정광 생산량은 약 259톤/일이다. 이 후 습식제련을 거쳐 최종적으로 약 16톤/일 정도의 희토류탄산염 혼합물이 생산될 것으로 추정되었다. 참고로 상기 혼합물은 타 지역 제련소에서 성분별 분리공정 등을 거쳐 개별 희토류 산화물로 전환된 후 판매된다. 이 때문에 해당 사업에서는 최종 생산물의 l kg 단가를 두 단계로 구분하여 산정하였는데, 먼저 최종 탄산염 혼합물에 함유된 희토류를 산화물로 가정하여 Basket 가격을 계산한 후 각 성분별 탄산염을 해당 Basket 가격의 73% 수준으로 전제하여 다시 계산하였다. 그 결과 해당 사업지역에서 최종 생산된 희토류탄산염 혼합물의 가격을 US$ 23.7/kg–28.34/kg로 평가하였다. 해당 사업의 총 투자비 중 직접비는 약 2.43억 USD로 보이며 정광+제련 플랜트 투자비는 약 US$ 1.5억로 평가되었다. 여기서 제련 플랜트 투자비는 명시되지는 않았지만 다른 사업의 경우를 참조해 보면 대략 US$ 0.8–1.2억 정도로 생각된다(참고로 후술할 그래프에서는 1억으로 가정). 한편, 운영비의 경우 최종산출물 1 kg당 운영단가를 USD로 환산하면, 총 운영단가는 약 USD 30.1/kg으로 평가되었으며, 이 중 절반을 약간 하회하는 USD 13.8/kg 정도가 제련플랜트 운영비로 쓰인다고 보고되었다(참고로 Beneficiation 플랜트는 $10.2.kg).
SL 사업에서 원광 내 TREO 함량은 약 0.9%이며 채광량은 약 1.78만톤/일이며 이 중 맥석과 저품위 광석 등을 제외한 정광 플랜트로의 광석 유입량은 약 1만톤/일로 추정되었다. 정광 생산량(=습식제련플랜트로의 처리량)은 약 523톤/일이었으며 습식제련을 거쳐 최종적으로 약 50톤/일 정도의 희토류혼합물을 생산할 것으로 추정하였다. 최종 생산물의 l kg 당 가격은 성분별 산화물의 가격을 함량에 곱한 값의 총합을 계산하였으며 약 US$ 73/kg정도로 평가되었다. 해당 사업의 총 투자비 중 직접비는 약 C$ 10억으로 이 중 제련(직접침출, 습식제련용 급수 및 Separation & refinery 포함)플랜트의 투자비는 직접비의 35%인 약 C$ 3.5억으로 추정되었다, 참고로 정광(Beneficiation 및 부선) 플랜트의 투자비는 약 C$ 1.27억 정도였다. 한편, 운영비의 경우 최종산출물 1 kg당 운영단가를 C$로 나타내었는데, 제련 플랜트의 운영단가는 약 C$ 21/kg이었으며 이는 전체 운영단가의 1/3 정도이다.
3.2. 용량-비용 곡선 도출 및 분석
일반적으로 플랜트 시설 및 장비는 용량이 증가하면 당연히 가격(투자비)도 상승하지만 그 상승추세가 선형적이지는 않다. 대체로 용량이 증가할 수록 가격상승 추세는 감소하는 경향을 보인다. 일반적으로 플랜트 용량(X)-비용(Y) 간의 연관관계를 나타내는 비용곡선은 대체로 Y ∝Xa과 같이 표현된다1). 다만, 최근 문헌에 따르면 희토류 광산 사업의 경우에는 단위 시간당 최종 생산물 중량과 비용 간에 상관관계가 보다 명확하여 본 연구도 이러한 방식을 따르기로 하였다3). 특히 해당 문헌에서 연간 희토류화합물 회수량 당 총 운영단가도 일정한 비선형적 곡선을 따라 감소함을 나타내었는데. 본 연구에서는 해당 연구의 연장선상에서 해당 문헌에서 다루지 않았던 최근 희토류 제련플랜트의 비용 추세도 해당 연구의 추세를 따르는지 조사하였다. 이를 위해서는 각 플랜트 관련 문헌 데이터를 토대로 용량과 비용을 상호 합리적으로 그리고 상호 비교가능한 값으로 맞춰야 한다. 이를 위해 캐나다(C$) 및 호주(A$)의 화폐단위는 모두 미국 달러(USD 혹은 $)로 환산하였다(C$ 1=$ 0.72; A$ 1=$ 0.68로 가정). 또한 최종 생산물량은 TREO 함량 기준 tonne/day로 통일하였다.
Fig. 1은 ROM 채광량(흑색 파선 및 사각형 표식), (물리적) 전처리 플랜트로 유입되는 정광 처리량(적색 점선 및 X 표식) 및 제련플랜트로의 정광 주입량(적색 실선 및 원형 표식)을 최종 생산량에 대해서 도시한 것이다. 그 결과 각 광산에서 최종 생산량이 증가할 경우 채광량, 정광처리량 및 정광유입량이 대체로 증가하는 추세를 보이며 채광량 및 정광처리량 관련 추세선이 양의 기울기를 가지는 직선 형태를 갖는 것으로 나타났다. 이는 최종생산물의 증가에 다른 채광량 및 정광처리량의 증가 추세가 어느 정도 선형 함수로 표현이 된다고 볼 수 있다. 참고로 2개 추세선에 대한 결정계수는 0.6-0.7 범위를 나타내었다. 참고로, 정광유입량은 0.2 정도였는데 이는 데이터가 주어진 선형함수와 불일치하기 때문이 주된 이유이지만 결정계수의 특성상 기울기가 낮으면 결정계수도 낮아지는 경향을 보이는 이유도 있다. 만약 어느 정도 오차를 감안하여 3개의 추세선을 각 처리량의 대표값으로 전제한다면 채광량의 대략 1/3 정도가 광석으로서 파분쇄 및 선별 등 정광처리공정에 유입되며, 광석의 10% 정도가 정광으로 생산되어 제련공정으로 유입된다고 볼 수 있다. 그리고 마지막으로 최종생산물의 양은 대략 정광의 1/16 정도로 산정된다.
Fig. 2는 각 사업별 직접투자비(Direct Capex: 흑색 파선 및 사각형 표식), 직접비 중 제련 플랜트 투자비(적색 실선 및 원형 표식) 및 전처리 플랜트 투자비(적색 점선 및 X 표식)를 최종 생산량에 대해서 도시한 것이다. 그 결과, 각 광산에서 최종 생산량이 증가함에 따라 직접비, 제련플랜트 투자비 및 전처리플랜트 투자비가 모두 증가하였으며 그 추세선은 지수함수의 형태를 나타내었다. 특히 직접비와 제련플랜트 투자비 관련 지수함수 기반 추세선 결정계수는 0.9 혹은 그 이상을 나타내어 명확한 상관관계를 보였다. 또한 각 지수함수에 포함된 지수를 살펴보면 직접비 혹은 전처리 플랜트 투자비 곡선의 경우 각각의 지수가 1 보다 훨씬 작은데, 이는 규모의 경제로 인해 최종생산량이 증가할수록, 관련 투자비의 증가추세는 점진적으로 낮아진다고 보여진다.
반면, 제련플랜트 투자비 추세선의 지수함수를 보면 거의 선형에 가까운 형태를 지니고 있다. 이는 최종생산량 증가에 따라 제련플랜트 투자비가 선형적으로 증가하고 있음을 의미하며, 흥미롭게도 최종생산량 대비 투자비용 단가가 최종 생산량이 증가할수록 낮아지지 않고 거의 일정함을 암시한다. 또한, 제련플랜트 투자비 추세선의 지수가 직접비 및 전처리 플랜트 투자비의 지수값에 비해 높은데 이는 최종생산량이 높은 사업일수록 투자비에서 제련플랜트 투자비가 차지하는 비율이 높은 반면 전처리 플랜트의 투자비는 상대적으로 낮을 수 있다고 보여진다. 이러한 특이한 경향은 아마도 채광량/정광 및 최종 생산량 증가에 따른 불순물 제거나 분리 공정의 다양화 혹은 복잡화에 따른 부담이 규모의 경제 효과를 상쇄시키기 때문으로 보이나 이에 관련된 명확한 원인 및 분석은 향후 연구에서 다루면 좋을 것이다.
이러한 특이한 경향은 Fig. 3에 도시된 최종생산량과 제련플랜트 운영단가의 상관관계에서도 나타났다. 해당 그래프의 수평 X 축은 Figs. 1-2과 마찬가지로 최종생산량을 나타내며 수직축은 최종생산량 kg 당 운영비 즉 운영단가를 의미한다. 그래프 내 데이터 및 추세선은 각 사업별 총 운영단가(흑색 파선 및 사각형 표식), 제련 플랜트 운영단가(적색 실선 및 원형 표식) 및 전처리 플랜트 운영단가(적색 점선 및 X 표식)를 최종 생산량에 대해 도시한 것이다. 비록 결정계수가 낮아 단정지을 수는 없지만, 총 운영단가 및 전처리 플랜트 운영단가는 최종생산량의 증가에 따라 지수함수 기반 비선형적(지수는 -0.2에서 -0.3)으로 감소하는 경향을 보인다. 이 값은 기존 문헌에 비하면 약간 높은 수치이며. 이는 기존 문헌의 운영비 곡선에서는 운영비가 상대적으로 저렴한 저개발 지역 내 대용량 사업이 다수 포함된 반면 본 문헌에서 다루는 사업 지역이 (저용량이기도 한) SH 사업을 제외하면(말라위) 모두 운영비가 높은 미국/캐나다/호주 지역이기 때문일 것이다. 이를 감안해도, 규모의 경제 원리에 따라 생산량을 높이면 운영단가는 다소 감소되는 것이 일반적이나, 제련플랜트 운영단가의 경우는 지수함수를 따르지 않고 오히려 기울기가 거의 0에 가까운 선형식에 근사하고 있는데, 이는 제련플랜트의 운영단가가 규모의 경제를 따르지 않는다는 점을 암시한다. 그 이유는 향후 보다 상세한 분석이 요구되겠지만 투자비의 경우와 마찬가지로 (1) 처리량 및 생산량의 증대에 따른 공정 다양성 및 복잡성의 증대 혹은 (2) 제련플랜트 운영비 중 상당부분을 차지하는 약품비 등이 처리량과 정비례함 등이 이유로 보여진다.
본 연구에서 수행한 비용분석의 데이터는 주로 사업의 타당성 검토를 위한 추정자료로 실제 비용과는 5%–30% 정도 범위의 오차를 포함할 수 있다. 따라서 추후 연구에서는 당연히 설치 및 운영 중에 실제 투입 비용을 토대로 해당 추정 비용을 검증해야 할 것이다. 또한, 본 연구에서 지적한 대로 다양한 사업 혹은 처리량/생산량에 따른 제련 플랜트의 투자비 및 운영단가가 어떤 세부요소를 포함하고 있으며 어떤 식으로 구성되는지 제련 플랜트 관련 세부 비용구조 분석을 수행하는 방안을 고려할 만 하다. 또한, 최종 생산물인 희토류 혼합물의 가격 추정 및 그에 따른 경제성 평가(매출 등) 기법도 개선되어 하는데 이는 희토류 혼합물이 다양한 성분으로 구성되어 있으며 이는 성분별로 가격이 다양하다. 또한 이러한 가격이 공급망 및 수요처에 따라 시기별로 큰 차이를 보이기 때문에 주의를 필요로 한다.
4. 결 론
본 연구에서는 6개의 해외 희토류 광산 사업을 대상으로 타당성 검토 자료 기반으로 각 사업의 비용 곡선을 도출하였다. 먼저, 비용 분석 결과 최종 생산량 6–50 톤/일의 범위 내에서 총 CAPEX 중 적접비는 USD 기준 1.3억~7.2억불이었으며 이 중 제련 플랜트 직접 CAPEX는 0.3억불~2.5억불 정도였다. 한편, 총 OPEX 단가는 12~31불/kg이었으며 이중 제련 플랜트 OPEX 단가는 6.1~15.1불/kg이었다. 광산/정광 및 최종 산물의 각 단계별 생산량 간의 상관관계를 보면, 최종 생산량이 증가함에 따라 채광량, 정광처리량 및 정광유입량이 어느 정도 선형적으로 증가하는 추세를 보였다. 해당 선형 추세선들을 바탕으로 전반적으로 채광량의 대략 1/3 정도가 광석으로 파분쇄 및 선별 등 정광생산을 위한 전처리공정에 유입되고, 생산된 정광은 유입광석의 대략 10% 정도인 것으로 보였다. 이 후 정광은 제련공정으로 유입되고 제련을 통해 발생된 최종생산물(희토류 혼합물)의 양은 대략 정광의 1/16 정도인 것으로 관측되었다.
투자비 측면에서도 최종 생산량이 증가함에 따라 직접비, 제련플랜트 투자비 및 전처리플랜트 투자비가 모두 증가하였는데 그 추세선은 비교적 명확한 지수함수의 형태를 나타내었다. 직접비 혹은 전처리 플랜트 투자비 곡선을 보면 용량 증대에 따른 투자단가 감소 즉 규모의 경제효과가 발생하였으나 제련플랜트 투자비 추세선의 지수함수는 거의 선형에 가까운 형태를 지니고 있어 최종생산량 대비 제련관련 투자비용 단가가 거의 일정한 것으로 보인다. 특이한 경향은 최종생산량와 제련플랜트 운영단가의 상관관계에서도 관측되었는데, 본 연구에서 다루는 사업에서는 해당 제련플랜트 운영단가와 최종생산량 간에 상관관계가 매우 미약한 것으로 나타났다. 그 이유는 향후 보다 상세한 분석이 요구되겠지만 투자비의 경우와 마찬가지로 처리량 및 생산량의 증대에 따른 공정 다양성 및 복잡성의 증대 혹은 제련플랜트 운영비 중 상당부분을 차지하는 약품비 등이 처리량과 비례하기 때문일 것으로 판단된다. 향후에는 사업 별 현장 모니터링을 통한 상기 추정 비용의 검증과 더불어, 각 비용의 세부 구조 및 최종 희토류 혼합물의 비용 변동에 따른 경제성 평가 기법 개발이 필요할 것으로 보인다.
