바이오인

탄소중립을 위한 「바이오차」

◈ 목차

◈본문

03. 바이오차 특성

바이오차(Biochar) 란?

바이오차는 바이오매스(Biomass)와 숯(Charcoal)의 합성어로, 바이오매스를 제한된 산소 조건에서 350℃ 이상에서 열분해를 통해 제조한 탄소 함량이 높은 고형물이다.

바이오차 정의

▶ 바이오차는 바이오매스(Biomass)와 숯(Charcoal)의 합성어로, 바이오매스를 제한된 산소 조건에서 350℃ 이상에서 열분해를 통해 제조한 탄소 함량이 높은 고형물을 말한다.

▶ 바이오차 내의 탄소는 안정된 형태의 구조로 재배열돼 토양에 투입해도 미생물 등에 의해 분해되지 않는다(Lehmann, 2007). 오랜 기간 탄소를 토양 속에 격리할 수 있어 기후변화 완화 기술로 최근 많은 주목을 받고 있다(그림 4).

바이오차 특성

▶ 열분해 온도가 증가할수록 수소와 산소가 소실되며, 상대적으로 탄소 함량이 증가하는데, 이는 불포화 탄소 비율의 증가를 의미한다. 이러한 경향은 O/C 비율과 H/C 비율의 감소로도 확인할 수 있고 바이오차 내 탄소의 안정도를 확인하는 척도로도 활용된다.

▶ 바이오차 pH 역시 열분해 온도에 큰 영향을 받는다. 열분해 온도가 높을수록 pH가 증가하고, pH 의존형 전하로 이어져 양이온치환용량 (Cation Exchange Capacity, CEC)도 높아진다.

04. 바이오차 효과 

바이오차 효과

바이오차는 토양 중 안전성에 기인하여 토양에 투입된 탄소원은 반영구적으로 토양 속에 격리할 수 있다. 또한 온실가스 배출을 줄이고, 토양 개량을 통한 작물 수확량 증대 효과가 있다.

토양 탄소 함량 증대

▶ 토양 탄소 측면에서, 작물 수확 후 남은 잔사를 토양에 투입하면 탄소원은 미생물에 의해 십여 년 이내에 분해되고 대기 중에 CO₂로 방출되어 탄소중립(Carbon neutral)으로 간주하지만, 바이오차 형태로 토양에 투입하면 탄소는 반영구적으로 토양에 잔류하게 되고 이는 네거티브피드백(Negative feedback)의 결과를 기대할 수 있다.

▶Woolf 등(2010)은 바이오매스를 바이오차로 변화하여 토양에 투입할 경우, 바이오매스의 종류와 수급, 수송 및 토양 탄소 손실, 바이오차의 분해 등을 종합적으로 고려했을 때, 연간 인간 활동으로 배출되는 탄소의 약 12%에 해당하는 0.21 Pg의 CO₂를 저장할 수 있다고 평가하였다.

아산화질소 배출 저감

▶ 주요 온실가스 중 하나인 아산화질소(N2O)의 지구온난화잠재력 (Global Warming Potential, GWP)이 CO₂의 265~310배이며, N₂O 농도는 산업화 이전 270ppb에서 2017년 330ppb로 증가하여 지구온난화 기여율이 6% 이상인 것으로 보고된다(WMO, 2018).

▶ 농경지 토양에 바이오차를 투입하면 토양 pH 증가로 N₂O 환원효소가 활성화되어 N₂O 배출이 감소하고, 토양의 통기성 개선, 암모늄태질소(NH₄⁺) 고정 등에 의해서도 N₂O 배출이 감소하는 것으로 알려져 있다.

▶ Baggs(2011)는 질소 투입함량이 많을수록 N₂O 배출은 증가한다고 하였다. 따라서 Lee 등(2021)은 토양내 질소 수지가 높은 동북아시아 국가(한국, 중국, 일본)에서 바이오차 투입에 따른 N₂O 감축 효과를 분석하였다.

- 196건의 연구 결과를 분석한 결과 평균 21.1±2.4% 감소하였고, 바이오차 생산온도(400℃ 이상)와 투입량 증가에 따라 감축 효과를 높아졌으며, 바이오차 1톤당 약 N₂O 배출은 1.2±0.9%의 감소되었다(그림 5).

작물 생산량 증진(토양 개량)

▶ 바이오차는 탄소, 질소, 수소, 칼륨, 마그네슘 등 다양한 원소로 구성되어 있어 작물 생육에 필요한 영양소를 공급할 수 있다. 또한 토양 내 탄소 함량 증진으로 토양의 이화학성과 생물학적 특성을 개선하여 작물 생육에 도움을 주는데, 척박한 토양에 투입하면 그 효과가 더 크다(El-Naggar 등., 2018).

▶ 바이오차가 무기태 질소를 흡착하면 수계 유출에 의한 손실을 줄이고 식물 뿌리에 공급되는 영양분이 천천히 방출될 수 있도록 완효성으로 비료를 공급하는 역할을 한다(Haider 등, 2017).

▶ Liu 등(2013)은 농경지 바이오차 투입에 따른 작물 생산성 평가 연구 880건을 메타분석한 결과 작물 생산성이 평균 11% 증가했다고 하였다. 바이오차 시용량에 따른 연구에서 40t/ha 이상 과량 투입 시에는 일부 작물의 생산성은 감소한 사례도 있다(그림 6).

05. 바이오차 실용화

바이오차 실용화

탄소중립을 위한 바이오차의 실용화체계 구축은 국가 온실가스 감축목표 달성을 위한 바이오차 활용 국가 공인 통계자료 확보 등의 기반을 구축하고, 현장에서 활용할 수 있고 안정적으로 공급하기 위한 원료 다양화, 비료공정규격 반영 등의 제도적 보완을 추진해야 한다.

바이오차 실용화

▶ 농업부문 탄소중립(2030 NDC 포함) 목표 달성을 위해 바이오차 보급 및 투입량에 대한 공인된 국가통계 확보가 필요하다.

- 확보된 통계자료를 활용하여 국제적으로 탄소 감축량을 인정받을 수 있고 국가온실가스 인벤토리 보고서에 반영하는 방안 마련이 중요하다.

▶ 바이오차의 원료를 현재의 목재 중심에서 가축분 등으로 원료 다양화를 통한 바이오차 시장규모 확대 및 활용 촉진이 필요하다.

- 가축분뇨 처리에 따른 온실가스, 양분 과잉 문제 해결을 위한 대안으로 바이오차 생산·이용 확대가 필요하다.

▶ 비료공정규격 및 사용 기준 마련으로 농업인의 활용 편이성 증진이 필요하다.

- 바이오차 제조사와 농업인의 혼란을 최소화하고, 탄소중립 정책 실현 수단으로의 바이오차 시장 활성화가 중요하다.

- 농경지 토양 개량 효과 검증 및 표준사용기준 설정으로 정부의 보급사업의 공급량 산정과 토양개량제 지원사업에 포함될 수 있도록 해야 한다.

▶ 사업화 모델 개발 및 정책사업 추진으로 안정적 바이오차 공급체계를 구축해야 한다.

- 탄소중립 효과와 연계, 현장 적용 사업화 모델 개발 및 정책사업 확대 시스템 구축이 필요하다

바이오차 시장 전망

▶ 국제사회에서도 기후변화 완화를 위한 새로운 소재로 바이오차를 인정하고 있어 향후 활용 가치가 높아질 것으로 전망된다. 바이오차의 시장규모에 대한 평가 보고서(Transparency market research, 2021)에 따르면 바이오차는 연간 15.4% 성장하고, 그 가치는 2031년까지 약 63억 달러를 넘어설 것으로 전망하고 있다(그림 7).

▶ ‘탄소중립’은 쉽지 않은 도전이지만 미래세대를 위한 우리의 책임이다. 쉽지 않은 도전에 바이오차는 새로운 대안이 될 것이라고 믿는다.

▶ 바이오차에 대한 국민과 농업인의 관심은 연구 확대와 농업적 활용에 기폭제가 될 것이다.

...................(계속)

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