바이오인

바이오차를 이용한 온실가스 배출 저감

◈ 목차

1. 서론

2. 바이오차의 개념 및 정의

3. 바이오차 적용 사례

  3.1. 농경지 토양 적용을 통한 탄소고정

  3.2. 퇴비화 시 메탄 발생 저감

  3.3. 혐기소화조의 효율 향상을 위한 바이오차 주입

4. 해결 과제와 향후 전망

◈본문

요약문

식물이 흡수한 이산화탄소는 광합성을 통해 식물조직에 탄소로 고정된다. 이러한 식물을 수확하 여 토양에 살포하면 일부는 토양에 고정되지만, 대부분 미생물에 의해 분해되어 이산화탄소가 발 생하므로 탄소중립이 된다. 그러나 식물을 열분해해 바이오차(biochar)로 만들면 미생물이 잘 이 용할 수 없는 안정화된 탄소 형태로 전환되고, 이것을 토양에 살포하면 식물이 흡수한 이산화탄 소의 약 20% 정도가 고정탄소 형태로 오랜 기간 토양에 보존되므로 탄소 네거티브라고 볼 수 있 다. 본 리포트에서는 이러한 특성을 갖는 바이오차를 이용한 온실가스 배출 저감 사례에 대해 살 펴보고, 향후 필요한 연구와 전망에 대해 논의하고자 한다.

1. 서론

 2015 년 체결된 파리기후협약을 이행하기 위해 전 세계가 온실가스 배출 저감을 위한 노력을 하고 있다. EU, 미국, 일본은 2050 년까지 탄소중립을 목표로 하고 있으며, 중국은 2060 년을 목표 로 하고 있다. 우리나라도 2050 년까지 탄소중립을 목표로 2030 년까지 국가 온실가스 배출량을 2018 년 대비 40% 감축하는 것을 목표로 제시했고, 이러한 목표 달성을 위해 최근 기후테크 산업 을 육성하기로 결정하고 2030 년까지 145 조 원의 예산을 투자할 것이라고 발표했다.

 파리기후협약 협정 당사국은 자율적으로 온실가스 감축 목표를 정하고, 이를 5 년마다 상향 조 정해야 한다. 온실가스 배출을 감축할 수 있는 방법은 크게 온실가스 배출 저감과 탄소고정화로 나눌 수 있다. 이 중에서 농지 토양에서의 탄소고정은 토질 개선과 탄소고정을 통한 온실가스 배 출 저감이라는 목적을 동시에 달성할 수 있어 과학계 및 사회의 관심을 받아왔다.

 과거에는 볏짚을 농경지에 탄소원으로 공급(straw return)하여 식물에 존재하는 탄소를 토양에 고정했으나, 볏짚의 탄소는 안정된 형태가 아니어서 미생물이 이용한 후 이산화탄소를 대기로 배 출하기 때문에 이 방법으로는 많은 양의 탄소고정을 기대하기 어렵다. 그러나 바이오차(biochar) 와 같이 바이오매스로부터 만들어진 안정화된 형태의 탄소는 미생물이 이용하지 못하므로 이산 화탄소를 배출하지 않아 탄소중립을 실현할 수 있다. 다시 말해 바이오매스에 존재하는 탄소를 열분해를 통해 바이오차에 고정하고 바이오차를 토양에 살포하면 100 년 이상 고정탄소의 형태로 보존된다. 바이오차에 고정된 탄소의 일부가 분해되더라도 장기간 토양에 보존되는 탄소는 식물 이 흡수한 이산화탄소의 약 20% 정도이므로 바이오차의 토양 살포는 탄소 네거티브라고 볼 수 있다. 바이오차는 최초에는 기후변화 저감 방법으로 인정받지 못했으나, 2021 년 기후변화에 관 한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC) 6 차 보고서에서 바이오차, 토양 탄소격리(soil carbon sequestration; SCS) 기술이 추가되면서 지금은 탄소저장 기술로 인정받 고 있다.

 본 리포트에서는 바이오차와 관련된 용어 정의에 대해 살펴보고, 바이오차를 이용한 탄소고정 및 온실가스 배출 저감 사례를 소개하고자 한다. 적용 사례를 통해 바이오차 적용 확대를 위해 해 결해야 하는 제한사항과 향후 전망에 관해 논의할 예정이다.

2. 바이오차의 개념 및 정의

 바이오차는 산소가 제한된 환경에서 바이오매스의 열화학적 전환으로 생성되는 탄소가 풍부한 고형물질로 정의하며, 바이오매스(biomass)와 차콜(charcoal)의 합성어이다. 일반적으로 바이오차 는 pyrochar(pyrogenic biochar, 발열성 바이오차)와 하이드로차(hydrochar)로 구분한다. 하이드로 차는 350℃ 이하의 상대적으로 낮은 온도의 수열 조건에서 바이오매스를 탄화(습윤 열분해)하는 것이고, 반대로 300℃ 이상의 상대적으로 높은 온도에서 탄화(건조 열분해)하여 생성된 물질을 pyrochar 라고 한다. 아직까지 명확하게 정의된 것은 아니지만, 일반적으로 바이오차는 pyrochar 를 의미한다. 이외에도 가스화(gasification)와 반탄화(torrefaction)로도 바이오차를 만들 수 있고, 이 렇게 만들어진 바이오차는 pyrochar 와 유사한 특성을 보인다.

 바이오차는 탄소를 고정하는 능력 이외에 오염물질 흡착 능력이 우수하고, 높은 고정탄소 함량 으로 발열량이 높아서 열원으로도 이용할 수 있다. 이러한 특성을 갖는 바이오차가 대표적인 열 원인 석탄 및 오염물질 흡착능이 우수한 활성탄과는 어떤 차이가 있는지에 대해서도 살펴볼 필 요가 있다. 바이오차와 석탄, 활성탄은 모두 발열성 탄소 성분(pyrogenic carbonaceous materials; PCMs)이라는 공통점이 있기 때문에 원소 구성과 화학결합이 유사하지만, 각각의 특징과 사용 방 법의 차이가 존재한다. 석탄은 탄화된 나무로 정의되며, 주로 산업부문에서 연료나 환원제로 사용 된다. 석탄은 오염물질을 흡착하는 능력이 있다. 그러나 석탄의 표면에는 이미 유기물질이 흡착되 어 있었으며, 이것을 제거하여 석탄 표면의 작용기를 활성화(active)시킨 것을 활성탄(activated carbon)이라고 한다. 마지막으로 바이오차는 토양개량제와 같이 산화되지 않는 목적으로 이용되는 것 을 말하며, 만약 바이오차가 연료로 사용되어 이산화탄소로 산화된다면 이것은 엄밀하게는 석탄 으로 분류되어야 한다. 또한 활성탄은 다양한 탄소 물질(화석연료, 폐기물 등)로 만들어지는 반면, 바이오차는 식물이나 슬러지와 같은 바이오매스로부터 생산된다는 차이도 있다.

 바이오차의 특성은 고정탄소 함량이 높고 연소 잔류물(ash)이 적다는 특징이 있다. 바이오차를 만드는 재료에 따라, 그리고 바이오차 생산 공정과 조건에 따라 최종 생성된 바이오차의 특성은 다양하며, 원료 및 생산 조건에 따른 바이오차의 특징은 참고문헌 6, 7 에서 확인할 수 있다.

3. 바이오차 적용 사례

3.1. 농경지 토양 적용을 통한 탄소고정

 바이오매스가 탄화되면서 탄소의 일부는 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄 등으로 분해되고, 또 다 른 일부는 다환방향족 구조(polyaromatic structure)를 갖는 탄소 덩어리를 형성한다. 다환방향족 구 조의 탄소는 생물학적, 무생물학적 분해에 저항성이 있으므로 탄소고정 효과가 크다. 일반적으로 탄화 온도가 높고 반응시간이 길수록 잘 분해되지 않는 유기탄소 비율이 높아진다. 바이오차에는 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 유기탄소(labile organic carbon)도 존재하며, 이러한 탄소 성분은 토 양의 물리적, 화학적, 생물학적 반응에 관여한다. 일반적으로 pyrochar 보다는 하이드로차에 미생 물이 이용할 수 있는 유기탄소 비율이 높다.

 토양에 바이오차가 투입되면 바이오차의 에이징이 시작되면서 부분적으로 산화되고, 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 유기탄소가 바이오차에서 배출되면서 토양에 탄소와 영양분(질소)을 공급해 단기간에 토양미생물의 성장을 촉진한다. 일반적으로 토양 및 미생물 성장에 필요한 C/N 비(탄소 와 질소의 비율)는 바이오차의 C/N 비보다 낮기 때문에, 바이오차가 토양으로 유입되면 미생물들 은 이용 가능한 유기탄소를 섭취해 성장을 촉진시킨 후 토양유기물과 질소까지도 섭취한다. 바이 오차의 이러한 효과는 토질을 개선하는 데 도움이 되지만 바이오차를 이용한 탄소고정은 감소하 기 때문에 토양미생물의 성장을 단기간에 촉진하는 것은 최소화해야 한다. 따라서 하이드로차와 같이 미생물이 이용할 수 있는 유기탄소가 많을 때에는 유기탄소를 흡착할 수 있는 pyrochar 또 는 질소비료와 혼합해 C/N 비를 토양과 유사한 수준으로 낮추는 것이 탄소고정의 관점에서는 바 람직하다.

 바이오매스를 바이오차로 전환하면 이들이 분해되거나 연소되지 않는 한 바이오매스보다 온실 가스 배출은 감소한다. 그러나 바이오차 생산 시 및 토양 투입 후 일산화탄소, 메탄, NOx, 다환방 향족탄화수소와 같은 유해한 온실가스가 다량으로 발생하므로 이를 고려하지 않으면 바이오차에 의한 탄소고정은 과대평가될 수 있다. 바이오차는 C/N 비가 크기 때문에 바이오차의 질소 성분은 쉽게 분해되고, 이 과정에서 아산화질소 전구물질(NH3, HCN, HNCO, NO)이 발생한다. 특히, 가축 분뇨나 하수슬러지와 같이 질소가 풍부한 바이오매스를 탄화할 때 이러한 전구물질이 더 많이 발 생한다. 바이오차 생산 시 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 조치로, 질소가 풍부한 바이오매스 는 C/N 비가 낮은 하이드로차로 전환하여 질소고정 효과를 증대시키고, 생산된 바이오차를 세척 하거나 에이징하여 미생물이 쉽게 이용 가능한 탄소와 질소를 제거하는 것도 바이오차의 토양 주 입에 따른 아산화질소와 메탄 배출을 저감하는 방법으로 제안되었다. 또한 바이오차를 토양에 투 입할 때 탄소고정 효과를 최대화하고 온실가스 배출을 최소화할 수 있는 적절한 배합 비율을 결 정하는 것도 대안이 될 수 있다.

3.2. 퇴비화 시 메탄 발생 저감

 전 세계 온실가스와 메탄의 3 분의 1 은 농업부문에서 발생하며, 이 중 축산에서 인위적인 메탄 이 가장 많이 발생한다. 캘리포니아와 같이 밀집형 사육시설(concentrated animal feeding operation; CAFO)을 운영하는 축산농가에서 배출되는 메탄은 가축분뇨 메탄 발생량의 25%를 차지한다. 메탄 배출 감축 조약에 따라 캘리포니아도 2030 년까지 2014 년 메탄 배출량 대비 40%를 감축해 야 하며, 이를 위해 혐기소화조 도입을 결정했다. 그러나 혐기소화조 건설에 많은 비용이 소요되 고, 혐기소화 후 잔류하는 고형물 처리 시 여전히 메탄과 이산화탄소가 배출된다. 따라서 가축분 뇨를 바이오차와 함께 퇴비화하는 방안이 제안되었다.

 우분을 바이오차와 혼합 및 혼합하지 않고 퇴비화했을 때의 온실가스 배출량을 비교한 결과, 각각의 온실가스 배출량은 표 1 과 같다. 바이오차를 혼합하여 가축분뇨를 퇴비화하면 메탄과 이 산화탄소의 경우 그렇지 않았을 때보다 각각 84%, 38% 감소한다. 바이오차는 수분함량이 매우 적 어서 가축분뇨와 혼합하면 수분함량이 크게 감소하고, 바이오차에 의해 통기성이 향상되어 호기 조건이 형성되므로 메탄 발생이 감소한다. 또한 바이오차에는 미생물이 이용할 수 있는 유기탄소 (labile organic carbon)가 원래의 바이오매스보다 적기 때문에 메탄의 발생이 감소하는 것도 하나 의 이유가 될 수 있다. 게다가 생성된 메탄을 흡착하여 대기로 배출되는 양이 감소하는 바이오차 의 흡착 특징도 메탄 배출 저감의 주요한 기작이다. 아산화질소의 경우, 바이오차와 혼합한 퇴비 화에서 더 많이 발생했지만, 발생량이 매우 적기 때문에 전체적인 온실가스 배출에는 큰 영향을 미치지 않는다.

표 1. 우분 퇴비화 시 온실가스 배출량 비교

 이러한 실험 결과를 바탕으로 1 톤의 가축분뇨(건조 기준)를 바이오차와 혼합 및 혼합하지 않 고 퇴비화했을 때 온실가스 배출량을 비교하면 표 2 와 같다. 가축분뇨 1 톤(건조 기준)을 아무런 처리도 하지 않고 농경지에 살포하면 온실가스(100year GWP 기준)가 172kg CO2 가 발생하는데, 여기에 가축분뇨에 존재하는 탄소 중 일부가 토양에 고정되는 양을 제외하면 102kg CO2가 대기 로 배출된다. 그러나 가축분뇨를 퇴비화하면 -194kg CO2의 탄소 네거티브 효과가 있고, 가축분뇨 를 바이오차와 함께 퇴비화하면 온실가스 감축량은 -535kg CO2 이고, 이는 가축분뇨를 농경지에 바로 살포하는 것에 대비하여 -637kg CO2의 배출 저감효과를 기대할 수 있다.

표 2. 1톤의 가축분뇨(건조 기준) 퇴비화 시 온실가스 배출량 비교(단위: kg CO2e)

 결론적으로, 가축분뇨와 바이오차를 혼합하여 퇴비화하면, 축산부문에서 발생하는 메탄 발생량 을 저감하면서 가축분뇨도 관리할 수 있고, 토양을 통한 탄소고정도 가능하다. 여기에 추가적으로 농업폐기물, 가축분뇨, 하수슬러지 등으로 바이오차를 생산하면 처리가 어려운 폐기물을 효과적 으로 관리하고, 바이오차 생산 시 발생하는 가스 등의 부산물로 열이나 전기도 생산할 수 있으므 로 다양한 환경적, 경제적 편익을 기대할 수 있다.

...................(계속)

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