바이오차는 바이오매스를 이용하여 산소가 없는 환경에서 열분해할 때 만들어지는 탄소함량이 높은 고체 물질이다. 바이오차의 탄소격리, 재생 에너지, 폐기물 관리, 농업 생산성 개선, 환경복원 관점에서의 중요한 기능으로 인해 최근에 크게 주목을 받고 있다. 바이오차는 토양에서 수천 년간 안정적으로 보존될 수 있기 때문에, 결국에는 분해될 수 밖에 없어 탄소중립이라 불리는 바이오매스 에너지와는 달리 탄소 네가티브의 특징을 가지고 있다. 게다가 바이오차를 토양에 적용하면 바이오차의 높은 pH와 물 및 영양분의 우수한 보유능으로 인해 농업 생산성이 크게 개선될 수 있다. 본 논문은 바이오차의 탄소격리 원리와 물리화학적 특징, 농업 및 환경에의 적용과 관련된 최근의 연구 동향을 총설하여 기술하고자 한다.
바이오차는 바이오매스를 이용하여 산소가 없는 환경에서 열분해할 때 만들어지는 탄소함량이 높은 고체 물질이다. 바이오차의 탄소격리, 재생 에너지, 폐기물 관리, 농업 생산성 개선, 환경복원 관점에서의 중요한 기능으로 인해 최근에 크게 주목을 받고 있다. 바이오차는 토양에서 수천 년간 안정적으로 보존될 수 있기 때문에, 결국에는 분해될 수 밖에 없어 탄소중립이라 불리는 바이오매스 에너지와는 달리 탄소 네가티브의 특징을 가지고 있다. 게다가 바이오차를 토양에 적용하면 바이오차의 높은 pH와 물 및 영양분의 우수한 보유능으로 인해 농업 생산성이 크게 개선될 수 있다. 본 논문은 바이오차의 탄소격리 원리와 물리화학적 특징, 농업 및 환경에의 적용과 관련된 최근의 연구 동향을 총설하여 기술하고자 한다.
Biochar is charred materials generated during pyrolysis processes in the absence of oxygen using biomass, resulting in high carbon contents. In recent years, biochar has attracted more increasingly due to its potential role in carbon sequestration, renewable energy, waste management, soil amendment ...
Biochar is charred materials generated during pyrolysis processes in the absence of oxygen using biomass, resulting in high carbon contents. In recent years, biochar has attracted more increasingly due to its potential role in carbon sequestration, renewable energy, waste management, soil amendment for agricultural use, and environmental remediation. Since biochar has a long-term stability in soil for thousands of years, biochar can be carbon negative compared to carbon-neutral biomass energy that decomposes eventually. Moreover, when biochar is applied to soil, crop production can be largely improved due to its high pH and its superior ability to retain water and nutrients. This paper review the research trends of biochar including the principles of carbon sequestration by biochar, its physico-chemical properties, and its applications on agricultural and environmental area.
Biochar is charred materials generated during pyrolysis processes in the absence of oxygen using biomass, resulting in high carbon contents. In recent years, biochar has attracted more increasingly due to its potential role in carbon sequestration, renewable energy, waste management, soil amendment for agricultural use, and environmental remediation. Since biochar has a long-term stability in soil for thousands of years, biochar can be carbon negative compared to carbon-neutral biomass energy that decomposes eventually. Moreover, when biochar is applied to soil, crop production can be largely improved due to its high pH and its superior ability to retain water and nutrients. This paper review the research trends of biochar including the principles of carbon sequestration by biochar, its physico-chemical properties, and its applications on agricultural and environmental area.
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문제 정의
특히 주목할 만한 것은 탄소격리 이슈의 중요성으로 인해 2006년 이후 지금까지 바이오차 관련된 논문이 Nature 및 Science에만 약 10여 편 정도 발표되고 있다는 점이다. 따라서 본 논문에서는 바이오차 연구의 역사와 중요성, 바이오차의 생산과 물리화학적 특성, 토양에서의 변화와 농작물 경작에 미치는 영향 등에 관해 총괄적으로 기술하고자 한다.
가설 설정
최근에는 점화효과(priming effect, 바이오차 첨가가 다른 유기물의 이산화탄소 배출에 미치는 영향)에 대한 연구도 많이 진행되고 있다[7]. 두 번째로는 바이오차 생산과정에서 발생하는 기체(바이오가스)와 액체(바이오오일)는 에너지원으로 사용될 수 있다는 것이다. 특히 바이오가스는 바이오차 제조에 필요한 에너지원으로 활용될 수 있어, 고온으로 올리는데 필요한 에너지 필요량을 해소할 수 있다.
제안 방법
이 시나리오에서는 바이오매스의 종류, 원료의 이용가능성, 수송 및 토양 탄소 손실, 바이오차의 분해 등을 고려하였다. 바이오차 생산 대신 바이오매스를 에너지로 사용할 경우와 비교하고, 농지의 수준과 에너지 밀도의 영향을 검토하였다. 결과적으로 바이오차가 바이오매스를 에너지로 사용하는 경우보다 탄소 저감율이 높으며, 지구의 탄소 함량을 12% 저감할 수 있는 것으로 예측하였다.
즉, (1) 기후변화 대응, (2) 에너지 생산, (3) 토양 개량, (4) 폐기물 관리 측면에서 볼 수 있다(Figure 2). 우선, 기후변화 측면에서는 대기중의 이산화탄소를 바이오차의 형태로 고정화하여 토양에 되돌려 넣음으로써 탄소 순환의 속도를 느리게 하고, 오랜 세월동안 이산화탄소 배출을 억제할 수 있다는 원리에 기초한다. 다른 한편으로는 바이오차를 적용함에 따라 이산화탄소보다 기후변화에 영향이 큰 메탄과 아산화질소의 배출량도 저감할 수 있다는 보고도 있다[5,6].
[14]이 바이오차의 지속가능성에 대한 지구적 탄소저감 시나리오를 종합적으로 발표한 바 있다(Figure 4). 이 시나리오에서는 바이오매스의 종류, 원료의 이용가능성, 수송 및 토양 탄소 손실, 바이오차의 분해 등을 고려하였다. 바이오차 생산 대신 바이오매스를 에너지로 사용할 경우와 비교하고, 농지의 수준과 에너지 밀도의 영향을 검토하였다.
성능/효과
바이오차 첨가에 의한 미생물, 바이오차, 토양, 화학물질 들의 상호 관계에 대한 Luo et al.[44]의 설명에 의하면 바이오차의 첨가에 의해 미생물 성장이 증가하는 이유는 크게 1) 바이오차로부터 공급되는 탄소 및 영양분의 증가, 2) 바이오차에 의해 제공되는 보다 유리한 미세 환경의 존재, 3) 특히 낮은 pH 토양의 경우, pH 증가를 통한 Al, Mn의 독성 감소와 용존성 영양분의 증가에 있는 것으로 보았다.
바이오차 생산 대신 바이오매스를 에너지로 사용할 경우와 비교하고, 농지의 수준과 에너지 밀도의 영향을 검토하였다. 결과적으로 바이오차가 바이오매스를 에너지로 사용하는 경우보다 탄소 저감율이 높으며, 지구의 탄소 함량을 12% 저감할 수 있는 것으로 예측하였다.
바이오매스의 주요 성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌에 대해 TGA (thermogravimetric analyzer) 분석을 한 결과 220 ℃에서 헤미셀룰로오스의 분해가 시작되어 315 ℃에 대부분 분해되었다. 그러나 셀룰로오스의 경우는 315 ℃ 이후에 분해가 시작되어 400 ℃까지 분해가 되었고, 리그닌은 160 ℃에 분해가 시작되어 900 ℃까지 지속적으로 천천히 분해가 되면서도 약 40% 정도는 그대로 남아 있는 것을 볼 수 있었다[31].
이러한 결과로부터 작물 생산성을 증가시키는 주요 기작은 pH 개량과 물 유지 능력에 있는 것으로 볼 수 있다. 작물 생산성을 가장 증가시킨 그룹 중 하나는 토양 적용량을 100 t/ha 이상일 때로 39% 향상 결과를 보였다. 한편 바이오차의 원료는 작물 생산성에 큰 영향을 미쳤는데, 가금류 폐기물로 만들 경우는 28% 향상, 슬러지로 만든 경우는 -28%로 오히려 가장 안 좋은 결과를 보였다.
이것이 가능한 이유는 바이오차의 안정성에 기인하는데 바이오차는 미생물 분해에 대해 강한 저항성을 가지고 오랜 세월 (수천 년까지) 동안 토양 내에 존재할 수 있기 때문이다. 전체적으로 보면 초기 바이오매스가 가지고 있는 탄소의 약 20%를 토양 속으로 바이오차의 형태로 격리시킬 수 있다.
[56]은 관련된 연구 16편에서 처리기준으로 177건에 대해 메타분석을 실시하여 그 영향을 조사하였다[56]. 최종 결과는 아주 크지는 않지만 통계적으로 유의미한 것으로 평균 10% 생산성 증가(-28%에서 +39%)를 보였다. 특히 생산성 증가를 보여준 조건으로는 산성 토양(14%), 중성 토양(13%), 큰 입자의 토양(10%), 중간 크기 입자의 토양(13%)이었다.
작물 생산성을 가장 증가시킨 그룹 중 하나는 토양 적용량을 100 t/ha 이상일 때로 39% 향상 결과를 보였다. 한편 바이오차의 원료는 작물 생산성에 큰 영향을 미쳤는데, 가금류 폐기물로 만들 경우는 28% 향상, 슬러지로 만든 경우는 -28%로 오히려 가장 안 좋은 결과를 보였다. 가금류 폐기물은 풍부한 질소를 함유하기 때문인 것으로 생각이 되나, 슬러지의 경우는 그 원인이 명확하지 않다.
후속연구
인류의 미래를 위협하는 기후변화 문제, 식량 문제, 날이 갈수록 심각해지는 에너지 문제, 주위에 넘쳐나는 유기성 폐기물의 문제, 물, 대기, 토양의 심각한 환경오염의 문제들과 밀접하게 관련이 있는 바이오차의 특성은 이를 어떻게 효율적으로 생산하고, 현명하게 시스템적으로 구성하여 활용하느냐에 따라 그 효용성이 결정된다고 할 수 있다. 이를 위해서는 1) 사회, 환경, 경제적 효용성을 기준으로 하는 효과적인 바이오매스 원료 확보 방안의 탐색, 2) 다양한 바이오매스를 원료로 하여 생산되는 바이오차의 특성 규명, 3) 효율적이고 경제적인 바이오차, 바이오에너지, 바이오가스의 생산방법 및 스케쥴링 연구, 4) 생산물의 다양한 응용분야(농업, 환경, 에너지 등) 발굴, 5) 원료에서 응용까지 유기적이고 종합적인 고려를 통한 효용성 극대화와 같은 연구 분야를 지속적으로 발굴하고 추진해야 할 필요가 있을 것이다.
가금류 폐기물은 풍부한 질소를 함유하기 때문인 것으로 생각이 되나, 슬러지의 경우는 그 원인이 명확하지 않다. 지금까지는 보통 1, 2년 정도의 결과들이며, 장기적인 효과에 대한 연구결과가 쌓여야 보다 정확한 해석이 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오차는 무엇인가?
바이오차는 바이오매스를 이용하여 산소가 없는 환경에서 열분해할 때 만들어지는 탄소함량이 높은 고체 물질이다. 바이오차의 탄소격리, 재생 에너지, 폐기물 관리, 농업 생산성 개선, 환경복원 관점에서의 중요한 기능으로 인해 최근에 크게 주목을 받고 있다.
바이오차가 탄소 네가티브의 특징을 가지는 이유는 무엇인가?
바이오차의 탄소격리, 재생 에너지, 폐기물 관리, 농업 생산성 개선, 환경복원 관점에서의 중요한 기능으로 인해 최근에 크게 주목을 받고 있다. 바이오차는 토양에서 수천 년간 안정적으로 보존될 수 있기 때문에, 결국에는 분해될 수 밖에 없어 탄소중립이라 불리는 바이오매스 에너지와는 달리 탄소 네가티브의 특징을 가지고 있다. 게다가 바이오차를 토양에 적용하면 바이오차의 높은 pH와 물 및 영양분의 우수한 보유능으로 인해 농업 생산성이 크게 개선될 수 있다.
바이오차는 농업 생산성 증가와 탄소격리에 있어서의 중요성을 포함하여 연구와 활용의 필요가 있는 4가지 측면은 무엇인가?
바이오차는 농업 생산성 증가와 탄소격리에 있어서의 중요성을 포함하여 4가지 측면에서 연구와 활용의 필요성을 가지고 있다[4]. 즉, (1) 기후변화 대응, (2) 에너지 생산, (3) 토양 개량, (4) 폐기물 관리 측면에서 볼 수 있다(Figure 2). 우선, 기후변화 측면에서는 대기중의 이산화탄소를 바이오차의 형태로 고정화하여 토양에 되돌려 넣음으로써 탄소 순환의 속도를 느리게 하고, 오랜 세월동안 이산화탄소 배출을 억제할 수 있다는 원리에 기초한다.
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