바이오차 (Biochar) 란?

바이오차(Biochar)란?

바이오차는 지속 가능한 농업과 기후 변화 완화 분야에서 주목받고 있는 물질입니다. 이는 열분해라는 특별한 과정을 통해 유기물로부터 생산되는 일종의 숯입니다. 요리에 사용되는 일반 숯과 달리, 바이오차는 토양에 첨가되어 토양 건강을 개선하고 장기간 탄소를 저장하도록 특별히 설계되었습니다. 이 물질은 우리가 직면한 가장 시급한 환경 문제 중 일부를 해결하는 새로운 접근 방식을 제공합니다.

 

숯

 

바이오차의 정의와 생산 방법

바이오차는 산소가 제한된 환경에서 바이오매스의 열화학적 변환을 통해 얻어지는 고체 물질로 정의됩니다. 쉽게 말해, 목재, 작물 잔류물, 심지어 분뇨와 같은 유기 물질을 완전히 연소시키지 않고 가열할 때 남는 것입니다. 이 과정을 열분해라고 하며, 산소가 거의 또는 전혀 없는 상태에서 고온에서 진행됩니다. 바이오차 생산에는 여러 방법이 있지만, 가장 일반적인 방법은 가스화를 통한 것입니다. 이 과정은 산화, 건조, 열분해, 환원의 네 가지 주요 단계로 구성됩니다. 열분해 중 온도는 일반적으로 250℃에서 550℃ 사이이며, 환원 영역은 600℃에서 800℃까지 도달할 수 있고, 연소 영역은 1,000℃까지 올라갈 수 있습니다. 바이오차의 수율과 품질은 사용된 바이오매스의 종류, 온도, 공정 시간 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 일반적으로 높은 온도에서는 바이오차는 적게 생산되지만 바이오오일과 합성가스는 더 많이 생산되며, 낮은 온도에서는 바이오차 생산이 유리합니다. 높은 온도와 짧은 시간에 이루어지는 급속 열분해는 일반적으로 20%의 바이오차, 60%의 바이오오일, 20%의 합성가스를 생산합니다. 반면, 저속 열분해는 최대 35%의 바이오차를 생산할 수 있습니다. 바이오차 생산은 대규모 산업 공정에만 국한되지 않습니다. 개발도상국의 소규모 농민들은 간단한 방법을 사용하여 자체적으로 바이오차를 생산할 수 있습니다. 이러한 방법 중 하나는 "하향식 연소" 또는 "보존 연소"라고 불리는 방법으로, 농민들이 작물 폐기물을 쌓아 올린 후 위에서부터 불을 붙이고 나서 재를 흙이나 물로 소화시켜 바이오차를 만듭니다. 이 방법은 전통적인 작물 폐기물 연소 방식에 비해 연기를 크게 줄일 수 있습니다.

 

바이오차의 특성과 구조

바이오차의 특성은 토양 개선 등 다양한 응용 분야에서 가치 있는 물질로 만듭니다. 그 구조와 특성은 생산 과정과 원료로 사용된 바이오매스의 종류에 따라 영향을 받습니다. 바이오차의 가장 주목할 만한 특징 중 하나는 고도로 다공성인 구조입니다. 이러한 다공성은 바이오차에 엄청나게 큰 표면적을 제공하며, 이는 많은 유익한 특성의 핵심입니다. 바이오차의 기공은 나노미터에서 마이크로미터까지 다양한 크기로 존재하여, 물과 영양분을 보유하고 유익한 토양 미생물의 서식지를 제공하는 복잡한 구조를 형성합니다. 화학적으로 바이오차는 주로 탄소로 구성되어 있으며, 원료에 따라 소량의 수소, 산소 및 기타 원소를 포함합니다. 바이오차의 탄소는 대부분 안정적인 방향족 형태로 존재하여 분해에 저항성이 있습니다. 이러한 안정성 덕분에 바이오차는 수백 년 또는 수천 년 동안 토양에 남아있을 수 있습니다. 바이오차 입자의 표면은 종종 카르복실기, 수산기, 페놀기 등 다양한 작용기로 덮여 있습니다. 이러한 작용기들은 바이오차가 토양 성분과 상호작용할 수 있게 해 주며, 영양분 보유와 토양 pH에 영향을 미칩니다. 이러한 작용기의 특정 조합은 생산 조건에 따라 달라지며 다양한 토양 요구 사항에 맞게 조정될 수 있습니다. 바이오차의 또 다른 중요한 특성은 높은 양이온 교환 용량(CEC)입니다. 이 특성으로 인해 바이오차는 칼륨, 칼슘, 마그네슘과 같은 양전하를 띤 영양소를 보유할 수 있어 비로 인해 씻겨 내려가는 것을 방지합니다. 이러한 영양분 보유 능력은 바이오차가 토양 비옥도를 향상할 수 있는 이유 중 하나입니다. 바이오차는 또한 광물질 토양에 비해 낮은 용적 밀도를 가지고 있어, 무거운 점토 토양에 혼합될 때 토양 구조와 통기성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 물을 보유하는 능력은 가뭄에 취약한 모래 토양에서 특히 유용할 수 있습니다.

 

바이오차의 토양 개선 효과

바이오차가 토양 건강과 비옥도에 미치는 영향은 광범위한 연구의 대상이 되어왔으며, 농업 및 환경 응용 분야에서 다양한 이점을 보여주고 있습니다. 토양에 첨가되면 바이오차는 토양 특성을 크게 개선하여 식물 성장과 작물 수확량을 향상할 수 있습니다. 바이오차의 주요 이점 중 하나는 토양의 수분 보유 능력을 증가시키는 것입니다. 바이오차 입자의 다공성 구조는 스펀지처럼 물을 보유할 수 있어, 필요에 따라 식물 뿌리에 천천히 방출합니다. 이 특성은 가뭄에 취약한 지역이나 수분 보유 능력이 낮은 모래 토양에서 특히 가치가 있습니다. 수분 보유력을 향상함으로써 바이오차는 관개 필요성을 줄이고 식물이 건조한 기간을 견딜 수 있도록 도와줍니다. 바이오차는 또한 토양의 영양분 보유력을 향상합니다. 높은 양이온 교환 용량으로 인해 필수 식물 영양소를 보유할 수 있어, 빗물이나 관개로 인해 유실되는 것을 방지합니다. 이는 식물에 대한 영양분 가용성을 개선할 뿐만 아니라 빈번한 비료 사용의 필요성을 주요 더 지속 가능하고 비용 효율적인 농업 방식으로 이어집니다. 토양에 바이오차를 첨가하면 토양 pH를 조절하는 데도 도움이 될 수 있습니다. 많은 바이오차는 약간 알칼리성 pH를 가지고 있어 산성 토양에 유익할 수 있습니다. 산성 토양의 pH를 높임으로써 바이오차는 영양분 가용성을 개선하고 식물 성장과 토양 미생물에 더 유리한 환경을 조성할 수 있습니다. 바이오차는 유익한 토양 미생물의 훌륭한 서식지 역할을 합니다. 다공성 구조는 박테리아, 곰팡이 및 기타 미생물이 번성할 수 있는 보호된 환경을 제공합니다. 이러한 미생물들은 영양분 순환, 유기물 분해, 식물 건강에 중요한 역할을 합니다. 다양하고 활발한 토양 미생물 군집을 육성함으로써 바이오차는 전반적인 토양 건강과 비옥도에 기여할 수 있습니다. 연구에 따르면 바이오차는 이산화질소와 메탄과 같은 온실가스 토양 배출을 줄일 수 있습니다. 이 효과는 바이오차가 토양 통기성을 개선하고 이러한 배출에 관여하는 미생물 군집을 변화시키는 능력 때문입니다. 그러나 바이오차의 효과는 토양 유형, 기후. 사용된 바이오차의 특정 특성에 따라 달라질 수 있다는 점을 유의해야 합니다. 일부 경우에는 과도한 바이오차 적용이나 부적절한 유형의 사용이 토양 염도를 증가시키거나 토양 pH를 최적 수준 이상으로 변화시키는 등의 부정적인 효과를 가질 수 있습니다.

 

바이오차와 기후 변화 대응

바이오차는 기후변화 대응에 있어 유망한 도구로 부상하고 있으며, 탄소 격리와 온실가스 감축에 독특한 접근 방식을 제공합니다. 장기간 안정적인 형태로 탄소를 저장할 수 있는 잠재력은 기후변화 완화 전력에 매력적인 옵션으로 만듭니다. 바이오차를 만드는 과정 자체가 탄소 네거티브로 간주됩니다. 바이오매스가 자연적으로 분해될 때는 이산화탄소를 대기 중으로 다시 방출합니다. 그러나 바이오매스가 바이오차로 전환될 때, 그 탄소의 상당 부분이 수백 년에서 수천 년 동안 토양에 지속될 수 있는 안정적인 형태로 고정됩니다. 이 과정은 효과적으로 탄소를 단기 탄소 순환에서 제거하고 장기적이고 안정적인 형태로 저장합니다. 연구에 따르면 바이오차의 지속 가능한 사용은 연간 최대 18억 톤의 이산화탄소 등가물에 해당하는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소의 전 세계 순 배출량을 줄일 수 있습니다. 이는 다른 전략들과 결합될 때 특히 기후변화 완화를 위해 효과를 볼 수 있습니다. 바이오차의 기후 이점은 단순한 탄소 저장을 넘어섭니다. 토양에 적용될 때, 바이오차는 다른 강력한 온실가스의 배출량을 줄일 수 있습니다. 연구에 따르면 바이오차는 토양의 아산화질소 배출을 최대 80%까지 감소시킬 수 있으며, 일부 경우에는 메탄 배출을 완전히 제거할 수 있습니다. 이러한 가스들이 이산화탄소보다 훨씬 높은 지구 온난화 영향력을 가지고 있다는 점을 고려하며, 이들의 배출량을 줄이는 것은 전체 온실가스 수준에 상당히 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 게다가 바이오차는 토양 비옥도와 작물 수확량을 개선함으로써 간접적으로 기후변화 완화에 기여할 수 있습니다. 토양 생산성을 향상함으로써 바이오차는 생산 과정이 에너지 집약적이고 온실가스 배출에 기여하는 합성 비료의 필요성을 줄일 수 있습니다. 개선된 작물 수확량은 또한 산림과 기타 자연 생태계에 대한 압력을 줄여 이러한 중요한 탄소 흡수원을 보전하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 기후변화 완화 도구로서의 바이오차 잠재력은 국제 기후 정책 논의에서 인정받고 있습니다. 일부 국가들은 배출량 감축 목표를 달성하기 위한 국가 전략에 바이오차를 포함시키는 것을 검토하고 있습니다. 그러나 전 세계적으로 상당한 영향을 미칠 수 있는 수준까지 바이오차 생산과 적용을 확대하는 데는 여전히 어려움이 많습니다.