Introduction
Materials and Methods
열분해온도에 따른 바이오차 특성 분석
생산단계 에너지 재사용에 따른 왕겨 바이오차 CO2 순격리량 평가
Results and Discussion
열분해 온도에 따른 왕겨 바이오차 특성
생산단계 에너지 재사용에 따른 왕겨 바이오차 CO2 순격리량 평가
Conclusions
Introduction
기후위기에 대응한 국제적인 탄소중립 선언에 부응하여 우리나라는 2021년에 2050 탄소중립 추진전략을 세워 추진 중에 있다. 바이오차의 토양개량제 활용은 탄소중립 추진전략 중 하나이고, 농림축산식품부는 이 방법으로 2030년에 58천톤 CO2-eq (CO2equivalent, 여러 온실가스의 이산화탄소 환산량)의 탄소 격리를 목표로 설정하였다 (Mafra, 2021). 이를 위한 제도적 조건인 바이오차 비료공정규격 설정이 최근 이루어졌다 (RDA, 2024).
바이오차 CO2 순격리량은 100년이상 격리되는 바이오차의 유기탄소량에서 원료바이오매스 생산, 바이오차 생산ᆞ활용, 그리고 원료와 바이오차 제품의 운송 등에서 발생하는 온실가스 배출량을 차감한 값이다 (Zhu et al., 2022). 우리나라에서 농림부산물 등의 폐기물 바이오매스를 원료로 하고 왕복 200 km이내 지역에 활용한다고 할 때 국제적 방법론을 적용한 바이오차 CO2 순격리량은 생산단계에서의 온실가스 배출량에 크게 의존한다 (Han et al., 2023).
현재 우리나라 원료로 생산하여 활용하고 있는 대표적 농림부산물 바이오차는 왕겨 바이오차이다. 왕겨는 쌀생산의 2차 부산물로 볏짚 등의 1차 부산물에 비해 바이오차 생산을 위한 수집과 관리가 편리하다 (Zhu et al., 2022). 또 왕겨 바이오차는 토양개량 효과와 작물에 대한 적정 시용량에 대한 연구가 우리나라에서 가장 많이 이루어지기도 하였다 (Han et al., 2014; Park et al., 2021; Kim et al., 2022). 만약 생산단계에서 에너지 소모를 최소화하여 왕겨 바이오차 CO2 순격리량을 높인다면, 토양개량으로 얻는 농업적 이익과 더불어 탄소중립 전략의 추진목표를 달성하는데 매우 효과적인 바이오차라 할 수 있다.
바이오차 생산단계에서 바이오매스의 전처리, 열분해, 후처리 등은 에너지 투입이 필요하다. 이 과정에서 에너지 소모량이 클수록 환산된 온실가스 배출량은 커지게 되고 바이오차 CO2 순격리량은 줄어들게 된다 (Iglinski et al., 2023). 유럽바이오차인증 (The European Biochar Certificate, EBC) 기준은 저탄소 열분해 설비에서 에너지 효율성을 매우 중요하게 다루고 있고, EBC 생산시설인증을 위해 폐열회수 70% 이상의 조건을 만족할 것을 요구한다 (EBC, 2023). 또한 바이오차 생산시설을 태양열 등 재생에너지로 100% 활용하여 바이오차 CO2 순격리량을 최대화하려는 시도도 이루어지고 있다 (Iglinski et al., 2023). 따라서 본 연구는 우리나라에서 바이오차를 활용한 CO2 격리 목표의 효율적 달성에 기여하고자 왕겨 바이오차를 생산하는 과정에서 재생에너지 사용여부 또는 열에너지 재사용 비율에 따른 바이오차 CO2 순격리량을 평가하였다.
Materials and Methods
열분해온도에 따른 바이오차 특성 분석
왕겨 열분해 온도에 따른 바이오차 생산 수율, H/C 몰 비율, pH 등의 특성을 살펴보기 위해 튜브형 전기 회화로 (T-530, CEBER, Korea)를 활용하여 400°C, 500°C, 600°C에서 1시간동안 열분해를 실시하였다. 이 때 튜브내로 아르곤 가스를 0.3 - 0.4 L min-1의 속도로 투입하여 산소가 없는 조건을 만들었다. 열분해 후 바이오차의 중량을 재고, 원소분석기 (Flash 2000, ThermoFisher Scientific, USA)를 활용하여 총 C, N, H의 함량을 분석하였다. pH 분석은 부피기준으로 바이오차와 증류수를 1:5로 혼합하여 30분 진탕 후 pH 측정기 (SevenCompactTM pH/Ion S220, Mettler-Toledo, Switzerland)로 측정하였다. 이때 국내에서 시판되는 왕겨 바이오차를 함께 분석하였다. 시판 왕겨 바이오차는 TLUD (top-lit-up draft gasifier) 연소생산시스템에서 약 4시간 30분 동안 500 - 650°C 정도의 온도에서 직접탄화과정을 거친 후 생산한다 (Yougi Ind. Co., 2019).
생산단계 에너지 재사용에 따른 왕겨 바이오차 CO2 순격리량 평가
우리나라 2023년 논벼 왕겨생산량을 산정하고, 산정된 왕겨생산량의 10%를 바이오차로 생산하는 동안 재생에너지 사용여부와 열에너지 재사용 비율에 따른 왕겨 바이오차 CO2 순격리량을 산정하였다. 여기서 바이오차 생산시 열분해온도는 Zhu et al. (2022)이 농림부산물 바이오차 생산의 최적 열분해 온도로 제안한 500°C로 가정하였다.
국내 시군별 건조 왕겨생산량은 2023년 시군별 논벼 조곡 생산량 (KOSIS, 2023)과 Park (1999)의 벼 왕겨함량 및 왕겨수분함량을 활용하여 산정하였다.
열분해온도 500°C에서 왕겨 바이오차 생산단계 중 소모되는 전기 및 열 에너지는 Yahya et al. (2021)의 연구에서 제시된 값을 기준 값으로 활용하였다. Yahya et al. (2021) 연구는 대추야자 폐기물 바이오매스 (date palm waste biomass)를 활용하여 열분해온도 500°C 에서 바이오차를 생산할 때 소모하는 전기 및 열 에너지를 제시하고 있다. 바이오차 생산단계 중 전기에너지 소모는 열분해설비운용, 원료 파쇄 등 전처리에서 일어나고 열에너지 소모는 원료의 건조, 열분해설비 예열, 열분해 등에서 일어난다. 만약 소모되는 에너지가 재생에너지 또는 재사용된 열에너지라면 온실가스 배출량에서 제외된다. 소모된 에너지가 같다면 재생에너지 또는 재사용된 열에너지의 비율에 따라 바이오차의 순격리탄소량이 달라지게 된다. 본 연구에서는 소모되는 에너지의 100%를 재생에너지로 사용, 열에너지 70% 재사용, 열에너지 35% 재사용, 에너지 재사용 없음 (0%)으로 구분하여 바이오차 CO2 순격리량 변화를 분석하였다.
생산단계에서 바이오차 톤당 온실가스 배출량 (PE, kg CO2-eq ton-1 biochar) 은 먼저 화석연료기반 에너지 소모량 (Ef, kWh ton-1 biomass) 에 전력배출계수 (Ee)를 곱하여 온실가스 배출량으로 환산한 후 500°C 열분해온도에서 왕겨 바이오차 생산수율 (Y, ton biochar ton-1 biomass)을 나누어 산출하였다 (PE = Ef × Ee / Y). 이때 전력배출계수 (Ee)는 2022년 1월 기준의 0.4781 kg CO2-eq kWh-1를 활용하였다 (EG-TIPS, 2022).
토양에서 왕겨 바이오차 톤당 100년 격리 유기탄소량 (OC100, kg CO2-eq ton-1 biochar)은 바이오차의 유기탄소함량 (BOC, kg C ton-1 biochar)과 열분해온도 500°C에서 IPCC (2019) 영속성 계수 (Fp) 0.8과 탄소-이산화탄소 환산인자 44/12를 곱하여 산출하였다 (OC100 = BOC × Fp × 44 / 12).
왕겨 바이오차의 톤당 100년 CO2 순격리량 (Net OC100, kg CO2-eq ton-1 biochar)은 왕겨 바이오차 100년 격리 유기탄소량 (OC100, kg CO2-eq ton-1 biochar)에 생산단계 온실가스배출량 (PE, kg CO2-eq ton-1 biochar)을 차감하여 계산하였다 (Net OC100 = OC100 – PE). 이 때 원료 및 바이오차 제품의 운송, 바이오차 토양처리시 에너지 사용에 따른 온실가스 배출량은 무시할 만큼 작다고 가정하였다.
시군별 왕겨생산량과 생산된 왕겨 10 %를 바이오차로 생산시 바이오차 생산량, 그리고 생산단계 재생에너지 사용여부 및 열에너지 재사용 비율에 따른 CO2 순격리량을 QGIS ver. 3.28.15를 이용하여 지도로 표현하였다.
Results and Discussion
열분해 온도에 따른 왕겨 바이오차 특성
토양개량제로 토양에 투입한 바이오차 중 유기탄소가 100년 이상 분해되지 않고 남아있는 양은 생산수율, 탄소함량, H/C 몰 비율 등에 좌우된다 (IPCC, 2019). 열분해 온도별 왕겨 바이오차 특성은 Table 1에 나타나 있다. 생산수율은 단위중량당 원료 바이오매스로 생산되는 바이오차 중량으로 생산수율이 높을수록 경제성이 높다 할 수 있다. 왕겨 바이오차 생산수율은 열분해 온도가 높을수록 작아졌는데, 600°C가 400°C보다 10% 작게 나타났다. 바이오차 탄소함량은 열분해전 왕겨탄소함량 39%에 비해 10%이상 높아진 52 - 55%를 나타내었으며 열분해 온도가 높을수록 높아지는 경향을 보였다. 생산수율과 탄소함량이 높을수록 원료 바이오매스 단위 중량당 생산된 왕겨바이오차 유기탄소함량이 높아진다. 그러나 왕겨바이오차 유기탄소 중 100년 이상 분해되지 않고 남아있는 비율인 영속성 인자는 H/C 몰 비율이 작을수록 커지며 국제적 바이오차 탄소배출권 방법론에서 제시하는 기준은 0.7이하이다 (Han et al., 2023). Table 1은 왕겨바이오차 생산 열분해 온도가 높을수록 H/C 몰 비율이 작아지는 것을 보여준다. 특히, 열분해 온도 400°C에서 왕겨바이오차 H/C 몰 비율은 0.75로 기준값 0.7보다 높았으며 500°C 이상에서는 0.7보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 Karam et al. (2022)에서 제시한 왕겨 바이오차의 H/C 몰비율이 450°C 이상에서 기준값 0.7이하와 유사하였다. 시판되는 왕겨 바이오차의 몰비율은 0.52로 0.7보다 낮았다. 이는 시판 왕겨바이오차의 열분해 방식인 TLUD 연소생산방식이 500°C 이상이기 때문으로 판단된다. 따라서 국제적 탄소배출권 방법론의 H/C 몰 비율의 기준을 만족하면서 바이오차 생산수율이 상대적으로 높은 열분해온도는 500°C라고 판단할 수 있었다.
Table 1.
The characteristics of lab-made rice husk biochar with different pyrolysis temperatures and commercial rice husk biochar.
| Rice husk biochar | Yield (%) | C (%) | N (%) | H (%) | H/C molar ratio | pH (1:5H2O) | |
| Lab-made | 400°C | 52.7 ± 1.91 | 52.4 ± 0.5 | 0.59 ± 0.02 | 3.4 ± 0.3 | 0.75 ± 0.05 | 9.2 ± 0.2 |
| 500°C | 47.1 ± 1.3 | 52.8 ± 0.6 | 0.58 ± 0.02 | 2.7 ± 0.04 | 0.61 ± 0.01 | 9.5 ± 0.2 | |
| 600°C | 43.4 ± 0.8 | 54.9 ± 0.5 | 0.53 ± 0.05 | 2.1 ± 0.2 | 0.45 ± 0.04 | 10.1 ± 0.1 | |
| Commercial | NA2 | 54.5 ± 0.7 | 0.79 ± 0.07 | 2.4 ± 0.1 | 0.52 ± 0.02 | 9.8 ± 0.2 | |
왕겨바이오차 pH는 9.2 - 10.1로 알칼리성을 나타내었으며 탄소함량과 같이 열분해 온도가 높을수록 pH가 높았다. 알칼리성의 바이오차는 산성토양에서는 바이오차 시용으로 pH를 높이는 개량효과를 기대할 수 있다. 그러나 알칼리성 토양에서는 활용이 제한되는데, 바이오차 pH가 높을수록 더 크게 제한될 수 있다 (Han et al., 2023).
바이오차로 전환되지 않은 왕겨의 내외피는 규소로 치밀하게 피복되어 있어 분해되거나 부식화되기 어려운 특성이 있다. 이 특성 때문에 왕겨가 축산시설의 깔개로 사용된 후나 퇴비의 혼합재 등으로 토양에 투입될 시 미부숙 상태로 누적되어 불량한 토양환경을 유발할 수 있다 (Park, 1999). 반면 열분해를 거친 왕겨 바이오차는 다공성 구조로 물과 양분의 보유 등 다양한 토양기능에 기여할 수 있다 (Asadi et al., 2021). 이러한 토양기능에 대한 바이오차의 기여 정도는 열분해 온도에 따라 차이가 있을 수 있다. Karam et al. (2022)는 500°C 열분해 온도에서 왕겨 바이오차가 벌집모양의 구조로 변하며 표면에 많은 공극이 형성되는 반면 그보다 낮은 온도에서는 공극발달이 적고 650°C 이상에서는 벌집모양의 패턴이 파괴된다고 보고하였다. Zhu et al. (2022)은 100년 이상 격리할 수 있는 바이오차 유기탄소의 안정성 확보와 바이오차 생산수율, 생산공정에서 에너지 소모량 등을 고려할 때 농림부산물의 적정 열분해 온도는 500°C로 제안하였다. 본 연구 결과에서도 열분해온도 500°C에서 생산된 바이오차가 H/C 몰 비율 0.7 이하를 만족하면서 생산수율이 높고 pH가 상대적으로 낮으며 탄소함량은 비료공정규격 40% 이상을 만족하였다.
생산단계 에너지 재사용에 따른 왕겨 바이오차 CO2 순격리량 평가
우리나라 2023년 논벼 왕겨생산량은 80만톤으로 산정되었다 (Fig. 1a). 시군별로 볼 때, 당진시, 서산시, 해남군이 20천톤이 넘었고 김제시, 익산시가 18천톤, 상주시, 영암군, 정읍시, 군산시, 고창군, 화성시, 경주시, 논산시, 나주시, 예산군, 부안군이 12 - 15천톤을 나타냈다. 인천광역시, 철원군, 서천군, 고흥군, 남원시, 평택시, 예천군, 부여군, 의성군, 아산시, 홍성군, 태안군, 영광군, 청주시가 9 - 11천톤을 나타냈다. 이 상위 30개 시군의 왕겨생산량이 총생산량의 약 50%인 40 만톤에 해당하였다. 왕겨 10%를 바이오차로 생산시 왕겨 바이오차 총 생산량은 37천톤이었으며 상위 30개 시군의 합은 총 생산량의 약 50%인 19 천톤에 해당하였다 (Fig. 1b).
왕겨 바이오차 생산에 소모되는 에너지 사용특성에 따른 CO2 순격리량의 변화를 Table 2와 Fig. 2에 나타내었다. 왕겨 바이오차 생산에는 느린 열분해, 빠른 열분해, 가스화 등의 공정이 있고 열분해 설비, 즉 반응기 특성이 다양하게 존재한다 (Prakongkep et al., 2013). 각 생산공정과 반응기 특성에 따른 에너지 소모량 데이터베이스 구축은 바이오차 CO2 순격리량 평가에 필수적이다. 현재로서는 왕겨 바이오차 생산시 에너지 소모량에 대한 데이터베이스가 없어 본 연구는 Yahya et al. (2021)가 500°C 열분해 대추야자 폐기물 바이오차에 대해 제공한 값을 활용하였다. 이 대추야자 폐기물의 수분함량은 9%로 10%의 왕겨 수분함량 (Park, 1999)와 유사한 특성을 가지고 있어 원료 건조 등에 소요되는 에너지량도 유사하다고 추정할 수 있었다. 바이오차 생산단계에서 전기에너지는 열분해설비 운용과 분쇄 등과 같은 전처리에서 소모되는데, 이 중 분쇄 등 전처리는 왕겨에서 생략되므로 전처리 에너지 사용량은 제외하였다 (Table 2). 바이오차 생산단계에서 열에너지는 폐열회수 시스템을 통해 재사용될 수 있다. 그리고 태양열 등 재생에너지와 폐열회수로 재사용된열에너지에 대해서는 온실가스 배출량이 0으로 산정된다 (Han et al., 2023). 이를 반영한 결과, 바이오차 톤당 온실가스 배출량은 열에너지 재사용 70, 35, 0%에서 각각 462, 779, 1089 kg CO2-eq ton-1 biochar로 높아졌다 (Table 2).
Table 2.
Net CO2 removal of rice husk biochar with different renewable energy percent at 500°C pyrolysis temperature using energy consumption values referred from Yahya et al. (2021).
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Biochar production energy and calculation of net CO2 removal by soil-amended biochar | Yahya et al. (2021) | Rice husk biochar | ||||
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RE1 0% |
RET2 35% |
RET 70% |
RE 100% | |||
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Energy consumption in the production stage (kWh ton-1 biomass) | A. Electrical | 240 | 200 | 200 | 200 | 0 |
| 1. Operation of pyrolysis unit | 200 | 200 | 200 | 200 | 0 | |
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2. Pre-processing (grinding, etc.) | 40 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
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B. Thermal (drying, pre-heating, pyrolysis) | 873 | 873 | 567 | 262 | 0 | |
| Total energy | 1,113 | 1,073 | 767 | 462 | 0 | |
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Estimated CO2 removal (kg CO2-eq ton-1 biochar) | Org Cover100 in soil | 1,550 | 1,550 | 1,550 | 1,550 | |
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GHG emission in the production stage | 1,089 | 779 | 469 | 0 | ||
| Net CO2 removal | 461 | 771 | 1,081 | 1,550 | ||
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Total net Gg CO2-eq removal of soil-amended biochar using 10% of rice husk produced in Korean city/county | 17 | 29 | 41 | 58 | ||
생산단계에 소모되는 에너지의 100%가 재생에너지 또는 회수된 폐열이라면 100년 격리 바이오차 유기탄소량이 CO2 순격리량이 된다. 이 조건에서 우리나라 총 왕겨생산량의 10%가 500°C 열분해로 바이오차 생산시 바이오차 CO2 순격리량은 본 연구에서 58천톤으로 산정되었다 (Table 2). 이는 Mafra (2021)의 바이오차 활용 2030년 탄소격리 목표에 해당한다. 그러나 바이오차 CO2 순격리량이 생산단계에 소모된 열에너지 중 70% 재사용은 41천톤, 열에너지 35% 재사용은 29천톤, 재생에너지 또는 열에너지 재사용이 없을 때는 17천톤으로 줄었다. 이 경향은 시군단위 바이오차 CO2 순격리량에서도 나타났다. 재생에너지 100% 사용의 Fig. 2a에서 CO2 순격리량 19천톤의 파란색을 나타내는 당진시가, 재생에너지 없이 열에너지 재사용 비율이 줄면서 차감되는 온실가스 배출량이 커져 에너지 재사용 0%의 Fig. 2d에서 5.5천톤의 매우 연한 초록으로 나타났다. Lefebvre et al. (2021)은 사탕수수 바이오차의 100년 격리 유기탄소량에서 전과정 온실가스 배출량을 차감하면서 바이오차 CO2 순격리량이 약 70% 수준으로 줄어듦을 보고하였다. 에너지 재사용을 통해 온실가스 배출량을 줄이려면 폐열회수시스템을 통한 열분해 효율 증진과 열분해부산물 활용 등이 가능한 대규모 열분해설비가 필요하다 (Zhu et al., 2022). 소규모 열분해설비의 경우, 열분해 부산물을 활용하지 못하고 독성화합물 배출에 의한 대기오염과 같은 부작용을 초래할 수 있다 (Zhu et al., 2022; Han et al., 2023).
요컨대, 왕겨 바이오차는 원료 수집이 편리하여 생산 및 보급이 유리하고, 토양개량효과가 높아 농가활용에 긍정적 측면이 있으며, 분쇄와 같은 전처리가 필요하지 않아 상대적으로 에너지 소모가 적어 CO2 순격리량을 높일 수 있다는 장점이 있다. 여기에 재생에너지 사용과 폐열회수 등 에너지 효율적 생산으로 CO2 순격리량을 최대화시킬 필요가 있다고 판단된다.
Fig. 2.
Estimated net carbon sequestration of soil-amended rice husk biochar at 500°C pyrolysis using 10% of total rice husk produced in Korean city/county with different production energy use. (a) Renewable energy 100% in total energy use, (b) Recovered heat 70% in total thermal energy use, (c) Recovered heat 35% in total thermal energy use, and (d) Renewable energy 0% in total energy use.
Conclusions
바이오차는 지구온난화를 유발하는 이산화탄소 (CO2)를 대기에서 제거하는 대표적 탄소격리 기술이다. 왕겨는 쌀생산의 2차부산물로 원료수집이 편리하여 바이오차 생산에 유리한 원료이다. 왕겨 바이오차 생산을 위한 열분해 온도는 500°C가 H/C 몰 비율 0.7이하이면서 토양개량효과가 커서, 토양개량제로서 활용시 적합한 열분해 온도로 판단할 수 있었다. 우리나라 논벼에서 2023년 생산된 왕겨의 총량은 80만톤으로 산정되었으며 당진시 등 상위 30개 시군에서 약 50%를 점유하였다. 생산된 왕겨 총량의 10%를 열분해온도 500°C에서 바이오차로 생산할 시 100년 격리 유기탄소량은 58천톤 CO2-eq로 농림축산식품부 2030년 바이오차 활용 CO2-eq격리 목표에 해당하였다. 이는 재생에너지 100%로 왕겨 바이오차를 생산하여 에너지소모에 따른 온실가스 배출량이 0일 때 바이오차 CO2 순격리량에 해당한다. 그러나 재생에너지 및 열에너지 재사용 비율이 작아짐에 따라 에너지 소모에 해당하는 온실가스 배출량이 늘어났다. 본 연구에서 에너지 재사용이 없을 때 왕겨바이오차 CO2 순격리량은 재생에너지 100%, 즉 100년 격리 바이오차 유기탄소량 대비 30% 수준으로 줄어들었다. 따라서 토양개량제로서 왕겨바이오차는 미곡처리장을 중심으로 생산 및 보급이 유리하고 토양개량효과가 높다는 장점을 살리면서, 재생에너지 사용과 에너지 효율적 생산으로 바이오차의 CO2 순격리량을 최대화시킨다면 탄소중립에 효과적으로 기여할 것으로 판단된다.
