토양속 바이오차, 100년 이상 이산화탄소 보존
적절한 바이오차 생산공정이 ‘탄소 네거티브’ 결정 포인트
지구 온난화로 인한 폭염, 폭설, 태풍, 산불 등 지구 곳곳에서 이상기후 현상이 나타나고 있다. 우리나라도 최근 30년 사이에 평균 온도가 1.4℃ 상승하면서 온난화 경향이 더욱 심화되고 있는 실정이다.
IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 기후변화에 관한 정부간 협의체)는 이러한 기후변화 문제의 심각성을 인식하고 이를 해결하기 위해 1997년 선진국에 온실가스 감축 목표에 대한 의무를 부여하는 ‘교토의정서’를 채택했으며, 이어서 2015년에는 선진국과 개도국이 모두 참여하는 ‘파리협정’을 채택했다. ‘파리협정은’ 2016년 11월 4일 발효됐으며, 우리나라는 2016년 11월 3일 ‘파리협정’에 비준했다.
IPCC 보고서는 1988년 이후 2014년까지 5차례에 걸쳐 발표됐으며, 가장 최근의 6차 보고서는 2022년에 승인될 것으로 예상되고 있다.
현재 검토 중인 보고서에 따르면, 이전까지 2100년 저감 목표가 산업화 이전 온도보다 2℃ 증가하는 수준으로 억제해야 한다던 것이 1.5℃ 증가 수준으로 더욱 엄격해졌다. 특히 2017년 기준으로 이미 1℃ 증가했기 때문에 0.5℃의 여유밖에 없는 실정이다. 저감 목표달성을 위해서는 2050년까지 탄소배출을 마이너스로 억제[탄소 네거티브(Carbon Negative)]해야만 가능한 것으로 예측되고 있다.
2050년까지 탄소중립 전환필요
지구의 온도가 2℃ 이상 상승할 경우, 폭염과 한파 등 인간이 감당할 수 없는 자연재해가 발생한다.
상승 온도를 1.5℃로 제한할 경우 생물다양성, 건강, 생계, 식량안보 및 경제 성장에 대한 위험이 2℃보다 대폭 감소하게 된다.
따라서 지구온도 상승을 1.5℃ 이내로 억제해야 하며 이를 위해서는 2050년까지 탄소 순배출량이 0(Zero)이 되는 ‘탄소중립(Carbon Neutral)’으로의 전환이 필요하다.
‘탄소중립’이란 인간의 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 산림 등을 이용한 흡수와 이산화탄소(CO2) 포집·저장·활용 기술(Carbon Capture,. Utilization and Storage, CCUS)을 이용한 제거를 통해 실질적인 배출량이 0(Zero)이 되는 개념이다. 즉 배출되는 탄소량와 흡수되는 탄소량을 같게 해 탄소 ‘순배출이 0(Zero)’이 되게 하는 것으로 ‘넷-제로(Net-Zero)’라고 표현한다.
우리 정부는 지난해 12월 7일 홍남기 경제부총리 겸 기획재정부 장관 주재로 「제22차 비상경제 중앙대책본부회의」를 개최해 「2050 탄소중립 추진전략」을 확정·발표했다.
정부는 탄소중립이라는 신(新)패러다임 전환 기로에서 능동적 대응을 통해 탄소중립과 경제성장, 그리고 국민 삶의 질 향상을 동시에 달성할 수 있는 기반을 마련하는 데 목표를 뒀다. 이에 무엇보다 우리 경제·사회의 부담은 최소화하고, 우리의 역량은 최대한 활용하는 방향으로 탄소중립 실현방안을 모색해 왔으며, 이러한 측면에서 ‘경제구조 저탄소화, 저탄소 산업생태계 조성, 탄소중립사회로의 공정전환’ 이라는 3대 정책방향과 ‘탄소중립 제도기반 강화’라는 「3+1」의 전략 틀을 마련했다.
바이오차, 2018년 이산화탄소 제거기술로 포함
이러한 기후변화의 문제는 농림업분야에서도 심각하게 받아들여지고 있으며, 이를 해결하기 위한 다양한 방안을 모색중에 있다. 그중 한 예로 지난 2006년 세계토양학회에서 바이오차(Biochar)의 탄소격리 가능성을 제시한 이래 수많은 연구와 현장적용이 실행되어 왔으며, 관련 시장의 규모도 점차 확대되고 있다. 특히 2018년 기후변화에 바이오차가 처음으로 이산화탄소 제거기술의 하나로 포함되면서 향후 더 많은 관심이 집중될 것으로 기대된다.
바이오차의 유래는 1879년 미국의 ‘허버트 스미스(Herbert Smith)’라는 탐험가가 아마존을 탐험하던 중 발견한 사탕수수가 기존에 보던 사탕수수보다 기형적으로 큰 것을 발견한 것이 바이오차를 발견하게 된 계기가 됐다.
허버트 스미스는 아마존 지역에 한동안 머물며 사탕수수가 커진 이유를 파헤치기 위해 노력했고, 그 결과 사탕수수의 성장 비결이 검은 흙에 있다는 점을 알아냈다. 원주민들이 테라 프레타(Terra Preta)라고 부르는 이 검은 흙의 정체를 규명하기 위해 스미스는 귀국 후 전문가들에게 분석을 의뢰했다.
바이오차라는 용어는 2006년 세계토양학회에서 앞서 얘기한 검은 흙을 탄소격리와 바이오에너지의 관점에서 재조명할 필요가 있다고 제안한데 이어 2007년 코넬대의 레만(Lehmann) 교수가 네이처에 탄소 네가티브 원리를 발표하면서부터 학계에 등장하기 시작했다. 바이오차의 의미는 바이오매스(Biomass)와 차콜(Charcoal, 숯)의 합성어로 바이오 숯으로 불리기도 한다.
바이오차의 다양한 효능
여러 전문가들에 의해 분석된 바이오차의 효능은 생각했던 것보다 더 뛰어났다. 바이오차를 토양에 혼입하면 질소와 인 같은 영양분의 손실이 적어지고, 토양 산성화를 방지하며, 미생물의 성장을 돕는 효과가 있는 것을 확인했다. 특히 독일 할레-비텐베르크 마틴-루터 대학교(Martin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg)의 부르노 글레이저(Bruno Glaser) 교수는 바이오차를 기존 토양에 섞어서 작물을 재배할 경우 곡물 생산성이 기존에 비해 2배 정도 높아지게 된다는 점을 발견했다.
이후 20세기에 접어들면서 분석기술이 발전하자 일반적인 토양과 바이오차 사이에는 탄소 함량에도 차이가 난다는 사실이 확인됐다. 일반 토양의 경우 탄소를 머금을 수 있는 함량은 1% 미만인 것에 반해, 바이오차는 탄소 함량을 약20%까지 증가시킬 수 있다는 점이 추가로 발견됐다.
이와 같이 바이오차가 처음 발견됐을 당시에는 농업 생산성이 향상되는 측면에서 주목을 받았지만, 기후변화의 심각성이 대두되면서 최근에는 탄소를 흡착해 포집하는 탄소격리의 관점에서 관심이 집중되고 있다.
식물이 광합성에 의해 대기 중의 이산화탄소를 흡수하면 약50%는 호흡에 의해 다시 대기중으로 방출되고 나머지는 식물의 성장을 통해 바이오매스에 고정화된다. 그러나 일반적으로 바이오매스가 토양에 묻히면 미생물에 의해 약10년의 기간 동안 모두 분해되어 이산화탄소나 메탄의 형태로 대기 중에 배출된다. 이와 같은 식물에 의한 탄소순환과정은 탄소중립(Carbon Neutral)적인 과정으로 볼 수 있다.
대기중 이산화탄소 장기간 토양 속 저장
반면에, 바이오매스가 열로 분해되어 바이오차가 되는 경우에는 바이오매스에 고정된 탄소의 80% 정도가 바이오차에 남아있게 된다.
또한, 토양에 포함된 바이오차 역시 일정량의 탄소를 포함하고 있기 때문에 대기중의 이산화탄소 중에 20% 정도를 바이오차가 더 많이 보관하게 된다.
특히, 바이오차가 토양에 들어가더라도 100년 이상 보존될 수 있다. 특히 바이오차는 미생물에 대한 분해나 변화가 거의 일어나지 않으며, 일부가 분해되더라도 장기간 저장되는 탄소는 초기에 흡수된 이산화탄소의 약20% 정도로 이는 탄소 네가티브(Carbon Negative)라고 볼 수 있다. 즉 대기중의 자유 이산화탄소가 바이오매스를 거쳐 바이오차의 형태로 토양 속에서 오랜 기간 안정성을 유지하며 저장되는 것이다.
물론 열분해를 통해 바이오차를 만드는 과정에서 외부에서 투입되는 에너지는 저장되는 에너지보다 적어야 하는데, 일반적으로 바이오매스가 열분해되는 과정은 발열반응이기 때문에 초기에 점화하는데 필요한 에너지만 공급하면 전체적으로는 오히려 에너지를 회수할 수 있다. 회수되는 바이오에너지를 전기나 열, 연료의 형태 등 어떻게 회수하는가가 전체 과정의 효율성을 결정하는 중요한 요인된다. 즉 적절한 바이오차 생산공정을 적용하지 않으면 탄소 네거티브(Carbon Negative)가 되지 않을 수 있다.
바이오차의 중요 조건 3가지
바이오차의 중요한 3가지 조건은 원료가 바이오매스여야하고, 산소가 거의 없는 조건에서 상대적으로 낮은 온도(200~400℃)에서 열분해를 통해 만들져야 한다.
바이오매스를 열분해 해서 생성되는 물질은 열분해의 정도, 탄소의 함량, 관점 등에 따라 차콜, 숯, 블랙카본, 차, 아그리차 등 다양한 이름으로 불려왔으며, 최근에는 바이오차라는 용어로 사용되고 있다. 바이오차는 모든 바이오매스를 원료로 이용하여 생산이 가능하며, 연료나 비료 등 다양한 응용범위를 포함한다는 의미에서 차콜(Charcoal)이나 아그리차(Agrichar)와는 구별되는 보다 광범위한 영역의 개념으로 해석된다.
바이오차를 퇴비 대신 이용하는 경우, 토양에서 배출되는 이산화질소(NO2)의 발생을 감소시킬 수 있다. 또한, 바이오차는 퇴비에 비해 분해 속도가 매우 느리기 때문에 산이나 농경지에서 오랜기간 유기물을 공급할 수 있는 장점도 있다.
바이오차는 수 천년 전부터 인류의 선조들이 토양을 개량해 농작물을 효율적으로 생산하기 위해 오랫동안 사용해 왔다. 그러나 최근 바이오차의 탄소 저감 원리를 발견하게 됨으로써 이를 적절히 활용할 경우 기후변화에 대응할 중요한 수단이 될 수 있을 것이라는 기대가 모여지고 있다.
현재 바이오차를 이산화탄소를 제거하는 실질적인 방법으로 제도화하려는 노력이 전 세계적으로 진행되고 있으며, 수많은 연구와 함께 관련 시장 또한 증가하고 있다. 그러나 한편에서는 바이오매스의 수집과 바이오차의 생산 및 농림업에 적용하는 과정에 있어서 부적절하게 진행될 경우 오히려 탄소 배출양이 더 증가할 수도 있다는 우려의 목소리도 나오고 있다.
한밭대학교 우승한 교수는 “바이오차의 효과는 바이오매스의 수집에서 바이오차의 적용까지 여러 단계의 공정을 적절하게 조합하고 각 단위 공정을 얼마나 에너지 효율적으로 적용하는 가에 성패가 달렸다”며 “국내에서도 필요한 제도가 적절하게 수립되어 바이오차 산업과 활용에 효과적인 지원이 이루어진다면 바이오차의 활용이 기후변화 대응에 효과적인 수단으로 자리잡을 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편, 바이오차를 활용한 연구는 그동안 탄소격리 및 토양 환경 분야에만 국한되어왔으나, 최근 활성화와 함께 수질·토양 오염제어, 환경 오염물질 흡착연구 등 다양한 분야에 바이오차가 사용되고 있다.
