바이오차르 토양 투입 관리 방안의 타당성 평가 ? 농경 활용을 중심으로

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Biochar is defined as pyrolyzed biomass which is intended to be applied into the soil. As biochar contains high contents of stable carbon, its application to agricultural soils can increase soil carbon sequestration. In addition, biochar amendment is also known to improve soil fertility and crop production. However, these benefits are sometimes under debate because production process of biochar requires additional energy and extra greenhouse gases might be emitted during the application process. Hence, overall impacts of biochar utilizing system should be assessed for the entire stages from production to application of biochar. In this study, the feasibility of biochar utilization was evaluated for domestic agricultural system by considering both greenhouse gas emissions and energy balance. Accounting for 10% of crop residues in Korea, the rice hull was selected for feedstock of biochar and the rice hull biochar was assumed to be applied to loamy sand rice paddy soil and Saemangeum reclaimed land soil. We used scenario approach by examining biochar utilization systems in three different scenarios depending on the scale of biomass pyrolysis facility (CHAR_RH small, intermediate, and large). As control scenarios, systems with rice hull biomass application (BIO_RH scenario) and no soil amendment (NO_AMD scenario) were also examined. In every scenario, soil amendments were applied at 2% (w/w) concentration. Three different stages were considered for the overall feasibility assessment and greenhouse gas emissions and energy balance were calculated in each stage. At the first stage, data on the biochar production process were obtained from running the BEAT2 software from UK DEFRA. The second stage was related to biochar application process and soil cultivation. Data were collected from the published reports by the government for the domestic agricultural greenhouse gas emissions and energy consumption. The last stage considered the effects of biochar application to soil and lab-scale experiment was conducted to produce data for this stage. Data were uniformly converted to ton CO2 eq. ha-1 yr-1 for greenhouse gas emissions and MWh ha-1 for energy balance, respectively. Results showed that greenhouse gas emissions from the CHAR_RH scenarios were -42.09 ~ -21.46 ton CO2 eq. ha-1 yr-1 while those from the BIO_RH and NO_AMD scenarios were +14.00 ~ +19.59 ton CO2 eq. ha-1 yr-1. This indicated that there was no additional emissions of greenhouse gases from the systems on the CHAR_RH scenarios regardless of biochar production scale. The energy balance was estimated as -8.42 ~ +49.39 MWh ha-1 depending on the scenarios. Energy balance was positive for the CHAR_RH intermediate and large scenarios, meaning that the systems are producing the additional energy. Considering both greenhouse gas emissions and energy balance, biochar utilization system was feasible at the CHAR_RH intermediate and large scenarios. In The CHAR_RH small scenario, more energy is needed to sustain the system because the efficiency of biochar producing facility was low. Consequently, the feasibility of biochar application to the domestic agricultural system was dependent on the efficiency of the biochar producing facility. Therefore, improvement in efficiency of pyrolysis technology should be accompanied to ensure the benefit of utilizing biochar.

국문 초록 (Abstract)

바이오차르란 폐 바이오매스를 열분해하여 얻는 탄화물로, 이를 토양에 투입하면 원료 물질의 탄소를 고농도로 안정하게 격리할 수 있어 기후변화 완화 잠재력을 기대할 수 있다. 또한 유기물이 매우 적고 양이온 교환능력이 낮아 생산성이 떨어지는 간척지와 같은 척박한 토양에 투입되었을 때 토양의 비옥도와 양분 이용 효율을 증대시키는 등의 토양 개량 효과가 있다고 보고되고 있다. 하지만 일각에서는 바이오차르의 생산에 따른 에너지의 소모 및 온실가스 배출과 바이오차르의 활용에 의한 편익 간의 수지에 대한 쟁점이 제기되고 있다. 따라서 바이오차르 토양 투입 방안을 국내에 도입하기 위해서는 바이오차르 활용 시스템의 타당성 검증이 필수적으로 선행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 국내 실정을 고려한 바이오차르 농경 활용 시스템을 가정하여 시스템 전단계의 온실가스 배출 수지 및 에너지 수지를 분석함으로써 바이오차르 활용의 타당성을 평가하였다. 먼저 연구 재료로 국내 주요 농업 부산물인 왕겨 바이오매스로 생산한 왕겨 바이오차르를 선정하였으며 이를 양질사토의 논 토양과 새만금 간척지 토양에 각각 투입하는 시나리오를 가정하였다(CHAR_RH 시나리오). CHAR_RH시나리오는 바이오차르 생산 시설의 규모에 따라 소규모, 중간규모, 대규모로 세분화하였다. 또한 비교를 위해 토양 개량제의 투입이 없는 무투입 시나리오와 왕겨 바이오매스를 토양 개량제로서 투입한 BIO_RH 시나리오를 설정하였다. 모든 시나리오는 토양 1 ha를 기준으로 무게기준 2%의 토양 개량제를 투입하는 시스템을 가정하였다. 바이오차르 활용 시스템의 타당성 평가를 위한 자료 수집은 크게 세 단계로 구분하여 실시하였는데, 첫 번째 단계인 바이오차르 생산 단계는 바이오에너지 발전시설 평가 소프트웨어인 BEAT2를 구동하여 정보를 수집하였다. 두번째 바이오차르 토양 투입 및 경작 단계에서는 농촌진흥청 연구 보고서, 국내 농업부문 온실가스 배출량 연구 자료 등을 통해 관련 정보를 수집하였고 마지막으로 바이오차르의 토양 투입에 따른 효과의 연구 자료는 실험실 규모에서 실시한 실험 결과를 바탕으로 정리하였다. 수집한 자료는 온실가스 배출 수지와 에너지 수지로 구분하여 각각 ton CO2 eq. ha-1 yr-1 및 MWh ha-1 단위를 기준으로 변환하였다. 그 결과 온실가스 배출 수지는 시스템에 따라 -42.09 ~ +19.59 ton CO2 eq. ha-1 yr-1로 계산되었는데 무투입 시나리오와 BIO_RH 시나리오는 모두 시스템의 온실가스 배출 수지가 양의 값을 보인 반면 CHAR_RH 시나리오는 규모와 무관하게 음의 값으로 시스템에서 온실가스가 저장되어 추가로 배출되지 않는 것으로 나타났다. 에너지 수지는 시스템에 따라 -8.42 ~ +49.39 MWh ha-1로 계산되었는데 CHAR_RH 중간규모 및 대규모를 제외한 나머지 시나리오에서는 에너지 수지가 음의 값으로 시스템에 에너지가 투입되는 것으로 나타났다. 따라서 온실가스 배출 수지와 에너지 수지를 동시에 고려하면 CHAR_RH 시나리오에서만 바이오차르 활용이 타당한 것으로 평가되었으며, CHAR_RH 소규모 시나리오에서는 바이오차르 생산 시설의 발전 효율이 낮기 때문에 시스템에 에너지가 추가로 투입되어야 하는 것으로 평가되었다. 결과적으로 국내 바이오차르 농경 활용의 타당성은 바이오차르 생산 시설의 규모에 따른 효율성에 의해 결정되었다. 따라서 바이오차르 활용에 따른 편익이 보장되기 위해선 국내 바이오차르 열분해 기술의 개발을 통한 효율 개선이 동반되어야 하는 것으로 분석되었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 문헌 연구 6
• 1. 바이오차르 농경 투입 효과 6
• 1.1 국내 연구 현황 6
• 가. 중금속 오염 저감 6
• 나. 온실가스 배출 7
• 1)이산화탄소 7
• 2)아산화질소 7
• 3)메탄 8
• 다. 침출수 발생 8
• 1.2 국외 연구 현황 9
• 가. 온실가스 배출 10
• 1)이산화탄소 10
• 2)아산화질소 11
• 3)메탄 12
• 나. 침출수 발생 14
• 다. 토양 특성 14
• 2. 바이오차르 전과정평가(life cycle assessment, LCA) 연구 현황 16
• 2.1 연구 범위 18
• 2.2 연구 방법 20
• 2.3 결과의 범위 및 활용 23
• Ⅲ. 연구 방법론 25
• 1. 연구 틀 25
• 1.1 연구 범위 25
• 가. 단계별 세부 범위 26
• 1.2 시나리오 설정 27
• 가. 바이오차르 생산 시스템 규모 28
• 나. 연구 대상 선정 30
• 다. 기준 농경 활동 31
• 라. 토양 개량제 투입 32
• 1.3 데이터 수집 방법 33
• 2. 연구 방법 34
• 2.1 BEAT2 소프트웨어 구동 34
• 가. BEAT2 소프트웨어 개관 34
• 나. BEAT2 소프트웨어 활용 35
• 1) 원료 물질 및 바이오에너지 시설 선정 35
• 2) 바이오에너지 시설 규모별 투입 값 35
• 2.2 국내 농경 행위 자료 조사 39
• 가. 조사 범위 39
• 1) 관행 농법 39
• 2) 현장 연구 결과 40
• 2.3 토양 배양 실험 41
• 가. 실험 재료 및 방법 41
• 1) 실험 재료 41
• (1) 토양 시료 채취 41
• (2) 토양 개량제 준비 44
• (3) 토양 칼럼 준비 45
• 2) 실험 방법 46
• (1) 토양 및 바이오차르 분석 46
• (2) 토양 칼럼 배양 47
• (3) 침출수 분석 50
• (4) 온실가스 분석 50
• (5) 통계 처리 51
• Ⅳ. 데이터 수집 52
• 1. 토양 개량제 생산 시스템 52
• 1.1 온실가스 배출 수지 52
• 1.2 에너지 수지 54
• 1.3 타당성 분석을 위한 결과의 활용 55
• 2. 관행 농경 활동 56
• 2.1 논토양 벼 경작 행위 56
• 가. 온실가스 배출 수지 57
• 나. 에너지 수지 59
• 다. 비료 이용 60
• 2.2 논토양 연간 온실가스 배출량 61
• 2.3 간척지 토양 개량제 투입 행위 61
• 2.4 타당성 분석을 위한 결과의 활용 62
• 3. 바이오차르 토양 투입 효과 63
• 3.1 토양 및 개량제 성상 분석 63
• 3.2 온실가스 분석 64
• 3.3 침출수 분석 70
• 1) 침출수 내 총 탄소 70
• 2) 침출수 내 무기태 질소 71
• 3.4 배양 후 토양 분석 73
• 1) 토양 탄소 및 질소 73
• 2) 토양 무기태 질소 76
• 3) 토양 열수추출탄소 78
• 4) 토양 미생물 활성도 79
• 5) 토양 함수능 81
• 3.5 타당성 분석을 위한 결과의 활용 82
• Ⅴ. 타당성 평가 결과 및 해석 83
• 1. 온실가스 배출 수지 83
• 2. 에너지 수지 86
• 3. 소결론 88
• Ⅵ. 결론 89
• Ⅶ. 참고 문헌 92
• Abstract 101