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바이오 숯

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목차

1. 개요

바이오 숯은 산소가 없는 상태에서 바이오매스를 열분해하여 생산되는 숯으로, 토양 개량, 탄소 격리, 사료 첨가, 콘크리트 혼화제, 수처리 등 다양한 분야에서 활용된다. 선사 시대부터 아마존 원주민들이 토양 생산성 향상을 위해 사용했으며, 현대에는 기후 변화 완화와 농업 생산성 증대를 위한 기술로 연구되고 있다. 바이오 숯의 물리적, 화학적 특성은 원료와 생산 기술에 따라 다르며, 생산 온도가 특성에 영향을 미친다.

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바이오 숯
개요
바이오 숯 토양 개량
바이오 숯을 이용한 토양 개량
정의바이오매스의 열화학적 전환(열분해)으로부터 얻어지는 경량의 검은색 잔류물, 탄소 및 재로 구성됨.
다른 이름숯
상세 정보
사용 목적토양 개량제
제조 방법바이오매스 열분해
주성분탄소, 재
특징
효과토양의 통기성 개선
온실 가스 배출 감소
토양의 수분 보유력 향상
토양 산성화 감소
잠재적 단점토양 환경에 부정적인 영향 가능성 존재
역사 및 연구
기원고대 아마존 지역의 '테라 프레타' 토양에서 발견
연구 동향탄소 격리 기술로서의 가능성 연구
토양 개량 효과 및 환경 영향 평가
지속 가능한 에너지 저장을 위한 금속 산화물-농업 폐기물 바이오 숯 복합체 연구
기타
주의사항바이오 숯의 품질 및 적용 방법에 따라 효과가 달라질 수 있음.

2. 역사

콜럼버스 이전 아마존 분지 지역 원주민들은 농업 폐기물을 훈소(불을 붙여 구덩이나 도랑에서 흙으로 덮어 바이오 숯을 만드는 방식)하여 바이오 숯을 만들었다.[151][219][152] 유럽 정착민들은 아마존 원주민들이 바이오 숯으로 개량한 비옥한 흑토를 '''테라 프레타'''라고 불렀다.[153]

2. 1. 아마존의 테라 프레타

콜럼버스 이전 아마존 원주민들은 농업 폐기물을 훈소하는 방식으로 바이오 숯을 생산했다.[9] 이들은 구덩이나 도랑에서 바이오 숯을 만들었다.[10] 이들이 토양 생산성을 향상시키기 위해 의도적으로 바이오 숯을 사용했는지는 알려져 있지 않다.[10] 유럽 정착민들은 이를 ''테라 프레타 데 인디오''라고 불렀다.[11] 프랑스령 기아나에서 연구를 수행한 한 연구팀은 관찰과 실험을 통해 아마존 지렁이 ''폰토스코렉스 코레트루루스''(Pontoscolex corethrurus)가 숯 부스러기를 미세하게 분말화하고 광물 토양에 통합하는 주요 원인이라고 가설을 세웠다.[12]

2. 2. 현대적 연구의 시작

'바이오 숯'이라는 단어는 20세기 후반에 등장한 영어 신조어로, "생명"을 뜻하는 그리스어 βίος|비오스grc(''bios'')와 바이오매스의 탄화로 생성된 목탄(char)에서 유래되었다.[8] 이 용어는 토양, 수생 서식지 및 동물 소화 시스템에서 발견되는 생물학적 과정에 참여하는 숯으로 인식된다.

3. 생산 방법

바이오 숯은 열분해를 통해 생산되는 고탄소, 미세 입자 잔류물이다. 바이오 숯 제조에는 다양한 수목 종과 에너지 작물이 사용될 수 있다. 네이피어 잔디와 같은 에너지 작물은 짧은 시간 안에 수목보다 무게당 더 많은 탄소를 축적할 수 있다.[215]

바이오 숯 제조 전용이 아닌 작물로부터의 바이오 숯 수율은 잔류물 대 제품 비율(RPR) 및 잔류물의 미이용 부분의 수집률(CF)을 통해 측정한다. 예를 들어 브라질에서는 사탕수수를 연간 약 4억 6천만 톤 수확하며,[216] 그 줄기의 RPR은 0.30이고, 일반적으로 밭에서 소각되는 잔류물의 CF는 0.70이다.[217] 이로 인해 바이오 숯 및 바이오 에너지를 얻을 수 있는 잔류물은 연간 약 1억 톤으로 추산된다. 바가스(일반적으로 보일러에서 비효율적으로 연소되는 사탕수수의 폐기물, RPR=0.29 CF=1.0)를 추가하면, 사용 가능한 원료는 총 2억 3천만 톤이 된다. 다만 일부 잔류물은 토양에 남겨두어 비료 비용과 그 비료 제조에 따른 온난화 가스 배출을 막을 필요가 있다.[218]

아마존의 구덩이・도랑법[219]은 열분해 오일과 합성 가스를 수확하지 않으며, 이산화탄소 및 기타 온실 가스, 약간의 유해물을 공기 중에 배출한다. 이는 원료 바이오매스가 나무 등으로 생존 성장하는 동안 포획한 양보다는 적다. 상업 규모의 시스템은 농업 폐기물, 제지 부산물, 일반 쓰레기까지 처리하여 액체 및 가스 생성물을 포획함으로써 유해 물질을 제거한다.[220][221]

열분해 외에도 반탄화와 수열 탄화도 바이오매스에 적용할 수 있지만, 이러한 생성물은 엄밀히 말하면 바이오 숯으로 정의되지 않는다. 반탄화 공정에서 얻어지는 생성물에는 휘발성 유기 성분이 포함되어 있으며, 그 성질은 원료 바이오매스와 바이오 숯의 중간이다.[236] 수열 탄화 역시 탄소 함량이 높지만, 열분해 공정에 의한 것과는 뚜렷이 다른 성질의 생성물을 제공한다.[237] 따라서 수열 탄화에서 얻어지는 생성물은 "하이드로 탄[238]"이라고 부르며 바이오 숯과 구분한다.

열 촉매 탈중합 분해는 마이크로파를 이용하여 유기물을 바이오 숯으로 효율적으로 변환하는 방법으로, 산업 규모에서 사용되고 있으며 약 50%의 바이오 숯이 생산되고 있다.[239][240]

3. 1. 열분해

바이오 숯은 산소가 없는 조건에서 바이오매스를 열 분해하여 만들어지는 고탄소, 미세 입자 잔류물이다. 이 과정에서 고체(바이오 숯), 액체(바이오 오일), 기체(합성 가스) 생성물의 혼합물이 생성된다.[13]

열분해 과정의 수율은 온도, 시간, 가열 속도 등 여러 조건에 따라 달라진다.[231] 이러한 조건들은 바이오 숯 또는 에너지원(열분해 오일, 합성 가스) 중 어느 것을 더 많이 생산할지에 따라 조절할 수 있다.[232] 예를 들어, 400–500℃에서는 더 많은 바이오 숯이 생성되는 반면, 700℃ 이상에서는 액체 및 가스 연료 성분의 수율이 증가한다.[233]

일반적으로 열분해는 초 단위로 빠르게 진행되지만, 천천히 진행하면 바이오 숯 수율을 약 35%까지 높일 수 있다.[233] 열분해는 시작되면 에너지를 생성하며, 고속 열분해 장치 운전에 필요한 에너지는 출력되는 에너지의 약 15%이다.[235] 열분해 플랜트에서는 합성 가스를 사용하여 운전에 필요한 에너지의 3-9배의 에너지를 생성할 수도 있다.[219]

Kontiki-Kiln에서 수공예 바이오 숯 생산


소규모 농가가 과수 전정 가지를 사용한 바이오 숯

3. 2. 가스화

가스화기는 미국에서 판매되는 바이오 숯의 대부분을 생산한다.[14] 가스화 과정은 산화, 건조, 열분해, 환원의 4가지 주요 단계로 구성된다.[15] 가스화기에서 열분해 중 온도는 250°C 에서 550°C이며, 환원 구역에서는 600°C 에서 800°C이고, 연소 구역에서는 800°C 에서 1000°C이다.[16]

3. 3. 소규모 생산 방법

개발도상국의 소규모 농가들은 특별한 장비 없이도 쉽게 바이오 숯을 생산할 수 있다. 작물 폐기물(예: 옥수수 줄기, 볏짚, 밀짚)을 쌓아 놓고, 더미 윗부분에 불을 붙인 다음 흙이나 물로 불씨를 꺼 바이오 숯을 만든다. 이 방법은 작물 폐기물을 태우는 기존 방식에 비해 연기를 크게 줄여준다. 이 방법은 톱다운 연소 또는 보존 연소로 알려져 있다.[27][28][29]

또는 소규모로 더 산업적인 방법을 사용할 수도 있다. 중앙 집중식 시스템에서는 사용하지 않은 바이오매스를 중앙 공장으로 가져와 바이오 숯으로 가공하는 반면,[30] 각 농부 또는 농부 그룹이 가마를 운영하는 것도 가능하다. 이 시나리오에서는 열분해 장치를 갖춘 트럭이 바이오매스를 열분해하기 위해 이곳저곳으로 이동할 수 있다. 차량 동력은 합성 가스 흐름에서 나오며, 바이오 숯은 농장에 남아 있다. 바이오 연료는 정유소 또는 저장소로 보내진다. 시스템 유형 선택에 영향을 미치는 요인으로는 액체 및 고체 부산물의 운송 비용, 처리할 물질의 양, 전력망 공급 능력이 있다.

3. 4. 기타 생산 방법

수열 탄화는 물을 이용한 열분해 방법으로, '하이드로 숯'을 생산한다.[38] 열촉매 탈중합은 마이크로파를 이용하여 바이오 숯을 생산하는 또 다른 방법이다. 유기물을 바이오 숯으로 산업적 규모로 효율적으로 전환하는 데 사용되어 왔으며, 약 50%의 숯을 생산한다.[39][40]

3. 5. 원료



바이오 숯 제조에는 다양한 수종과 에너지 작물이 사용될 수 있다. 코끼리 풀과 같은 일부 에너지 작물은 나무보다 짧은 기간에 훨씬 더 많은 탄소를 저장할 수 있다.[33]

바이오 숯 생산 전용이 아닌 작물의 경우, 잔여물 대 제품 비율(RPR)과 수집 계수(CF)를 통해 사료의 양을 측정한다. 예를 들어, 브라질은 연간 약 4억 6천만 톤(MT)의 사탕수수를 수확하며,[34] RPR은 0.30, 일반적으로 밭에서 태우는 사탕수수 잎의 CF는 0.70이다.[35] 이는 연간 약 1억 MT의 잔여물로, 열분해를 통해 에너지와 토양 첨가제를 만들 수 있다. 사탕수수 찌꺼기 (RPR=0.29 CF=1.0)를 추가하면 총 2억 3천만 MT의 열분해 사료가 된다. 그러나 일부 식물 잔여물은 질소 비료로 인한 비용 및 배출량 증가를 피하기 위해 토양에 남아 있어야 한다.[36]

4. 특성

바이오 숯의 작은 펠릿
바이오 숯의 작은 펠릿


바이오 숯 조각을 손에 들고 배경에 바이오 숯 한 통을 든 모습
잔류 목재로 생산된 바이오 숯


바이오 숯의 물리적 및 화학적 특성은 원료와 생산 기술에 따라 달라지며, 이는 특정 용도에서의 성능을 결정하는 중요한 요소이다. 국제 바이오 숯 이니셔티브는 표준화된 평가 방법을 제공한다.[13]

바이오 숯의 특성은 근사치 및 원소 조성, pH 값, 다공성을 포함한 여러 측면에서 분류할 수 있다. H/C 및 O/C를 포함한 바이오 숯의 원자 비율은 극성 및 방향족성과 같은 유기물 함량과 관련된 특성과 상관관계가 있다.[41] 반 크레벨렌 도표는 생산 과정에서 바이오 숯 원자 비율의 변화를 보여줄 수 있다.[42] 탄화 과정에서 H/C와 O/C 원자비는 수소와 산소를 포함하는 작용기의 방출로 인해 감소한다.[43]

생산 온도는 바이오 숯의 분자 탄소 구조에 영향을 미친다. 450–550 °C에서 초기 열분해하면 비정질 탄소 구조가 남는다. 이 범위를 초과하는 온도는 비정질 탄소를 터보스트라틱 그래핀 시트로 점진적으로 열화학적 변환시킨다. 바이오 숯의 전도도 또한 생산 온도에 따라 증가한다.[44][45][46] 탄소 포집에 중요한 방향족성과 고유의 난분해성은 온도에 따라 증가한다.[47]

4. 1. 물리적 특성

바이오 숯의 주사 전자 현미경 이미지는 자세한 형태를 보여준다


바이오 숯의 물리적 특성은 원료 및 기술에 따라 결정되는 중요한 요소이며, 특정 용도에서의 성능을 나타내는 지표이다. 국제 바이오 숯 이니셔티브가 발표한 가이드라인은 표준적인 평가 방법을 제시하고 있다.[142] 특성은 근사치 및 원소 조성, pH 값, 다공성 등 여러 측면에서 분류할 수 있다. H/C 및 O/C를 포함한 바이오 숯의 원자 비율은 극성 및 방향족성과 같은 유기물 함량과 관련된 특성과 상관관계가 있다.[41] 반 크레벨렌 도표는 생산 과정에서 바이오 숯 원자 비율의 변화를 보여줄 수 있다.[42] 탄화 과정에서 H/C와 O/C 원자비는 수소와 산소를 포함하는 작용기의 방출로 인해 감소한다.[43]

제조 온도는 얻어지는 바이오 숯의 특성, 특히 분자 탄소 구조에 영향을 준다. 450–550 °C에서 초기 열분해하면 비정질 탄소 구조가 남는다. 이 범위를 초과하는 온도는 비정질 탄소를 터보스트라틱 그래핀 시트로 점진적으로 열화학적으로 변환시키는 결과를 낳는다. 바이오 숯의 전도도 또한 생산 온도에 따라 증가한다.[44][45][46] 탄소 포집에 중요한 것은 방향족성과 고유의 난분해성이 온도에 따라 증가한다는 것이다.[47]

4. 2. 화학적 특성

국제 바이오 숯 이니셔티브는 바이오 숯의 표준화된 평가 방법을 제시한다.[13] 바이오 숯의 화학적 특성은 근사치 및 원소 조성, pH 값 등 여러 측면에서 분류할 수 있다. H/C 및 O/C를 포함한 바이오 숯의 원자 비율은 극성 및 방향족성과 같은 유기물 함량과 관련된 특성과 상관관계가 있다.[41] 반 크레벨렌 도표는 생산 과정에서 바이오 숯 원자 비율의 변화를 보여준다.[42] 탄화 과정에서 H/C와 O/C 원자비는 수소와 산소를 포함하는 작용기의 방출로 인해 감소한다.[43]

생산 온도는 바이오 숯의 분자 탄소 구조에 영향을 미친다. 450–550 °C에서 초기 열분해하면 비정질 탄소 구조가 남는다. 이 범위를 초과하는 온도는 비정질 탄소를 터보스트라틱 그래핀 시트로 점진적으로 열화학적으로 변환시킨다. 바이오 숯의 전도도 또한 생산 온도에 따라 증가한다.[44][45][46] 탄소 포집에 중요한 방향족성과 고유의 난분해성은 온도에 따라 증가한다.[47]

4. 3. 생산 온도와의 관계

생산 온도는 바이오 숯의 여러 특성에 영향을 미친다. 특히 고체 바이오 숯 매트릭스의 분자 탄소 구조에 큰 영향을 준다. 450–550 °C에서의 초기 열분해는 비정질 탄소 구조를 남긴다. 이 범위를 초과하는 온도에서는 비정질 탄소가 터보스트라틱 그래핀 시트로 점진적으로 열화학적 변환된다. 바이오 숯의 전도도 또한 생산 온도에 따라 증가한다.[44][45][46] 탄소 포집에 중요한 방향족성과 고유의 난분해성도 온도에 따라 증가한다.[47]

5. 활용

바이오 숯은 탄소 격리, 토양 개량, 슬래시 앤 숯 농법, 사료 첨가제, 콘크리트 혼화제, 수처리 등 다양한 분야에서 활용된다.


  • 탄소 격리: 바이오 숯은 안정적인 탄소 저장고 역할을 하여 기후 변화 완화에 기여할 수 있다. 수백 년에서 수천 년 동안 토양에 탄소를 격리하여 온실 가스 배출량을 줄인다.[53][54][55][56][57]
  • 토양 개량: 다공성 구조를 지녀 물과 영양분을 잘 간직하고, 유익한 미생물 서식 환경을 제공하여 토양 비옥도와 작물 생산성을 향상시킨다.[71][180][181][182] 토양 오염 물질 농도를 줄이고 식물 질병 저항력을 높이기도 한다.[188][191][192][193]
  • 슬래시 앤 숯 농법: 화전 농업 대신 이 농법을 사용하면 산림 벌채와 이산화 탄소 배출량을 줄이고 작물 수확량을 늘릴 수 있다.[99][100] 바이오 숯은 토양에 탄소를 장기간 저장하고 비옥도를 높여 지속 가능한 농업을 가능하게 한다.
  • 사료 첨가제: 가축 사료에 첨가되어 소화를 돕고 메탄 생산을 줄인다.[104] 쇠똥구리를 통해 바이오 숯이 섞인 똥을 토양에 넣으면 아산화 질소와 이산화 탄소 발생을 줄이고 토양 비옥도를 높인다.[105]
  • 콘크리트 혼화제: 콘크리트 혼합물에 사용되는 포틀랜드 시멘트 양을 줄이는 보조 시멘트 재료(SCM)로 활용되어 콘크리트 생산 과정에서 발생하는 이산화 탄소 배출량을 줄인다.[110][111]
  • 수처리: 수처리 과정에서 중금속, 염료, 유기 오염 물질 등을 제거하는 데 사용된다.[116][118][119][120]
  • 기타: 바이오 에탄올 등과 혼합하여 석탄 슬러리와 유사하지만 재생 가능한 바이오 숯 기반 슬러리 연료로 사용될 수 있다.[114][210]

5. 1. 탄소 격리

바이오 숯의 안정성은 바이오 숯 탄소 제거(Biochar Carbon Removal) 개념으로 이어진다.[48][7] 이는 최소한의 노력으로 탄소를 격리할 수 있다는 잠재력 때문에 기후 변화 완화를 위한 수단이 될 수 있다.[49][50][51] 바이오매스 연소 및 자연 분해는 지구 대기권에 많은 양의 이산화 탄소와 메탄을 방출한다. 바이오 숯 생산 과정에서도 이산화 탄소가 방출되지만, 남은 탄소 성분은 무기한으로 안정된다.[51] 바이오 숯 탄소는 수세기 동안 땅에 남아 대기 중 온실 가스 수치의 증가를 늦춘다. 동시에 토양 내 바이오 숯의 존재는 수질을 개선하고, 토양 비옥도를 높이며, 농업 생산성을 향상시키고, 원시림에 대한 압력을 줄일 수 있다.[52]

바이오 숯은 석탄처럼 수백 년에서 수천 년 동안 토양에 탄소를 격리할 수 있다.[53][54][55][56][57] 장기적으로 안정적인 탄소 저장고를 만들기 위해 바이오 숯을 사용하는 것을 제안하는 초기 연구들은 2000년대 초에 발표되었다.[58][59][60] 이 기술은 제임스 한센[61]과 제임스 러브록을 포함한 과학자들이 옹호한다.[62]

2010년 보고서에 따르면 바이오 숯의 지속 가능한 사용은 이산화 탄소, 메탄, 아산화 질소의 전 세계 순 배출량을 연간 최대 18억ton의 이산화 탄소 환산량까지 줄일 수 있으며, 식량 안보, 서식지 또는 토양 보전을 위협하지 않는다.[51] 2021년 검토에서는 연간 16억ton에서 32억ton의 이산화 탄소 제거 잠재력을 추정했으며,[63] 2023년까지 탄소 배출권에 의해 개조된 수익성 있는 사업이 되었다.[64]

2023년 현재, 탄소 저장고로서의 바이오 숯의 잠재력은 널리 받아들여지고 있다. 바이오 숯은 모든 국가의 평균 이산화 탄소의 7%를 격리할 수 있는 기술적 잠재력이 있는 것으로 나타났으며, 12개국은 온실 가스 배출량의 20% 이상을 격리할 수 있다. 부탄이 이 비율(68%)로 선두를 차지하고 있으며, 그 뒤를 인도(53%)가 따른다.[65]

2021년 현재 바이오 숯의 비용은 유럽 탄소 가격과 비슷한 수준이었지만,[66] 아직 EU 또는 영국 배출권 거래제에 포함되지 않았다.[67]

개발 도상국에서 가정용 개량형 화덕에서 얻은 바이오 숯은 기존 화덕 사용을 중단하는 경우 탄소 배출량을 낮추는 데 기여할 수 있으며, 지속 가능한 발전을 위한 다른 이점도 얻을 수 있다.[68]

5. 2. 토양 개량

바이오 숯은 토양 개량에 여러모로 도움이 된다.[173] 특히 척박한 열대 토양에서 그 효과가 두드러진다.[69][70] 바이오 숯은 다공성 구조를 지녀 물과 수용성 영양분을 잘 간직한다. 토양 생물학자 엘레인 잉엄은 바이오 숯이 유익한 미생물이 살기 좋은 환경을 제공하며, 이러한 미생물로 미리 채워진 바이오 숯은 토양과 식물 건강을 향상시킨다고 강조했다.[71]

여러 연구에 따르면 바이오 숯은 사용량, 원료, 열분해 온도, 토양 수분 함량, 토양 질감, 표면 특성에 따라 모래 토양에서 대장균의 유입을 막는다.[175][176][177] 또한, 칼륨과 높은 pH를 필요로 하는 식물의 수확량을 늘리는 데 기여한다.[178][179]

바이오 숯은 수질을 개선하고, 토양에서 나오는 온실 가스 배출을 줄이며, 영양분 유실과 토양 산도를 낮추는 효과가 있다.[180] 따라서 관개와 비료 사용량을 줄이면서 작물을 재배할 수 있다.[181][182] 여러 나라에서 수행된 FERTIPLUS 프로젝트에서는 퇴비와 바이오 숯을 함께 사용했을 때 토양 수분, 작물 생산성, 품질이 모두 향상되었다.[183]

식물 수확량을 크게 늘리려면 1헥타르당 2.5~20톤(1에이커당 1.0~8.1톤)의 바이오 숯을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 개발도상국에서는 바이오매스 확보 및 생산 시간 제약으로 인해 농업용 바이오 숯을 구하기 어려울 수 있다. 이 경우, 저렴한 바이오 숯 비료 복합체에 소량의 바이오 숯을 섞어 쓰는 것이 대안이 될 수 있다.[184]

바이오 숯은 다양한 토양에 적용할 수 있다.[185] 일례로, 콜롬비아의 사바나 토양에 바이오 숯을 사용한 실험 결과, 영양분 유출이 줄고 작물이 더 많은 영양분을 흡수했다.[186] 바이오 숯은 다공성 구조와 넓은 비표면적 덕분에 수분과 영양분을 효과적으로 붙잡아 둔다.[187]

토양 오염 저감 측면에서, 10%의 바이오 숯을 사용한 연구에서는 식물 내 오염 물질 농도가 최대 80%까지 감소했으며, 클로르단과 DDX 함량은 각각 68%와 79% 줄었다.[188] 하지만 이는 바이오 숯이 살충제의 효과를 반감시킬 수 있음을 시사한다.[189][190]

바이오 숯은 때때로 식물 잎의 진균병에 대한 전신 반응을 유도하고, 토양 전염성 병원체에 대한 식물의 저항력을 향상시키기도 한다.[191][192][193] 서유럽 토양에서는 토양 비옥도 증가와 더불어 질병 저항력도 높아지는 것으로 나타났다.[183]

그러나 바이오 숯과 토양의 조합에 따라서는 부정적인 영향이 발생할 수도 있으며, 모든 경우에 유익한 것은 아니다.[182] 바이오 숯의 효과는 토양의 종류와 건강 상태(척박한지 비옥한지), 기온, 습도 등에 따라 달라진다.[194] 또한 바이오 숯의 특성[195]과 사용량[193]에 따라 효과가 달라진다는 점은 알려져 있으나, 그 메커니즘은 아직 명확히 규명되지 않았다.[196]

5. 3. 슬래시 앤 숯 농법

화전 농업에서 브라질 아마존 분지의 산림 벌채와 이산화 탄소 배출량을 줄이고 작물 수확량을 늘릴 수 있는 슬래시 앤드 차 농법으로 전환하는 것은 효과적이다. 화전 농법은 유기물 탄소의 3%만을 토양에 남기는 반면,[99] 슬래시 앤드 차는 최대 50%까지 유지할 수 있다.[100] 바이오 숯은 질소 비료의 필요성을 줄여 비료 생산 및 운송으로 인한 비용과 배출량을 줄인다.[101] 또한, 토양의 경작성, 비옥도 및 생산성을 향상시켜 바이오 숯이 강화된 토양은 무기한으로 농업 생산을 유지할 수 있지만, 화전 농법 토양은 영양분이 빠르게 고갈되어 농부가 농지를 버리고 지속적인 화전 농법 순환을 초래한다. 열분해를 사용하여 바이오 에너지를 생산하는 것은 섬유소 에탄올의 경우처럼 바이오매스를 가공하는 것과 같은 인프라 변경이 필요하지 않다. 또한 바이오 숯은 널리 사용되는 기계로 적용할 수 있다.[102]

아마존 분지에서의 화전에서 슬래시 앤 숯 농법으로의 전환은 산림 벌채와 이산화탄소 배출을 모두 줄이고 작물의 수확량을 증가시킬 수 있다. 슬래시 앤 번과 슬래시 앤 숯은 모두 화전 농업으로 번역되지만, 전자는 베어낸 (슬래시) 식생을 완전히 태워 (번) 재로 만드는 반면(소각), 후자는 태우는 대신 흙으로 덮거나 숯 가마를 사용하여 바이오 숯(숯)으로 만들고 (탄화) 토양에 섞는다는 차이점이 있다.

슬래시 앤 번은 토양 유기물 탄소의 3%[197]만 남기고 대량의 '''이산화탄소 배출'''을 동반하여 지구 온난화의 원인이 된다. 또한, 해당 토양은 처음에는 재에 의한 영양분 공급이 있지만 빠르게 영양분이 유출되고, 해당 농지는 결국 버려져 농민이 다른 토지에서 다시 슬래시 앤 번을 반복하므로 심각한 환경 파괴로 이어진다.

반면에 슬래시 앤 숯은 최대 50%[198]의 탄소를 남기고 '''토양에 환원 고정'''함으로써 토양의 경운성, 비옥성, 생산성을 향상시키고, 필요한 비료의 양을 줄이며, 이에 따라 비료의 생산과 수송으로 인한 비용과 배출도 감소[199]시켜 온난화를 억제하는 데 기여한다. 또한 바이오 숯의 안정성으로 인해 토양의 생산성을 거의 무기한으로 유지할 수 있으므로 다른 토지에서 이를 반복할 필요가 없고, 환경 파괴는 슬래시 앤 번보다 훨씬 적다.

5. 4. 사료 첨가제

바이오 숯은 수세기 동안 동물 사료로 사용되어 왔다.[104]

오스트레일리아의 농부 더그 파우(Doug Pow)는 당밀과 혼합된 바이오 숯을 가축 사료로 사용하는 것을 연구했다. 그는 반추 동물에게 바이오 숯이 소화를 돕고 메탄 생산을 줄일 수 있다고 주장했다. 그는 또한 쇠똥구리를 사용하여 기계 없이 바이오 숯이 혼합된 똥을 토양에 넣었다. 똥 속의 질소와 탄소는 모두 토양 표면에 머무르지 않고 토양에 통합되어 아산화 질소와 이산화 탄소의 생성을 줄였다. 토양 비옥도에 질소와 탄소가 추가되었다. 현장 증거에 따르면 이 사료는 앵거스 교배 소의 생체중 증가를 개선하는 결과를 가져왔다.[105] 더그 파우는 이 혁신으로 2019년 웨스턴 오스트레일리아 랜드케어 어워드에서 호주 정부 농업 혁신 토지 관리 상을 수상했다.[106][105] 파우의 연구는 젖소에 대한 두 번의 추가 실험으로 이어졌으며, 냄새 감소와 우유 생산량 증가를 가져왔다.[107]

5. 5. 콘크리트 혼화제

일반적인 포틀랜드 시멘트(OPC)는 콘크리트 혼합물의 필수 구성 요소이며, 생산에 에너지와 배출량이 많이 소모된다. 시멘트 생산은 전 세계 CO2 배출량의 약 8%를 차지한다.[108] 콘크리트 산업은 콘크리트의 특성을 유지하거나 개선하면서 혼합물에서 OPC의 양을 줄이는 첨가제인 보조 시멘트 재료(SCM)의 사용으로 점점 더 전환하고 있다.[109] 바이오 숯은 필요한 강도와 연성 특성을 유지하면서 콘크리트 생산 배출량을 줄이는 효과적인 SCM으로 나타났다.[110][111]

연구에 따르면 바이오 숯의 1-2% 중량 농도가 비용과 강도 측면 모두에서 콘크리트 혼합물에 사용하기에 최적이다.[110] 2wt.% 바이오 숯 용액은 전통적인 OPC 콘크리트와 비교하여 7일 후에 수행된 3점 굽힘 시험에서 콘크리트 휨 강도를 15% 증가시키는 것으로 나타났다.[111] 바이오 숯 콘크리트는 또한 고온 저항성과 투과성 감소에서도 유망성을 보였다.[112]

바이오 숯 콘크리트의 요람에서 문까지의 전과정 평가는 더 높은 바이오 숯 농도에서 생산 배출량이 감소하는 것을 보여주었으며, 이는 OPC의 감소와 일치한다.[113] 산업 폐기물 흐름에서 나온 다른 SCM(예: 플라이 애시 및 실리카 흄)과 비교하여 바이오 숯은 독성 감소도 보였다.

5. 6. 수처리

바이오 숯은 수처리 분야에서 활용될 수 있다.[116] 바이오 숯의 다공성 및 특성은 제거 효율을 높이기 위해 다양한 방법으로 수정할 수 있다.[117] 바이오 숯은 중금속, 염료, 유기 오염 물질과 같은 여러 오염 물질을 제거하는 데 사용된다.[118][119][120]

또한 바이오 숯은 제약, 개인 위생 용품[265], 하수 처리의 필터링 매체로서 과불화알킬 물질[266][267][268] 등을 제거하는 데에도 응용되고 있다.

5. 7. 기타 활용 분야

바이오 숯은 물 또는 유기 액체(예: 바이오 에탄올)와 혼합되어 바이오 숯 기반 슬러리라는 새로운 유형의 연료가 된다.[114][210] 대규모 바이오매스 현장 및 설비에 느린 열분해를 적용하면 고유한 특성을 가진 바이오 숯 슬러리가 만들어지는데, 이는 바이오매스가 풍부하고 디젤 발전기에 크게 의존하는 지역에 유망한 연료가 된다.[115][211] 이 연료는 석탄 슬러리와 유사하지만 재생 불가능한 화석 연료인 석탄과는 다르게 재생 가능한 연료 자원이다.

플라스틱 폐기물 또는 재활용품을 바이오매스와 혼합하여 열분해함으로써, 바이오 숯의 이점을 가지는 "인공 바이오 숯"을 만들어 플라스틱 오염 문제 해결을 목표로 하는 연구가 많이 진행되고 있다.

6. 연구 과제

바이오 숯 연구는 전 세계적으로 초기 단계에 머물러 있지만, 여러 대학과 연구소에서 활발히 진행되고 있다.[121][122] 에든버러 대학교,[123] 조지아 대학교,[124][125] 볼카니 센터,[126] 스웨덴 농업 과학 대학교[127] 등이 대표적인 연구 기관이다.

나미비아에서는 기후 변화 적응 노력의 일환으로 바이오 숯을 활용하여 지역 사회의 가뭄 회복력과 식량 안보를 강화하는 연구가 진행 중이다.[128][129][130] 호주에서도 유사한 연구가 이루어지고 있다.[131]

최근에는 바이오 숯이 폐수 정화 및 과불화 및 폴리플루오로알킬 물질과 같은 오염 물질 흡착에도 효과가 있다는 연구 결과가 나오면서, 관련 연구가 활발해지고 있다.[133][134][135]

벨기에 경작지 토양을 대상으로 한 연구에서는 바이오 숯이 탄소 격리를 통해 탄소 순환을 감소시키는 효과가 있음을 확인하였다.[138] 실험실 연구에서도 바이오 숯이 탄소 광물화를 줄이는 효과가 있음이 입증되었다.[139]

바이오 숯으로 개량된 토양의 용존 유기물 분석 결과, 휴믹 유사 성분이 증가하는 경향을 보였으며, 이는 바이오 숯 탄소와 관련이 있을 가능성이 제기되었다.[140] 또한, 미세 응집체 내에서 방향족 탄소 축적 현상이 관찰되었고, 이는 탄소 안정화 메커니즘과 관련이 있을 것으로 추정된다.[140]

이러한 연구 결과들을 종합해 볼 때, 바이오 숯은 탄소 격리 및 토양 개선에 효과적인 수단이 될 수 있을 것으로 기대된다.

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[153] 문서 これらのいわゆるテラ・プレータ・ド・インディオ（テラプレータ）は、コロンブス以前のインディオの居住地を特徴づけている。テラプレータの土壌に含まれている大量の黒炭は、炭化された有機物の長期間にわたる投入を示しており、おそらく焚き火での木炭製造の結果である。一方で、森林火災や焼畑技術による土壌への木炭の投入はわずかに過ぎない。（内部引用を省略）
[154] 논문 Terra Preta de Indio http://www.css.corne[...] 2009-09-15
[155] 문서 この固定化は、酸素のない環境で植物バイオマスを加熱することで（低温熱分解）さらに進めることができる。
[156] 문서 熱分解は、生産されるエネルギーに資やされるエネルギーの3-9倍を生み出し、同時にその約半分の炭素が土壌に固定される。これにより土壌に蓄積される総炭素量は、隣接する土壌よりも1桁多くなることもある。
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[164] 문서 "温室実験では、20 g kg-1（2%）のバイオ炭を飼料の草地に添加することで、亜酸化窒素の排出が80%減少し、メタンの排出は完全に抑制された。"
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[194] 문서 WardleはLehmannの研究を引用して、熱帯地域（栄養が不足している土壌）では植物の成長が改善されても、この実験が行われた北方（もともとの天然の土壌有機物含有量が高い）の森林ではむしろ土壌有機物が喪失したと述べている。「いくつかの研究が黒色炭素が生態系の炭素固定を向上させるとしているが、我々の結果は、その効果は少なくとも北方の森林では天然の土壌炭素の喪失により部分的に相殺される可能性があることを示している。」
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[196] 문서 炭の特性には主に次の3つの要因が影響する：(1)材料有機物の種類、(2)炭化環境（例：温度、酸素の有無）、および(3)炭化プロセス中の添加物。 2002
[197] 문서 "公表されたデータの平均は、元のバイオマス炭素の約3 %の炭化である。" 2002
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[199] 문서 「これにより、低投入農業では作物収量が増加し、高投入農業では施肥効率が向上し、流出、浸食、および気体損失などの場外効果が減少する。」 2008
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