前言
在眾多的碳移除（CDR）技術中，生物炭（Biochar）因其長效性、穩定性及多重環境共同效益，日益受到關注。生物炭是利用有機材料在低氧環境下進行高溫熱裂解所產生的一種富碳物質，它具有高耐久性，可在土壤中穩定存留數百年到數千年之久，從而將二氧化碳永久封存在地球碳循環系統之外。依據CDR.fyi之統計，目前及近未來之自願性碳權市場的碳抵換額度有87%都是來自於生物炭。九月時有篇整理研究刊登，正好搭配一些我之前整理的資訊整合為一篇介紹文章提供給有需要的人參考，希望為讀者提供一個全面且科學依據的視角，讓更多政策制定者、研究者及產業界了解生物炭技術重要性，並促進其在碳移除專案中的應用。
主要參考文獻還有European Biochar Certification (EBC) Guidelines、World Biochar Certification (WBC) Guidelines；Puro Earth、Verra、 Gold Standard三大碳抵換平台之規範及方法學。
2020年時台灣有生物炭相關計劃推行，林試所將計畫研究成果集結成冊「臺灣生物炭產製與農業應用指南」，有興趣者可自行下載瀏覽。當年生物炭研究成果原本還有知識服務網頁，惟經費結束後不再更新。基本概念
- 生物炭的定義與製作過程：生物炭是一種高碳含量的材料，通常由有機生物質（如木材、農業廢棄物、作物殘渣等）經過高溫熱裂解（通常在350°C至700°C的溫度範圍內）製成。此過程在低氧或無氧環境下進行，能夠將有機物中的碳穩定地轉化為耐久性很高的固體形態，而不是讓碳以二氧化碳或甲烷形式釋放回大氣中。熱裂解過程的主要目的是將生物質中的碳鎖在固體生物炭中，從而實現碳移除效果。
- 生物炭的技術成熟度（TRL 8-9）：在眾多碳移除技術中，生物炭已經達到高技術成熟度，具備了實際應用的條件。根據技術成熟度級別（Technology Readiness Level, TRL）評估，生物炭技術已經達到TRL 8至9級，這意味著該技術已經經過多階段的研究和測試，並在商業與產業應用中得到了廣泛驗證。全球各地已有數百個生物炭生產設施在運營，表明其在技術和市場應用上的高度可行性。
- 生物炭的主要碳來源與環境作用：生物炭中的碳主要來源於有機生物質。在熱解過程中，有機材料中的碳被轉化為穩定的碳結構，這些結構非常難以被微生物分解，從而延長了碳在土壤中的停留時間。生物炭的耐久性和穩定性使其成為一種重要的碳封存形式，可以將碳從大氣中移除並長期封存在土壤中，幫助減緩氣候變遷。生物炭在土壤中的應用還帶來許多其他環境效益。除了碳移除之外，它還能改善土壤的結構，提升保水性和養分保持能力，增強農作物對抗極端氣候的能力，並促進土壤中的微生物活動。這些共同效益不僅對環境有利，還能為農業發展提供永續性的支持。
生物炭之碳移除機制
- 生物炭的耐久性與碳匯成效：生物炭作為碳移除技術的最大優勢之一在於其長期耐久性。經過高溫熱解過程製成的生物炭，具有高度穩定的結構，這些碳結構極其難以被微生物分解。因此，當生物炭被添加至土壤中後，其內部的碳可以在數百年至數千年的時間範圍內保持穩定，避免碳再度進入大氣中。此外，科學實驗和考古證據顯示，經過良好熱裂解處理的生物炭，即使在數千年後仍然能夠保持其結構和功能。這使得生物炭成為一種非常有效的長期碳封存技術。在土壤中，生物炭中的碳幾乎不會因生物或化學作用快速釋放，這一特性使其被廣泛認為是一種永久性的碳封存方式，有助於達成減緩氣候變遷的目標。
- 生物炭在土壤中的保留時間與地質碳封存的比較：自然界中，碳通過生物圈到地質圈的轉移，能夠長期封存於地質結構中。生物炭模擬了這一過程，類似於地質過程中形成的“惰性碳”（inertinite）。研究表明，經過完全碳化的生物炭在土壤中具有與地質碳封存類似的長期穩定性，甚至在幾千年的時間尺度內仍能保持其形態。在實驗室和田間的測試中，科學家發現生物炭的分解速率極低，遠低於其他有機碳形式。根據最新的研究，生物炭的碳釋放率大約為每年0.0018%，這意味著其平均保留時間可達550年以上。這樣的長期穩定性，使得生物炭能夠與傳統的地質碳封存方式進行有效對比，成為一種具有成本效益的自然碳移除技術。
- 生物炭在土壤中的碳循環作用：當生物炭被應用於土壤時，它不僅僅是碳的被動儲存體，還會對土壤的碳循環產生積極影響。生物炭的多孔隙結構能夠吸附和保持水分及養分，這有助於促進植物生長和微生物活動，從而提升土壤的碳吸收能力。此外，生物炭有助於減少土壤中的碳釋放，因為其穩定的碳結構可以降低其他有機物的分解速度。這些特性使得生物炭在農業和生態系統中具有獨特的價值。它不僅能夠幫助實現碳封存，還能提升土壤健康，促進農作物產量，並且改善土壤的可持續性，為氣候變遷中的農業適應提供幫助。
- 生物炭的生物分解與微生物影響：雖然生物炭的主要碳結構難以被分解，但其中仍然有一些較不穩定的有機碳成分，可能會在短期內被土壤微生物分解。然而，這些可分解成分僅佔生物炭的一小部分，且其分解速率遠低於其他有機物質。研究表明，生物炭中的碳主要以穩定形式存在，其分解產生的二氧化碳排放量極低，對整體碳移除的長期效果幾乎沒有影響。微生物對生物炭的影響主要表現在其對土壤微生物群落的調節作用。生物炭能夠為土壤微生物提供有利的生存環境，特別是在貧瘠或退化的土壤中，它能改善微生物多樣性與活動力，從而促進土壤有機碳的積累。
生物炭之碳移除效益
- 全球碳移除潛力：生物炭的碳移除潛力在全球範圍內備受關注，尤其是在碳移除技術市場逐漸成熟的背景下。根據當前的研究和模型預測，生物炭技術在全球每年能移除數億噸的二氧化碳當量。以歐洲為例，到2030年，歐洲的生物炭產業預計每年可移除600萬噸二氧化碳，而到2040年，這一數字可望增長至1億噸。其每年有潛力移除多達1.33億噸的二氧化碳當量。此類數據反映了生物炭技術的實際應用價值，特別是在已建立對應產業鏈的地區，如農業廢棄物豐富的國家，生物炭的生產和應用可進一步擴大。要達成這樣的目標，生物炭產業需要維持約70%的年增長率。
- 成本效益分析：生物炭技術的另一大優勢在於其相對於其他碳移除技術的成本效益。生物炭的碳移除成本相對較低，特別是在與其他技術（如直接空氣捕捉DAC或碳捕捉與封存技術CCS）相比時。生物炭技術的成本效益來自於多重因素，包括其原材料的低成本（如農業廢棄物）、生產過程的相對簡單性，以及其在土壤改良中的效益。這些因素使得生物炭成為現今最具經濟效益的碳移除選擇之一，特別是在需要快速擴展碳移除能力的情況下。
- 對農業和土地利用的影響：生物炭技術除了能夠幫助減少大氣中的二氧化碳含量，還對農業和土地利用產生了積極影響。其多孔隙結構使其在土壤中表現出極佳的水分和養分保持能力，這不僅提高了作物生產力，還增強了農作物抵禦極端氣候條件的能力。在氣候變遷導致的降雨不穩定和乾旱增加的情況下，這些土壤改良效益尤其顯著。此外，生物炭還可以作為農業廢棄物的解決方案，將通常會被焚燒或丟棄的廢棄物轉化為具價值的碳移除產品，這也有助於減少其他形式的碳排放，例如廢棄物焚燒所釋放的溫室氣體。這樣的循環經濟模式，為農業提供了一條可持續發展的道路，並促進了生物多樣性的維持。
共同效益
- 改善土壤健康與農作物適應氣候變遷的能力：生物炭作為土壤改良劑，能夠顯著改善土壤健康，這對全球面臨土壤退化和沙漠化威脅的地區尤為重要。生物炭的多孔結構有助於提升土壤的保水性，這對於乾旱頻發地區尤為有利。生物炭還能夠增加土壤的養分保持能力，從而促進農作物的生長和產量，特別是在土壤貧瘠或酸性土壤中效果顯著。在氣候變遷背景下，極端氣候事件如乾旱和暴雨正逐漸增加，農業面臨嚴峻挑戰。生物炭的應用能夠增強土壤對這些變化的適應性，提高作物的抗逆性，並促進農業的永續發展。此外，生物炭還有助於減少土壤中養分的流失，從而提高土壤的肥力，延長耕地的可用年限，減少對化肥的依賴，進一步減少農業生產過程中的碳排放。
- 支持永續農業和農村經濟發展：生物炭技術不僅能夠促進環境的永續發展，還為農村地區帶來了經濟效益。首先，生物炭的生產過程可以利用農業廢棄物作為原材料，這為農民提供了一個有效的廢棄物處理方式，並創造了新的收入來源。通過將農業廢棄物轉化為具有經濟價值的生物炭產品，農村經濟可以獲得永續發展動力。此外，隨著碳交易市場的發展，生物炭技術的碳移除效益可通過碳權的形式轉化為經濟收益。這使得生物炭的生產者和使用者能夠參與碳交易市場，通過碳權的交易獲得額外經濟回報，對於推動農業和農村地區的綠色經濟轉型具有積極意義。
- 生物炭在工業中的應用潛力：除了在農業中的應用，生物炭還展現了在工業領域的潛力。特別是在水泥和鋼鐵等高排放工業生物炭可以作為替代材料，幫助減少這些行業的碳足跡。在水泥製造中，生物炭可以部分替代傳統的水泥成分，不僅能夠減少水泥製造過程中的碳排放，還能夠提高混凝土的強度、隔熱性和隔音性，並減少其重量。同樣在鋼鐵工業中，根據具體的生產工藝，生物炭也可以作為碳源替代品，用於鋼鐵的製造過程，從而幫助減少化石燃料的使用和碳排放。這些應用為工業減排提供了新的選擇，並有助於推動工業領域的碳中和目標。
- 促進生物多樣性與土壤微生物活動：生物炭不僅是碳封存技術，還能促進土壤中的生態系統。其多孔隙結構和高表面積為土壤微生物提供了理想的棲息地，特別是在貧瘠的土壤環境中，生物炭的添加有助於恢復和增強土壤中的微生物多樣性。這些微生物有助於分解有機物質，促進養分循環，並提升土壤的生態功能。研究顯示生物炭能夠增加土壤的微生物活性，從而促進碳和氮等重要元素的循環。這不僅有助於提高作物生長效率，還能提升土壤的長期健康狀況，為農業的永續發展創造條件。
監測與驗證
- 生物炭碳移除的驗證技術：隨著碳移除技術逐漸成為實現全球氣候目標的關鍵手段，對於碳移除技術的精確追蹤、監測及驗證顯得尤為重要。生物炭的碳移除能力並非僅依賴其在生產和應用過程中的假設情境，而是可以通過多種科學手段進行定量化的驗證。這些驗證技術能夠精確測量生物炭中的碳含量、碳穩定性以及在土壤中長期存在的耐久性。最常見的驗證方法之一是透過氫/碳比（H/C）分析，這種技術能夠評估生物炭的碳穩定性，確保其具有高度碳化的結構，這樣的結構難以被土壤中的微生物分解。其他驗證技術還包括隨機反射率測試（Random Reflectance, Ro）和固定碳含量的測量，這些技術能夠準確反映生物炭的長期碳移除效果。此外，實驗室和田野試驗的結合能進一步加強驗證結果的可靠性。這些研究通常針對不同環境下生物炭的分解速率進行分析，並通過模型推算其長期碳封存時間。這樣的驗證流程使得生物炭的碳移除效果得到了廣泛科學支持。
- 第三方認證及碳市場應用：為了確保生物炭的碳移除成效能夠被納入國家和全球的氣候目標中，第三方認證機構提供了相應的標準和認證方法。這些認證機構通過驗證生物炭的生產過程、碳穩定性以及應用效果，確保其在碳移除專案中的真實貢獻 。其中Puro Earth、Verra 和 Gold Standard 等平台已經建立了完善的生物炭碳移除標準，這些標準基於科學證據，提供嚴格的碳移除核算方法。Puro Earth 的生物炭方法學以及 Verra 提供的生物炭利用方法學，允許企業和生產者將經過驗證的碳移除成果轉換為碳權，進入自願性碳市場進行交易。這些碳權能夠成為企業達成碳中和或負碳排目標的重要工具，同時也為生物炭的生產者創造了新的經濟回報。此外，這些認證系統還提供了數位化的監測、報告與驗證（Digital MRV）技術，這進一步提升了碳移除項目的透明度與追溯性。這些數位工具使得碳移除項目可以即時追蹤生物炭的應用及其碳匯狀況，並確保數據的可靠性和可追溯性。
- 生物炭碳移除與國家氣候目標的結合：隨著國際間對氣候變遷行動的關注增加，許多國家已將碳移除技術納入其長期氣候策略中。生物炭的碳移除技術因其長期穩定性和多重環境效益，已經成為政策制定者眼中一項值得推動的技術。在某些國家，生物炭的碳移除成效已經被納入溫室氣體核算系統，並且可以作為國家碳權體系中的一部分。例如，歐洲和美國的政策規範已經將生物炭的碳移除納入其國家溫室氣體報告中，這使得生物炭的應用不僅限於私營企業的自願性碳交易市場，也成為國家級別減碳的關鍵手段之一。
- 生物炭碳移除項目的挑戰與未來發展：雖然生物炭的碳移除潛力和技術已經得到廣泛認可，但其在推廣過程中仍然面臨一些挑戰。首先，生物炭生產和應用的區域性限制較為明顯，特別是在那些缺乏農業廢棄物來源的地區，生物炭的推廣難度較大。此外，生物炭的生產成本雖低於其他碳移除技術，但其大規模應用仍然需要大量資本投入。未來生物炭技術的發展方向將著重於優化生產工藝、降低成本、加強認證和追蹤系統的透明度，並推動國際間的合作，促使生物炭成為全球碳移除體系中的核心技術之一。
總結
生物炭作為一種永續的碳移除技術，展現出高度的技術成熟度和多重環境效益。隨著全球應對氣候變遷的壓力日益加劇，生物炭憑藉其長期碳封存的能力，以及在農業、工業和生態系統中的廣泛應用，成為推動淨零排放和負碳排的核心解決方案之一。
首先，生物炭的碳移除效益已在多個科學研究和實踐中得到驗證。其經過熱裂解製成的穩定碳結構，能夠在土壤中封存數百年至數千年，顯示出其作為長期碳封存技術的巨大潛力。同時，生物炭技術已經達到技術成熟度8至9級，這意味著它已經具備大規模應用的條件，並且能夠與其他碳移除技術競爭，在全球碳市場中佔有一席之地。
其次，生物炭的環境與社會額外效益使其具備更廣泛的應用前景。在改善土壤健康、促進農業產量、提高作物抗性以及促進農村經濟發展方面，生物炭已經顯示出其價值。此外，生物炭還能應用於高碳排產業，為水泥和鋼鐵等行業提供低碳替代品，從而幫助這些難以減排的領域實現碳中和。
第三，生物炭碳移除的監測與驗證體系日趨完善，通過第三方認證機構的技術標準，生物炭碳移除專案的成效已能進入國際碳市場，並得到科學驗證。這些驗證和追蹤系統的發展，為生物炭的未來應用提供了保障，並確保其碳移除效益能夠精確地納入全球氣候目標中。
然而，儘管生物炭技術已展示顯著潛力，未來仍面臨一些挑戰。生產成本和資源可得性是生物炭應用推廣的主要瓶頸，特別是在資源有限的地區，生物炭的生產和應用可能會受到限制。因此，未來的技術發展將集中於進一步降低生產成本、提升生產效率，並加強全球範圍的技術合作。
總結來說，生物炭作為一種多功能的碳移除技術，不僅能夠應對氣候變遷，還能在農業、工業、經濟和生態系統中發揮重要作用。隨著技術和市場的進一步發展，生物炭將在實現全球淨零排放過程中扮演不可或缺的角色。
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