草木 系 バ イ オ マ ス利 用 の展 開(皿)

草木 系 バ イ オ マ ス利 用 の展 開(皿)

神奈川大学総合理学研究所 門屋 卓

1.は じめ に

第1報 で は 最 近 の地 球 環 境 問題 に 関 連 して 関 心 が 高 ま っ て き た バ イ オ マ ス 、 特 に 草 木 系 バ イ オ マ ス に つ い て 概 要 を 述 べ 、 第II報 で は世 界 の エ ネ ル ギ ー 資 源 とバ イ オ マ ス との 関 連

に つ い て 世 の 中 の 動 向 に つ き概 要 を 紹 介 した。

第 皿 報 で は こ れ か ら の エ ネ ル ギ ー 問 題 の 一 端 を 担 う と見 られ る草 木 系 バ イ オ マ ス 、 特 に 当 協 会 が 指 向 して い る非 木 材 系 バ イ オ マ ス 利 用 の 状 況 に っ い て 展 望 し 、加 え て 平 成15年 よ

り施 行 され た 新 エ ネ ル ギ ー 法 に つ い て 若 干 触 れ る こ と にす る。

2.バ イオ マ ス の エネ ル ギ ー 化

バ イ オ マ ス を 利 用 す る上 で の 長 所 、 欠 点 に つ い て は 第1報 で 列 記 した が 、 こ こで 示 した い くつ か の 欠 点 を解 決 す る こ とに よ っ て 将 来 の新 た な 展 開 が 期 待 され る。 そ こ で これ を前 提 と して 、 まず バ イ オ マ ス の エ ネ ル ギ ー 化 に つ い て 取 り上 げ て み る。

バ イ オ マ ス の エ ネ ル ギ ー 転 換 に 最 も端 的 な の はそ の ま ま 燃 焼 す る こ と で あ り、 ま た 炭 化 に よ っ て 原 料 木 材 の 持 つ エ ネ ル ギ ー の 約1/2が 確 保 で き 、 単 位 重 量 当 た りで は 、 石 油 の 約 70%を 保 持 す る 固 体 燃 料 にす る こ とが で き る。 さ ら に化 学 ・生 物 学 的 手 法 に よ っ て 表1の

乾 燥 バ イ オ マ ス … ① 熱 分 解(Pyrolysis)→ 木 炭 、 燃 料 油 、 燃 料 ガ ス

② ガ ス 化(Gasificati・n)→ 燃 料 ガ ス 、 メ タ ノ ー ル 、 メ タ ン

③ 完 全 燃 焼(Combustion)→ 熱/ス チ ー ム 湿 潤 バ オ オ マ ス … ① 嫌 気 性 発 酵 → メ タ ン

② 酸 ま た は 酸 素 加 水 分 解 → 単 糖 →(発 酵)エ タ ノ ー ル 表1バ イ オ マ ス の エ ネ ル ギ ー 転 換1)

低 温 ガ ス化(ガ ス) 熱 分 解(液 体燃 料) 直 接 液 化(液 体燃 料) 低 温 液 化(水 素 ・メ タ ン) エ タ ノー ル 発 酵(エ タ ノ0ル)

そ の 他(ご み 固形 化 燃 料

・バ イ オデ イ ー ゼル) 図1バ イ オ マ ス の 主 な エネ ル ギー 変 換

草 木 系 バ イ オ マ ス利 用 の展 開(皿) ¹⁴⁷

よ うに 高 発 熱 量 の燃 料 に 転 換 可 能 で あ る。

図1に バ イ オ マ ス をエ ネ ル ギ ー 変 換 す る場 合 の諸 方 式 に つ い て 列 記 した 最 近 の 資 料 を 併 記 した 。

,一表1、 図1の よ うに 、 バ イ オ マ ス を エ ネ ル ギー に 変 換 す る 技 術 と して は 、 エ タ ノー ル 発 酵 や メ タ ン発 酵 、 ガ ス化 な どの 方 法 が あ る。 発 酵 方 式 は 変 換 に 時 間 が か か り、 ガ ス 化 は 変 換 そ の も の に エ ネ ル ギ ー を 必 要 とす る な ど、 一 長 一 短 で あ る。 一 方 、 今 ま で 行 な わ れ て き た よ うに そ の ま ま燃 焼 す る 方 法 に つ い て は 、 有 害 な ダ イ オ キ シ ン な どが 発 生 しな い よ うな 手 法 が 開 発 され 、 生 ごみ 発 電 や ごみ 固 形 化 燃 料(RDF)の よ うな方 法 が 実 用 化 され 、 次 に 述 べ る コ ジ ェ ネ レー シ ョ ン とい う技 術 が 導 入 され 、 効 率 の 良 い エ ネ ル ギ ー 変 換 が 可 能 に な っ て き た 。

3.コ ジ ェネ レー シ ョン に つ い て く 分 散 型 エ ネ ル ギ ー の 世 紀 へ 〉

今 ま で 述 べ た よ うに 、20世 紀 の 人 類 は 、化 石 燃 料 とい うエネ ル ギー を 手 に す る こ とに よっ て 、 前 世 紀 とは 比 類 を 見 な い 進 歩 ・発 展 を た ど り、21世 紀 を 迎 え る に到 っ て い る。 一 方 、 こ の エ ネ ル ギ ー の過 度 な 消 費 は 、 地 球 存 亡 の 危 機 を もた ら し、 脱 化 石 燃 料 を 目指 して 世 界 は 大 き く転 換 しつ つ あ る。

現 在 の 人 類 の繁 栄 を も た ら した 化 石 燃 料 消 費 の 大 半 は 、 工 業 製 品 の製 造 と輸 送 動 力 で あ り、 前 者 は 、 省 資源 、 省 エ ネ ル ギ ー や 前 途 の バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー な ど を 導 入 し、 ま た コ ジ ェネ レー シ ョ ン化 に よ る 活 路 を 開拓 中 で あ り、 後 者 の 輸 送 動 力 に は 、 バ イ オ ガ ス 、 ソー ラ ー バ ッテ リー 、燃 料 電 池 な どの 導 入 が 進 み 、 分 散 型 エ ネ ル ギ ー とい う時 代 に入 っ て き た。

こ れ らの 中 で 、 燃 料 電 池 は輸 送 用 動 力 と して 最 適 で あ る と して 脚 光 を浴 び て い る。 しか し、 発 電 に必 要 な水 素 の調 達 に つ い て は あ ま り論 じ られ て い な い 。 燃 料 電 池 に 不 可 欠 な水 素 の 調 達 に つ い て は 、 現 在 化 石 資 源 か ら得 る方 法 とバ イ オ ガ ス か ら得 る方 法 が 挙 げ られ る が 、 これ らの 得 失 に つ い て は 十 分 な 論 議 は見 当 らず 、 これ に つ い て は 別 途 改 め て 論 じて み た い 。

こ こ で は 、 主 と して 分 散 型 エ ネ ル ギ ー の一 つ で あ る コジ ェ ネ レー シ ョ ン につ い て紙 数 を 割 い て み よ う。

ジ ェ ル バ2002年8月 号 に 簡 単 に 紹 介 さ れ て い る よ う に 、 コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン (cogeneration)と は 、 最 近 注 目 され て き た 新 しい エ ネ ル ギ ー 供 給 ・利 用 シ ス テ ム の 一 つ で 、 今 ま で わ れ わ れ の 消 費 す る電 力 は 、 電 力 会 社 が 膨 大 な発 電 所 を設 置 して 化 石 燃 料 や 原 子 力 を熱 源 と して 発 電 し、 消 費 者 に配 給 され て き た 。 そ の発 電 効 率 は40%程 度 とい われ 、 残 りは排 熱 と して 大 気 中 に 放 出 され 、 地 球 温 暖 化 に少 な か らず 影 響 を 及 ぼ す も の と され て い る。

こ の こ とは 、 大 量 に 発 生 す る 局 所 的 な排 熱 を 、 遠 方 の 消 費 者 に 配 給 ・利 用 す るた め に は 設 備 ・コ ス トの 面 で 必 ず し も得 策 で は な い とい う見 方 に よ る も の で あ る。

コ ジ ェ ネ レー シ ョン シ ス テ ム は 、 これ に 対 して 小 規 模 の 発 電 シ ス テ ム を 分 散 的 に配 置 し、

電 力 と熱 源 を有 効 に利 用 し、 効 率 の 良 い エ ネ ル ギ ー を獲 得 ・利 用 し よ う とす る もの で あ る。

い ま 、 大 量 に排 出 され て い る 生 ご み(食 品 廃 棄 物 な ど)や 木 質 系 廃 材 な ど の 生 物 系 資 源 を 燃 料 と して コ ジ ェネ レー シ ョ ン シ ス テ ム で 発 電 し、 排 熱 を暖 房 や 給 湯 に利 用 す る場 合 を 計 算 す る と 、 熱 と電 力 の 総 合 効 率 は80%程 度 に な りエ ネ ル ギ ー の 有 効 利 用 に つ な が る。

これ を コ ジ ェ ネ レー シ ョン と称 し、 と くにバ イ オ マ ス を燃 料 と した 方 式 は カ ー ボ ン ニ ュー トラル の 点 で 循 環 型 社 会 形 成 の 時 代 に適 応 す る もの と して認 識 され て き た 。

こ の 方 式 は 、 巨 大 な 発 電 設 備 に よ っ て 、 都 市 、 工 場 な どに 広 く電 力 を供 給 す る シ ス テ ム で は コ ス ト高 に な る が 、 ビル 、 病 院 、 ホ テ ル な どの 小 コ ミ ュ ニ テ ィ0用 で は 十 分 成 立 し、

紙 パ ル プ 産 業 で は す で に 導 入 され て い る 。 す な わ ち 、 パ ル プ 化 工 程 に お い て 薬 品処 理 され た 後 の廃 液(黒 液)は 、 濃 縮 ・燃 焼 して 自家 発 電 し、 工 場 全 体 の 電 力 と熱 資 源 を確 保 す る もの で 、 黒 液 燃 焼 ・薬 品 回 収 の シ ス テ ム は以 前 か ら確 立 され て い る。 後 で 述 べ る よ うに 、 黒 液 とい う一 般 に は馴 染 み な い 言 葉 は 政 府 の 新 エ ネ ル ギ ー 政 策 の 中 に位 置 づ け られ て い る。

コ ジ ェネ レー シ ョ ン シ ス テ ム は 消 費 地 立 地 型 で 、 送 電 線 不 要 で 、バ イ オ マ ス や 生 物 系 廃 棄 物 を含 め 多 様 な エ ネ ル ギ ー を燃 料 と して 利 用 で き る 点 で今 後 注 目 され 、 非 木 材 資 源 も近

くそ の 一 端 を 担 うこ と に な る と予 測 され る。

4.非 木 材 の 視 座 か らの バ イオ マ ス エネ ル ギ ー

わ が 国 は 、2002年 の 政 令 改 正 に よ り、 従 来 ま で食 品廃 棄 物 や 木 くず な ど一 部 が 再 生 資 源 と し て新 エ ネ ル ギ ー 法 上 の廃 棄 物 発 電 と して分 類 され て い た が 、 家 畜 の ふ ん 尿 や 間伐 材 を 新 た に加 え 、 化 石 燃 料 以 外 の 動 植 物 に 由 来 す る有 機 物 の エ ネ ル ギ ー 源 と して の利 用 可 能 な

も の を す べ て バ イ オ マ ス の エ ネ ル ギ ー と して規 定 され た 。

ま た 、 そ の 後 政 府 は 平 成14年12月27日 の 閣 議 決 定 に よ り、76の 行 動 計 画 を 盛 り込 ん だ

「バ イ オ マ ス ・ニ ッポ ン 総 合 戦 略 」 を と りま とめ た。

「バ イ オ マ ス ・ニ ッポ ン 」 の総 合 戦 略 を 以 下 に 列 記 す る2)。

1)「 バ イ オ マ ス ・ニ ッポ ン 」 の進 展 シ ナ リオ

(廃棄 物 系 バ イ オ マ ス)〈 現 在 〜2010年 頃 〉 ∫.

廃 棄 され る紙 、 家 畜 排 せ つ 物 、 食 品 廃 棄 物 、 建 設 発 生 木 材 、 黒 液 、 下 水 汚 泥 の よ うな 廃 棄 物 系 バ イ オ マ ス の 活 利 用 は 比 較 的 早 く進 む

(未利 用 バ イ オ マ ス)<2010年 頃>

2010年 頃 に は 、稲 わ ら、 もみ 殻 等 の 農 産 物 非 食 品 用 部 や 林 地 残 材 な ど とい っ た 未 利 用 バ イ オ マ ス の 活 利 用 が 進 む 。

(資源 作 物)<2020年 頃>

2020年 頃 に は 、 資 源 作 物 が 栽 培 され 、 エ ネ ル ギ ー や 製 品 と し て活 利 用 され る。

(新作 物)〈2050年 頃 〉.'

2050年 頃 に は 、 海 洋 植 物 や 遺 伝 子 組 替 え植 物 とい っ た 新 作 物 に よ り、 バ イ オ マ ス 生 産

A

草 木 系 バ イ オ マ ス利 用 の展 開(皿)

政 令 改 正(H14年1月)に よ り、 バ イ オ マ ス の エ ネ ル ギ ー利 用 が 新 エ ネ 法 上 の 新 エ ネ ル ギー 利 用 等 と して 追 加 され 、 再 生 資 源 の 一 部 は バ イ オ マ ス と して位 置 づ け られ た。

な お 、 これ ま で に 、 再 生 資 源 の エ ネ ル ギ ー利 用 につ い て は 、 廃 棄 物 発 電 や 産 業 物 熱 利 用 等 と して位 置 づ け られ て い た。

図2 量 が 増 大 す る。

◎ 全 国 目標:2010年 を 目処 と し て 、 廃 棄 物 系 バ イ オ マ ス を 炭 素 換 算 量 で86%以 上 、 未 利 用 バ イ オ マ ス25%以 上 を 活 利 用 す る。

以 下2)〜5)に わ た っ て 行 動 計 画 が 示 され て い る が 、詳 細 は割 愛 し、

項 目の み を こ こ に 示 す 。

2)バ イ オ マ ス 活 利 用 推 進 全 般 に つ い て の 具 体 的 行 動 計 画 3)バ イ オ マ ス の 生 産 ・収 集 ・輸

送 に 関 す る具 体 的 行 動 計 画

使 用 済 物 品

・包 装 用 プ ラ ス チ ッ ク

・廃 タイ ヤ

副 産 物

・プ ラス チ ッ ク屑

バ イ オ マ ス位 置 づ け

廃調理用油 古紙 食 品廃棄物 木 くず 建築廃材 黒液

・ふ ん 尿

・稲 わ ら、 モ ミ殻

・エ ネ ル ギ ー 作物

太 陽 光 発 電 風 力 発電

ク リー ンエ ネル ギ ー 自 動 車 廃 棄 物 燃 料 製 造

廃 棄 物 発 電 廃 棄物 熱 利 用 温 度 差 エ ネル ギ ー

天 然 ガ ス コ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン 燃 料 電 池

太 陽 熱 利 用

約500万kw 約30万kw 約340万 台

*約189万kl 約500万kw

*約14万k1

*約58万k1 約455万kw 約220万kw

*約450万kl

*は 新エ ネルギー利用等の導 入量を原油の数値に換算 表2新 エ ネ ル ギ ー 利 用 等 の 種 類 と 目標

4)バ イ オ マ ス の 変 換 に 関 す る具 体 的 行 動 計 画 5)バ イ オ マ ス 変 換 後 の利 用 に 関す る具 体 的 行 動 計 画

ま た 、 第II報 で も述 べ た よ うに 、 『電 気 事 業 者 に よ る新 エ ネ ル ギ ー 等 の利 用 に 関 す る 特 別 措 置 法(以 下 「RPS法」と い う。)』を施 行 し、2003年4月 よ り発 足 して い る。RPS法 案 中 に は2010年 ま で の シ ナ リオ が 表2の よ うに示 され て お り、バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー に 関す る 項 目は 図2の よ うに 位 置 づ け られ て い る。

図2で 挙 げ られ て い るエ ネ ル ギ ー 作 物 とは 上 述 の 資源 作 物 と も関 連 し、 光 合 成 能 の優 れ た 高 効 率 の栽 培 植 物 と見 な され る が 、 詳 細 は 解 説 され て い な い 。 しか し、 こ の表 現 の 中 に は 当然 現 在 注 目 され て い る 草 木 系 バ イ オ マ ス 資 源 は 大 き な役 割 を 担 っ て くる も の と期 待 さ れ る。,,

5.各 種 バ イオ マ ス の 発 熱 量

こ こ で 各 種 バ イ オ マ ス の 資源 の発 熱 量 を調 査 し、 化 石 燃 料 との 比 較 を表3、 図3の よ う に示 す 。

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まず 、 バ イ オ マ ス 資 源 め 代 表 で あ る 木 質 系燃 料 の 燃 焼 エ ネ ル ギ ー を表3に 示 す 。 木 質 系 燃 料 は材 の 種 類 、 組 織 及 び 乾 燥 状 態 に よ っ て 異 な る が 、 大 別 し て 針 葉 樹 、 広 葉 樹 、 樹 皮 の 乾 燥 状 態 の 発 熱 量 を表 示 した 。

こ の よ うに3種 の発 熱 量 は 、 樹 皮 〉 針 葉 樹 〉広 葉 樹 とな っ て い る。 隔

次 い で 、 木 質 材 料 の 水 分 と発 熱 量 の 関 係 を 図3に 示 す 。 バ イ オ マ ス の発 熱 量 は含 有 水 分 に よ っ て 大 き く異 な り、

通常15%(ド ライベ ー ス)約13%(ウ ェ ッ トベ ー ス)以 下 が 望 ま し く3)、 燃 焼 の 効 率 化 に は何 らか の処 置 が 必 要 で あ る。

図4に は 各 種 燃 料 の 発 熱 量 の 比 較 を 図 示 した 。

針 葉樹 広葉樹 樹皮

4,960kcal/kg 4,730kca1/kg 5,230kcalikg 表3針 葉 樹 、 広 葉 樹 、樹 皮 の 乾 燥 状 態 の発 熱 量

発 熱f (kcal/kg)

6,000 5,000 4,000

3,000 2,000 1,000 0

01020304050'60

水 分%(ウ エ ットベ ー ス) 図3木 材 の 水 分 と発 熱 量

6.代 表 的 エ ネ ル ギ ー 作 物 の 情 報

上 述 の よ う に 、 新 ネ ル ギ ー 政 策 の 解 説 に は バ イ オ マ ス 資 源 の 位 置 づ け の 一 つ と

して 、 エ ネ ル ギ ー 作 物(energyplants) とい う用 語 を 加 え 表 示 され て い る 。 エ ネ

石 炭 メタノール エタノール ガソリン 灯油 プロパンガス 天 然ガス

ル ギ ー 作 物 と い う表 現 は す で に 欧 米 の 工 都市ガス{13A)

ネルギー専門誌 に発表 されてお り1＼2・・ 噸 謝 2年6月 の ジ ェル バ に も紹 介 さ れ 、 詳 細 は

省 く が 、 こ こ で は 代 表 的 エ ネ ル ギ ー 植 物 15種 を 挙 げ 、 そ の 長 所 欠 点 を 論 じ る と 共 に 単 位 面 積 に 換 算 し た 場 合 の オ イ ル 収 穫 量 の 値 を 示 し て い る。 表4は 同 文 献 に さ

らに ケ ナ フ を加 え て 作 表 した もの で あ る 。

木炭 稲わ ら バガス 樹皮 木材

02,0004.0006,0008.00010,00012,000 kcal/kg 図4各 種 燃 料 の 発 熱 量 比 較

表5にEUの 自然 エ ネ ル ギ ー 行 動 計 画 に つ い て 紹 介 され た 文 献 の 一 部 を示 す 。

表5に よれ ば 、 設 備 費 、 発 電 能 力 、 原 単 位 な どを 比 較 す れ ば 、 バ イ オ マ ス発 電 は 最 も有 効 な エ ネ ル ギ̀.得 法 で あ る と見 な され る。 しか し第1報 で も述 べ た よ うに 、 草 木 系 を利 用 した バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー の 最 大 の 欠 点 は 広 大 な 面 積 に 分 散 して い る か さ 高 で 、 集 荷 、 貯 蔵 の難 しい 資 源 を如 何 に 効 率 よ く加 工 設 備 に 投 入 す る か で あ り、 今 後 は これ に 関 して 知 能 を 傾 けね ば な ら な い で あ ろ う。

草木 系バ イ オ マ ス 利 用 の 展 開(皿) ¹⁵¹

7.終 わ りに.二・

以 上1〜 皿 に 表4代 表的エネルギー植物 の種類 とヘ クタール換算 したオイル収穫量 これ か らの循 環

型 社 会 の 一 端 を 担 う も の と期 待 され て き た バ イ オマ スエネル ギー の 開 発 の動 向 に つ い て 資 料 を整 理 ・包 括 した。

た だ 、 こ こ で は 実 際 の 変 換 技 術 な どの 情 報 に つ いて は割 愛 した6 これ に つ い て は 講 を 改 め て ま と め る こ とにす る。

循 環 型 社 会 の 推 進 は ま だ 諸 に

着 い た ば か りで あ るが 、 今 一 表5EUの 自然エネル ギー利用行動計画の評価 後 急 速 に 拡 張 して い く もの

ど考 え られ る0こ の よ うな 時代 に備 えて 、現 状 を認識 ・ 理 解 す る こ とが 新 た な る展 開 へ の 引 き金 とな る も の と

思 わ れ る。.パ 、 ・.・4'・ 一

こ の よ うな分 野 で の 当協 会 の役 目は 時 代 と と も に 重 要 に な る も の と推 察 され 、 これ を視 座 と して 論 旨 を 構 築 した 次 第 で あ る。

工 冬 ル ギ ー 植 物 の 種 類 ヘ ク タ ー ル 当 た り 換 算 オ イル 収 穫 量 の 乾 燥 重 量(t/ha)(1/ha)

Miscanthus

Sweet/FiberSorghumモ ロ コ シ30t12,0001

一

Arounddonaxダ ン チ ク

Hemp,Sorre1麻 、 カ タ バ ミ Topinambur

・

WholeplantGerminease' ReedCanarygrass Aprtina,Pancium20t・8,0001 Knotweedた で 類 Kenafケ ナ フ

レ

Poplar,Willowポ プ ラ 、 ヤ ナ ギ Eucalyptusユ ー カ リ

Cereals(straw)穀 草(わ ら 類) Flax,OilFlax亜 麻 、 オ イ ル フ ラ ッ ク ス

lOtf4,0001 Rape,Mastard西 洋 ア ブ ラ ナ 、 マ ヌ タ ー ド

Amaranthア マ ラ ン サ ス ・

太陽光 発電 風 力 発電 バ イオマ ス発電 投 資 額(円)2100億1.4兆1300億

設 備 規 模(kW)100万(推 定)1000万1000万 年間 稼働 率(%)122070

年 間電力(kWh)11億175億617億 投 資 単 価(円/kW)190.983.411.9

参 考 文 献

1)林 産 工 業 に お け る 新 し い 加 工 利 用 技 術p.69日 本 木 材 学 会 編(1985) 3)新 エ ネ ル ギ ー 政 策 の 現 状 、 紙 パ 枝 協 誌57,5、2003;

3)「 木 材 の 辞 典 」 浅 野 猪 外 夫 編P435(1982)朝 倉 書 店 . 4)"N.Elbassam,'M.GraefandK二jakob,SUSTAINABLEAGRICULTUREFORFOOD,ENERGY

㌧AND‑INDUSTRY

,873‑875,1998、   ・