2013
年 度 博 士 論 文共同利用型バイオガスプラントのエネルギー 利用方法に関するライフサイクル的評価
20733004
中 山 博 敬指 導 教 員 動 物 資 源 生 産 学 教 授 干 場 信 司 酪 農 学 園 大 学 大 学 院 酪 農 学 研 究 科
目 次
第 Ⅰ 章 序 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
1
１ ． 研 究 の 背 景２ ． 既 往 の 研 究 ３ ． 研 究 の 目 的 ４ ． 論 文 の 構 成
第 Ⅱ 章 バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 と エ ネ ル ギ ー 収 支 の 検 討 ・ ・ ・
11
１ ． 目 的２ ． 方 法
（ １ ） エ ネ ル ギ ー 収 支 の 検 討 範 囲
（ ２ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル の 基 礎 と し た バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト
（ ３ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル
１ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル の 概 要 ２ ） 電 力 の 計 算
３ ） 熱 の 計 算
（ ４ ） 設 定 条 件 １ ） 殺 菌 条 件
２ ） 消 費 熱 量 お よ び 気 温
３ ） 精 製 装 置 で の ガ ス 精 製 能 力
４ ） コ ジ ェ ネ レ ー タ ー お よ び ガ ス ボ イ ラ ー の エ ネ ル ギ ー 効 率
（ ５ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ケ ー ス ご と に 変 え た 条 件
（ ６ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 期 間
（ ７ ） 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 の 算 定 ３ ． 結 果 お よ び 考 察
（ １ ） プ ラ ン ト 運 転 時 の 年 間 エ ネ ル ギ ー 収 支 と エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率
（ ２ ） 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 の 比 較
（ ３ ） バ イ オ ガ ス 利 用 方 式 の 違 い と エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率
（ ４ ） 産 出 エ ネ ル ギ ー の 季 節 変 化 ４ ． 小 括
第 Ⅲ 章 ラ イ フ サ イ ク ル 的 視 点 に よ る バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の エ ネ ル ギ ー 収 支 の 検 討 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
30
１ ． 目 的２ ． 方 法
（ １ ） 設 備 の 製 造 お よ び 施 設 の 建 設 に 必 要 な エ ネ ル ギ ー 量 の 算 出
（ ２ ） ふ ん 尿 運 搬 等 に 必 要 な エ ネ ル ギ ー 量 お よ び 消 化 液 の エ ネ ル ギ ー 価 値 の 算 出
３ ． 結 果 お よ び 考 察 ４ ． 小 括
第 Ⅳ 章 バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 と 経 済 性 の 検 討 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
35
１ ． 目 的２ ． 方 法
（ １ ） バ イ オ ガ ス の エ ネ ル ギ ー 利 用 と 代 替 可 能 な 化 石 エ ネ ル ギ ー
（ ２ ） バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト に お け る 経 済 収 支 の 検 討 範 囲 ３ ． 結 果 お よ び 考 察
（ １ ） プ ラ ン ト の 運 転 に 伴 う 経 済 収 支
（ ２ ） プ ラ ン ト 建 設 費 お よ び 更 新 費 を 考 慮 し た 経 済 収 支
（ ３ ） 経 済 収 支 改 善 方 法 の 検 討 １ ） 建 設 費 補 助 に よ る 支 出 軽 減 ２ ） 副 原 料 受 け 入 れ に よ る 収 入 増 加
３ ）代 替 可 能 な 化 石 エ ネ ル ギ ー の 単 価 引 き 上 げ に よ る 収 入 増 加 ４ ． 小 括
第 Ⅴ 章 総 合 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
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１ ． 前 章 ま で に 得 ら れ た 結 果 と 本 章 の 目 的２ ． 北 海 道 に お け る 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の 技 術 的 改 善 の 提 案
（ １ ） 北 海 道 内 に お け る 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で の エ ネ ル ギ ー 利 用 の 現 状
（ ２ ） デ ン マ ー ク に お け る 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で の エ ネ ル ギ ー 利 用 の 現 状
（ ３ ） 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の 施 設 構 成 お よ び 施 設 管 理 の 改 善 提 案
１ ） プ ラ ン ト 内 で の 熱 利 用 方 法 の 改 善 ２ ） バ イ オ ガ ス の 脱 硫 お よ び 除 湿 の 徹 底
３ ． 熱 利 用 施 設 へ の バ イ オ ガ ス 輸 送 に よ る ガ ス 利 用 の 検 討
４ ． 今 後 の 北 海 道 に お け る 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で の エ ネ ル ギ ー 利 用 方 法 の 提 案
（ １ ） バ イ オ ガ ス を ガ ス ボ イ ラ ー の み で 利 用 す る 場 合
（ ２ ） バ イ オ ガ ス を コ ジ ェ ネ レ ー タ ー で 利 用 す る 場 合
（ ３ ） バ イ オ ガ ス を 精 製 装 置 で 利 用 す る 場 合
５ ． バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 別 の 経 済 性 検 討 お よ び 産 出 エ ネ ル ギ ー 利 用 方 法 提 案 の 意 義
要 約 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
65
謝 辞 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・75
引 用 文 献 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・77
Abstract
・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・86
- 1 -
第 Ⅰ 章 序 論１ ． 研 究 の 背 景
北 海 道 の 乳 用 牛 の 飼 養 頭 数 は
1993
年 の92
万7
千 頭 を ピ ー ク に 漸 減 し 、2012
年 現 在 で は 全 国 の 約57
％ を 占 め る82
万2
千 頭 が 飼 育 さ れ て い る（ 農 林 水 産 省[46]）。一 方 、北 海 道 の 酪 農 家 戸 数 は 減 少 し つ
づ け て お り 、酪 農 家1
戸 当 た り の 乳 用 牛 飼 養 頭 数 は 年 々 増 加 し て い る （Fig.1-1
）。 ま た 、 フ リ ー ス ト ー ル 牛 舎 導 入 農 家 割 合 が 増 加 傾 向 に あ り（ 北 海 道 農 政 部 食 の 安 全 推 進 局 畜 産 振 興 課[19]
）、フ リ ー ス ト ー ル 牛 舎 か ら 発 生 す る 液 状 ふ ん 尿（Photo 1-1
）の 適 正 な 管 理 が 重 要 と な っ て い る 。液 状 ふ ん 尿 の 管 理 施 設 の 一 つ に 、 メ タ ン 発 酵 （ 嫌 気 発 酵 ） を 利 用 し た バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト が あ る（（ 独 ）北 海 道 開 発 土 木 研 究 所
[11]
）。こ の 施 設 で は ふ ん 尿 を 一 定 温 度 に 保 持 し な が ら 嫌 気 発 酵 さ せ 、 発 酵 後 に 残 る 消 化 液 を 圃 場 へ 散 布 し て 肥 料 と し て 利 用 す る 。 発 酵 時 に は 有 機 物 の 微 生 物 分 解 に よ り バ イ オ ガ ス が 発 生 す る 。 こ の バ イ オ ガ ス は 、 二 酸 化 炭 素 （ 以 下 、
CO
2と 表 記 ） と 可 燃 性 で あ る メ タ ン が 混 合 さ れ た ガ ス で あ り（Raven and Gregersen[51]
）、エ ネ ル ギ ー と し て 利 用 す る こ と が で き る （Fig.1-2
）。バ イ オ ガ ス は バ イ オ マ ス を 原 料 と し て 生 産 さ れ た 燃 料 で あ り 、 燃 焼 時 に 大 気 中 へ 放 出 さ れ る
CO
2は 、光 合 成 に よ っ て 固 定 さ れ た 炭 素- 2 -
が 基 に な っ て い る 。従 っ て 、炭 素 の 循 環 で 見 る と 大 気 中 の
CO
2量 は 変 化 し な い た め カ ー ボ ン ニ ュ ー ト ラ ル と 呼 ば れ 、こ のCO
2は 温 室 効 果 ガ ス と し て 算 定 さ れ な い と い う 特 徴 が あ る （ 例 え ば 、 農 林 水 産 省[47]
、 井 熊[22]
）。バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト が 多 数 稼 働 し て い る ヨ ー ロ ッ パ で は 、 家 畜 ふ ん 尿 を 発 酵 原 料 と す る プ ラ ン ト の ほ か に 、 ト ウ モ ロ コ シ な ど の エ ネ ル ギ ー 作 物 を 発 酵 原 料 と す る プ ラ ン ト も 多 く 存 在 す る
（
Johnny[27]
）。 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト に は 農 家 個 々 で 設 置 す る 個 別 型 プ ラ ン ト 、 あ る い は 複 数 の 農 家 で 利 用 す る 共 同 利 用 型 プ ラ ン ト が あ る （Schulz and Eder[53]
）。 ド イ ツ で は 個 別 型 プ ラ ン ト が 多 く 、2007
年 時 点 で 約3,700
施 設 以 上 の バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト が 稼 働 し て い る （Teodorita[56]
）。 デ ン マ ー ク で は 共 同 利 用 型 プ ラ ン ト が 比 較 的 多 く 、2010
年 時 点 で は23
施 設 の 共 同 利 用 型 プ ラ ン ト と 、60 施 設 の 個 別 型 プ ラ ン ト が 稼 働 中 で あ る （Rikke et al [52]）。 ヨ ー ロ ッ パ
で の バ イ オ ガ ス 利 用 方 法 を 見 る と 、 ド イ ツ で は 主 に コ ジ ェ ネ レ ー タ ー（ 以 下 、CHP
と 表 記 ）で 電 力 に 変 換 し て 売 電 し て い る（Daniel[7]
）。こ れ は 、 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 法 の 施 行 に よ り 、 バ イ オ ガ ス 由 来 の 発 電 電 力 を 高 価 格 で 買 い 上 げ る 義 務 を 電 力 供 給 会 社 に 課 す 政 策 が 導 入 さ れ て い る た め で あ る （ 淡 路
[2]
）。 デ ン マ ー ク で も 電 力 会 社 は 再 生 エ ネ ル ギ ー 由 来 の 発 電 電 力 の 購 入 が 義 務 付 け ら れ て お り（ 中 原[44]
）、- 3 -
主 に
CHP
で エ ネ ル ギ ー 変 換 し て 利 用 し て い る 。 ま た 、CHP
か ら 回 収 し た 熱 エ ネ ル ギ ー は 、 多 数 の 小 規 模 地 域 暖 房 ネ ッ ト ワ ー ク で 利 用 さ れ て お り 、デ ン マ ー ク の 世 帯 に 必 要 な 熱 源 の60
％ を 供 給 し て い る（
NEDO
海 外 レ ポ ー ト[4]
）。 さ ら に 、 精 製 後 の バ イ オ ガ ス は 天 然 ガ ス で 走 る 車 両 の 燃 料 と し て 利 用 し た り 、 天 然 ガ ス 供 給 網 に 入 れ た り す る こ と が で き 、 ス ウ ェ ー デ ン で は こ の よ う な 利 用 が 進 ん で い る（
NEDO
海 外 レ ポ ー ト[3]
）。日 本 で は 、 主 に 北 海 道 に お い て バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト が 普 及 し て お り 、
2009
年 時 点 で 個 別 型 プ ラ ン ト が28
施 設 、 共 同 利 用 型 プ ラ ン ト が2
施 設 稼 働 し て い る（ 石 田[24]
）。北 海 道 で の バ イ オ ガ ス 利 用 方 法 の 現 状 は 、 ガ ス ボ イ ラ ー を 用 い て 熱 の み を 利 用 す る 方 法 、 ま た はCHP
を 用 い て 熱 と 電 力 を 利 用 す る 方 法 に 大 別 す る こ と が で き る 。特 に 熱 の 利 用 で は 、北 海 道 は ヨ ー ロ ッ パ と 比 較 し て 冬 期 の 気 温 が 低 く 、 厳 冬 期 に は 発 酵 槽 等 の 加 温 に 必 要 な 熱 が 増 加 す る た め 、 余 剰 熱 は 少 な く な る と い う 特 徴 が あ る（ 中 山 ら[39]
）。ま た 、近 年 、バ イ オ ガ ス を 膜 分 離 し て メ タ ン 濃 度 を 高 め た ガ ス （ 以 下 、 精 製 バ イ オ ガ ス と 表 記 ）へ 少 量 のLP
ガ ス を 加 え 、都 市 ガ ス の12A
規 格 に 適 合 す る ガ ス（ 以 下 、精 製 ガ ス と 表 記 ）に 精 製 す る 移 動 式 の 精 製 圧 縮 充 填 装 置（ 以 下 、 精 製 装 置 と 表 記 ） が 開 発 さ れ 、 実 証 試 験 が 実 施 さ れ て い る （ 北 海 道 開 発 局 開 発 管 理 部 開 発 調 査 課
[17]
）。精 製 ガ ス は 天 然 ガ ス 自 動 車- 4 -
や ガ ス コ ン ロ の 燃 料 に 使 用 す る こ と が で き る 。
CHP
を 用 い て 発 電 し た 電 力 は 、商 用 電 力 系 統 と 系 統 連 系 す る こ と で 売 電 が 可 能 と な る 。2003
年4
月1
日 に 施 行 さ れ た 「 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
制 度 と 表 記 ） で は 、 電 気 事 業 者 に 対 し て 、 新 エ ネ ル ギ ー 等 を 利 用 し て 得 ら れ る 電 気 を 一 定 量 以 上 利 用 す る こ と が 義 務 づ け ら れ た （ 経 済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁[34]
）。 バ イ オ ガ ス を 燃 料 と す る 発 電 電 力 もRPS
制 度 の 対 象 と な っ た が 、RPS
制 度 で の 売 却 電 力 単 価 は 、購 入 電 力 単 価 と 同 等 か 安 価 に 設 定 さ れ る 場 合 が あ り （ 中 山 ら[42]
）、 売 電 を 積 極 的 に 行 う 動 機 付 け に は な ら な か っ た 。 そ の 後 、 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 利 用 促 進 を 図 る た め に 、2012
年7
月1
日 か ら 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー に よ る 発 電 電 力 の 固 定 価 格 買 取 制 度 、い わ ゆ るFIT
制 度 が 始 ま っ た（ 経 済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁[32]）。FIT
制 度 で の 売 電 単 価 は 、RPS
制 度 よ り 高 い 単 価 と な り 、中 山 ら[42]の 報 告 事 例 で は 、
時 間 帯 に よ り 約4
～9
倍 の 単 価 と な っ た 。 そ の た め 、 バ イ オ ガ ス 発 電 の 導 入 が 進 み 、FIT
制 度 開 始 後 の1
年 間 に 、 新 た に7
施 設 の バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト が 稼 働 し て い る（ 経 済 産 業 省 資 源 エ ネ ル ギ ー 庁[33]
）。こ の よ う に 、 バ イ オ ガ ス 発 電 に よ る 電 力 利 用 に つ い て は 、 利 用 促 進 に 向 け た 制 度 が 拡 充 さ れ て き た 。 一 方 、 バ イ オ ガ ス の エ ネ ル ギ ー 利 用 は 、 前 述 の よ う に 熱 と し て の 利 用 や 精 製 ガ ス と し て の 利 用 が 可
- 5 -
能 で あ り 、 ど の よ う な 利 用 方 法 が エ ネ ル ギ ー 収 支 や 経 済 収 支 か ら 見 て 効 率 的 な の か を 定 量 的 に 評 価 す る こ と は 、 今 後 、 バ イ オ ガ ス 利 用 の 促 進 を 図 る 上 で 重 要 で あ る 。
エ ネ ル ギ ー 収 支 や 経 済 収 支 を 評 価 す る 際 に は 、 短 期 的 評 価 の み で は な く 長 期 的 な 評 価 、 す な わ ち ラ イ フ サ イ ク ル 的 視 点 に よ る 評 価 が 必 要 で あ る 。 ラ イ フ サ イ ク ル 的 評 価 手 法 に は 、 ラ イ フ サ イ ク ル ア セ ス メ ン ト（ 以 下 、
LCA
と 表 記 ）や ラ イ フ サ イ ク ル シ ン キ ン グ が あ る（ 干 場
[21]
）。LCA
と は 、 対 象 と す る 製 品 を 生 み 出 す 資 源 の 採 掘 か ら 素 材 製 造 、 生 産 だ け で な く 、 製 品 の 使 用 ・ 廃 棄 段 階 ま で 、 ラ イ フ サ イ ク ル 全 体 を 考 慮 し 、そ の 環 境 へ の 影 響 を 評 価 す る 手 法 で あ る（ 伊 坪 ら[26]
）。LCA
は 、1969
年 に ア メ リ カ の コ カ ・ コ ー ラ 社 が リ タ ー ナ ブ ル び ん と ワ ン ウ ェ イ 容 器 の 選 択 に 関 す る 研 究 を ミ ッ ド ウ ェ ス ト 研 究 所 へ 委 託 し 実 施 し た の が 始 ま り だ と さ れ て い る （ 伊 坪 ら[26]
）。ま た 、 ラ イ フ サ イ ク ル シ ン キ ン グ で は 、 環 境 に 対 す る 影 響 （
LCA）
だ け で な く 、 経 済 的 評 価 （ ラ イ フ サ イ ク ル コ ス ト ） や 社 会 的 評 価 も 含 む 。
２ ． 既 往 の 研 究
バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト に お け る エ ネ ル ギ ー 収 支 に 関 す る 研 究 は 、 こ れ ま で に 多 数 報 告 さ れ て い る 。 菱 沼 ら
[13]
は 、 個 別 型 バ イ オ ガ ス プ- 6 -
ラ ン ト を 対 象 と し 、 産 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー だ け で は な く 、 プ ラ ン ト の 建 設 お よ び 運 転 時 に 投 入 さ れ る エ ネ ル ギ ー を 考 慮 し た エ ネ ル ギ ー 的 評 価 を 行 っ て い る 。 小 川 ら
[48]
は 、 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト に お い て 、 電 力 線 を 商 用 電 力 と 接 続 す る 系 統 連 系 の 方 法 が 売 電 可 能 な ケ ー ス と そ う で は な い ケ ー ス で の エ ネ ル ギ ー 利 用 効 率 に つ い て 報 告 し て い る 。Basrawi et al [5]は 、 日 本 に お け る 下 水 汚 泥 を 原 料
と し た バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト を 対 象 と し て 、 外 気 温 が バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の エ ネ ル ギ ー バ ラ ン ス に お よ ぼ す 影 響 を 検 討 し て い る 。 こ れ ら の 報 告 で の バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 は 、CHP
で 電 力 と 熱 に 変 換 す る ケ ー ス を 対 象 と し て い る 。 産 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー の 利 用 に 関 す る 報 告 で は 、Steubing et al [54]
が ヨ ー ロ ッ パ に お い て 、木 質 バ イ オ マ ス 、 農 業 残 渣 、 家 畜 ふ ん 尿 、 下 水 汚 泥 を13
通 り の 方 法 で 熱 、 電 力 お よ び 輸 送 燃 料 （ エ タ ノ ー ル ） に 変 換 し 、 化 石 エ ネ ル ギ ー を バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー で 代 替 し た 場 合 の 最 適 な 利 用 方 法 を 、LCA
の 手 法 で 約1,500
通 り の 計 算 か ら 求 め て い る 。バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト を 経 済 面 か ら 評 価 し た 研 究 で は 、 石 川 ら
[25]
は 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト を 対 象 と し 、 プ ラ ン ト の 建 設 、 運 転 、 産 出 エ ネ ル ギ ー お よ び 消 化 液 の 肥 料 価 値 な ど を 経 済 的 に 評 価 し て い る 。
Yiridoe et al [58]
は 、 カ ナ ダ の 酪 農 場 お よ び 養 豚 場 の バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト を 対 象 と し て 、 エ ネ ル ギ ー 生 産 に よ る 経 済 性 の ほ か- 7 -
に 、 非 市 場 性 の 相 乗 便 益 （ ふ ん 尿 の 臭 い 軽 減 、 病 原 菌 の 減 少 、 雑 草 種 子 の 発 芽 抑 制 、 温 室 効 果 ガ ス 削 減 ） に 関 す る 経 済 的 評 価 を 行 っ て い る 。
Stowell et al [55]
は 、 ア メ リ カ の ネ ブ ラ ス カ に お い て 、 酪 農 家 の バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の 導 入 に 対 す る 公 共 政 策 に よ る 経 済 的 影 響 力 を 検 討 し て い る 。 こ れ ら の 報 告 で の バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 は 、CHP
で 電 力 と 熱 に 変 換 す る ケ ー ス を 対 象 と し て い る 。こ の よ う に 既 往 の 研 究 で は 、 バ イ オ ガ ス を 主 に
CHP
で 利 用 す る ケ ー ス を 対 象 と し て い る 。 一 方 、 バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 はCHP
の ほ か 、 前 述 の よ う に ガ ス ボ イ ラ ー や 精 製 装 置 が あ り 、 そ れ ぞ れ バ イ オ ガ ス の 利 用 過 程 が 異 な る が 、寒 冷 地 に お け る こ の3
つ の 利 用 方 式 に つ い て の エ ネ ル ギ ー 効 率 を 比 較 検 討 し た 報 告 は い ま だ な い 。３ ． 研 究 の 目 的
こ の
3
つ の 利 用 方 式 の エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率 を 比 較 す る 場 合 に は 、 産 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー の 形 態 が 熱 、 電 力 、 精 製 ガ ス と 異 な る た め 、 バ イ オ ガ ス の 発 生 か ら 、 産 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー を 利 用 す る ま で の エ ネ ル ギ ー 収 支 を 検 討 し な け れ ば な ら な い 。 そ の た め に は 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト か ら 外 部 へ エ ネ ル ギ ー を 供 給 す る 過 程 と 、 プ ラ ン ト 外 部 へ 供 給 さ れ る エ ネ ル ギ ー を 利 用 す る 過 程 に わ け て 検 討 す る 必 要 が あ る 。 な ぜ な ら 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト 運 転 時 に 必 要 と な る 電 気 お よ び- 8 -
熱 エ ネ ル ギ ー は 、 ガ ス 利 用 方 式 に よ っ て 異 な る こ と と 、 産 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー の 利 用 方 法 は 、 エ ネ ル ギ ー の 形 態 ご と に 多 岐 に わ た る た め で あ る 。
ま た 、 バ イ オ ガ ス を 発 生 さ せ る た め の プ ラ ン ト の 建 設 に エ ネ ル ギ ー が 投 入 さ れ て い る 。 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト に お け る エ ネ ル ギ ー 収 支 を 評 価 す る た め に は 、 プ ラ ン ト の 建 設 に 必 要 な エ ネ ル ギ ー 量 を 考 慮 し た 、 ラ イ フ サ イ ク ル 的 な 視 点 か ら の 評 価 が 必 要 で あ る 。
さ ら に 、実 際 の エ ネ ル ギ ー 利 用 の 場 面 で は 経 済 性 が 重 要 視 さ れ る 。 従 っ て 、 プ ラ ン ト の 建 設 か ら バ イ オ ガ ス の エ ネ ル ギ ー 利 用 ま で を 、 ラ イ フ サ イ ク ル 的 視 点 で 経 済 的 に 評 価 す る こ と も 必 要 で あ る 。 そ こ で 本 研 究 で は 、 前 述 し た 研 究 の 背 景 お よ び 既 往 の 研 究 を 踏 ま え 、 寒 冷 地 の 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト に お い て 、 バ イ オ ガ ス を ガ ス ボ イ ラ ー 、CHP、精 製 装 置 で 利 用 す る 場 合 の エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率 お よ び 経 済 性 に つ い て 、 ラ イ フ サ イ ク ル 的 視 点 か ら 評 価 を 行 う こ と を 目 的 と す る 。具 体 的 に は 、以 下 の 内 容 に つ い て 明 ら か に す る 。
（ １ ） プ ラ ン ト の 運 転 状 況 を 模 擬 す る こ と が 可 能 な シ ミ ュ レ ー シ ョ ン プ ロ グ ラ ム を 構 築 し 、 寒 冷 な 北 海 道 の 気 象 条 件 下 で の エ ネ ル ギ ー 収 支 を 求 め 、 バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 別 に 産 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー 量 お よ び エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率 を 明 ら か に す る 。
（ ２ ） プ ラ ン ト の 建 設 お よ び ふ ん 尿 運 搬 に か か る エ ネ ル ギ ー 量 を 考
- 9 -
慮 し て 、 バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 別 に エ ネ ル ギ ー 収 支 を 明 ら か に し 、 ラ イ フ サ イ ク ル 的 視 点 で エ ネ ル ギ ー 利 用 方 式 を 評 価 す る 。
（ ３ ） プ ラ ン ト で 生 産 さ れ た エ ネ ル ギ ー を 化 石 エ ネ ル ギ ー と 代 替 す る 場 合 の 経 済 性 を 、 プ ラ ン ト の 建 設 、 維 持 管 理 に か か る 費 用 を 考 慮 し た ラ イ フ サ イ ク ル 的 視 点 で 評 価 す る 。
（ ４ ） 今 後 の 北 海 道 の 地 域 づ く り を 見 据 え た 、 寒 冷 地 で の 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の エ ネ ル ギ ー 利 用 方 法 を 提 案 す る 。
４ ． 論 文 の 構 成
本 論 文 は
5
つ の 章 で 構 成 し 、 各 章 の 内 容 は 以 下 の 通 り で あ る 。 第1
章 で は 、バ イ オ ガ ス の エ ネ ル ギ ー 利 用 方 法 の 現 状 と 課 題 を 示 し 、 本 研 究 の 目 的 を 述 べ る 。第
2
章 で は 、共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の 運 転 を 模 擬 す る こ と が で き る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン プ ロ グ ラ ム を 構 築 し 、 プ ラ ン ト か ら 産 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー の 生 産 効 率 を バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 別 に 明 ら か に す る 。ま た 、産 出 さ れ る エ ネ ル ギ ー 量 の 季 節 変 化 に つ い て 述 べ る 。 第3
章 で は 、バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の 建 設 お よ び ふ ん 尿 運 搬 に 必 要 な エ ネ ル ギ ー 量 を 整 理 し 、 施 設 の 更 新 年 数 を 考 慮 し た ラ イ フ サ イ ク ル 的 視 点 で の エ ネ ル ギ ー 収 支 に つ い て 述 べ る 。第
4
章 で は 、バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で 生 産 さ れ た エ ネ ル ギ ー と 代 替- 10 -
可 能 な 化 石 エ ネ ル ギ ー を 整 理 し 、 施 設 の 耐 用 年 数 を 考 慮 し た ラ イ フ サ イ ク ル 的 視 点 で の 経 済 性 に つ い て 述 べ る 。
第
5
章 で は 、 前 章 ま で に 得 ら れ た 結 果 を ま と め 、 寒 冷 地 で の 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の エ ネ ル ギ ー 利 用 方 法 に つ い て 提 案 す る 。- 11 -
第 Ⅱ 章 バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 と エ ネ ル ギ ー 収 支 の 検 討
１ ． 目 的
バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト 稼 働 時 に は 、 プ ラ ン ト 内 で の 家 畜 ふ ん 尿 の 移 送 ポ ン プ や 温 水 循 環 ポ ン プ を 動 か す た め に 電 力 が 必 要 で あ り 、ま た 、 家 畜 ふ ん 尿 を 加 温 す る た め に 熱 が 必 要 で あ る 。 こ れ ら の 電 力 お よ び 熱 の 必 要 量 は 時 々 刻 々 と 変 化 す る 。 ま た 、 外 気 温 が 上 下 す る こ と で 発 酵 槽 な ど か ら の 放 熱 量 も 変 わ る た め 、 加 温 に 必 要 な 熱 量 が 変 化 す る 。こ の よ う に 、バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の 運 転 状 況 は 外 的 要 因（ 気 温 ） や 内 的 要 因 （ 機 器 の 稼 働 条 件 の 設 定 ） に よ り 変 化 し 、 そ の 結 果 は プ ラ ン ト の エ ネ ル ギ ー 収 支 に 影 響 を お よ ぼ す 。
そ こ で 本 章 で は 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト か ら 外 部 へ エ ネ ル ギ ー を 供 給 す る ま で の 過 程 を 対 象 に 、 稼 働 中 の 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で 実 測 し た デ ー タ を も と に プ ラ ン ト の 稼 働 を 模 擬 す る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル を 構 築 し 、 年 間 お よ び 月 単 位 で の エ ネ ル ギ ー 収 支 に つ い て 定 量 的 に 評 価 す る 。バ イ オ ガ ス 利 用 方 式 は ガ ス ボ イ ラ ー の 場 合 、
CHP
の 場 合 お よ び 精 製 装 置 の 場 合 の3
つ の ケ ー ス と す る 。ま た 、バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト を 運 転 す る た め に 投 入 し た 化 石 エ ネ ル ギ ー 量 と 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト か ら 産 出 さ れ た エ ネ ル ギ ー 量 の 比 率 か ら 、 効 率 的 な バ イ オ ガ ス 利 用 方 法 を 明 ら か に す る 。 さ ら に 、 投 入 し た 化 石 エ- 12 -
ネ ル ギ ー 量 お よ び 精 製 時 に 排 出 さ れ る オ フ ガ ス 中 の メ タ ン 量 な ら び に 精 製 ガ ス に 添 加 し た
LP
ガ ス 量 か ら 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 を 求 め 、 環 境 に 対 す る 負 荷 に つ い て 明 ら か に す る 。 こ れ ら を 明 ら か に す る こ と に よ り 、 実 際 に バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト を 運 転 す る 際 の バ イ オ ガ ス 利 用 方 法 に つ い て 、 産 出 エ ネ ル ギ ー 量 と 生 産 効 率 の 両 面 か ら 、 定 量 的 に 検 討 す る こ と が 可 能 と な る （ 中 山 ら[41]）。
２ ． 方 法
（ １ ） エ ネ ル ギ ー 収 支 の 検 討 範 囲
バ イ オ ガ ス の 主 な 組 成 は 約
60
％ が メ タ ン 、約40
％ がCO
2で あ り 、 広 く 普 及 し て い る 都 市 ガ ス 用 やLP
ガ ス 用 の 燃 焼 機 器 で は バ イ オ ガ ス を 燃 料 と し て 利 用 で き な い 。 し た が っ て 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト か ら 外 部 へ エ ネ ル ギ ー を 供 給 す る 場 合 に は 、 利 用 し や す い エ ネ ル ギ ー に 変 換 す る 必 要 が あ る 。Fig.2-1
に バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト に お け る エ ネ ル ギ ー 収 支 の 検 討 範 囲 を 示 す 。バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で は 、バ イ オ ガ ス をCHP
、ガ ス ボ イ ラ ー 、 精 製 装 置 で エ ネ ル ギ ー 変 換 し 、 電 力 、 熱 、 精 製 ガ ス を 外 部 に 供 給 す る こ と が で き る 。 そ の 際 、 各 種 装 置 の 稼 働 に 必 要 な 電 力 や 精 製 ガ ス に 添 加 す るLP
ガ ス を 、 プ ラ ン ト 外 部 か ら 投 入 す る 必 要 が あ る 。 ま た 、 エ ネ ル ギ ー 変 換 の 過 程 に お い て 、 燃 焼 な ど に 伴 う 損 失 が発 生 す る ー（
E
）か で 除 し た 標 と し て 効 率 の 最 量 と 比 較バ イ オ 発 酵 施 設 め 、
Fig
の エ ネ ル で あ る た投 入 化 ＝
ま た 、
る 。 そ こ で か ら 投 入 化 た 値 を エ ネ て 評 価 す る 最 大 値 は
1
較 し て 産 出オ ガ ス プ ラ 設 へ は 原 料
.2-1
で は ル ギ ー 収 支 た め 、 式(2
化 石 エ ネ ル
＝ 損 失 （
D
バ イ オ ガ
で 本 章 で の 化 石 エ ネ ル ネ ル ギ ー 生 る こ と と す
1
で あ り 、 出 さ れ た エラ ン ト で は 料 と し て ふ は ふ ん 尿 と
支 の 検 討 は
2)
が 成 り 立ル ギ ー （
A D
） ＋ 産 出ガ ス プ ラ ン
- 13
の エ ネ ル ギ ル ギ ー（A
生 産 効 率す る （ 式
(
値 が 大 き エ ネ ル ギ ーは 嫌 気 発 酵 ふ ん 尿 が 投 と 消 化 液 の は 、 バ イ オ
立 つ 。
A
） ＋ 発 生 出 エ ネ ル ギン ト で は 、
3 -
ギ ー 収 支 の
A
）を 引 い て（
(E
－A)/
(1)）。 す な
き い ほ ど 投 ー 量 が 大 き酵 に よ り バ 投 入 さ れ 、 の 流 れ を 破 オ ガ ス の 利
生 バ イ オ ガ ギ ー （
E
）、 発 生 し た
の 検 討 は 、 て 、産 出 エ
/E
） と 定 義 な わ ち 、 エ 投 入 し た 化 き い こ と をバ イ オ ガ ス
、 消 化 液 が 破 線 で 示 し 利 用 方 式 に
ガ ス （
B
） ･･た 電 力 や 熱
、 産 出 エ エ ネ ル ギ ー
義 し 、 こ エ ネ ル ギ 化 石 エ ネ を 意 味 す
ス が 発 生 が 排 出 さ し た 。 本 に 着 目 し
･････
(2)
熱 を 第 一
ネ ル ギ ー（
E
） れ を 指 ー 生 産 ル ギ ー る 。す る が 、 れ る た 報 告 で た も の
義 に プ
- 14 -
ラ ン ト の 運 転 に 利 用 す る た め 、 運 転 時 の 消 費 エ ネ ル ギ ー に つ い て 評 価 で き る よ う に 、 発 生 エ ネ ル ギ ー （
C
） を 求 め た 。（ ２ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル の 基 礎 と し た バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル の 主 た る 基 礎 デ ー タ と し た 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト は 、 北 海 道 東 部 の 別 海 町 で 稼 働 中 の 別 海 町 資 源 循 環 セ ン タ ー （ 以 下 、 別 海 プ ラ ン ト と 表 記 ） で あ る 。
Fig.2-2
に 別 海 プ ラ ン ト の シ ス テ ム 構 成 の 概 要 を 、Fig.2-3
に ふ ん 尿 の 動 き と 液 温 を 示 す 。 複 数 の 酪 農 家 か ら 収 集 さ れ た 乳 牛 ふ ん 尿 は 原 料 受 入 槽 で 一 時 貯 留 さ れ 、1,500m
3 の 発 酵 槽 へ 投 入 さ れ る 。 発 酵 槽 は 熱 交 換 機 で 加 温 さ れ 、約37
℃ に 維 持 さ れ る 。発 酵 後 の 消 化 液 は 殺 菌 槽 で 加 温 さ れ た 後 、 消 化 液 貯 留 タ ン ク に 移 送 さ れ 、 圃 場 へ 散 布 す る ま で 貯 留 さ れ る 。 殺 菌 槽 で は 、 消 化 液 を7.5
時 間 以 上 、55
℃ に 保 持 し て い る 。 こ れ は 、 複 数 の 農 家 の 乳 牛 ふ ん 尿 が 混 合 さ れ る た め 、 雑 草 種 子 や 病 原 菌 の 拡 散 防 止 を 目 的 と し て い る 。発 酵 槽 で 発 生 し た バ イ オ ガ ス に は 、 メ タ ン お よ び
CO
2 の ほ か に 、 硫 化 水 素 が 約0.3
％ 含 ま れ て い る 。 硫 化 水 素 は 燃 焼 機 器 を 傷 め る た め 、脱 硫 設 備 で 除 去 さ れ た の ち 、CHP
ま た は ガ ス ボ イ ラ ー の 燃 料 と し て 使 用 す る 。CHP
で 発 電 さ れ た 電 力 は プ ラ ン ト 内 の 機 器 の 稼 働 に 利 用 さ れ 、余 剰 分 は 売 電 す る こ と が で き る 。ま た 、CHP
ま た は ガ ス- 15 -
ボ イ ラ ー か ら 発 生 す る 温 水 は 、 発 酵 槽 お よ び 殺 菌 槽 の 加 温 に 利 用 す る 。
（ ３ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル １ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル の 概 要
バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト 運 転 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル は 中 山 ら
[38]が
開 発 し た モ デ ル を 基 本 と し た 。 本 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル で は 、 プ ラ ン ト 内 の 各 種 装 置 の 運 転 条 件 や 外 気 温 等 の 入 力 デ ー タ か ら 、 プ ラ ン ト 内 で 消 費 す る エ ネ ル ギ ー 量 や プ ラ ン ト 外 部 へ 供 給 可 能 な エ ネ ル ギ ー 量 等 を 計 算 す る こ と が で き る 。 本 研 究 で は 、 こ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル の ガ ス 利 用 機 器 や 各 種 パ ラ メ ー タ ー を 別 海 プ ラ ン ト の 実 測 値 を 基 に 変 更 し た 。Table 2-1
に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 必 要 な 主 な 入 力 条 件 を 示 す 。 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 計 算 は 時 間 間 隔 を １ 分 刻 み と し 、Excel VBA
で 記 録 し た マ ク ロ 内 で 行 う （(独 )土 木 研 究 所 寒 地 土
木 研 究 所[8]
）。1
分 刻 み で 連 続 し て 計 算 す る こ と に よ り 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の 実 際 の 運 転 に 近 い 状 態 で の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン が 可 能 で あ る 。 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 期 間 は 、 気 温 の 年 変 化 を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 に 反 映 さ せ る た め 、 １ 年 間 と し た 。- 16 -
２ ） 電 力 の 計 算ガ ス 利 用 方 式 が
CHP
の 場 合 の 電 力 の 計 算 は 、 下 記 の 手 順 で 行 っ た 。 な お 、 ガ ス 利 用 方 式 がCHP
以 外 の 場 合 で は 、 電 力 は す べ て 商 用 電 力 を 利 用 す る こ と に な る 。ア
)
そ の 時 点 で 稼 働 し て い る 機 器 の 消 費 電 力 の 合 計 を １ 分 間 毎 に 算 出 す る 。イ
)
消 費 電 力 が 発 電 電 力 よ り 少 な く 発 電 電 力 が 余 剰 と な る 場 合 は 売 電 し 、 逆 に 不 足 す る 場 合 は 買 電 す る 。ウ
)
バ イ オ ガ ス を 貯 留 す る ガ ス ホ ル ダ ー の 容 量 は350m
3 と す る 。 ガ ス 貯 留 量 が2m
3以 上 あ れ ばCHP
は 運 転 可 能 で あ る が 、 ガ ス 貯 留 量 が 一 旦2m
3未 満 に な る と348m
3 ま で 貯 留 さ れ な い 限 り 、CHP
は 起 動 で き な い も の と す る 。３ ） 熱 の 計 算
ガ ス 利 用 方 式 が
CHP
の 場 合 の 熱 の 計 算 は 、下 記 の 手 順 で 行 っ た 。 な お 、 ガ ス 利 用 方 式 がCHP
以 外 の 場 合 で は 、 熱 は ガ ス ボ イ ラ ー と 重 油 ボ イ ラ ー で 供 給 す る こ と に な る 。ア
)
プ ラ ン ト の 運 転 に 必 要 な 熱 量 は 、条 件 と し て 設 定 し た 発 酵 温 度 お よ び 殺 菌 温 度 と 気 温 か ら 推 定 す る 。 気 温 は 気 象 庁 の ア メ ダ ス 等 で 観 測 さ れ た 毎 時 の 値 を 用 い る 。- 17 -
イ
)Fig.2-4
に 示 し た 計 算 方 法 に し た が っ て 熱 の 供 給 を お こ な う 。 ウ)
気 温 が 高 い と き に は 、CHP
で 生 じ た 熱 が 必 要 熱 量 よ り 大 き い ため 、 循 環 温 水 の 温 度 が 上 昇 す る こ と が あ る 。 そ こ で 、 過 剰 な 熱 が 発 生 し た 場 合 は 、 次 の １ 分 間 の 必 要 熱 量 か ら こ の 過 剰 分 の 熱 を 差 し 引 く こ と に す る 。 こ れ は 過 剰 分 の 熱 が 循 環 温 水 の 温 度 上 昇 と し て 蓄 積 さ れ る と 考 え る か ら で あ る 。 た だ し 、 循 環 温 水 温 度 が 過 度 に 上 昇 す る と
CHP
が オ ー バ ー ヒ ー ト す る お そ れ が あ る た め 、 今 回 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 過 剰 熱 の 上 限 を300MJ
と し 、 こ れ を 超 え た 分 に つ い て は プ ラ ン ト 外 部 へ 供 給 可 能 な 熱 量 と し て 集 計 し た 。（ ４ ） 設 定 条 件 １ ） 殺 菌 条 件
前 述 の と お り 、 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で は 基 本 的 に 消 化 液 の 殺 菌 を 行 っ て い る 。
Colleran[6]
は 効 果 的 な 殺 菌 条 件 を 殺 菌 温 度 と 加 熱 時 間 の 組 み 合 わ せ で 示 し て お り 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は 殺 菌 温 度 が55
℃ で7.5
時 間 以 上 の 条 件 と し た 。２ ） 消 費 熱 量 お よ び 気 温
プ ラ ン ト で の 消 費 熱 量 は 外 気 温 の 違 い に よ り 、 夏 期 と 冬 期 で 大 き
- 18 -
く 異 な る（ 中 山 ら
[37]
）。そ の た め 、夏 期 と 冬 期 の 気 温 の 違 い を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 反 映 さ せ る 必 要 が あ る 。 そ こ で 、 別 海 プ ラ ン ト で の 実 測 デ ー タ か ら 求 め た 「 発 酵 温 度 － 日 平 均 気 温 」 と 発 酵 槽 で 必 要 な 熱 量 と の 関 係 をFig.2-5
に 、「 殺 菌 温 度 － 日 平 均 気 温 」と 殺 菌 層 で 必 要 な 熱 量 と の 関 係 をFig.2-6
に 示 す 。 こ れ ら の 実 測 値 か ら 導 い た 推 定 式 を 基 に 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で の 必 要 熱 量 を 求 め た 。ま た 、 消 費 熱 量 と し て 配 管 か ら の 放 熱 も 考 慮 す る 必 要 が あ る が 、 別 海 プ ラ ン ト で の 計 測 デ ー タ か ら は そ れ を 求 め る こ と が で き な か っ た 。 そ こ で 、 他 の 施 設 で の 計 測 結 果 か ら 配 管 放 熱 量 を 求 め る こ と と し た 。
中 山 ら
[36]
は 、 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で あ る 湧 別 資 源 循 環 試 験 施 設 （ 以 下 、 湧 別 プ ラ ン ト と 表 記 ） に お い て 、 プ ラ ン ト 内 で 消 費 さ れ る 熱 エ ネ ル ギ ー を 設 備 ご と に 測 定 し て い る 。 そ の 結 果 に よ る と 、「 温 水 ト レ ー ス ＋ 配 管 放 熱 」の 項 は 、プ ラ ン ト 全 体 で 消 費 さ れ る エ ネ ル ギ ー 量 の 約 ３ ～ ４ 割 を 占 め て い る 。 温 水 ト レ ー ス と は 、 原 料 輸 送 配 管 の 凍 結 防 止 や ガ ス 配 管 内 で の 結 露 防 止 の た め 、 こ れ ら の 配 管 と 断 熱 材 と の 間 に 配 置 さ れ た 細 い 温 水 配 管 の こ と で あ る 。 こ こ で 、 湧 別 プ ラ ン ト で 測 定 さ れ た 「 温 水 ト レ ー ス ＋ 配 管 放 熱 」 の 測 定 結 果 の う ち 、 ２ 分 の １ を 配 管 放 熱 と 仮 定 す る と 、 放 熱 量 は プ ラ ン ト 全 体 で 消 費 さ れ る 熱 量 の18
～26
％ を 占 め る こ と に な る 。- 19 -
ま た 、 中 山 ら （ 未 発 表 ） は 北 海 道 鹿 追 町 で 稼 働 中 の 共 同 利 用 型 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト で あ る 鹿 追 町 環 境 保 全 セ ン タ ー （ 以 下 、 鹿 追 プ ラ ン ト と 表 記 ） に お い て 、 冬 期 の 熱 収 支 を 測 定 し て い る 。 そ の 結 果 に よ る と 、配 管 か ら の 放 熱 は 、プ ラ ン ト 全 体 で 消 費 さ れ る 熱 量 の
15
％ を 占 め る こ と が 明 ら か と な っ て い る 。 そ こ で 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で の 配 管 放 熱 量 は 、プ ラ ン ト 全 体 で 消 費 さ れ る 熱 量 の う ち20％ を 占 め
る と し て 計 算 し た 。気 温 は 別 海 町 に 設 置 さ れ て い る 気 象 庁 の ア メ ダ ス で 、
1999
年 か ら2008
年 の10
年 間 に 観 測 さ れ た 値 の １ 時 間 ご と の 平 均 値 を 用 い た 。３ ） 精 製 装 置 で の ガ ス 精 製 能 力
バ イ オ ガ ス の 精 製 方 法 は 主 に 、高 圧 水 法 、
PSA
法 お よ び 膜 分 離 法 の ３ つ が あ る（ 赤 石[1]）。い ず れ の 方 法 も バ イ オ ガ ス 中 の 約 40％ を
占 め るCO
2を 除 去 す る こ と で メ タ ン 濃 度 を 高 め て い る 。高 圧 水 法 で は 一 定 の 圧 力 を か け た 水 の 中 に バ イ オ ガ ス を 通 す 。PSA
法 で は ゼ オ ラ イ ト な ど の 吸 着 剤 を 満 た し た 吸 着 塔 内 で バ イ オ ガ ス の 加 圧 ・ 減 圧 を 繰 り 返 し 行 う 。 膜 分 離 法 で は 分 離 膜 を 収 納 し た 膜 モ ジ ュ ー ル に 、 加 圧 し た バ イ オ ガ ス を 通 過 さ せ る 。 膜 分 離 法 は 他 の 方 法 に 比 べ て 取 り 扱 い が 容 易 で メ ン テ ナ ン ス フ リ ー な 装 置 と い わ れ て い る （ 東 レ リ サ ー チ セ ン タ ー[57]
）。- 20 -
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル で 用 い た 精 製 装 置 の パ ラ メ ー タ ー は 、 鹿 追 プ ラ ン ト で 実 証 試 験 中 の 膜 分 離 方 式 の 精 製 装 置 で 得 ら れ た 値 を 基 本 と し た 。
Fig.2-7
に 精 製 装 置 の ガ ス 流 量 と メ タ ン 濃 度 を 模 式 的 に 示 す 。こ の 装 置 の １ 時 間 当 た り の 処 理 能 力 は 、メ タ ン 濃 度 が61.8
％ の 原 料 バ イ オ ガ ス5.39m
3か ら 、 メ タ ン 濃 度89.6％ の 精 製 バ イ オ ガ
ス を3.67m
3生 産 す る こ と が で き る 。 一 方 、 膜 を 透 過 し たCO
2を 多 く 含 む オ フ ガ ス に つ い て は 実 測 値 が 得 ら れ な か っ た た め 、 原 料 バ イ オ ガ ス と 精 製 バ イ オ ガ ス の 実 測 値 か ら 計 算 し 、 メ タ ン 濃 度2.5
％ で1.72m
3/h
が 発 生 し た と 仮 定 し た 。な お 、シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で は こ れ ら の 実 測 デ ー タ を も と に 、 精 製 バ イ オ ガ ス 製 造 能 力 を10
倍 に し た 設 定 値 と し た 。 こ の 設 定 値 は 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト か ら 発 生 す る バ イ オ ガ ス を す べ て 精 製 装 置 で 利 用 で き る 能 力 に 相 当 す る 。４ ） コ ジ ェ ネ レ ー タ ー お よ び ガ ス ボ イ ラ ー の エ ネ ル ギ ー 効 率
CHP
は 定 格 出 力120kW
で 発 電 効 率 を30
％ 、 熱 効 率 を51
％ と し た 。 ま た 、 ガ ス ボ イ ラ ー の ガ ス 消 費 量 は29m
3/h
で 、 熱 効 率 は80
％ と し た 。CHP
の 発 電 効 率 、 熱 効 率 お よ び ガ ス ボ イ ラ ー の 熱 効 率 は 、 鹿 追 プ ラ ン ト で 稼 働 中 のCHP
（ 定 格 出 力100kW
） お よ び ガ ス ボ イ ラ ー（ ガ ス 消 費 量29m
3/h
）で 実 測 し た 値 を 用 い た 。な お 、シ ミ ュ レ ー シ ョ ン でCHP
を 定 格 出 力120kW
に 設 定 し た 理 由 は 、バ イ オ ガ ス- 21 -
プ ラ ン ト か ら 発 生 す る バ イ オ ガ ス を 余 す こ と な く 利 用 で き る 能 力 と し た た め で あ る 。
（ ５ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ケ ー ス ご と に 変 え た 条 件
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ケ ー ス を
Table 2-2
に 、 ケ ー ス ご と の バ イ オ ガ ス 利 用 過 程 をFig.2-8～ 2-10
に 示 す 。 ケ ー ス ご と の ガ ス ボ イ ラ ー の 台 数 は 、 ケ ー ス ① で は 発 生 す る バ イ オ ガ ス を す べ て 利 用 で き る 設 定 と し た 。 ま た 、 ケ ー ス ② お よ び ③ で は 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト 内 で 必 要 な 熱 量 を 供 給 す る こ と が 可 能 な 設 定 と し た 。な お 、CHP
お よ び ガ ス ボ イ ラ ー か ら 発 生 し た 電 力 お よ び 熱 は 、 第 一 義 に バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト の 運 転 に 利 用 し 、 余 剰 が 発 生 し た 場 合 に 外 部 へ 供 給 す る 設 定 と し た 。（ ６ ） シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 期 間
シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 期 間 は 、 年 間 の エ ネ ル ギ ー 収 支 に つ い て は
1
月1
日 か ら12
月31
日 ま で の365
日 と し た 。ま た 、月 単 位 で の エ ネ ル ギ ー 収 支 に つ い て は 、1
月 か ら12
月 の1
カ 月 単 位 で 、 各 月 の1
日 か ら そ の 月 の 最 終 日 ま で と し た 。 な お 、2
月 は28
日 と し た 。- 22 -
（ ７ ） 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 の 算 定
温 室 効 果 ガ ス の 算 定 は 「 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 算 定 ・ 報 告 マ ニ ュ ア ル 」（ 環 境 省・ 経 済 産 業 省
[29]
）に よ り 行 っ た 。今 回 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で の 投 入 化 石 エ ネ ル ギ ー は 、 電 気 事 業 者 か ら 購 入 す る 電 力 お よ び 精 製 ガ ス 添 加 用LP
ガ ス で あ る 。電 力 に つ い て は 、平 成21
年 度 の 北 海 道 電 力(株 )の 実 排 出 係 数 [28]を 用 い た （ Table 2-3）。 LP
ガ ス に つ い て は 、 前 述 の マ ニ ュ ア ル に 記 載 さ れ て い る 式(3)
よ り 、LP
ガ ス の 体 積 を 質 量 に 換 算 し 、Table 2-3
に 示 す 単 位 発 熱 量 お よ び 排 出 係 数 を 用 い てCO
2排 出 量 を 算 定 し た 。ま た 、バ イ オ ガ ス 燃 焼 時 に 発 生 す るCO
2 は カ ー ボ ン ニ ュ ー ト ラ ル で あ る た め 温 室 効 果 ガ ス と し て 算 定 さ れ な い が 、 精 製 時 に 発 生 す る オ フ ガ ス 中 に 含 ま れ る メ タ ン は 温 室 効 果 ガ ス で あ る た め 、 地 球 温 暖 化 係 数 の21
を 乗 じ てCO
2量 に 換 算 し た （ 環 境 省 ・ 経 済 産 業 省[29]
）。 す な わ ち 、 購 入 電 力 お よ びLP
ガ ス か ら のCO
2排 出 な ら び に オ フ ガ ス 中 の メ タ ン に つ い て 温 室 効 果 ガ ス を 算 定 し た 。
LPG
質 量(t)
＝1/458(t/m
3)
×LPG
体 積(m
3)
･･････(3)
３ ． 結 果 お よ び 考 察
（ １ ） プ ラ ン ト 運 転 時 の 年 間 エ ネ ル ギ ー 収 支 と エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率
- 23 -
Table 2-4
に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ケ ー ス ご と の 年 間 の エ ネ ル ギ ー 収 支 お よ び エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率 の 結 果 を 示 す 。 ケ ー ス ① と ② で は 、 バ イ オ ガ ス プ ラ ン ト か ら 発 生 す る バ イ オ ガ ス（B
）は12,110GJ/y
で あ る 。 た だ し ケ ー ス ③ は 、 バ イ オ ガ ス が 他 の2
つ の ケ ー ス よ り4GJ/y
多 く な っ て い る 。 こ れ は 、 い ず れ の ケ ー ス も ガ ス ホ ル ダ ー 内 に バ イ オ ガ ス が350m
3 貯 留 さ れ た 状 態 で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 計 算 を 開 始 し て い る が 、 ケ ー ス ③ の み 、 １ 年 間 の 計 算 終 了 時 の ガ ス ホ ル ダ ー 内 バ イ オ ガ ス 残 量 が 他 の2
つ の ケ ー ス よ り 少 な い 、 す な わ ち 、 バ イ オ ガ ス 消 費 量 が 多 く な っ た た め 、 こ の よ う な 結 果 と な っ た 。バ イ オ ガ ス を ガ ス ボ イ ラ ー 、
CHP
お よ び 精 製 装 置 で 利 用 し て 発 生 す る エ ネ ル ギ ー 量 （C
） は 、 ケ ー ス ① と ケ ー ス ② が ほ ぼ 同 じ 量 で あ り 、 ケ ー ス ③ は 添 加 用LP
ガ ス を 除 い て 考 え て も 、 他 の2
つ の ケ ー ス よ り 約1,000GJ/y
多 く な っ た 。こ れ は 、精 製 時 に 発 生 す る オ フ ガ ス 中 の メ タ ン が 少 な い こ と と 、 燃 焼 前 ガ ス と し て の エ ネ ル ギ ー 量 を 示 し て い る か ら で あ る （ 損 失(D)
）。次 に 産 出 エ ネ ル ギ ー （
E
） に つ い て 検 討 す る 。 ケ ー ス ① で は 電 力 は す べ て 購 入 電 力 で ま か な う こ と に な る が 、 熱 に つ い て は ガ ス ボ イ ラ ー で の 発 熱 量 が プ ラ ン ト 運 転 時 に 消 費 す る 熱 量 よ り 多 い た め 、 プ ラ ン ト 外 部 へ 供 給 可 能 な 熱 エ ネ ル ギ ー を3,998GJ/y
産 出 す る こ と が で き る 。ケ ー ス ② で は 、CHP
で の 発 熱 量 が プ ラ ン ト 運 転 時 に 消 費 す- 24 -
る 熱 量 よ り 多 い た め 、 プ ラ ン ト 外 部 へ 供 給 可 能 な 熱 エ ネ ル ギ ー を
834GJ/y
産 出 す る こ と が で き る 。 電 力 に つ い て は 、 発 電 量 が プ ラ ン ト 運 転 時 に 消 費 す る 電 力 よ り 多 い た め 、 プ ラ ン ト 外 部 へ2,352GJ/y
の 電 力 を 供 給 す る こ と が で き る 。た だ し 、CHP
の ガ ス 消 費 量 が バ イ オ ガ ス 発 生 量 よ り も 多 い た め 、 一 時 的 にCHP
が 停 止 す る 時 間 帯 が 生 じ 、 そ れ に 伴 い 、 購 入 電 力 が 投 入 さ れ て い る 。 ケ ー ス ③ で は 、 投 入 す る エ ネ ル ギ ー が3
つ の ケ ー ス の う ち で 最 も 多 い 。そ の 内 訳 を 見 る と 、 購 入 電 力 の 増 加 と 精 製 ガ ス 添 加 用LP
ガ ス の 使 用 が そ の 要 因 と な っ て い る 。 購 入 電 力 が 増 加 し た 理 由 は 、 精 製 装 置 の 消 費 電 力 が 大 き い た め で あ る 。産 出 エ ネ ル ギ ー は 、精 製 ガ ス の5,535GJ/y
と な っ た 。最 後 に 、産 出 エ ネ ル ギ ー（
E
）と 投 入 化 石 エ ネ ル ギ ー（A
）に つ い て 考 察 す る 。 産 出 エ ネ ル ギ ー （E） を 得 る た め に 、 投 入 化 石 エ ネ ル
ギ ー （A
） が 投 入 さ れ て い る の で 、 真 に 生 み 出 さ れ た エ ネ ル ギ ー 量 は （E
） － （A
） と な る 。（E
） － （A
） を 見 る と 、 ケ ー ス ② が 多 く 、 ケ ー ス ① 、 ケ ー ス ③ の 順 に 少 な く な る が 、 ケ ー ス ② と ケ ー ス ③ の 差 は211GJ
と 大 き な 差 で は な い 。 一 方 、 投 入 化 石 エ ネ ル ギ ー （A
） に お け る ケ ー ス ② と ケ ー ス ③ の 差 は 、 ケ ー ス ③ が2,560GJ
多 く 、（E
）－（
A
）の み で は 、エ ネ ル ギ ー 収 支 の 評 価 と し て 適 切 と は い え な い 。 そ こ で 、 エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率 （(E
－A)/E
） を 求 め る と 、 ケ ー ス ②- 25 -
が
0.95
と 最 も 大 き く 、ケ ー ス ① 、ケ ー ス ③ の 順 に 小 さ く な り 、ケ ー ス ③ で は0.51
を 示 し た 。す な わ ち 、ケ ー ス ③ で は 産 出 エ ネ ル ギ ー（E
） を 得 る た め に 、 そ の 約 半 分 に 相 当 す る 化 石 エ ネ ル ギ ー を 消 費 し て い る こ と を 示 し て お り 、 エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率 を 評 価 の 指 標 と し て 用 い る こ と で 、 産 出 エ ネ ル ギ ー と 投 入 化 石 エ ネ ル ギ ー の 関 係 に つ い て 、 明 確 に す る こ と が 可 能 と な っ た 。（ ２ ） 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 の 比 較
Table 2-5
に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ケ ー ス ご と の 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 を 示 す 。 ケ ー ス ① と ケ ー ス ② で は 購 入 電 力 に よ り 、 そ れ ぞ れ125.3tCO
2-eq/y
、17.4 tCO
2-eq/y
の 排 出 量 と な っ た 。 ケ ー ス ③ で は 購 入 電 力 の ほ か 、 精 製 ガ ス 添 加 用LP
ガ ス と 、 オ フ ガ ス 中 に 含 ま れ る メ タ ン に よ り 、 合 計315.6 tCO
2-eq/y
の 排 出 量 と な り 、3
つ の ケ ー ス の 中 で 最 も 温 室 効 果 ガ ス の 排 出 量 が 多 い 結 果 と な っ た 。Table 2-4
お よ びTable 2-5
か ら 、産 出 エ ネ ル ギ ー1GJ
当 た り の 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 を 計 算 す る と 、 ケ ー ス ① で は0.0313 tCO
2-eq/y
、 ケ ー ス ② で は0.00546 tCO
2-eq/y
、 ケ ー ス ③ で は0.0570 tCO
2-eq/y
と な っ た 。す な わ ち 、産 出 エ ネ ル ギ ー を1GJ
得 る た め に 、ケ ー ス ③ は ケ ー ス ② の10
倍 以 上 の 温 室 効 果 ガ ス を 排 出 し て い る こ と が 明 ら か と な っ た 。- 26 -
（ ３ ） バ イ オ ガ ス 利 用 方 式 の 違 い と エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率
バ イ オ ガ ス 利 用 方 式 が 異 な る
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つ の ケ ー ス の 年 間 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 よ り 、 産 出 エ ネ ル ギ ー 量 は 精 製 装 置 を 用 い る ケ ー ス ③ が 最 も 多 く 、 逆 に 最 も 少 な い の はCHP
を 用 い る ケ ー ス ② で あ っ た 。 し か し な が ら 、 エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率 で 評 価 す る と 、 ケ ー ス ② が 最 も 効 率 的 で あ り 、 逆 に ケ ー ス ③ が 最 も 効 率 が 悪 い 結 果 と な っ た 。 さ ら に 温 室 効 果 ガ ス 排 出 量 は 、 ケ ー ス ② が 最 も 少 な く 、 ケ ー ス ③ が 最 も 多 か っ た 。 す な わ ち 、 エ ネ ル ギ ー 生 産 効 率 が 良 く 、 環 境 に 対 す る 負 荷 が 小 さ い バ イ オ ガ ス の 利 用 方 式 は 、CHP
を 用 い る 場 合 で あ る こ と が 明 ら か と な っ た 。（ ４ ） 産 出 エ ネ ル ギ ー の 季 節 変 化
