バイオマス発電

 バイオマス発電とは、木材や植物残さ等のバイオマス(再生可能な生物資源)を原料として発電を行う技術のことを指す。また、バイオマスから得られるエネルギーを、バイオマスエネルギーという。 バイオマスとは、バイオ(bio:生物)とマス(mass:量)からできている合成語で、元は「生物資源量」という意味の生態学の用語である。バイオマス発電の原料となるのは、木質系、農業・水産系、食品系など生物由来の幅広い有機物である。
 バイオマスの中でも木材及び炭は、人間が最も古くから利用してきたエネルギー資源であった。産業革命を経て、石炭や石油、天然ガスなどの化石燃料が大量に消費されるようになったが、二酸化炭素(CO2)の排出削減が地球規模の課題となる中で、バイオマスが再びエネルギー資源として注目されるようになってきている。バイオマスを燃焼した場合にも化石燃料と同様にCO2が必ず発生するが、植物はそのCO2を吸収して生長し、バイオマスを再生産するため、トータルで見ると大気中のCO2の量は増加しない(カーボンニュートラル)と見なすことができる。そこで、化石燃料の代わりにバイオマスを原料として発電を行うことによって、CO2の排出削減につながることが期待されている。
 最先端のバイオマス発電は、下図に示すように、ガス化、ガス改質、コージェネレーションといった要素を組み合わせた複合的なシステムとなっており、各地域のバイオマス資源の状況に応じた最適なシステムの構築が試みられている。

バイオマス発電のシステム例

バイオマス発電のシステム例
出典:環境省 中央環境審議会地球環境部会・経済産業省 産業構造審議会環境部会地球環境小委員会
合同会合(第13回)資料
http://www.env.go.jp/council/06earth/y060-51/mat03-5.pdf

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1.背景

1)バイオマス利用促進の背景

 再生可能な資源であるバイオマスの利用は、エネルギー安全保障や資源の有効活用、そして雇用機会創出などの観点から1990年代後半より欧米で政策への導入が始まった。日本ではさらに地球温暖化防止、循環型社会の形成、農林漁業・農山漁村の再活性化、競争力ある戦略的産業の育成への有効な対策としても注目され、平成14(2002)年6月25日に「経済財政運営と構造改革に関する基本方針2002」が閣議決定された。この中では、農林水産省、環境省及び関係府省が協力して、バイオマスの利用促進について計画的に取り組むことが盛り込まれた。
 日本は、一次エネルギー源である石油・天然ガス・石炭・ウランのほとんどを輸入に頼っているが、降雨量が豊富で温暖な天候にも恵まれているため、バイオマスは比較的豊富に存在し、バイオマスエネルギーの利用可能量は、2005年の水力による一次エネルギー供給量を上回ると考えられている(図1)。しかしバイオマスは「広く薄く」点在するため、その収集が課題である。

図1 バイオマスエネルギーの将来利用可能量

図1 バイオマスエネルギーの将来利用可能量
出典:環境省 中央環境審議会地球環境部会「低炭素社会づくりに向けて」(平成20年4月)
http://www.env.go.jp/press/file_view.php?serial=11194&hou_id=9564

2)バイオマス・ニッポン総合戦略

 上記のような背景を踏まえて、バイオマスを有効利用するための戦略が国レベルで策定されることとなった。平成14(2002)年7月30日、農林水産省、環境省、文部科学省、経済産業省及び国土交通省は、バイオマスの総合的な利活用に関する戦略(「バイオマス・ニッポン総合戦略」)の骨子を取りまとめた(図2)。その中では、[1]地球温暖化防止、[2]循環型社会の形成、[3]農林漁業、農山漁村の再活性化、[4]競争力ある戦略的産業の育成、を目的としてバイオマスの総合的な利活用を図ることが示され、とりわけ技術面においてはエネルギーへの変換技術の開発推進が盛り込まれた。同年12月27日には、骨子案を踏まえて「バイオマス・ニッポン総合戦略」が閣議決定された。現在はこの戦略を受けて、バイオエタノール等のバイオ燃料の利用促進、地域に賦存する様々なバイオマスを総合的に利用するバイオマスタウンの構築等が進められている。

図2 バイオマス・ニッポン総合戦略のイメージ

図2 バイオマス・ニッポン総合戦略のイメージ
出典:環境省 報道発表資料「バイオマス・ニッポン総合戦略骨子の策定について」(平成14年7月30日)
http://www.env.go.jp/press/press.php?serial=3510

3)農林漁業バイオ燃料法

 平成20年5月には、農林水産省、経済産業省、環境省所管の新たな法律として「農林漁業有機物資源のバイオ燃料の原材料としての利用の促進に関する法律」(通称:農林漁業バイオ燃料法)が公布され、10月から施行された。
 この法律では、バイオ燃料の利用促進を図るために、国が基本方針を定めることが盛り込まれた。農林漁業者とバイオ燃料製造業者の共同プロジェクトとして「生産製造連携事業」に取り組む計画や、バイオ燃料に関する「研究開発事業」に取組む計画について、基本方針に照らして適切である場合などには、国がこれを認定し、認定された取り組みに対して支援措置を講じることとされている(図3)。

図3 農林漁業バイオ燃料法の概要

図3 農林漁業バイオ燃料法の概要
出典:農林水産省「農林漁業バイオ燃料法の概要」
http://www.maff.go.jp/j/kanbo/bio/nenryoho/pdf/nenryoho_gaiyo.pdf

2. 技術の概要

 バイオマス発電は、原料となるバイオマスの選択、バイオマスエネルギーへの変換、バイオマスエネルギーを用いた発電の、3つのプロセスで構成される技術である。各種バイオマスはそれぞれに適したエネルギー変換技術によりバイオマスエネルギーに変換され、発電に利用される。主要なエネルギー変換技術と発電技術は図4に示す通りである。

図4 バイオマスの種類ごとのエネルギー変換技術と発電技術

図4 バイオマスの種類ごとのエネルギー変換技術と発電技術
出典:各種資料を基に作成

 直接燃焼では、バイオマスをボイラで直接燃焼させ、発電に利用している。熱化学的変換及び生物化学的変換では、バイオマスをガス等の燃料に変換し、発電機やボイラの燃料として利用する。これらの技術は、バイオマスの発電以外の用途(熱利用、燃料利用など)に応用されることもある。
 以下は、バイオマス発電の各段階における要素技術の解説である。

1)バイオマスの種類と利用方法

 主要なバイオマスの種類と、それに応じた利用形態を図5に示した。バイオマス資源はその形態により、乾燥(ドライ)系バイオマス、湿潤(ウェット)系バイオマス、及びその他に分類される。
 乾燥系バイオマスは、水分をあまり含まず、乾燥しているバイオマスであり、林地残材や製材廃材等の木質系バイオマス、及び、稲わらやとうもろこし等の農業系バイオマスが含まれる。湿潤系バイオマスは、水分を多く含んでいるバイオマスであり、畜産からのし尿系バイオマスや水産系の残さ(魚肉等)、食品産業排水、食品廃棄物等の食品産業系バイオマス、下水汚泥、し尿や厨芥ごみ等の生活系バイオマスなどが含まれる。その他に、黒液・廃材等の製紙工場系バイオマスや、廃食用油等がある。

図5 バイオマスの種類と利用方法

図5 バイオマスの種類と利用方法
注)バガス:サトウキビから砂糖を抽出した後に残る絞りかすのこと
出典:経済産業省 資源エネルギー庁「エネルギー白書2007年版」
http://www.enecho.meti.go.jp/topics/hakusho/2007energyhtml/html/2-1-3-5.html

2)バイオマスエネルギー変換技術

 図5に示したように、原料となるバイオマスの種類によって、バイオマスエネルギーへの変換方法は異なっている。また、同変換技術によって得られるバイオマスエネルギーは、発電だけでなく、工場等の熱源や、自動車燃料等としても活用されている。そのため、最終的な利用目的によっても、選択する技術は異なる。以下、バイオマスエネルギー変換技術を紹介する。

(1)直接燃焼
 直接燃焼は、石炭や廃棄物の燃焼の場合と同じように、焼却炉を用いて乾燥系バイオマスを燃焼させる技術である。「ストーカー炉」、「キルン炉」、「流動床炉」など既存の焼却技術が用いられる。具体的な原料としては、廃木材やバーク(木皮)、バガスなどのほか、汚泥を燃焼させることもある。燃焼によって得られる熱で発電を行ったり、そのまま熱源として利用したりできる。
 ※焼却炉の詳細については、「焼却処理」の解説を参照されたい。

(2)生物化学的変換
 生物化学的変換技術は、微生物の働きによってバイオマスをバイオマスエネルギーに変換するものである。
 この技術および次項で説明する熱化学的変換技術は、各燃料源に応じた効率的なエネルギー変換技術の開発が必要という課題がある。また、効率的なバイオマスエネルギー利用システムを構築するためには、燃料源となるバイオマスをできるだけ大量かつ効率的に収集し、利用することが必要であるが、日本のように木質系バイオマス(林地残材、建設廃棄物等)、食品産業系バイオマス(食品廃棄物等)、農業系廃棄物(稲わら、家畜糞尿等)など、様々なバイオマスが小規模で散在している場合は、優れた技術があっても、原料の収集・運搬費用のために、バイオマスエネルギーが化石燃料より高コストになってしまい、導入が進まないという課題もある。これらの課題が解決されれば、バイオマスエネルギー利用が一層促進されると期待できる。世界的には、ブラジルのバガスの活用事例のように、大規模栽培・大規模生産によって、バイオエタノールの生産が進んでいる。
 以下に、同技術の中でも代表的なものを示した。

○エタノール発酵
 糖分、デンプンあるいはセルロースなどの原料に酵母菌などの微生物が作用してアルコール(エタノール)を発生させるもので、その原料は全て植物系である。すでに海外では、自動車燃料などとして利用されている実績があり、日本でも自動車燃料および産業用燃料等の可能性が注目されている。
※詳細は、「バイオエタノール」の解説を参照されたい。

○メタン発酵
 天然ガスの成分であるメタンを、バイオマスから微生物の働きにより発生させるものである。これは、メタン発酵と呼ばれるもので、有機物がアルコールや低分子脂肪酸等に分解される過程とアルコール等がメタンに変換される過程の2段階を経て、メタンが生成される。メタン発酵は従来からし尿(汚泥)処理で用いられており、最近では食品廃棄物の処理にも利用されている。
※詳細は、「食品リサイクル技術」「汚泥処理・資源化」の解説を参照されたい。

○その他の技術
 バイオマスが微生物によって分解されることで得られる資源としては、他に、メタノール、ジメチルエーテル、バイオディーゼル(BDF:Bio-Diesel Fuel 生物系ディーゼル燃料)がある。
※詳細は、「バイオディーゼル(BDF)」の解説を参照されたい。

(3)熱化学的変換

○熱分解反応
 バイオマスを、空気(または酸素)を遮断した状態、あるいはごく少量の空気(酸素)のもとで400~600℃に加熱して気体(熱分解ガスあるいは木ガス)、液体(タールあるいは酢液)を生成する反応である。主な生成物質によって呼称が異なり、例えば、炭を目的とする場合は炭化、ガスを目的とする場合は熱分解ガス化等と呼ばれる。
 木材を原料とする熱分解反応は、いわゆる木炭の製造プロセスとして従来から世界各地で行われ、途上国を中心に今でも重要なバイオマスの利用形態となっている。このほか、木材を乾留して、酢酸エチル、クレオソート油、メタノールなどの様々な化学物質を得るプロセスも行われていた。木材の熱分解では、低温では炭が主生成物となり、高温ではガスが主生成物となるが、反応生成物の制御が難しく、個々の生成物の収率が低いことから、以下に紹介するガス化のように、最新のプロセスを用いたシステムが開発されている。

○ガス化反応
 ガス化剤と称される空気または酸素を用いて(但し、完全燃焼用の理論空気量よりは各段に少ない量)、固体および油状のバイオマスをさらにガス化し、全体的に可燃性ガスの割合を高めたものである。目的に応じて適切なガス形成となるように、ガス化炉の形式や反応条件が選択される。
 図6に示すシステムでは、原料となるバイオマスをガス化炉でガス化した後、タール分を分解して、ガスを改質し、さらにガスエンジンによるコージェネレーションを組み合わせて、電力、温水、蒸気を得るシステムとなっている。
※ガス化炉の解説は、「ガス化溶融」の解説を参照されたい。

図6 バイオマス発電施設の例

図6 バイオマス発電施設の例
出典:環境省 中央環境審議会地球環境部会・経済産業省 産業構造審議会環境部会地球環境小委員会
合同会合(第13回)資料
http://www.env.go.jp/council/06earth/y060-51/mat03-5.pdf

○水熱液化/水熱ガス化
 水熱反応は、高温高圧の水を用いた化学反応のことをいう。水熱反応によるバイオマスのエネルギー変換では、通常の熱化学反応や生物化学反応とは異なり、超臨界状態(液体と気体の区別がつかない状態のことで、水の臨界温度は374℃、臨界圧力は220気圧である)または亜超臨界状態の高温高圧の水とバイオマスを反応させて、短時間に含水率が高い物質からでもエネルギーを作り出す。
 水熱液化の場合、バイオマスに熱水を注ぎ、熱水中の可溶性分等を熱水に溶解させて分解し、エネルギー物質に変換する。300℃前後の熱水では、重油状の液体が発生し、温度がさらに上がるとガス状物質も発生する。触媒(化学反応において、それが共存すると反応速度を大きく向上させる物質)を利用して、目的とするガスを選択的に発生させることや、生成するガスの割合を増大させるなどの活用も考えられている。
 水熱ガス化は、超臨界状態の熱水を使用する技術で、水熱液化に比較して液状物質は微量となるが、気体の量が増えることを利用して、バイオマスのガス化を行う。主に金属触媒の存在下で、低温でメタンを生成させたり、超臨界点以上の高温下無触媒で水素を生成させる。この時、無色透明で中性の水相も生成する。
 下図に示すシステムでは、バイオマス系の固形廃棄物を必要に応じて前処理した後、反応装置内で亜臨界水と反応させ、メタンガスを得るとともに有価物を回収するシステムで、生成したメタンガスはコージェネレーションシステムで利用される。原料となるバイオマス系固形物としては、食品廃棄物、動植物残さ、下水汚泥などを用いることができる。

図7 水熱反応装置

図7 水熱反応装置
出典:木村化工機(株)「環境・資源リサイクル装置:水熱反応装置」
http://www.kcpc.co.jp/products/envi/w_he.html

3)バイオマス発電の事例

 以下に、各バイオマスエネルギー変換技術を利用した発電の事例を紹介する。2.2)(2)で述べたように、コストの問題を解決することが、導入の前提条件となっている。以下3つの事例は、いずれも木材加工や畜産などの主となる事業から発生したバイオマス廃棄物を利用している。

(1)直接燃焼
 木くず、建築廃棄物等の木質系バイオマスを直接燃焼することで得られる蒸気を、発電に利用した事例である。
 図8の木材加工会社では、自社工場から排出されるかんな屑やヒノキの皮を利用して発電を行っている。廃材を自家消費した上に、工場の所要電力を100%まかなっており、余剰電力は電力会社に売却している(図8)。

図8 木質系バイオマス発電施設(銘建工業(株))

図8 木質系バイオマス発電施設(銘建工業(株))
【施設概要】 発電出力:1,950KW  用途:自家消費
写真提供:銘建工業(株)

(2)生物化学的変換
 畜産系バイオマスは、家畜の種類によって排せつ物の性状が異なるので、それに対応した処理方法が選ばれる。
 八木バイオエコロジーセンター(京都府南丹市)のプラントは、含水率が高い乳牛と豚の糞尿からメタン発酵を行っている。メタン発酵で発生した可燃性ガス(消化ガス)を使い、ガスエンジンで発電するとともに、回収した排熱を発酵槽の加温等に利用している(図9)。

図9 八木バイオエコロジーセンター

図9 八木バイオエコロジーセンター
【施設概要】 発電出力:220kW  用途:自家消費、余剰電力売電
出典:(株)大林組「八木バイオエコロジーセンター(京都府南丹市)」
http://www.obayashi.co.jp/solution/biomass/center.html

(3)熱化学的変換
 図10は、ガス化炉で固形燃料化した製材くず等の木質系バイオマスを、熱分解によりガス化し、生成した合成ガス(COとH2)を用いてガスエンジンにより発電した事例である。
 この住宅メーカーの工場では、木造住宅の原材料を製造する過程で発生する製材くずを使って発電することにより、工場の約3割の電力をまかなっている。また、ガスエンジンから発生する排熱を、熱交換器を経て工場で使用する乾燥用熱風および事務所の暖房用温水として利用しているほか、吸収冷凍機を経て工場冷房用の冷水も供給している。

図10 木質バイオマス発電施設(積水ハウス浅井工場)

図10 木質バイオマス発電施設(積水ハウス浅井工場)
【施設概要】 発電出力:175kW  用途:自家消費
出典:川崎重工業(株) ニュースリリース(2006年8月22日)
http://www.khi.co.jp/khi_news/2006data/c3060822-1.htm

3.技術を取り巻く動向

1)バイオマス利用促進事業における取組み

 環境省と経済産業省は、再生可能エネルギーを集中的に導入するモデル地域づくりを推進するため、地方公共団体の作成する計画を認定し、施設整備等を支援する事業(再生可能エネルギー高度導入CO2削減モデル地域計画)を平成17~20年度に実施したが、その一つとして、高知県須崎市の再生可能エネルギー高度導入計画が認定され、市内には太陽光発電施設とバイオマス発電施設が整備された。
 バイオマス発電施設では、山林から発生する間伐材や、梱包材の加工に伴い発生する木質バイオマスをチップ化し、火力発電施設で混焼する仕組みが導入された。同市の強みは、梱包材用木材原木の輸入・加工を行う木材工業団地(図11)があり、梱包材の生産量が日本一であることである。バイオマス発電による電力は、生産高日本一のミョウガ栽培の照明に使用されるなど、エネルギーの地産地消が進められた(施設規模:61,000kw)。
 また、太陽光発電施設については、市内の公共施設を中心に設置し、それらに電力供給が行われた(施設規模:1,000kw)。
 これにより、平成17~19年度において、同事業計画区域(須崎市全域の業務施設)におけるCO2排出量(約17,000[t-CO2/年])は、約16.7%(約2,840[t-CO2/年])削減された。

図11 須崎木材工業団地(左)と製材会社(右)

図11 須崎木材工業団地(左)と製材会社(右)
出典:バイオマス情報ヘッドクォーター「須崎市バイオマスタウン構想」(PDF)
http://www.biomass-hq.jp/biomasstown/pdf24/24_28.pdf

2)廃棄物系バイオマスのWin-Win型資源循環技術

 国立環境研究所循環型社会・廃棄物研究センターでは、未利用の廃棄物系バイオマスを活用することで、廃棄物対策と地球温暖化防止の両面に寄与できる、資源循環技術の開発を目指している。同研究の一つの要素研究として、地域レベルでの廃棄物の適正処理と、それをバイオマスエネルギー化する技術の開発が行われている。
 下図に示すとおり、研究では、ニッケルを有効成分とする触媒を用いて廃木材等のガス化を行う実験を行い、最適な温度や触媒の条件を検討している。こうした基礎研究の成果が、最適なバイオマス発電システムにつながることが期待される。

図12 ガス化改質装置によるバイオマス系廃棄物の処理システムの研究

図12 ガス化改質装置によるバイオマス系廃棄物の処理システムの研究
出典:国立環境研究所ニュース26巻6号(2008年2月)
http://www.nies.go.jp/kanko/news/26/26-6/26-6-02.html

引用・参考資料など

(2009年12月現在)