バイオエネルギー技術解説

バイオエネルギー技術の種類と仕組み：地域導入を考えるための入門

はじめに：地域資源を活かすバイオエネルギー技術

地方自治体において、再生可能エネルギーの導入は重要な政策課題の一つです。特に地域内に豊富に存在する未利用の有機性資源を活用できるバイオエネルギーは、エネルギーの地産地消や循環型社会の構築に貢献するものとして注目されています。

しかし、「バイオエネルギー」と一口に言っても、その原料や変換技術は多岐にわたります。どの技術が地域の資源に適しているのか、どのような仕組みでエネルギーが生まれるのかを理解することは、効果的な導入計画を策定する上で不可欠です。

この記事では、バイオエネルギーの基本的な考え方から、主要な変換技術の種類と仕組み、それぞれのメリット・デメリットについて、地方自治体の環境政策担当者の皆様が地域での導入可能性を検討する上で役立つよう、入門レベルで分かりやすく解説いたします。

バイオエネルギーとは何か

バイオエネルギーとは、動植物に由来する有機物である「バイオマス」をエネルギー源として利用することです。バイオマスには、農作物、林産物、水産物、畜産排泄物、食品産業廃棄物、下水汚泥など、様々な種類があります。

バイオマスが他の再生可能エネルギー（太陽光、風力など）と大きく異なる点は、エネルギー源として貯蔵が可能であり、多様な形態（熱、電気、燃料）に変換できることです。また、植物の成長過程で大気中の二酸化炭素を吸収しているため、燃焼などで二酸化炭素を排出しても、全体としてはカーボンニュートラル（炭素循環の中で二酸化炭素の増減がないとみなす考え方）に近いと考えられています。

バイオマスをエネルギーとして利用するためには、様々な技術を用いてバイオマスを扱いやすい形態に変換する必要があります。主な変換技術は、大きく分けて「熱化学的変換」「生物化学的変換」「物理化学的変換」の3種類があります。

主要なバイオエネルギー変換技術の種類と仕組み

1. 熱化学的変換

バイオマスを加熱することでエネルギーを取り出す技術です。主に木質系バイオマスなどの乾燥した固形バイオマスが利用されます。

• 燃焼（Combustion）

  • 仕組み: バイオマスを酸素と結合させて燃焼させ、発生する熱を利用する技術です。この熱を直接暖房や給湯に利用したり、ボイラーで水を温めて蒸気を発生させ、タービンを回して発電したりします。
  • 主な原料: 木質チップ、ペレット、農業残渣（稲わら、もみ殻など）。
  • 得られるエネルギー: 熱、電気。
  • メリット: シンプルな技術であり、古くから利用されています。小規模から大規模まで様々なプラントサイズに対応可能です。
  • デメリット: 排ガス処理が必要です。含水率の高いバイオマスは効率が低下します。灰の処理も必要になります。
  • 図解示唆: ボイラー内で燃料（バイオマス）が燃焼し、熱交換器で水を温めて蒸気を生成。蒸気でタービンを回し発電機へ、という流れで示せます。

• ガス化（Gasification）

  • 仕組み: 酸素が少ない条件下でバイオマスを加熱分解し、可燃性のガス（合成ガス、主成分は一酸化炭素と水素）を生成する技術です。生成したガスを燃料として燃焼させて熱や電気を得たり、合成燃料（メタノールなど）の原料としたりします。
  • 主な原料: 木質チップ、農業残渣、RPF（ refuse paper and plastic fuel）など。
  • 得られるエネルギー: 熱、電気、合成燃料原料。
  • メリット: 燃焼よりも高効率な発電が期待できます。生成ガスからタールなどを除去することで、エンジンやガスタービンでの利用も可能です。
  • デメリット: 燃焼に比べて技術が複雑です。ガスの精製が必要になる場合があります。
  • 図解示唆: 反応炉内でバイオマスが部分酸化・熱分解され、合成ガスが生成される様子。ガスクリーニングプロセスを経て、利用先へ送られる流れを示せます。

2. 生物化学的変換

微生物の働きを利用してバイオマスをエネルギーに変換する技術です。主に含水率の高い有機性バイオマスが利用されます。

• メタン発酵（Anaerobic Digestion）

  • 仕組み: 酸素がない嫌気性条件下で、微生物が有機物を分解し、メタンを主成分とするバイオガスを生成する技術です。生成されたバイオガスは燃焼させて熱や電気を得るのに利用できるほか、精製して都市ガス導管に注入したり、自動車燃料として利用したりすることも可能です。発酵後の残渣は肥料として利用できます。
  • 主な原料: 家畜ふん尿、食品廃棄物、下水汚泥、農業残渣、草本類など。
  • 得られるエネルギー: バイオガス（熱、電気、都市ガス代替、自動車燃料）。
  • メリット: 多様な種類の湿潤バイオマスを利用できます。廃棄物処理とエネルギー回収を同時に行える点が大きな利点です。肥料も生産できます。
  • デメリット: 発酵に時間がかかります。原料によっては前処理が必要です。生成ガスの精製が必要な場合もあります。
  • 図解示唆: 密閉されたタンク（嫌気性発酵槽）に原料が投入され、微生物が有機物を分解してバイオガスが発生し、タンク上部に溜まる様子。発酵後の消化液（肥料）の取り出し口も示せます。プロセスは、加水分解→酸生成→酢酸生成→メタン生成、といった段階で構成されます。

• アルコール発酵（Ethanol Fermentation）

  • 仕組み: 糖やデンプンを酵母などの微生物の働きでエタノールと二酸化炭素に分解する技術です。生成されたエタノールはバイオエタノールとして自動車燃料などに利用されます。サトウキビやトウモロコシなどの糖質・デンプン質原料を利用する方法（第一世代バイオエタノール）と、木材や稲わらなどのセルロース・ヘミセルロースを糖に変えてから発酵させる方法（第二世代バイオエタノール）があります。
  • 主な原料: サトウキビ、トウモロコシ、廃糖蜜、木材、稲わら、草本類など。
  • 得られるエネルギー: バイオエタノール（液体燃料）。
  • メリット: 液体燃料として既存の輸送インフラを利用しやすいです。特に第一世代は技術が確立されています。
  • デメリット: 食料との競合が懸念される場合があります（第一世代）。第二世代は技術的に複雑でコストが高い傾向にあります。

3. 物理化学的変換

バイオマスの物理的な性質や化学反応を利用してエネルギーに変換する技術です。

• BDF（Bio Diesel Fuel）化

  • 仕組み: 植物油や廃食用油に含まれる脂肪酸とアルコール（メタノールなど）を触媒を用いて反応（エステル交換反応）させ、軽油の代替燃料となる脂肪酸メチルエステル（FAME）を生成する技術です。
  • 主な原料: 廃食用油、ナタネ、パーム油、藻類などから得られる植物油。
  • 得られるエネルギー: BDF（液体燃料）。
  • メリット: 既存のディーゼルエンジンで使用可能です（ブレンド率による）。特に廃食用油の活用は廃棄物削減にも貢献します。
  • デメリット: 原料の確保が課題となる場合があります。低温での流動性など、燃料としての特性に課題がある場合があります。
  • 図解示唆: 廃食用油とメタノール（触媒と共に）を反応槽に入れ、攪拌・反応させるプロセス。生成物（BDFとグリセリン）を分離・精製する流れを示せます。

地域導入を検討する上での視点

バイオエネルギー技術を地域に導入する際には、以下の点を考慮することが重要です。

• 原料の特性と量: 地域でどのようなバイオマスが、どれくらい発生するかを把握することが出発点です。原料の水分含有率、成分、年間発生量、収集・運搬コストなどが技術選択に大きく影響します。
• エネルギー需要: 生産されるエネルギー（熱、電気、燃料）が、地域のどのような需要に対応できるかを検討します。熱供給であれば熱需要のある施設（温浴施設、病院、工場など）の近く、発電であれば電力系統への接続、燃料であれば輸送車両への供給などが考えられます。
• 技術の成熟度とコスト: 各技術のプラント建設・運用コスト、運転の容易さ、メンテナンス性などを比較検討します。メタン発酵プラント、木質バイオマス発電プラントなど、導入規模や技術によってコストは大きく異なります。
• 環境影響: 導入による環境負荷（排ガス、排水、臭気、騒音など）を評価し、適切な対策を講じる必要があります。
• 法規制・補助金: バイオマス発電の固定価格買取制度（FIT/FIP）、地域の再生可能エネルギー導入補助金など、関連する国の制度や自治体の支援策を確認することも重要です。

導入事例

• メタン発酵:
  • 国内では、家畜ふん尿処理と地域への電力供給を組み合わせた事例（北海道など）、食品廃棄物の処理と地域熱供給を行う事例（都市部近郊）などが見られます。
  • 海外では、ドイツやデンマークなどで、農業残渣や家畜ふん尿を集約して大規模なバイオガスプラントを建設し、都市ガス網に注入している事例などがあります。
• 木質バイオマス発電:
  • 国内では、地域の間伐材などを利用した比較的小規模な発電所が各地で稼働しています。これにより、林業の活性化や山林の維持管理にも貢献しています。
• BDF製造:
  • 自治体や民間団体が連携し、地域内で発生する廃食用油を回収してBDFを製造し、清掃車やバスの燃料として利用している事例があります。

これらの事例は、地域の資源やニーズに合わせて、様々な技術が組み合わせて活用されていることを示しています。

まとめ

この記事では、バイオエネルギーの基礎と、主要な3種類の変換技術（熱化学的変換、生物化学的変換、物理化学的変換）について解説しました。それぞれの技術には異なる原理、適した原料、メリット・デメリットがあります。

地域におけるバイオエネルギーの導入は、再生可能エネルギーの推進、地域資源の有効活用、廃棄物問題の解決、産業振興など、複数の課題を同時に解決する可能性を秘めています。そのためには、地域のバイオマス賦存量やエネルギー需要を正確に把握し、それぞれの技術の特性を理解した上で、地域にとって最適な技術やシステムの組み合わせを選択することが重要となります。

今後、さらに効率的で多様なバイオエネルギー技術の開発が進むとともに、地域の実情に合わせた導入モデルが広がっていくことが期待されます。この記事が、皆様の地域におけるバイオエネルギー導入検討の一助となれば幸いです。