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エネルギー

バイオエネルギー

イントロダクション

バイオマス(生物体量)は熱、燃料または電気を作るために利用されます。これらの工程をバイオエネルギー(生物エネルギー)といいます。

バイオマスは炭水化物なので、農業穀物や木々、植物や海草などから引き出されます。また、作物や廃棄された草木、動物の排泄物からもバイオマスを抽出することが可能です。ゴミ処理場に廃棄された紙や植物もバイオエネルギーの原料となります。さらにゴミ処理場から発生するガスでさえもエネルギー源として利用できます。これらは全て再生可能なエネルギーです。

バイオマスは太陽光の植物への働きかけによって生成されます。つまり太陽光エネルギーの凝縮した蓄積なのです。これらは燃やして暖を取ることができれば、その熱で電気を作り出すこともできます。また、燃焼によって燃料となるメタンガスを作り出すことができます。さらに、バイオマスを液化して液体燃料として利用することができます。この液化転換は、バイオマスが酸素が存在しない状態で加熱された際に発生する「熱分解」として知られています。

現在市場には主に2種類のバイオマスを利用した液体燃料が存在します。バイオエタノールとバイオディーゼルです。これらはトウモロコシ・大豆・アブラナ油・サトウキビ・スイッチグラス・ヤシの木の油などの穀物や雑草から生成されます。

液体燃料にはアルコールとバイオディーゼルの2種類があります。アルコールは炭水化物の高いトウモロコシやサトウキビから生成されます。これらは一般的にエタノールとして知られています。ある国ではエタノールは二酸化炭素と温室効果ガスの排出量を削減するためにガソリンへの添加物として利用されています。エタノール85%での走行が可能の車両も存在します。そのほかにはメタノールや木精がこの種に該当します。

バイオディーゼルは植物や動物の油や脂肪から生成されます。藻や家庭用料理用油からもバイオディーゼルは生成されます。バイオディーゼルはアルコールではなくエステルです。エステルは燃料の添加物として、そして燃料そのものとしても利用できます。エステルは有毒なガスの放出を減らす効果があります。

セルローズエタノールのようなバイオ燃料技術は化石燃料から排出される二酸化炭素を減少させることができる潜在能力を持っています。セルローズエタノール生成には木質の植物を分解する微生物が利用されます。このバイオ燃料はスイッチグラスのような農薬をほとんど必要せず、養分の低い土地でも成長できる永年草から生成することが可能です。セルローズエタノール産業は成長期にあるといえます。

このような液体燃料やバイオ燃料を生成するバイオマス利用は我々が消費するエネルギーの大部分を占める交通エネルギー需要に今後大きく貢献する可能性を秘めているといえます。そうするために、化石燃料のような再生不可能な資源に完全依存するのではなく、エネルギーの供給原料としてバイオエネルギーを作り出す作物の収穫高を上げるべきです。また、ガス化したバイオマスエネルギーは燃料電池に使われる水素を作り出すために利用できます。

しかし、バイオエネルギー利用にも欠点があります。バイオマスを直接燃焼すると温室効果ガスが排出されます。また、特定の液体やガス、化学物質を生成する際に火力発電で生成された際と同じ基準のエネルギーが必要となることがあります。

歴史

木はバイオエネルギーの主原料です。同時に、木は暖をとるために何千年も長い間利用されてきました。木は未だ多く発展途上国において、料理をするためのエネルギー源として広く利用されています。石炭は化石化した木を指します。石炭はバイオマスの一種です。しかし、木が化石化するには何百万年という時間が必要なため、再生可能エネルギーとはいえません。しかし、石炭の貯蔵量があまりにも膨大なため、前世紀において数百年の間欧米諸国を中心として主要エネルギーの源として広く利用されました。

今日、欧米諸国において総エネルギーにおけるバイオマスエネルギーの割合は非常に限定されています。例えば、アメリカ合衆国における総エネルギー消費のうちバイオエネルギーにおける割合はたったの3%に過ぎません。バイオマスエネルギーは時に交通機関に利用され、時に工場(特にパルプと紙製造)で暖房や機械等の動力として利用されます。そして、ごくわずかが発電に利用されます。木材産業において廃材をボイラーに利用することがありますが、ここで生産されたエネルギーはほとんどが施設内の製造工程での利用だけにとどまり、ほんの少しの余剰エネルギーのみが施設外の電力網に売り出されています。

バイオエネルギー生産の例

ごみ処理場の廃棄物が分解すると、メタンと二酸化炭素というエネルギーに変換します。メタンは大気中において大気圏に抜けることができません。そのためメタンは大気汚染となり地球温暖化の原因になります。オーストラリアでは現在8の施設が、発電によって抽出されたメタンガスを地下に繋がるパイプを通じて安全に廃棄しており、これらの施設は年間25万トンの二酸化炭素と温室効果ガスの削減に貢献しています。

ドイツ、オーストリア、スウェーデンではペレットボイラーが家庭用暖房器具として高い人気を集めています。このシステムは集中暖房(セントラルヒーティング)装置のような役割を果たし、丸太の製材工程に発生すつおがくずや削りくずなど主原料としたものを固めた木質ペレットが燃料として利用されます。

オーストラリアのクイーンズランド州ではサトウキビの残りくずであるバガッセが砂糖の製粉場でボイラー燃料として利用され、製粉工程に必要な電力を生産しています。この発電における必要超過分に当たる電力はクイーンズランド州の送電会社に売却されています。近年の砂糖の市場価格下落を受けてクイーンズランド州政府はバガッセ完全ガス化計画(Bagasse Integrated Gasification Project)を掲げ、サトウキビ生産者に実現可能なバガッセの活用案を提示し、同州のクリーンエネルギーの達成目標を満たすための一助としています。

豪州バイオ燃料協会(The Bio-diesel Association of Australia)の会員数は約500人です。会員の中には家庭で使い終わった食用油、アルコール、苛性ソーダを利用して自動車の燃料を生産する人もいます。同協会は輸入燃料の削減、自国でのバイオマス燃料生産の発展を目標と掲げています。協会の努力によって過去数年間で、エタノール工場は4倍の95まで増加し、2005年には生産量が40億ガロンに達しています。

the Energy Power Resources Groupの一員である英国のファイブロワット社はポートリーリターと呼ばれるニワトリなどの家畜から発生した排泄物やエサの残りくずを燃料として利用しています。過去15年で同社は700万トン以上のポートリーリターとバイオマスを焼却利用しました。また、同社はイギリス中部地方に位置するFour Ashes Industrial Estate社に利用済みタイヤを燃料とする発電所を建設し、それと類似したプロジェクトをオランダで数箇所において実行しています。さらに、同社は2006年には米国市場に進出し、年間50万トンのポートリーリターの焼却可能な発電所をミネソタ州に建設ました。現在さらなる4基が建設中で、3基が建設予定です。

しかし、the US Energy Justice Networkはこれらの発電に燃料として利用される材料(肥料・ポートリーリター・肥やし・麦わら・木くずなど)が結果的に大気・水質・土壌汚染を引き起こし、ヒ素・鉛・硫黄・塩酸・ダイオキシン・二酸化炭素を含む有害物質を発生させていると指摘しています。

バイオエネルギーの利点

  • バイオエネルギーは再生可能エネルギーであるという点において、多くの潜在的経済的利点があるといえます。例えば、エネルギー開発は従来のエネルギー生産に比べて4倍の雇用を喚起します。特にドイツ、ブラジル、アメリカにおいて多くの人がバイオマスに関連する部門で働いています。

  • バイオマス燃料は保管が容易で必要なときにはすぐ利用できます。そして、電力と熱エネルギーの安定した供給が可能です。

  • バイオマスから抽出されるエネルギーは植物や動物から発生する有機物質から生成されます。これらはおがくず・木の皮などの林業廃棄物やわらや肥やし(牛や馬などのふん)などの農業廃棄物です。

  • バイオマスエネルギーを生成すつ資源が大量にあります。現在、バイオマスエネルギーになりえる資源のうち、エネルギー利用されているものはわずか2%にとどまっていると推測されています。

  • バイオマスを燃焼してエネルギーを抽出する際、化石燃料の燃焼時とほぼ同様の二酸化炭素が排出されます。しかし、バイオエネルギー生産における十分な植物を生産することができるようになると、その植物が光合成するため排出される二酸化炭素が相殺され温室効果ガスの増加を防ぐことができます。

  • バイオディーゼルを利用すると温室効果ガスの排出を75%削減することができます。従来のディーゼルと混合して利用してもわずかですが同様に温室効果ガスの排出を減少ことができます。例えば、バイオディーゼルを5%含むディーゼルを利用すると約-5%の温室効果ガス排出量が出来ます。

  • 農業廃棄物の利用は農業経営者にとっての新たな収入源となり、バイオエネルギー生成における供給材料の生産は新たな産業を創造します。この供給材料の生産は家畜業を営む農場経営者の活動分野を広げる新たな事業となりえます。また、廃棄物の再利用には環境的利点もあります。バイオエネルギーの供給材料の中には厳しい土壌条件でも効率的に成長できるポプラやスイッチグラスなどがあります。

  • バイオディーゼルに派生した物質があります。そのうちのひとつがフェノールです。フェノールはプラスチックや接着剤や発泡断熱材料などの原料として利用されます。現在、これらの製品は非再生可能源である、石油や天然ガスを利用して生産されています。しかし、今後技術の発展と共にこれらの製品は従来の石油を使わずに生産することができるといわれています。また、これらの製品に完全な生物分解性(細菌作用で無害な物質に分解できる性質)を持たせることができるかもしれません。

  • バイオ燃料は化石燃料産業による採掘、石油の燃焼や採鉱会社による野生動物の生息地域における開発などがもたらす環境への負担を軽減させます。

バイオエネルギーの欠点

  • 現在、エタノール生産は既存のエタノールからの産出よりも最高118%多くの化石エネルギーを必要とします。これはエタノールを生成する材料によって大きく変化します。(表1)例えば、エタノールは1ガロンあたり76,000BTU(英熱量:1BTUは1 lbの水の温度を1 °F上げるのに必要な熱量を指す)の熱量を持っていますが、同量のエタノールをトウモロコシを利用して生産するためには約98,000BTU必要とします。

  • バイオマスエネルギーは燃料としての効率が化石燃料よりも50%低いといえます。そのため、バイオマスエネルギーは小規模な工場では利用価値がありますが、大きな工場ではバイオマスの原料を工場に運び込むだけで何千もの大型トラックが必要となるといえ、効率的とはいえません。

  • バイオマスエネルギーは安価な燃料というイメージがありますが、燃料効率の低さや、納税者が納める政府の助成金などが重なり、実際には生産に多くの「隠された」費用が含まれます。この「上乗せ」によって結果的に消費者はバイオ燃料を利用するには2倍の資金を負担しなければなりません。

  • バイオマスの燃焼は大気汚染の原因となる上に、燃料の生産工程において様々な問題が存在します。多くのバイオマス関連会社はバイオエネルギー生産を環境にやさしいものとして取り上げていますが、バイオマス生産工程はゴミ処理場や下水から廃棄物の燃焼よって発生する下水は鉛・ダイオキシン・塩酸・二酸化硫黄・亜酸化窒素などの大気汚染の原因となる有毒な物質を含みます。

  • 燃料となる穀物を栽培するための土地需要の増加は野生動植物そして地域の生物多様性や生息地の破壊の原因となります。特に熱帯雨林をはじめとする我々の非常に重要な生態系に悪影響を大きな圧力を与えかねません。

  • バイオ燃料の拡大の背景には食糧用の穀物畑の減少の危険が存在します。これによって食糧生産高が減少すると食の高騰を生み出し、発展途上国の食糧問題をさらに深刻化させる可能性があります。

  • 本来のエタノールの原料である米国産のトウモロコシやブラジル産のサトウキビの栽培において土壌浸食や地中の帯水層の激減を引き起こす可能性があります。

  • バイオエネルギー生産のための穀物栽培が増えることは殺虫剤・肥料・水の利用をも同時に増加することを意味します。

  • エタノールは水溶性があるという特性上、ガソリンのようなパイプラインでの輸送が困難です。そのため、輸送の際には他の燃料とは隔離して輸送する必要があるため、パイプラインよりもはるかに費用がかかるトラック・鉄道・船・を利用しなければなりません。

表1:エタノールの出力容量以上に必要な化石燃料の割合

原料エタノールの出力容量を超過する割合(%)
トウモロコシ29%
スイッチグラス50%
木質バイオマス 57%
ヒマワリ118%
大豆28%

(出典: Pimentel, 2006)

解決策

バイオマス生産には技術開発のための継続的な履行そして環境・社会・長期的な経済の持続性を見越した包括的な「全体論」的なアプローチが必要であるといえます。バイオ燃料は多くの国家や団体が掲げるエネルギー保護、持続可能なエネルギー源の多能化、効果的な生産・運輸・慎重な環境管理のような環境やエネルギー目標への貢献ができる可能性を秘めていますが、その目標達成の一部の貢献にとどまるのも事実です。 バイオエネルギー開発は導入の際に温室効果ガスの排出量の減少が見られ、穀物栽培によって周辺の生息地などの自然環境に悪影響を与えないことが原則となります。

バイオマス生産技術は絶えず人体や環境への潜在的悪影響がないかどうかを慎重に見極める必要があります。また、エネルギー返還効率を算出する際には土壌・水質・気象変動・生態系における環境上の影響も含めて計算する必要があります。

輸送や工程における問題が少なく、広大な土地を必要としない、そして他の発電方法に比べて非常にクリーンであるという点から、より多くの太陽光発電と風力発電が導入されるべきです。

時間を要さず容易に導入が可能な方法として低燃費の車両利用をあらゆる交通機関に義務付ける方法があります。この方法を家庭用自動車から始めると良いでしょう。最新の技術を利用すれば20%の省エネルギー化が可能になります。これはヨーロッパにおいて生産されるバイオマスエネルギーの総容量以上のエネルギーを削減することになります。

食糧用穀物と燃料用穀物間での競争を最小化するため、水資源や肥沃な農業用地や生物多様性を我々の便宜性のために犠牲にしないために、各国政府は経済政策を実行する必要があります。

参考文献

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