バイオマスエネルギー完全解説：メリット、課題、将来性

エネルギー生産の世界では、バイオマスは動物排泄物、木質ペレットなどを使って電力を生み出す一般的な方法の一つです。環境要因への懸念はありますが、バイオマスエネルギーは再生可能エネルギー源と呼ばれています。バイオマスが他と比較して最もグリーンなエネルギーかどうかは、議論が続いています。

長年にわたり、バイオマスエネルギーは有益で、信頼性と一貫性の両方を備えた代替エネルギー源として大きな潜在力があると見られてきました。イギリスでは今日、再生可能エネルギー消費の45%以上をバイオマスが占め、約12%を提供しており、風力に次ぐ第2位の貢献度です。今回は、バイオマスエネルギーの定義、用途、種類、仕組み、環境影響、利点、欠点について解説します。また、バイオマスがどうエネルギーに変換され、発電に利用されるかも説明します。

バイオマスエネルギーとは？

バイオマスとは単純に「有機物」を意味します。すなわち、動物排泄物、作物残渣、庭園廃棄物など、生きているか、かつて生きていたもの全てがバイオマスです。バイオマス再生可能エネルギーは、バイオマス物質を利用する工程で得られる動力です。バイオマスは太陽からエネルギーを取得・蓄積します。植物は光合成で太陽エネルギーを吸収し、植物の化学エネルギーは動物を経て人に伝わります。

植物・動物材料には、サトウキビ、トウモロコシ、木材チップ、糞なども含まれます。バイオマス原料として使われるとき、これらは「フィードストック（原料）」と呼ばれます。

EUと国連によれば、バイオマスは木や植物をさらに植えることで再生可能なため、再生可能エネルギー源とされています。しかし、バイオマス燃焼は「炭素負債」を生み、再吸収に最大104年かかるため、期待ほどグリーンではない可能性があります。それでも以下の理由で再生可能源と見なされています：

• 森林資源、製材所、廃材からの廃棄残渣は尽きることがない
• 森林はその恩恵により適切に管理されている

エネルギー用バイオマス源には：

• 木材と木材加工廃棄物 — 薪、木質ペレット、木材チップ、製材・家具工場のおがくず・廃材、パルプ・製紙工場の黒液
• 農作物と廃棄物 — トウモロコシ、大豆、サトウキビ、スイッチグラス、木本植物、藻類、作物・食品加工残渣
• 都市ごみ中の生物由来物質 — 紙、綿、羊毛製品、食品、庭園、木材廃棄物
• 動物糞尿と人間の下水

バイオマスエネルギーの用途

バイオマスエネルギーの用途は広大ですが、バイオマス原料で創出できるエネルギーは3種類：熱、電気、バイオ燃料（バイオディーゼルなど）です。ほとんどのバイオマスプラントは熱と電気の両方を生み出すマルチタスク型で、CHP（熱電併給）プラントと呼ばれます。数千年前と同様、原料を燃やして熱を生み出します。

バイオマスエネルギー用途は、家庭用小型ストーブから、中央集権型ユーティリティが電力生産に使う大型発電所まで多岐にわたります。家庭用途では主に調理と暖房に使われ、木材が最も一般的な燃料ですが、他材料も利用可能です。新設計の薪ストーブは冷暖房効率を改善し、必要燃料量を削減します。

産業・ビジネスでは、空間暖房、給湯、発電にバイオマスエネルギーが使われます。製材所など多くの産業施設は自然に有機廃棄物を生成します。

2020年、バイオマスエネルギーは約4,532兆BTU（約4.5千兆BTU）を供給し、米国一次エネルギー消費の約4.9%を占めました。うち約2,101兆BTUが木材・木材由来バイオマス、約2,000兆BTUがバイオ燃料（主にエタノール）、約430兆BTUが都市ごみ中のバイオマスからでした。

バイオマスエネルギー資源の種類

様々なバイオマスエネルギー源の種類：

木材と木材廃棄物

最も一般的なバイオマスエネルギー源です。数千年来、薪を燃やして暖房と調理に利用されてきました。今日も主要エネルギー源で、米国の木材・木材廃棄物燃料の約84%は産業、商業、発電事業者が消費。残りは主に薪として家庭の暖房・調理に使われます。

一般的な木材廃棄物には樹皮、おがくず、木材チップ、木材くずがあります。今日のエネルギーの約2%を提供。多くの木材・製紙産業は木材廃棄物で自社の蒸気と電力を生産し、コスト削減、廃棄物処理不要、電力購入削減を実現しています。

都市ごみ、埋立ガス、バイオガス

都市ごみ（MSW）は食品残渣、草刈り屑、落ち葉などのゴミです。MSWは、廃棄物発電プラントでの焼却、またはバイオマス回収でエネルギー源になります。前者ではゴミを燃やして蒸気を生み、暖房や発電に利用します。

埋立地ではバイオマスが腐敗しメタンガスを放出し、これがバイオガスまたは埋立ガスと呼ばれます。ほとんどの埋立地にはメタン回収システムがあり、燃料源として利用します。酪農家は「消化槽」と呼ばれるタンクに牛舎の糞尿を入れ、バイオガスを得ています。

バイオ燃料

代表的なバイオ燃料はエタノールとバイオディーゼルです。バイオマス材料から作られ、通常ガソリンや軽油など石油燃料とブレンドされます。単独使用も可能です。ただし、エタノールやバイオディーゼルの使用で化石燃料燃焼を大幅に削減できます。これらのバイオ燃料は化石燃料より高価ですが、よりクリーンに燃焼し、大気汚染物質を減らします。

エタノールは、トウモロコシ、ソルガム、小麦など穀物の糖分、ジャガイモ皮、米、サトウキビ、テンサイ、庭園剪定屑から作られるアルコール燃料です。植物・樹木の全部位を使ってエタノールを安く製造する研究が進行中です。一方、バイオディーゼルは植物油、脂肪、グリス（リサイクル飲食店グリスなど）から作られる燃料です。ディーゼルエンジンで無改造で使用可能。再生可能燃料で安全、生分解性、大気汚染物質の大幅削減効果があります。

バイオマスの環境影響

バイオマス燃焼は大気を汚染しますが、化石燃料ほどではありません。バイオマス燃料は燃焼時に硫黄などの汚染物質を出しませんが、温室効果ガスである二酸化炭素を放出します。しかし、バイオマス作物を育てるとき、光合成でほぼ同量の二酸化炭素を吸収します。バイオマス資源の種類と用途によって環境影響は異なります。例えば、薪燃焼の煙には一酸化炭素や粒子状物質など汚染物質が含まれ、多くの地域で高汚染日の薪暖炉・ストーブ使用を制限しています。また、埋立ガスとバイオガスの回収利用で、大気放出メタン量を削減できます。メタンは地球気候変動に関わる温室効果ガスの一つです。

バイオマスのエネルギー変換プロセス

バイオマスからエネルギーへの変換は、以下の様々なプロセスで行われます：

• 直接燃焼 — 熱を生産
• 熱化学変換 — 固体、気体、液体燃料を生産
• 化学変換 — 液体燃料を生産
• 生物学的変換 — 液体と気体燃料を生産

直接燃焼がバイオマスを有用エネルギーに変換する最も一般的な形態です。バイオマスを直接燃やして建物・給湯暖房、産業プロセス、蒸気タービンでの発電に利用します。トランスエステル化と呼ばれる化学変換プロセスでは、植物油、動物脂肪、グリスを脂肪酸メチルエステルに変換し、バイオディーゼルを生産します。

生物学的変換には、バイオマスをエタノールに変える発酵と、再生可能天然ガスを生産する嫌気性消化があります。この再生可能天然ガスはバイオガスまたはバイオメタンとも呼ばれます。

バイオマスを燃やすと熱エネルギーとして放出され、蒸気を生成します。蒸気エネルギーはパイプを通じてタービンを回します。蒸気が上昇してタービンを回し、最終的に電力を生み出したり、家庭・産業用熱を生成したりします。

動画でバイオマスのエネルギー変換をさらに学ぶ：

バイオマスエネルギー資源の利点と欠点

利点：

バイオマスエネルギーの様々な用途におけるメリット：

• クリーンなエネルギー源
• 自然とビジネスの両方に良い
• 二酸化炭素を放出し、自らの成長で再吸収
• 埋立地満杯のリスクを最小化
• 有害廃棄物を有用エネルギーに変換
• バイオマス資源の排出は無害
• 完全に天然で、使用時の副作用なし
• バイオマス資源のライフサイクルは完結
• 再生可能資源
• 化石燃料依存を後退させる
• バイオマス資源で多様な製品を開発可能

欠点：

優れたメリットがある一方、制約もあります：

• エタノールなどバイオディーゼルは化石燃料に比べ比較的非効率
• 性能向上のため化石燃料と混合されることがある
• バイオマス燃焼には広大なスペースが必要
• バイオマス資源燃焼でメタンなどガスが環境に放出される
• バイオマスエネルギー利用で環境劣化が生じる可能性
• 自然に有害な可能性がある

結論

EUと国連によれば、バイオマスは木や植物をさらに植えることで再生可能なため、再生可能エネルギー源です。バイオマス再生可能エネルギーは、バイオマス物質を利用する工程で得られる動力です。バイオマス原料で熱、電気、バイオ燃料（バイオディーゼルなど）の3種類のエネルギーを創出できます。以上、バイオマスエネルギーの定義、用途、種類、仕組み、利点、欠点、エネルギー変換と発電方法について解説しました。

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