(57)【要約】【課題】バイオマスシステムを、初期投資が少ない低コストで構築し、自然熱源を利用して運転のエネルギー効率を高め、システム全体として余剰熱量が得られるようにする。【解決手段】湿式バイオマスシステムは、湿式バイオマスからガスを発生させる発酵槽１３と、ガスで電気や熱を生成するボイラ１４及び発電機１５と、発電機１５からの電気で駆動されるヒートポンプ５を有する。ヒートポンプ５の温熱は、殺菌槽１６，１８  での湿式バイオマスの殺菌と、発酵槽１３における湿式バイオマスの加熱に使用される。消化液貯留槽１９から送られた消化液１７は、凍結濃縮手段２１により、ヒートポンプ５の冷熱で水分のみを凍結され、濃縮された消化液は液肥２０として貯蔵される。消化液貯留槽１９のダウンサイジングが可能で、施設の建設コストが従来より低廉となる。濃縮された液肥の搬送コストも割安になる。システム全体として余剰熱量が得られ、電気等を外に売却できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー生成手段によってバイオマスからエネルギーを生成して供給するバイオマスシステムにおいて、
その冷熱と温熱の少なくとも一部が、前記エネルギー生成手段の駆動と前記バイオマスの処理の少なくとも一方に使用されるヒートポンプを備えたことを特徴とするバイオマスシステム。
【請求項２】
乾式バイオマスを燃焼して蒸気を発生するボイラーと、
前記ボイラーの発生する蒸気によって駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記発電機によって生成される電気によって駆動され、その温熱と冷熱が前記乾式バイオマスの処理に使用されるヒートポンプとを有し、
システム全体として余剰熱量が得られることを特徴とするバイオマスシステム。
【請求項３】
前記ヒートポンプの温熱を利用した前記乾式バイオマスの処理が、前記ボイラーの前段で行なわれる前記乾式バイオマスの乾燥であり、
前記ヒートポンプの冷熱を利用した前記乾式バイオマスの処理が、前記ボイラーに投入される前記乾式バイオマスの凍結処理である請求項２記載のバイオマスシステム。
【請求項４】
湿式バイオマスを発酵させて消化ガスを発生させる発酵槽と、
前記消化ガスによって電気を含むエネルギーを生成するエネルギー生成手段と、
前記エネルギー生成手段によって生成される電気によって駆動され、その温熱が前記発酵槽における前記湿式バイオマスの加熱に使用されるとともに、その冷熱が前記発酵槽から供給される消化液の処理に使用されるヒートポンプとを有し、
システム全体として余剰熱量が得られることを特徴とするバイオマスシステム。
【請求項５】
前記ヒートポンプの温熱を利用した前記湿式バイオマスの処理が、前記発酵槽の前段ないし後段の少なくともいずれか一方で行なわれる前記湿式バイオマスの殺菌であり、
前記ヒートポンプの冷熱を利用した前記湿式バイオマスの処理が、前記消化液の凍結濃縮である請求項４記載のバイオマスシステム。
【請求項６】
前記発酵槽から導かれた消化液を通過させるパイプラインと、前記ヒートポンプの冷熱で前記パイプラインを冷却することにより前記消化液中の水分を凍結させて前記消化液を濃縮する手段と、濃縮された消化液を液肥の貯槽に送り出す圧送手段とを備えた凍結濃縮手段によって、前記消化液の凍結濃縮が行なわれる請求項５記載のバイオマスシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー資源としてのバイオマスから電気や熱等のエネルギーを取り出してシステム内及びシステム外に供給するとともに、このバイオマスを加工して物的資源としても供給できるバイオマスシステムに関するものである。特に本発明は、安全かつクリーンで熱のリサイクルによって高い熱効率を示すヒートポンプをシステムの運転やバイオマスの処理に採用することにより、建設コスト及び運転コストが低く、環境に負荷の少ないバイオマスシステムを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エネルギー問題の解決と、地球環境の保全・保持を図るために、近年では多様なエネルギー源の開発が試みられている。特に、エネルギー需要の大半を輸入の石油に依存しているわが国では、リスクの分散という意味からもエネルギー源の多様化は重要な国家的課題となっている。その中にあって、木材資源・家畜の糞尿・生ごみ・食品工場からの廃棄物等のバイオマス  （本明細書では生物等に由来する有機資源を意味する）は、従来はコストを費やして処理していた廃棄物をエネルギー源として利用するものであり、しかもバイオマスは太陽の光エネルギーが有機物として固定化されたものなのでエネルギー源として利用しても地球の生態系を循環する炭素量に変化がないという利点があり、さらに加工されたバイオマス自体が物的資源となる場合もあることから、その利用技術の開発が積極的に進められているところである。
【０００３】
下記特許文献１はバイオマスを用いた発酵槽の発明に係るものであり、図９は、この発酵槽を応用した家畜の糞尿等の再利用システムの概略を示すブロック構成図である  （以下、従来のバイオマスシステムと呼ぶ。）。この従来のバイオマスシステムでは、家畜の糞尿等を堆肥製造のみという従前の目的にとどまるのではなく、これをエネルギー源として利用することにより発電及び熱（温水）の供給を行ない、これを施設内外で有効利用することを目指したものである。
【０００４】
家畜の糞尿等（図中バイオマス１００と表示）は、殺菌槽１０１を経てメタン発酵を行なう発酵槽１０２に投入される。発酵槽１０２ではメタン発酵の過程でメタンを６０％程含むバイオガスが発生する。このガスを発電機１０３とボイラ１０４に供給し、電気と熱を得ている。電気は施設内の電力を賄うとともに余剰分については外部に売電する。熱は燃焼排ガスとガスエンジン冷却水の廃熱であり、温水として回収し、発酵槽１０２の加温、殺菌槽１０１の加熱、及び施設の暖房・給湯に利用する。
【０００５】
一方、発酵槽１０２からは処理が終了した糞尿等が消化液として排出され、消化液貯留槽１０５を経て脱水機１０６にかけられる。固形分は脱水ケーキ１０７となり、固形堆肥１１０となる。脱水濾液は排水処理１０８を経て河川に放流される。なお、消化液貯留槽１０５は、冬場等には使用されない消化液を液肥  （バイオガス生成後の処理液）として大量に蓄えておくことができるような容量で構築されている。
【０００６】
【特許文献１】
欧州特許第００１３５３８号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のバイオマスシステムによれば、設備が大掛かりで建設コストが大きいという点に特徴があり、この点が今後解決すべき技術的課題とされていた。
まず、このシステムによれば、容積の大きな消化液貯留槽１０５を設ける必要がある。これは、バイオマスである家畜の糞尿は通年途絶えることなく畜産農家等から排出されて施設に運び込まれるので、これを処理した結果得られる液肥も常に生産・排出されることとなるが、液肥は農業が行なわれる時期のみに使用され、冬期には使用されない。従って、消化液貯留槽１０５は、液肥の未使用時期に液肥を貯蔵しておけるような容積でなければならず、特に冬期間の長い北海道などでは約半年分もの液肥を貯留しておくだけの大容積の消化液貯留槽１０５を設ける必要がある。その製造コストの縮減は大きな課題となっている。
【０００８】
また、液肥として利用されない消化液は、脱水機で固形分を除去した後に地下浸透させることができないので、排水として処理するために排水処理設備を設けざるを得ない。しかし、排水処理設備を設ける場合には、相当の面積と設備費が必要になると予想される。
【０００９】
次に、従来のバイオマスシステムによれば、施設の運転に要するエネルギーコストが大きいという特徴があった。
まず、このシステムによれば、発酵槽１０２で発生させたバイオガスをエネルギーとして熱や電気を生成し、この熱で発酵槽１０２及び殺菌槽１０１の加熱を行なうこととされているが、実際には発酵槽１０２及び殺菌槽１０１の加熱には本システムで生成したバイオガスの燃焼による熱だけでは不足であり、外部から別途エネルギーを導入して消費する必要があった。
【００１０】
以上説明したように、従来のバイオマスシステムでは、設備の初期投資額が比較的大きく、運転のエネルギーコストも大きいという特徴があり、しかも処理したとはいえ最初の供給量と大差のない大量の排水を河川に放流することになるなど、エネルギー循環型で環境負荷の少ないリサイクルシステムを望む現在の産業界のニーズに完全には一致するものではなく、上述した特徴点が今後の解決すべき課題として残されていた。
【００１１】
本発明は上述した従来の技術の課題に鑑みてなされたものであり、バイオマスからエネルギーと物的資源を生成して供給するバイオマスシステムを、初期投資が少ない低コストで構築し、しかも自然熱源を利用して運転のエネルギー効率を高め、システム全体として余剰熱量が得られるようにすることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載されたバイオマスシステムは、エネルギー生成手段によってバイオマスからエネルギーを生成して供給するバイオマスシステムにおいて、
その冷熱と温熱の少なくとも一部が、前記エネルギー生成手段の駆動と前記バイオマスの処理の少なくとも一方に使用されるヒートポンプを備えたことを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載されたバイオマスシステムは、
乾式バイオマスを燃焼して蒸気を発生するボイラーと、
前記ボイラーの発生する蒸気によって駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機と、
前記発電機によって生成される電気によって駆動され、その温熱と冷熱が前記乾式バイオマスの処理に使用されるヒートポンプとを有し、
システム全体として余剰熱量が得られることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載されたバイオマスシステムは、請求項２記載のバイオマスシステムにおいて、
前記ヒートポンプの温熱を利用した前記乾式バイオマスの処理が、前記ボイラーの前段で行なわれる前記乾式バイオマスの乾燥であり、
前記ヒートポンプの冷熱を利用した前記乾式バイオマスの処理が、前記ボイラーに投入される前記乾式バイオマスの凍結処理であることを特徴としている。
【００１５】
請求項４に記載されたバイオマスシステムは、
湿式バイオマスを発酵させて消化ガスを発生させる発酵槽と、
前記消化ガスによって電気を含むエネルギーを生成するエネルギー生成手段と、
前記エネルギー生成手段によって生成される電気によって駆動され、その温熱が前記発酵槽における前記湿式バイオマスの加熱に使用されるとともに、その冷熱が前記発酵槽から供給される消化液の処理に使用されるヒートポンプとを有し、
システム全体として余剰熱量が得られることを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載されたバイオマスシステムは、請求項４記載のバイオマスシステムにおいて、
前記ヒートポンプの温熱を利用した前記湿式バイオマスの処理が、前記発酵槽の前段ないし後段の少なくともいずれか一方で行なわれる前記湿式バイオマスの殺菌であり、
前記ヒートポンプの冷熱を利用した前記湿式バイオマスの処理が、前記消化液の凍結濃縮であることを特徴としている。
【００１７】
請求項６に記載されたバイオマスシステムは、請求項５記載のバイオマスシステムにおいて、前記発酵槽から導かれた消化液を通過させるパイプラインと、前記ヒートポンプの冷熱で前記パイプラインを冷却することにより前記消化液中の水分を凍結させて前記消化液を濃縮する手段と、濃縮された消化液を液肥の貯槽に送り出す圧送手段とを備えた凍結濃縮手段によって、前記消化液の凍結濃縮が行なわれることを特徴としている。
【００１８】
なお、本発明のバイオマスシステムにおいては、バイオマスからエネルギー生成手段によって熱だけでなく電気も生成し、この電気を用いてヒートポンプを駆動することができるが、ヒートポンプを駆動する電気は必ずしもバイオマス起源でなくてもよく、システム外部から供給された電気でもよい。外部から購入した電気でヒートポンプを駆動する場合には、その分だけバイオマス起源の電気をシステム内の他の用途に振り向けることができる。
【００１９】
また、本発明のバイオマスシステムによれば、バイオマスを加工して物的資源を製造し、これをシステム外に供給することもできる。
【００２０】
また、本発明のバイオマスシステムによれば、ヒートポンプが発生する冷熱と温熱の少なくとも一部が、前記エネルギー生成手段の駆動と前記バイオマスの処理の両方に使用されるようにしてもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（１）  本バイオマスシステムの基本構成
本発明の実施の形態の基本構造と機能を説明する。
バイオマスは、製材屑・森林間伐材・木質燃料・木質ペレット・草・剪定枝等の木質バイオマスや古紙のような乾式のバイオマスと、家畜の糞尿、生ごみ、食品工場から出る廃棄物等の湿式のバイオマスに大略区分されるが、本発明はいずれのバイオマスにも適用することができる。
【００２２】
本例のバイオマスシステムは、バイオマスからバイオガスを発生させる発酵槽や、この発酵槽で発生したバイオガスやバイオマス自体を燃焼させるボイラー及びこれによって駆動される発電機などのエネルギー生成手段を用い、電気や熱を生成してシステム内及び外部に供給する。
【００２３】
なお、本バイオマスシステムにおいてバイオマスから得られるエネルギーとしては、バイオマスのメタン発酵によって発生するメタンや、草から生成されるメタノールや水素ガス、またこれら水素などの燃料を用いて燃料電池から得られる電気なども含まれる。従って、本発明の構成要素であるエネルギー生成手段としては、これらの種々の形態のエネルギーを生成する一切の設備・装置等が含まれるものとする。
【００２４】
一方、本例のバイオマスシステムは上記エネルギー生成手段からの電気で駆動されるヒートポンプを有しており、このヒートポンプが発生する温熱と冷熱によって上記エネルギー生成手段の駆動に要するエネルギーの一部を負担し、またバイオマス自体の処理を行なう構成となっている。
【００２５】
ヒートポンプは、熱を移動させることによって熱を作り出すが、上記エネルギー生成手段からの電気は熱の移動のみに使われるので効率が非常に高く、例えばこの電気でヒートポンプのモータを駆動する場合の投入エネルギーに対する効率は、電熱ヒータやボイラーを用いた場合の数倍になる。
【００２６】
従って、ヒートポンプを併用した本バイオマスシステムは熱の効率的循環を図ることができ、熱効率が非常に高く、全体として余剰熱量が得られるので、システム内で使用するエネルギーだけでなく、外部にもエネルギーを供給することができる。さらにエネルギー生成手段で処理した後のバイオマスを灰や液肥などの物的資源として外部に供給することができる。
【００２７】
このように、本発明のバイオマスシステムは、ヒートポンプと組み合わせ、システム全体として高い熱効率を達成した点において、従来のヒートポンプを持たない単なるバイオマスシステムと本質的に異なるものである。
従来のバイオマスシステムにはバイオマスシステム特有の冷熱の用途がなく、単にバイオマスシステムにヒートポンプを組み合わせたとしても、ヒートポンプから得られる冷熱に用途がなく、有効利用されなければシステム全体としてエネルギー効率が向上せず、そもそもバイオマスシステムにヒートポンプを適用する意味がない。つまり、従来はバイオマスシステムにおいて冷熱の有効な利用方法がないという事情が、本願発明に対する阻害要因になっていたと考えられる。
ところが、本発明では、バイオマスシステムにヒートポンプを適用し、ヒートポンプの発生する温熱及び冷熱の少なくとも一部分をエネルギーの生成やバイオマス自体の処理に有効利用するという進歩した思想を提供している。特に後述する乾式又は湿式の各システムにおいて具体的に紹介するように、ヒートポンプの冷熱を用いてバイオマスの凍結処理や凍結濃縮による液肥の製造を行なう等、単にシステム内で夏季に限定された用途である冷房等だけに冷熱を使用する場合に比べ、冷熱の用途を時季的な限定が無い用途、バイオマスシステム特有の用途にまで拡大しており、バイオマスシステム全体として高い熱効率を達成しているものである。
【００２８】
（２）  乾式バイオマスシステム
次に、本発明の実施の形態の第１の例である乾式のバイオマスシステムについて図１を参照して説明する。
本バイオマスシステムは、エネルギー生成手段として、乾式バイオマス１を燃焼して蒸気を発生するボイラー２と、前記ボイラー２の発生する蒸気によって駆動されるタービン３と、前記タービン３によって駆動される発電機４を有している。さらに、前記発電機４によって生成される電気によって駆動されるヒートポンプ５を有している。ヒートポンプ５は、その温熱を前記乾式バイオマス１の乾燥やボイラの水の予熱等に用いており、その冷熱を前記乾式バイオマス１の凍結処理  （例えば凍結破砕や凍結乾燥等）と前記タービンの復水器の冷却に使用している。
【００２９】
本例のシステムでは、製材屑・森林間伐材・木質バイオマス燃料等の乾式バイオマス１は、エネルギー生成手段としてのボイラ２に供給されて燃焼され、ボイラ２は熱を水蒸気の形で送り出す。この水蒸気によって、エネルギー生成手段としてのタービン３が回転する。回転するタービン３によって、エネルギー生成手段としての発電機４が駆動され、電気が生成される。
【００３０】
ボイラ２からは燃焼した乾式バイオマス１の物的資源として灰６が産出される。灰６は例えば土壌改良材等として用いることができる。タービン３から温水の形で排出される熱は、乾式バイオマス１の乾燥（水分調整）に用いられ、ボイラ２に供される乾式バイオマス１を燃焼し易くする。また、本システムが設置された施設内で暖房・給湯等の各種設備の運転等のために使用される。発電機４からの電気は、同施設内で各種設備の運転等のために使用される他、後述するヒートポンプ５を駆動するために使用される。
【００３１】
図２に示すように、ヒートポンプ５は、圧縮機７と凝縮器８と膨張弁９と蒸発器１０を冷媒配管１１で接続した構成であり、蒸発器１０が熱を吸収する冷熱側であり、凝縮器８が熱を放出する温熱側となる。ヒートポンプ５の圧縮機７を駆動するモータは、発電機４からの電気によって駆動される。
【００３２】
ヒートポンプ５において凝縮器８を介して供給される温熱は、その一部が、乾式バイオマス１の乾燥  （水分調整）に用いられ、ボイラ２に供される乾式バイオマス１を燃焼し易くする。また、温熱の他の一部は、タービン３で排出される熱とともに温水の生成に利用され、本システムが設置された施設内で暖房・給湯等の各種設備の運転等のために使用される。また、さらに温熱の他の一部は、ボイラ２に供給される水の予熱にも使用される。
【００３３】
ヒートポンプ５において蒸発器１０を介して供給される冷熱は、その一部が、乾式バイオマス１の凍結処理に用いられる。本例では、凍結処理として凍結破砕や凍結乾燥が行なわれる。草は半乾燥状態のものが多く、粉砕時に粉塵が生じるという問題がある。本例のように冷熱を利用して凍結破砕を行なえばこの問題が解消できる。また、草は水分が多く、そのままの状態ではカッティングに高コストを要するが、本例のように凍結処理を行なえば、小さな外力で容易に脆性破壊するので、粉砕のためのコストを低減する効果も得られる。
【００３４】
ここで、前記凍結乾燥について説明する。
凍結乾燥とは、水分を含む対象物を凍結させ、凍結して固体（氷）となった水分を昇華させて気体  （水蒸気）として除去する方法である。
本例における具体的な手順としては、まず予備凍結として、前記ヒートポンプ５の冷熱を利用した冷却凍結装置によって対象物である前記バイオマスを冷却し、凍結する。次に、真空装置を用い、凍結したバイオマスを例えば０．８Ｔｏｒｒ〜０．０３Ｔｏｒｒの真空中で乾燥する。このような高真空度の気圧環境では、水の沸点は−２０℃〜−５０℃となり、水は液体として存在できない。従って、本システムで得られる温熱を利用した加熱手段でこれに適当な昇華潜熱を与えれば、バイオマス中の水分は固体（氷）から気体（水蒸気）へと変化（昇華）し、固体成分から除去される。除去された水蒸気は真空装置に設けたコールドトラップを用いた排気手段で系外に排出する。
【００３５】
以上のようにして行なうバイオマスの凍結乾燥によれば、多孔質になるので内部からも乾燥し、通常の乾燥に比べて高い乾燥度が得られ、また簡単に破砕できるので、嵩を小さくすることができる。さらに、低温で乾燥が進行するために成分が変化しにくく、バイオマスとして望まれる性質に有害な変化を受けることが少ない。
【００３６】
また、冷熱の他の一部は、タービン３を駆動した後の蒸気を復水させるために使用される。すなわち、詳細は図示しない復水システムの冷却塔に冷熱を供給し、蒸気を復水させるための冷却水を冷却する。復水はポンプによって送られ、脱気器を経てボイラ吸水ポンプから再びボイラ２に送られる。
【００３７】
本例によれば、バイオマスシステムにヒートポンプ５を採用して冬季の冷熱や温泉の温熱等のような地域の保有する自然熱源を有効使用し、熱の循環システムを構築して熱の有効利用による省力化を図っている。従って、システム全体として余剰熱量が得られるので、システム内で使用される電気と熱を賄うだけでなく、さらに電気や温水をシステム外に売却することもできる。
【００３８】
（３）  湿式バイオマスシステム
次に、本発明の実施の形態の第２の例である湿式のバイオマスシステムについて図３を参照して説明する。
このバイオマスシステムは、エネルギー発生手段として、湿式バイオマス１２を発酵させてバイオガスを発生させる発酵槽１３と、前記バイオガスによって電気や熱を生成するボイラ１４とマイクロタービン発電機１５を有している。また、マイクロタービン発電機１５が発電する電気によって駆動されるヒートポンプ５を有している。このヒートポンプ５の温熱は、前記湿式バイオマス１２の殺菌と、前記発酵槽１３における前記湿式バイオマス１２の加熱に使用される。また、その冷熱が、前記発酵槽１３から供給される消化液の凍結濃縮に使用される。
【００３９】
本例のシステムでは、家畜の糞尿、残飯、ヘドロ等の有機汚泥や食品工場から出る廃棄物（例えば豆腐工場から出るおから）等の湿式バイオマス１２は、殺菌槽１６で殺菌されてから、エネルギー生成手段としての発酵槽１３に貯容され、メタン発酵によりメタンガスを含むバイオガスを発生する。エネルギー源であるバイオガスは、エネルギー生成手段としてのボイラ１４及びマイクロタービン発電機１５に供給され、それぞれ熱と電気を発生する。熱は温水の形で供給され、本システムが設置された施設内で暖房・給湯等の各種設備の運転等のために使用される。発電機１５からの電気は、同施設内で各種設備の運転等のために使用される他、後述するヒートポンプ５を駆動するために使用される。
【００４０】
発酵槽１３からは湿式バイオマス１２の発酵後に消化液１７が得られる。消化液１７は、殺菌層１８を経て消化液貯留槽１９に貯留される。
【００４１】
本例のヒートポンプ５は第１の例と同じであり、ヒートポンプ５の圧縮機７を駆動するモータは発電機１５からの電気によって駆動される。
【００４２】
ヒートポンプ５において凝縮器８を介して供給される温熱は、その一部が、発酵槽１３の手前に設置された前記殺菌槽１６と、発酵槽１３と消化液貯留槽１９の間に設置された前記殺菌槽１８において、殺菌の熱源として利用される。また、温熱の他の一部は発酵槽１３の加熱源として使用され、発酵槽１３内の湿式バイオマス１２を所定の温度に保持し、所望の温度条件で発酵が行なわれるようにしている。
【００４３】
ヒートポンプ５において蒸発器１０を介して供給される冷熱は、その一部が、消化液貯留槽１９に貯留された消化液１７の凍結濃縮による液肥２０の生産に利用されている。すなわち、消化液貯留槽１９から送られた消化液１７は、凍結濃縮手段２１において、ヒートポンプ５の冷熱によって水分のみを凍結し、水分が凍結して濃縮された液体をこれと分離して液肥２０として貯蔵している。これによって、消化液を蓄える消化液貯留槽１９のダウンサイジングが可能となり、液肥２０が使用されない冬期間であっても、小容量の貯槽に濃縮した状態の液肥を貯留しておくができるので、湿式バイオマス１２の処理が通年連続して可能となる。また、本システムの設置にあたって大量の消化液を貯蔵する大容量の消化液貯槽を設置する必要がないので、施設の建設コスト等の初期投資コストが従来よりも低廉となる。さらに、濃縮された液肥は重量当たりの搬送コストも割安になるので、本システムが設置された生産場所に需要がなくとも、需要のある場所まで運送して販売しても採算が取れる。また、凍結濃縮手段２１で水分を凍結して得た氷は、本システムにおいてヒートポンプ５の冷熱と同様に冷熱源として用いることができる。
【００４４】
本例においても、第１の例と同様、システム全体として余剰熱量が得られるので、システム内で使用される電気と熱を賄うだけでなく、さらに電気や温水をシステム外に売却することもできる。具体的に従来との比較で考察すると、湿式バイオマスを１日約６０トン処理するものとした場合、従来のシステムでは約９０ｋＷの投入電力  （消費電力）に対して余剰エネルギーはゼロであるが、本例のバイオマスシステムでは投入電力１００ｋＷに対して余剰冷熱源として２００ｋＷ、余剰温熱源として１８０ｋＷが得られる。ここで、余剰エネルギー（余剰熱量）とは、システム内で使用した残りのエネルギーを指す。
【００４５】
ここで、前記凍結濃縮手段２１の基本構成を説明する。
凍結濃縮手段２１は、前記発酵槽１３から消化液１７を液肥２０の貯槽に導くため、前記消化液貯留槽１９と液肥２０の貯槽を結ぶ複数のパイプラインを備えている。このパイプラインにはヒートポンプ５の冷熱を伝える冷熱伝達手段が設けられており、ヒートポンプ５の冷熱で冷却されることにより前記消化液１７中の水分を凍結させて前記消化液１７を濃縮できるように構成されている。本例の冷熱伝達手段は、ヒートポンプ５の蒸発器１０で熱交換される配管系を前記パイプラインに導き、該パイプラインの熱を蒸発器１０に運んで該パイプラインを冷却するように配置構成してある。いずれのパイプラインを冷却するかは任意に切り替えることができるようにするとよい。また、パイプラインには、管の内面に凍結した氷を該内面から分離し、又は融解させるための加熱手段が設けられている。さらに、パイプラインには、凍結した水分（氷）を管から分離してパイプライン外に除くための手段として、パイプライン両端に設けた弁やパイプラインに必要に応じて接続可能な水分の排出管等を備えている。
【００４６】
複数のパイプラインは交互に使用され、管路が凍結によって充満した場合は、未使用のパイプラインに切り替えて使用する。ヒートポンプ５の冷熱により、消化液中の水分は徐々に凍結してパイプラインの内面に着氷していく。氷で充満したパイプラインは、その両端に設けた弁を閉止して消化液１７のラインから切り離し、熱を加えて氷を取り出す。又は両端を消化液１７のラインから切り離した後に、水分の排出管に接続し、該パイプラインに熱を加えて氷を溶解し、水として取り出す。氷を除去した後は復旧して再度凍結用のパイプラインとして使用する。
【００４７】
パイプラインを流れる消化液１７は、ヒートポンプ５の冷熱又は冬季の冷熱により水成分が凍結して濃縮される。一般的に、イオン物質を含まない液の場合、凍結速度を緩慢にすることにより氷への物質移動は少ない。しかし、イオン物質を含む場合は移動が起こるので、パイプラインの中心に電解を加えてイオン物質を管路中心の近傍に集めるようにしてもよい。また、冷熱の熱伝導性を高めるために、パイプの周囲にパネルを設置することも考えられる。さらには、パイプラインではなく、チャネルでもよい。
【００４８】
図４は、濃縮された液体を強制的に液肥２０の貯槽に流入させる機構の具体例を示すもので、図示しない圧送手段としてのポンプを消化液の消化液貯留槽１９側に設け、パイプライン５４の内面５４ａに氷５５ができて濃縮が十分に行われた段階で、図示しない圧送手段としてのポンプにより圧力を付加して、液肥２０の貯槽側へ強制的に流入させるものである。
【００４９】
固液境界層の部分の消化液Ｌは濃度が大変濃いので、この部分の消化液Ｌ（高濃度の消化液）を、図４に示すようにポンプによって気泡Ｈの流れを作って送り出し、又は図５に示すような強制流Ｊを生成することにより、水以外の液肥分が氷へ混入することを防ぐことが出来る。
【００５０】
図６〜図８を参照して、凍結濃縮手段２１の具体的な構成例を説明する。
前述したように、消化液が電解質を包含していない場合、冷却管であるパイプラインの管壁近傍の着氷層には液体の溶質は取り込まれ難い。しかし、消化液が電解質を包含している場合、着氷層に電解質が取り込まれてしまい、凍結濃縮は困難となる。図６〜図８に示す例は、かかる事態を防止するため、凍結用のパイプライン（配管）の中心に電界を発生させてイオン物質を管路中心の近傍に集め、管壁近傍の着氷層に液体の溶質が取りこまれることを防止する例である。
【００５１】
図６において、凍結濃縮用のパイプラインである凍結用配管系６４は消化液の消化液貯留槽１９側の配管６４Ｆと、第１の分岐管６４−１１及び第２の分岐管６４−１２で構成される分岐管６４Ｄとによって構成されており、分岐管６４Ｄは分岐部６４Ｄａから一定距離は至近距離で並走するように形成されている。一定距離並走した後、それぞれの分岐管６４−１１、６４−１２（図示では直角に曲げられ、コ字状に再度直角に曲げられている）は合流する様に構成されている。
【００５２】
前記コ字状の図示で水平部分の管中央には、導線６８が挿入されており、水平部分の両端で第１の分岐管６４−１１では正（十）の電極６９ａ，６９ａに接続され両電極は回路６９ｗによって電界発生手段（例えばコンデンサ）６９に接続されている。
【００５３】
他方、第２の分岐管６４−１２では負（−）の電極６９ｂ、６９ｂに接続され両電極は回路６９ｗによって電界発生手段（例えばコンデンサ）６９に接続されている。
【００５４】
又、図６のＩ部、即ち分岐部６４Ｄａを含む消化液の消化液貯留槽１９側の配管６４Ｆは、詳細を図７に示すように、図面の右側の管壁には正（＋）の電極９０ａが取り付けられ、左の管壁には負（−）の電極９０ｂが取り付けられ、図示しない手段で前記コンデンサ６９にそれぞれ接続されている。
【００５５】
又、前記分岐点６４Ｄａは、所謂「セパレータ」と称されるもので、鋭利で分流時の方向変換による流体の抵抗が最小となるように構成された部材である。
【００５６】
図８は図７のＸ−Ｘ断面を矢印Ｗ方向に見た矢視図であり、同８中の破線は前記電極９０ａ，９０ｂを透視して現したものである。
【００５７】
図６〜図８で示した例によれば、消化液の消化液貯留槽１９側の配管６４Ｆの右壁に設けた正（＋）の電極９０ａによって負（−）のイオンを帯びた電解質が第１の分岐管６４−１１側に流入し、消化液の消化液貯留槽１９側の配管６４Ｆの左壁に設けた負（−）の電極９０ｂによって正（＋）のイオンを帯びた電解質が第２の分岐管６４−１２側に流入する。
【００５８】
それぞれのイオンを帯びた有用なる電解質部分は、それぞれの分岐管に流入した後、前述の導線６８とコンデンサ６９によって生じた電界の力を受けて管の中央部に集められ、流下して、前記液肥２０の貯槽に効率よく採集される。
【００５９】
このように、電解質が分岐管中央の電界に引き寄せられるため、管壁の着氷層に取り込まれることが防止されるので、消化液中に含まれる水分のみが凍結し、濃縮された消化液  （液肥２０）から効率的に分離されることとなる。
【００６０】
本例のバイオマスシステムによれば、ヒートポンプ５を用いるとともに、該ヒートポンプ５の冷熱によって消化液の冷凍濃縮を行なうので、以下のような効果も得られる。
【００６１】
▲１▼濃縮されるべき消化液中の水分が、ヒートポンプ５から投入される冷熱により凍結して、凍結用配管系の管壁に近い部分に着氷する結果、水分含有量が減少し、貯槽内に貯蔵される液肥２０の濃度が増加し、濃縮前に比較して、より多くの液肥２０を受け入れることが可能となる。
【００６２】
▲２▼水分凍結にはヒートポンプ５から投入される冷熱と、冬季には必要に応じて外気から投入される冷熱を利用するので、外部からの各種エネルギ（電気エネルギ、機械的動力、熱エネルギ）の投入を必要とする従来の冷却技術に比較して、凍結に必要なコストが大幅に低減する。
【００６３】
▲３▼ヒートポンプ５の冷熱が投入される凍結用配管を複数本並列に配列し、各配管で実行される凍結処理の状況が互いに異なるように配慮すれば、消化液の凍結濃縮処理を、バッチ処理ではなく、システム全体として連続的に進行させることが可能となる。
【００６４】
▲４▼濃縮するべき消化液とヒートポンプ５からの冷媒とは、パイプラインに設けられた冷熱伝達手段である熱交換器において液相同士の熱交換が行われるが、これは液相と気相との熱交換に比較して効率が遥かに高いので、濃縮するべき消化液に対して冷熱が効率的に投入され、水分の凍結が効率的に行われる。
【００６５】
▲５▼消化液は電解質を含んでいるので、凍結用のパイプラインの中心部に配置した導線に電荷を付与して電界を生じせしめることにより、消化液中の電解質は電界により吸引されてパイプラインの中心に偏苛し、その結果、溶質がパイプラインの管壁近傍の着氷層内に取り込まれてしまうことが防止される。
【００６６】
以上説明したように、本例の湿式バイオマスシステムによれば、地域の保有する自然熱源を利用する熱効率の高いヒートポンプ５でシステムの運転を用い、さらに消化液を冬の自然冷熱やヒートポンプ５の冷熱を用いて凍結濃縮するように構成したので、液肥２０の貯槽のサイズを小さくして初期投資額を削減することができる。また、液肥２０の輸送コストが低減できる。また、本例においても、乾式バイオマスシステムと同様、システム全体として余剰熱量が得られるので、システム内で使用される電気と熱を賄うだけでなく、さらに電気や温水をシステム外に売却することもできる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１記載のバイオマスシステムによれば、システムの運転にヒートポンプを用いているので、地域の保有する自然熱源を利用した熱の効率的循環を図ることができ、熱効率が非常に高く、全体として余剰熱量が得られるので、システム内で使用するエネルギーだけでなく、外部にもエネルギーを供給することができる。さらにエネルギー生成手段で処理した後のバイオマスを物的資源として外部に供給することができる。
【００６８】
請求項２又は３記載の乾式バイオマスシステムによれば、上記効果に加え、ヒートポンプの冷熱を草の凍結処理（凍結乾燥や凍結破砕）に利用して粉砕時の粉塵の問題を解決することができ、またバイオマスを物的資源としては例えば灰が得られる。
【００６９】
請求項４又は５記載の湿式バイオマスシステムによれば、上記効果に加え、ヒートポンプの冷熱を消化液の凍結濃縮に利用して液肥の貯槽のダウンサイジングを図ることによりシステム設置コストの削減、濃縮による液肥の輸送コスト低減を達成することができる。また、バイオマスの物的資源としては濃縮された液肥が得られ、低コストで需要地へ輸送して消費に供することができる。
【００７０】
請求項６記載の湿式バイオマスシステムによれば、特に消化液の凍結濃縮手段としてヒートポンプの冷熱で冷却されるパイプラインを備えているので、消化液の凍結濃縮を効率的に行なうことができ、特に電界の効果によって消化液の電解質をパイプラインの中心部に偏苛させる構成とすれば、溶質がパイプラインの管壁近傍の着氷層内に取り込まれることがなく、水分のみを凍結させてさらに効率的な消化液の凍結濃縮を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例である乾式バイオマスシステムの構造と機能を示すブロック構成図である。
【図２】第１の例において用いられるヒートポンプの仕組みを示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態の第２の例である湿式バイオマスシステムの構造と機能を示すブロック構成図である。
【図４】第２の例において、濃縮された消化液を強制的に液肥の貯槽に圧送・流入させる機構の１例を示すパイプラインの断面図である。
【図５】第２の例において、濃縮された消化液を強制的に液肥の貯槽に圧送・流入させる機構の他の１例を示すパイプラインの断面図である。
【図６】第２の例において、凍結濃縮手段の具体的な構成を示す断面図である。
【図７】図６のＩ部の拡大図である。
【図８】図７のＸ−Ｘ切断線における断面図である。
【図９】従来のバイオマスシステムの一例を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
１…乾式バイオマス、２…エネルギー生成手段としてのボイラ、３…エネルギー生成手段としてのタービン、４…エネルギー生成手段としての発電機、５…ヒートポンプ、６…物的資源としての灰、１２…湿式バイオマス、１３…エネルギー生成手段としての発酵槽、１４…エネルギー生成手段としてのボイラ、１５…エネルギー生成手段としてのマイクロタービン発電機、１６，１８…殺菌槽、２０…物的資源としての液肥、２１…凍結濃縮手段、５４…凍結濃縮手段のパイプライン、６４…凍結濃縮手段のパイプラインとしての凍結用配管系。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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