平成 30 年度「地域内エコシステム」サポート事業のうち熱電併給及び電気の自家利用等実態調査支援
調査報告書

平成 31 年 3 月
株式会社森のエネルギー研究所

目次

第 1 章 調査の目的 ..................................................................................................................... 1
第 2 章 熱電併給システムの調査................................................................................................ 2
2.1 主要な熱電併給システムの概要 .......................................................................................... 2

2.1.1 蒸気タービン ............................................................................................................... 2
2.1.2 ORC（オーガニック・ランキン・サイクル） ............................................................. 4
2.1.3 小型バイナリー ............................................................................................................ 5
2.1.4 スターリングエンジン ................................................................................................. 6
2.1.5 ガス化発電（湿潤燃料型-アップドラフト方式） ........................................................ 7
2.1.6 ガス化発電（乾燥燃料型-ダウンドラフト方式） ........................................................ 8
2.2 国内の導入状況 ................................................................................................................... 9
第 3 章 国内の運用実態調査 ..................................................................................................... 10
3.1 導入事例調査 ..................................................................................................................... 10

3.1.1 アンケート調査 .......................................................................................................... 10
3.1.2 現地調査 ..................................................................................................................... 19
3.2 コスト分析 ........................................................................................................................ 29
第 4 章 熱電併給事業の課題と対策 .......................................................................................... 33
4.1 燃料の品質 ........................................................................................................................ 33
4.2 熱利用................................................................................................................................ 35
4.3 導入規模 ............................................................................................................................ 36
4.4 イニシャルコスト ............................................................................................................. 37
4.5 その他................................................................................................................................ 37
第 5 章 事業モデルの構築 ........................................................................................................ 39
5.1 チップ利用の事業モデル................................................................................................... 39

5.1.1 乾燥コストの検討 ...................................................................................................... 39
5.1.2 チップ調達コストの検討 ........................................................................................... 44
5.1.3 事業採算性シミュレーション .................................................................................... 46
5.2 ペレット利用の事業モデル ............................................................................................... 54

5.2.1 ペレット調達コストの検討 ........................................................................................ 54
5.2.2 事業採算性シミュレーション .................................................................................... 54
第 6 章 電気の自家利用に関する調査 ...................................................................................... 63
6.1 自家利用の市場 ................................................................................................................. 63

6.2 国内の再生可能エネルギー事業に置ける状況 .................................................................. 67
6.3 今後の普及イメージ .......................................................................................................... 69

第1章 調査の目的

木質バイオマスの小規模熱電併給システムについては、「地域内エコシステム」の推進において普及が期待されているところである。近年は欧州から機器の輸入体制が出来つつあり、今後の導入計画は多数控えている状況である。しかしながら現状の国内における導入事
例は少なく、運用実態は不明確なものが多い。
したがって本調査では、木質バイオマスの小規模熱電併給の導入における課題の特定とクリアすべき要件を検討する。中でもエネルギー効率が高く導入計画も多いガス化発電シ
ステムについて、焦点を絞って調査を進める。
調査は国内における近年の導入事例の実態調査を踏まえて、現状の事業環境下で「地域内エコシステム」として導入・推進するために必要な条件と事業モデルを明確にし、理想的な事業の形を提示していく。さらに、再生可能エネルギー電気の固定価格買取制度（FIT）に頼らない、または制度終了後を見据えた電気の自家利用のあり方についても調査と考察を行う。

第2章 熱電併給システムの調査

2.1 主要な熱電併給システムの概要
ここでは国内で採用されている主な熱電併給システムについて整理する。

2.1.1 蒸気タービン
蒸気タービン発電は国内のバイオマス発電所で最も多く採用されているシステムで、燃料を燃焼炉で燃やして、後段のボイラーで高温高圧の水蒸気を作り、蒸気タービンを回転させて発電機を駆動させる発電方式である。蒸気を発生させるボイラーには固定床、流動床（沸騰式、循環式）、噴流床などの種類があり、いずれの燃焼炉も原料の形状に合わせて、効率よく燃焼するような工夫がされている。

図 1

蒸気タービンのシステムイメージ

出所）（一社）日本木質バイオマスエネルギー協会「小規模木質バイオマス発電をお考えの方へ 導入ガイドブック」

2蒸気タービンの方式として、復水式、背圧式、抽気式などの種類があり、それぞれ利用可
能な熱（蒸気）の性質が異なる。復水式は発電効率が高いが、発電後の蒸気を液体に戻すた
め、利用できる熱は少なくなる。設備が大規模になることもあり、大規模な発電プラントで採用されている。背圧式は発電後のタービン排気が大量に出るため、製材工場や食品加工工場などの大規模な熱需要施設で利用されている。抽気式はタービンの途中から取り出して利用する方式で、発電とともに高圧蒸気が必要にある場合に採用されている。
発電効率は 5,000kW 級の発電所でも 20~30％程度である。発電出力が小さくなると効率が低下するため、木質バイオマス発電で事業化されているのは、最小でも 2,000kW 前後になる。
規模的に 2,000kW でも 3 万㎥/年以上の大量の燃料を必要とするため、今後燃料材需給のひっ迫した国内で本方式の発電が多く増えることはあまりないと考えられる。
なお似た方式で、数 t/h の蒸気で 100kW 程度の発電が可能な「蒸気スクリュー方式」の発電機がある。発電効率は数％と高くないが、余剰蒸気や蒸気の減圧過程に設置する場合には適している方式である。

3

2.1.2 ORC（オーガニック・ランキン・サイクル）
ORC システムは蒸気タービンシステムと同様、
ランキンサイクル方式の発電システムで、有機媒体を活用して発電を行う仕組みである。同システムは小規模でも 20％程度の発電効率を維持し、大量に発生する排熱は 80~90℃の温水で利用可能なため用途が多く、エネル
ギー効率に優れた技術である。安全でメンテナンス負担も少なく、無人運転が可能なことから、欧州では多数の導入実績がある。

図 2

ORC のシステムイメージ

出所）（一社）日本木質バイオマスエネルギー協会「小規模木質バイオマス発電をお考えの方へ 導入ガイドブック」

同システムの導入が進んでいる欧州では、地域熱供給や木材乾燥、ペレット製造（おが粉乾燥）などに利用されている。電気事業法の規制や熱需要先の確保などの課題があるが、国内でも導入され始めており、今後さらなる普及拡大が期待されるシステムだと考えられる。

4

2.1.3 小型バイナリー
ORC の一種であり、作業媒体にフロンなどの水よりも低沸点の媒体を用いることで低温の熱源でも発電できるのが特徴である。熱源系統と媒体系統の２つ（binary）の熱サイクルがあるため、バイナリー発電と呼ばれている。低沸点の作業媒体を用いる極めて小規模帯のこのタイプでは、発電効率は 10％以下と低く、廃熱も 20~30℃と質の低い温水となる。発電後の温水は再度熱利用できるが、低温であるため用途が限定される。
発電のための熱源としては、温泉や地熱が用いられることが多く、温泉地などで導入されているほか、ごみ処分場や下水道浄化センターなどでも利用されている。

図 3出所）IHI ウェブサイト

小型バイナリーのシステムイメージ
https://www.ihi.co.jp/compressor/binary/binary/index.html

5

2.1.4 スターリングエンジン
外部の熱を利用してピストンを動作させるエンジンである「スターリングエンジン」で発電機を回して発電する方式である。自動車エンジンに代表されるようなエンジンの中で燃焼・爆発をさせるものではなく、外部の熱を利用してピストンを動作させるものである。
高熱効率性，低公害性、使用熱源の多様性などの優れた特徴を持つ外燃機関であり、熱源としては排ガス・工場廃熱・太陽熱など、様々なものに対応できるため、幅広い施設で導入されている。
木質バイオマスを熱源とした導入では、発電出力が非常に小さく（数 kW 程度）採算性に課題が残るため実際の導入例はわずかとなっている。今後は災害時の非常用発電システムなどの用途での導入が期待される。

図 4スターリングエンジンのシステムイメージ

出所）国立研究開発法人産業技術総合研究所ウェブサイト
https://www.aist.go.jp/science̲town/environment/environment̲12/environment̲12̲01.html

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2.1.5 ガス化発電（湿潤燃料型-アップドラフト方式）
ガス化発電とは、木質燃料から可燃性ガスを発生させ、ガスエンジンに送って発電する方式である。大きくアップドラフト方式とダウンドラフト方式に分けることができる。
アップドラフト（上向対向流型）と呼ばれる方式は、燃料はプラント上部から投入し、空気・生成ガスはプラント下部から上部に移動するシステムである。燃料が高水分で形状が不均一でもガス化が可能な場合が多く、燃料の許容範囲が広いのが特徴である。一方で、ガス化過程で発生するタール量が多く、その貯蔵やハンドリングシステムを必要とすることか
ら、小規模には不向きとされていた。しかし、国内でも 300kW 以下の機種が導入されており、小規模化の動きもみられる。
2,000kW 級の発電所の場合、発電効率は 30％程度あるため、熱を利用することにより、総合エネルギー効率を 70~80％まで引き上げることができる。エンジン排熱やタール燃焼装置などから 90℃程度の温水が発生するため、給湯や冷暖房、中温帯での木材乾燥などに利用できる。一定規模の発電出力が要求され、それに伴い排熱も大量に発生するため、まとまった熱を安定的に使用する需要先に適している。国内での同システム導入事例では農業
ハウスや福祉施設への熱供給が検討されている。また、燃料の許容範囲が広いことから、バークや枝葉など低質なチップの利用が期待される。

図 5

ガス化発電（湿潤燃料型−アップドラフト方式）のシステムイメージ出所）笹内謙一（2018）「ポスト FIT を考慮した木質バイオマス発電の方向性~発電タイプごとのコスト構造と将来コスト低下の可能性~」

7

2.1.6 ガス化発電（乾燥燃料型-ダウンドラフト方式）
ガス化発電方式のなかで主にダウンドラフト（下向並行流型）と呼ばれる方式は、燃料・空気・生成ガスのすべてがプラント上部から下部に流れ、炉内では上から順に乾燥・熱分解・燃焼・還元の層ができ、ガス化が進む。システム自体がシンプルでタールの発生量は少ない
が、乾燥した燃料が必要で、形状の制限も厳しいのが特徴である。欧州での導入実績が多く、国内でもアップドラフト方式より導入が進んでいる。また、複数のプラントメーカーが存在
し、それぞれ要求するチップ規格や水分などが異なる。安定稼働には均一なガスの流れが必要なため、炉の大規模化が難しく、1 プラント当たりの発電出力は数十~200kW 未満の機種が多い。発電効率は 22~30％程度と高効率になっている。熱を利用することで総合エネル
ギー効率は 70~80％程度まで高めることができるため、小規模ながらも効率の良いシステ
ムだといえる。各メーカーで詳細な仕様は異なるが、多くの場合はエンジン排熱等により80~90℃の温水が発生するため、温浴施設や施設園芸、給湯・暖房などに適している。1 プ
ラント当たりの熱出力は大きくないが、温水を利用する様々な熱需要先で利用可能性がある。同システムは国内でも導入事例が増加しており、導入計画も多数ある。導入規模が小さく、地域の様々な熱需要先で導入を検討できることから、今後も導入台数が増加していくと考えられる。

図 6

ガス化発電（乾燥燃料型−ダウンドラフト方式）のシステムイメージ出所）笹内謙一（2018）「ポスト FIT を考慮した木質バイオマス発電の方向性~発電タイプごとのコスト構造と将来コスト低下の可能性~」

82.2 国内の導入状況
各種資料やウェブに掲載された情報によれば 2019 年 1 月時点において、日本国内では2,000kW 未満の発電所は構想段階も含めると 97 ヵ所あり、うちガス化発電方式を採用している発電所は 50 ヵ所であった。導入計画は増加傾向にあり、小規模熱電への期待が見受け
られる。

図 7

2,000kW 未満の発電所一覧図（2019 年 1 月時点）

(株)森のエネルギー研究所調べ

本調査では、小型でエネルギー効率が良く今後の普及可能性が見込まれ、導入事例や計画も多い「ガス化発電」方式を中心に、調査を行う。

9

第3章 国内の運用実態調査

3.1 導入事例調査
3.1.1 アンケート調査(1) 調査対象調査の趣旨を踏まえ、各種資料やウェブに掲載された情報を基に、ガス化発電事業を行っている事業者を抽出した。稼働実績がない、もしくは短い（概ね 1 年未満）事業者について
は運用実態が把握できないと考え、調査対象外とした。アンケート調査票は 16 事業者に送付し（表 1）、10 事業者から回答を得ることができた（回収率 62.5%）。回答結果を用いて、3.2 コスト分析の検討を行った。
表 1

No.

調査対象事業者

事業者

都道府県

回答

1

調査対象事業者 01

北海道

2

調査対象事業者 02

宮城県

3

調査対象事業者 03

宮城県

○

4

調査対象事業者 04

秋田県

○

5

調査対象事業者 05

秋田県

○

６

調査対象事業者 06

山形県

７

調査対象事業者 07

山形県

８

調査対象事業者 08

福島県

９

調査対象事業者 09

福島県

10

調査対象事業者 10

群馬県

11

調査対象事業者 11

群馬県

○

12

調査対象事業者 12

岐阜県

○

13

調査対象事業者 13

三重県

14

調査対象事業者 14

島根県

○

15

調査対象事業者 15

宮崎県

○

16

調査対象事業者 16

宮崎県

○

○
○

(2) アンケート調査票
調査対象事業者に対して送付した調査票を図 8〜図 15 に示す。主な調査項目として
は、発電プラント概要、費用（イニシャルコスト・ランニングコスト等）、木質バイオ
マス燃料、資金調達に関する項目である。

10

図 8

アンケート調査票（その 1）

11

図 9

アンケート調査票（その 2）

12

図 10

アンケート調査票（その 3）

13

図 11

アンケート調査票（その 4）

14

図 12

アンケート調査票（その 5）

15

図 13

アンケート調査票（その 6）
16

図 14

アンケート調査票（その 7）

17

図 15

アンケート調査票（その 8）18

3.1.2 現地調査
(1) 調査対象
稼働中のガス化発電事業者に対してアンケート調査を実施し（3.1.1）、発電所のコスト情報や課題について明らかにした。更に、特徴的な発電所に対してはヒアリング調査を実施した。現地調査先を下表に示す。

表 2

現地調査先とその概要(2) 現地調査レポート
現地調査の概要を事業者ごとに整理した。

19

表 3

Ｂ社の調査結果※表中の数値はアンケートに記載されていたものを採用
表 4

Ｃ社の調査結果※表中の数値はアンケートに記載されていたものを採用

20

表 5

Ｅ社の調査結果※表中の数値はアンケートに記載されていたものを採用
表 6

Ｆ社の調査結果※表中の数値はアンケートに記載されていたものを採用
21

表 7

Ｈ社の調査結果※表中の数値はアンケートに記載されていたものを採用（計画値）
表 8

ア社の調査結果※表中の数値はアンケートに記載されていたものを採用

22

表 9

イ社の調査結果※表中の数値はアンケートに記載されていたものを採用
表 10

ウ社の調査結果※表中の数値はアンケートに記載されていたものを採用

23

表 11

エ社の調査結果(3) 熱利用アンケートおよび現地調査から熱利用の状況について整理した。
調査対象 12 事業者のうち 7 事業者で熱を燃料乾燥に使用していた。燃料乾燥以外の熱利用を行っているのは 6 事業者、そのうち有価で熱を販売しているのは G 社とア社の 2 事業者のみであった。

24

表 12

熱利用状況

(4) 課題の整理
現地調査から明らかになった課題について整理する。
① 燃料
【チップ】
ダウンドラフト方式では、タール発生を抑制するため燃料の水分を十分に下げる必要がある。多くの事業者が排熱を利用した燃料乾燥を行っていたがプラントの要求する水分まで低下させられていないケースも見受けられた。また、同一プラントでも事業者ごとに異なる乾燥システムを導入しており、乾燥方法や乾燥機の選択で試行錯誤が行われていた。これはプラントメーカーを含め、最適な乾燥方法・機器を判別できておらず、日本における乾燥システムを確立できていないことに起因すると考えられる。
燃料の形状について、プラントメーカー指定の規格よりも微細部の割合が増えると炉内で詰まるなどのトラブルを引き起こすことが確認された。設備内にふるい（スクリーン）を設けて規格外チップを排除している例もあるが、除去が不完全であったり、歩留まり悪化によりコスト高になっていたりする事業者もあった。
【ペレット】
ペレットも同様に崩れて粉状にならないように機械的耐久性が求められる。プラントメ
ーカーの指定規格（EU/A1）を満たしていても安定稼働していない事例もあり、ペレット製
造工程での試行錯誤が行われていた。
なお、実際に製造されているペレットを成分分析したところ、重金属類等は規制値の範囲
25

内であり、特段の異常はみられなかった。機械的耐久性も 99％を超えており、今回の検査
項目以外の部分が影響しいている可能性も考えられる。
【共通】
2MW 近くの事業者は燃料調達が難しくなっているという意見も聞かれたが、数十〜200kW までの事業では燃料調達に関する課題は聞かれておらず、目立った障害はないと思われる。
燃料費は発電コストの大きなウエイトを占めるのでコストダウンは望まれるが、「間伐材等由来」を使用するには大規模発電所と競合するため購買力の低い小規模発電は不利である。
② 熱電併給機器
ガス化プラントのパーツの故障や消耗、清掃の頻度が想定よりも多く、それらのコストや対応のための人件費が高くなっている事例が見られた。また、それにより稼働時間が確保できず、年間稼働日数が 200 日程度しかない事業者が多かった。このことの原因は、燃料の品質がプラントの要求水準を満たしていない、または欧州と日本の樹種の違いなど想定されていない物性の違い等により、ガス化反応や機器の各所に不具合が発生することにあると思われる。欧州と日本では状況が異なるため、欧州で稼働実績があるからといって日本の諸条件下で安定稼働できるとは限らないということを念頭に置いておく必要がある。
要求品質と実際に使用する燃料品質の差異に対する許容度や機器側の調整はプラントメ
ーカーによって考え方が異なっていた。Ｚ社やＹ社などのダウンドラフト方式は燃料規格の許容範囲が狭く、燃料品質に厳格であることがうかがえる。一方、Ｖ社はダウンドラフト
方式だが、ある程度の品質の差異に対しては機器側の制御の調整によって対応するという考え方である。Ｕ社はアップドラフト方式のため許容範囲が広く、投入燃料の水分も高い。
メンテナンスや監視の人員体制は事業者によって運用方法の違いが大きかった。プラン
トを外部委託等で管理している事業者では労務費はほとんど要しておらず、一方で自社管理している場合にはプラント管理専従の人員を配置しているため、労務費がかなりの負担となっていた。
さらに、プラントメーカー（代理店）の導入後のフォロー体制にも差が見られ、適切なア
フターフォローがなされずに導入事業者が自ら対応せざるを得ない事例も見られた。
また、イニシャルコストの発電出力（kW）あたりの単価は最大で 335 万円/kW、最小で80 万円/kW となっており、同規模の発電出力でも大きな差が見られた。なお、これらの中には、熱供給先の施設のイニシャルコストを含んでいる事例や、FIT による売電を行っておらず補助適用前のイニシャルコストを回答した事例も含まれている。現状では 11 事業者中
9 事業者が 100 万円/kW を超えている状態であり、イニシャルコストの削減が必須だとい
える。
26

図 16

イニシャルコストの発電出力（kW）あたりの単価③ エネルギー利用方法
発電した電気は、ほとんどの事業者が FIT での売電をしており、自家利用しているのはE とアのみであった。
アは電気・熱ともに隣接する温浴施設へ供給している。E では FIT 売電としない代わりに設備導入に補助を受けており、また燃料は製材端材由来のチップを安価に調達していた。
熱を有価で販売している事業者は G とアのみであった。他の事業者は足湯や農業ハウス
加温用に熱を無償提供している。なお、熱利用先の経営体が発電事業者と同じであり、熱供給契約の実態が把握できていない場合も無償提供とした。熱利用量は B と G がそれぞれ
2,435GJ/年、2,178GJ/年となっており、これは計画時の熱利用量の 87％、54％に相当する。
後者の熱利用量が低い理由としては、機器の故障による 2 週間の運転停止とそれに付随した約 4 ヶ月の出力抑制に起因すると考えられる。また、他の事業者の熱利用量は不明だが、無償提供の場合が多いことから、熱利用率は高くないと思われる。なお、熱を無償提供しているケースでは燃料乾燥に熱を利用することが前提であり、その他の利用方法は導入後に検討されたものと思われる。一方、熱販売を行っているケースでは熱供給先の施設が既にあり、熱販売を前提とした導入であったと考えられる。
外部から乾燥燃料を購入している事業者を除き、排熱は燃料乾燥に使われており、乾燥機を自前で整備することによりイニシャルコストは割高になっていると考えられる。
27

また、発電規模に関しては、その選定理由として「系統接続可能な規模」という回答も多く、50kW 未満の低圧での接続を選択せざるを得なかったものと思われる。

28

3.2 コスト分析(1) 調査対象
年間稼働時間は全体的に低調であるが、200 日程度以上のところはデータとして一定の評価が可能であると考え、コスト分析を行った。
基本的にはアンケート記載の数値を採用しているが、下記のように一部修正を加えている部分もある。
・燃料費の中に明らかに加工費が含まれていない・労務費が明らかに計上されていない・借入金利息、固定資産税

→

→

→

加工費を加えた数値に修正

ヒアリングをもとに計算

利率、税率を統一して再計算

なお、減価償却費は 20 年間の合計額の平均値として加算している。

表 13

コスト分析対象(2) コスト分析結果
コスト分析結果を下図に示す。
発電コストはすべてが FIT 売電価格の 40 円/kWh を上回っており、発電事業単独で採算が合う事業者はいなかった。コストの割合では、燃料費がチップ利用（A,B,C,D,F 各社）では約 30〜40％を占めるところが多く、ペレット利用（G 社）では約 70％と高い傾向にあった。蒸気タービン発電では燃料費が 50~60％（平成 29 年度木質バイオマス利用支援体制構築事業のうち発電・熱電併給等推進のための調査、以下 H29 年度調査）であるから、チッ
プ利用の場合は発電コストに占める割合が小さいことが判明した。労務費は事業者によって差が大きく、人員配置の考え方や配置方法の違いに起因すると考えられる。減価償却費は概ね、約 20〜30％を占めていた。5MW クラスの蒸気タービン発電では減価償却費の割合
は約 10〜20％程度（H29 年度調査）であることと比較すると、ガス化発電におけるそれは比率が大きいことが分かった。

29

図 17

1kWh あたりの発電コスト（実績）図 181kWh あたりの発電コスト（割合）30(3) 売熱による発電コスト削減効果の検証
次に、売熱収入による発電コスト削減効果について検証する。現状では売電価格を上回っている発電コストを抑制し、採算性を向上させるためには「売熱収入」を得ることが必要であると考えられる。ここでは、下記条件による売熱を行った場合の発電コストを試算した。
【売熱条件】
・売熱量：総熱出力の 50％・売熱単価：7.55 円/kWh（A 重油 70 円/L 相当）
上記条件で売熱することで発電コストを 6~10 円/kWh 程度抑制することができる。発電コストから売熱収入を差し引くと、A 社、B 社は発電コストがそれぞれ 34.0 円/kWh、37.6円/kWh となり、売電価格を下回る結果となった。このことから、条件によっては現状の発電コストでも売熱をすることによって採算が取れるようになる可能性があることが示唆された。
ただし、実際には安定した売熱が可能か（熱需要先を確保できるか）が課題となる。発電
出力 40kW 程度の場合、50％の売熱で A 重油削減相当量は 40kL 程度である。温浴施設や福祉施設、その他に寒冷地の公共施設などでも同規模の燃料使用量の施設があり、熱需要先を見つけるのは比較的容易であると考えられる。

表 14 売熱収入を差し引いた発電コスト

No.

事業者名

1

Ａ社

2

Ｂ社

3

Ｃ社

4

Ｄ社

5

Ｆ社

6

Ｇ社

売熱による

売熱収入を

発電コスト

発電コスト

差し引いた

発電出力

（円/kWh）

抑制分

発電コスト

（kW）

43.8

（円/kWh） （円/kWh）
9.8
34.0

38

47.5

9.9

37.6

40

61.4

9.4

52.0

40

121.5

10.6

110.9

40

74.0

9.4

64.6

45

50.7

6.3

44.4

165

31

図 19 売熱収入を差し引いた発電コスト

32