エネルギー・資源 Vol. 28 No. 3（2007）180

研 究 論 文タイにおけるキャッサバパルプを用いたエタノール製造に関する分析
Systems Analysis of Ethanol Production Using Cassava Pulp in Thailand

永富悠* ・ 山

Yu Nagatomi

本博

巳**・ 山Hiromi Yamamoto

岩崎地憲

治***

Kenji Yamaji

博**** ・ 山Hiroshi Iwasaki

田興一*****

Koichi Yamada（原稿受付日2006年６月16日，受理日2006年10月20日）
RRRRRRRRRRRRRRRRRR

RRRRRRRRRRRRRRRRRR

RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR
Abstract
In this study, we consider the locations of cassava starch factories, the transportation costs of cassava pulp andscale economy of ethanol-production plant. Then, we calculate the number, the locations, and the scale of ethanol
plants and transportation of cassava pulp in Thailand, using a mathematical optimization technique. We obtained
the following results. We assume a base case where the ethanol price is 30JPY/l, the process improvement of theethanol production are effective, and scale economy is effective. In the simulation results, all resources of cassava
pulp in Thailand is transported to Nakorn Rachasima where there are many cassava-starch factories and a large
plant that produces 694 million liter is constructed. The ethanol production cost consists of 4.6JPY/l of theconstant cost, 2.1JPY/l of the variable cost, 4.3JPY/l of the resource cost, 7.2JPY/l of the transportation cost. The
profit of this case is 8.3 billion JPY.
RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR

バパルプの活用が期待される．

１．はじめに

本研究では，タイにおいてキャッサバパルプを原料としバイオマスは炭素循環の観点からカーボンニュートラル

たエタノール製造プラントの最適化計算の下，キャッサバな特性をもつ．バイオマスを原料とする燃料用バイオエタ

パルプを用いたエタノール製造システムの分析を行うこと

ノールは，主にガソリンなど自動車用燃料の代替用途としを目的とする．て検討が進んでいる．現在，数あるバイオマス資源の中で２．エタノール製造プロセスの概要も安価でかつ豊富な資源を擁するリグノセルロース系バイ

今回評価対象としたエタノール製造プロセスはNREL

オマスを用いてエタノールを生産する技術の研究が行われている．

（National Renewable Energy Laboratory（USA））によって検討されているプロセス1）とそれを基に合理化を行った代表的なリグノセルロース系バイオマスとしてキャッサ

山田らのプロセス2）の２つである．

バからスターチを製造する過程で生じる残渣であるキャッサバパルプが注目を浴びている．特にタイにおいては年間約1,800万t前後のキャッサバが生産され，キャッサバスターチへの加工プロセスで大量のキャッサバパルプが残渣として排出されている．そのため豊富な資源を持つキャッサ*東京大学大学院新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻修士課程〒113-8656 東京都文京区本郷7-3-1（工学部10号館）
E-mail：nagatomi@yamaji.t.u-tokyo.ac.jp**7電力中央研究所 社会経済研究所主任研究員
東京大学大学院新領域創成科学研究科
先端エネルギー工学専攻客員助教授***東京大学大学院工学系研究科電気工学専攻教授****成蹊大学理工学部特別研究員*****東京大学理事，成蹊大学理工学部特別研究招聘教授

図１山田らのプロセス2）

第25回エネルギー・資源学会研究発表会発表

−39−

181

エネルギー・資源 Vol. 28 No. 3（2007）
表２

NRELプロセスは前処理として硫酸による加水分解を行

各県の道路網による結線状況

い，Zymomonas mobilisを用いて発酵させ，蒸留及びPSA法によって精製する．山田らのプロセスは水熱法により加水分解を行い，Coryneformバクテリアを用いて発酵させ，蒸留・膜・PSAのハイブリッドプロセスによって精製を行っている．山田らの合理化により従来のNRELプロセスに対してコスト削減が実現された．

３．タイにおけるキャッサバ資源
キャッサバを用いてスターチを生産する過程において１ 注）表内のＮはノード（県）間で直接道路がつながっていないことを示す．
表内の数字は各県間の直線距離であり単位はkmである．

tのキャッサバから0.2tのスターチが生産され，0.6t（含水重量）のキャッサバパルプが排出される．タイでは年間約に示す．尚，現地調査では個々のスターチプラントの規模

170万t前後のスターチが生産されており3），それに伴って約の定量的データは入手できず，どのプラントもほぼ同程度500万t（含水重量）のキャッサバパルプが排出されている．の規模であるとの情報を得るにとどまったため，スターチ

これは山田らのプロセスを用いればエタノール約70万klにプラントの規模は全て一定であると仮定した．

相当する資源量となる．

排出されるキャッサバパルプは相当量であり，表１及び現地調査の結果よりタイには68のスターチ製造プラント

図２よりタイでは広い地域にわたってスターチプラントががある4）．それらを県単位で分類し，各県のスターチプラン存在することがわかる．また表１に示した各県はそれぞれト数を各県の人口，面積等の諸情報とあわせて表１及び図２

主要幹線道路でつながっており，道路網を考慮した各県間の結線状況及び各県間の距離は表２のようになる．

表１

各県のスターチプラント数及び諸情報4）

４．評価モデル
本研究では輸送コスト及びエタノール製造プラントの規模の経済を模擬するために，Dijkstra法5）及び0.7乗則を用いてモデルを作成した．
モデルの目的関数の中で，エタノール製造プラントのコスト（固定コスト）は設備の規模の経済があるため，設備の大規模化が望ましい．キャッサバパルプの輸送コストは，設備が大規模化すれば平均輸送距離が増加することにより増加する．本モデルではこれらの要素を考慮して，利益最大化を達成するように各スターチプラントからのエタノール製造プラントへのキャッサバパルプの輸送を割り付けた．
そして，その上でプラントの最適な配置，設備規模，生産エタノール量等に関して評価を行った．

注）各県には便宜上１から23までのノード番号を振った．

4.1 計算の全体像
タイにおいてスターチプラントが存在する全23県を対象に，エタノール製造プラントを建設するか否かの２の23乗通りの組み合わせを考慮する．
２の23乗のプラント建設候補地の組み合わせ毎に，以下に定式化する計算モデルによってシステム総収支最大化の最適化計算を行った後に，全組み合わせの中で最もシステ
ム総収支が良い計算結果を選択する．
従って，本計算方式で得られた結果（建設場所，プラント設備規模，プラント別エタノール生産量，資源輸送量等）
は，プラント建設候補地の全組み合わせを網羅した上での注）数字は各県に存在するスターチプラント数

図２

工場分布図

厳密な最適解である．
−40−

エネルギー・資源 Vol. 28 No. 3（2007）
4.2 定式化

表３

182

Dijkstra法によって求めた輸送距離

・プラント建設ノードの組み合わせ毎のシステム総収支
J＝Σ
（ESELL n−（CSFn＋CSVn＋CSRn＋CSTn））→max …（1）nn：全23地域ノード中のプラント建設ノード，ESELL n：エタノール売却収入，CSFn：固定費，CSVn：可変費，CSRn：資源費，CSTn：輸送費・固定費
注）数値はノードを経由した最短距離であり，単位はkm．

CSFn＝PFC *CAPn＋LCn ………………………………（2）（CAPn）：単位設備規模あたり建設費，CAPn：設備規模，PFC

道路係数とは直線距離から道路の曲がりなどを考慮した道路上の実移動距離を算出するために用いる係数である6）．

LCn：労働費
0.7乗則を用いて規模の経済を模擬した結果，単位設備規

輸送はトラックを用いたパルプの資源輸送のみを考慮し，模あたり建設費及び総建設費は図３のようになる．

生産されたエタノールはプラントのある場所で売りさばか

尚，式（2）の労働費に関しては，プラント規模によらずれると仮定した．同一県内直線距離は各県を円とみなした3.8億円で一定であるとした．

時の半径の2/3とし，県間距離はDijkstra法によって最短直・可変費

線距離を求めそれぞれに道路係数6）をかけたものを輸送距離とする．これより輸送費は輸送距離及び輸送するパルプ

CSVn＝VC *CAPn*UT …………………………………（3）の重量によって決定される．

VC：単位設備規模あたり可変費，CAPn：設備規模，UT：稼Dijkstra法とは特定の点からの最短経路・最短距離を求め働率る手法である．特定の始点からネットワーク上の各ノード・資源費への最短経路を始点の周辺から一つずつ確定し，徐々に範囲を広げ，最終的には直接的に道路でつながっていないノ

CSRn＝RSCC *CPn ……………………………………（4）ードを含めて全ノードへの最短経路を求める．ネットワー

RSCC：単位キャッサバパルプ質量あたり資源費，CPn：各

クは各ノード間の距離を配列要素としたノード数×ノードノードにおけるキャッサバパルプ量数の隣接行列で表す．
表２の結線状況からタイにおける各県間の輸送距離は

著者らの現地調査よりパルプ資源費は600円/tを使用する．
・輸送コストDijkstra法により表３のように決定される．
・設備規模

CSTn＝Σ
（（TRNPCA*DSTm, n*ROAD＋TRNPCR）*TCPm, n）…（5）mCPm, n /UT ………………………………（6）CAPn＝EP*Σm

TRNPCA：単位距離あたりの単位重量輸送費，DSTm, n：ノードm-n間直線距離，ROAD：道路係数，TRNPCR：距離に

EP：単位キャッサバパルプ量あたり生産エタノール量，依存しない単位重量輸送費，TCPm, n：ノードmからnへのキCPm, n：ノードmからnへのキャッサバパルプ輸送量，UT：ャッサバパルプ輸送量

稼働率
山田ら2）のモデルプラントの値よりEPは質量比で0.11とする．
・エタノール収入
ESELL n＝CAPn*UT/DENS*EPRICE …………………（7）
CAP n：設備規模，UT：稼働率，DENS：エタノール密度（0.793kg/l），EPRICE：エタノール価格（円/l）５．ケース要素とケース設定
5.1 エタノール価格
昨今の原油価格高騰の影響を受けて輸送用燃料に用いら
図３

総建設費及び単位設備規模あたり建設費れる可能性のあるエタノール価格は乱高下している現状で
−41−

183

エネルギー・資源 Vol. 28 No. 3（2007）
表４あるため，エタノール価格の変化に対する影響を考慮すべプロセス合理化と各定数きであると考えケース要素とした．基準ケース30円/lとし，高価格ケース50円/lとした．
5.2 エタノール製造プラントの稼働率
エタノール製造の原料に用いるキャッサバパルプは農作物製品の残渣であるために，資源量が季節変化し，また含水率が高いために長期間の貯蔵が困難であると考えられる．
そのためエタノール製造プラントの稼働率が利用可能な資表５

源量に影響を受けると考えられるため，これらを考慮して各ケース設定

FAOの情報3）より稼働率82.2％を基準ケースとし，稼働率50％を低稼働率ケースとした．
5.3 プラントのプロセス合理化山田ら2）によって検討されたプロセス合理化を基準ケースとし，NRELオリジナルプロセス1）をプロセス合理化なしケースとした．表４は合理化前後の各コストの比較である．

エタノール生産量に対するコスト内訳は表８より固定費

ただし表４のPFC値は設備規模が25万kl時の値である．

4.6円/l，可変費2.1円/l，資源費4.3円/l，輸送費7.2円/l，総5.4 規模の経済の上限

支出は18.1円/l，エタノール売却収入30円/lとなる．利益は基準ケースでは規模の経済の上限を仮定しない．規模の年間で約83億円となる．

経済の上限有りケースでは，規模の経済が働く上限を年産（2）規模の経済25万klの規模とし，それ以上のプラント規模においては規規模の経済の上限を考慮したケースでは表７よりエタノ模の経済が働かないとした．

ール生産量でそれぞれ約24万kl，約18万kl，約28万klのプラ

5.5 ケース設定

ントを３カ所に建設し，分散化して輸送費を削減する．ま以上よりエタノール価格30円/l，稼働率82.2％，プロセスたプラントの分布は図４より県内に多くのスターチプラン

合理化有，規模の経済上限無を基準ケースとし，基準ケートを持つ県を中心としてその周辺の県からパルプを集めてスを基にそれぞれの各ケース要素に対してケースを設定すエタノールを製造することがわかる．

る．そして特に基準ケースに対して最も経済的に不利な条

各プラントの合計コストは，固定費9.3円/l，可変費2.1円/l，件を揃えたケースを最悪ケースとした．

資源費4.3円/l，輸送費4.5円/l，エタノール売却収入30円/l，

以上より各ケース設定は以下表５の通りである．

総支出は20.2円/lとなり総利益は年間で約69億円となる．

６．結果と考察表６

6.1 結果結果を以下に示す．基準ケースのシミュレーション結果
を表６，規模の経済の上限ケースの結果を表７，各ケースの結果を表８に示す．表６及び表７は縦の項目を資源輸送の出発点，横の項目を資源輸送の目的地としたキャッサバパルプ輸送量を示している．
また，表７の結果を図４で図示する．表８に各ケースの結果を生産エタノールあたりコストに換算してまとめた．
これは各プラントの合計値を総エタノール生産量で除したものである．
6.2 考察（1）基準ケース
表６より基準ケースにおいてはタイ国内で発生する全てのキャッサバパルプをキャッサバスターチプラントの最集積地であるNakon Rachasima県（地点１）に運搬し，年間約70万klのエタノールを生産する．
−42−基準ケース結果

エネルギー・資源 Vol. 28 No. 3（2007）
表７

表８

規模の経済上限ケース結果

184

生産エタノール量あたりの各コスト

注）最悪ケースではプラントを設置しないことが最適解となるため同ケースの結果は空欄となるが，参考値として地点１にプラント設置を仮定したときの結果を掲載した．

1.3円/l，可変費に関して4.3円/l悪化している．全体の利益は，約44億円に減少する．これらからプロセス合理化の効果が大きいことがわかる．
・高エタノール価格
このケースでも資源の輸送及びプラントの規模などに関しては基準ケースと同様である．エタノール価格が高いた
めに収入が向上し，利益が約222億円へと大幅に向上する．
また，表８より各ケースにおける総支出がいずれのケースにおいても大よそ20円/l程度であることから，エタノー
ル価格が20円/l以上であれば，どのケースにおいても大よそ利益が出るということがわかる．
・最悪ケース
基準ケースに対して低稼働率，プロセス合理化なし，規模の経済の上限有りと経済的に不利な条件を揃えた最悪ケースにおいてはどのように資源を活用しても赤字になるためプラントを建造しないことが経済的に最も合理的であるという結果になった．表８においては参考値として，NakonRachasima県にプラントを必ず建造するという条件下での計算結果を掲載する．その場合はNakon Rachasima県内のキャッサバパルプ資源のみを用いてプラントを建造し，収支の改善を図るが約３億円の赤字となる．

７．まとめ
本研究では，タイにおけるキャッサバスターチプラント
注）数字はエタノールプラントが建造される県のノード番号である．
それぞれ色分けされたグループ毎にキャッサバパルプを集めて，数字で示した県にエタノールプラントをそれぞれ建造する．

図４の配置，キャッサバパルプの資源輸送費及び建設するプラントの規模の経済などを考慮した線形最適化モデルを作成

規模の経済上限ケース結果図した．そしてそれを用いてタイにおけるキャッサバパルプを用いたエタノール製造プラントの最適な立地，設備数，（3）その他設備規模，生産エタノール量等を分析した．シミュレーシ

・低稼働率

ョン分析より，以下の結果が得られた．

このケースでは基準ケースの表６同様パルプ資源全量を（1）エタノール価格が30円/lの時は稼働率が低くともそのNakon Rachasima県に集め，プラントを建造する．稼働率

他の経済的に不利な条件が重ならなければ利益が出る．

が低いためプラントの規模が大きくなるが規模の経済の効（2）エタノール製造プラントの規模の経済が結果に大きく果のために固定費は基準ケースに対して1.5円/l大きくなる影響する．規模の経済に上限を設けなければ１カ所の大規程度にとどまる．利益は10億円程度下がり約72億円となる．

模プラント設置が有利となるが，上限を設ければ分散型プ・プロセス合理化なし

ラント配置による輸送費の削減が有利になる．

このケースでは資源の輸送及びプラントの規模などに関今後は籾殻と同様にキャッサバパルプの資源需要が高ましては基準ケースと同様である．ただし，固定費に関して

り資源費が高騰した状況下での収益性の分析及び輸送モデ
−43−

185

エネルギー・資源 Vol. 28 No. 3（2007）
３）FAO ; http://www.fao.org/
４）Thai Tapioca Starch Association ;http://www.thaitapiocastarch.org/about.asp５）福田桂，井上貴至，山本博巳，山地憲治；中四国バイオマスの最適利用モデルの開発，第24回エネルギー・資源学会研究発表会講演論文集，（2005），245-248．
６）岡部篤行・鈴木敦夫；最適配置の数理シリーズ（現代人の数理），3（1992），12．
７）山本博巳，福田桂，井上貴至，山地憲治；中四国バイオマスの最適利用モデルによるバイオマス広域利用の分析，第24回
エネルギー・資源学会研究発表会講演論文集，（2005），249252．
８）Cassava and Starch Technology Research Unit ;http://www.cassava.org/

ルに関してより詳細な道路網，輸送費を勘案した分析を行う必要があると考えられる．
謝辞

本研究はNEDOのthe International Joint Research

Grand Projectの費用でおこなわれました．関係各位に御礼申し上げます．
参 考 文 献１）National Renewable Energy Laboratory (USA), TechnicalReport ; Lignocellulosic Biomass to Ethanol Process Designand Economics Utilizing Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis
and Enzymatic Hydrolysis for Corn Stover, (2002).
２）Koichi Yamada et al ; Improvement of the Refinement
Process for Bioethanol, Journal of the Japan Institute ofEnergy, 84 (2005), 852-860.

公募（財）東電記念科学技術研究所 平成19年度研究助成（基礎研究・電気エネルギー一般研究）
・国際交流技術援助・学生研究奨励奨学金給付 募集概要

〈研究助成（電気・エネルギー一般研究）〉
・対象：電気・エネルギーの産業技術に係わる重要あるいはおもしろい課題を発掘し，広く関係者の研究的関心を呼び起こす研究・申 込 資 格：所属・年齢に制限なし
・助 成 規 模：１件あたり総額100万円以内（研究期間１〜２年）とし，８件程度を採択予定．

・申込締切日：平成19年６月29日（金）厳守（予備審査通過後，11月中旬に本審査用資料の提出が必要）〈学生研究奨励奨学金給付〉・対象：将来の電気・エネルギー分野の学術・産業に関連する学問を専攻する大学院博士課程学生の研究奨励（※給付開始は平成20年４月）~~~~~~~~~~~~~
・申 込 資 格：①平成20年度に国内の大学院博士後期課程への進学を希望するもの~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~②既に博士後期課程１年及び２年に在学中の者（①，②ともに募集年度内で28才未満）
・給 付 規 模：月額５万円（支給は博士後期課程の最短在籍期間）で，５名程度を採択予定．

・申込締切日：平成19年６月15日（金）厳守（最終決定は平成20年３月予定）※他に研究助成（基礎研究），国際技術交流援助（海外渡航，招聘，滞在）があり，内容の詳細ならびに申込は下記
ホームページを参照．
〔申込・問合せ先〕財団法人

東電記念科学技術研究所

事務局〒100-0006 東京都千代田区有楽町１-７-１ 有楽町電気ビル北館12階
Tel：03-3201-2659，Fax：03-3201-8630
URL：http://www.tgn.or.jp/trf-zaidan−44−