研究レポート
バイオマス液体燃料の国内適用に関する基礎研究
エネルギア総合研究所

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再生可能エネルギー利用技術担当

山﨑

まえがき

昨今の化石燃料価格高騰を含むエネルギー問題の情勢の激変を踏まえ，再生可能エネルギーであるバイオマス資源の利用拡大に向けた取組みを行っている。このたび，カンボジア国でのジャトロファ油での発電実証試験の実績を基に日本国内でのジャトロファ油適用による発電の可能性について，広島大学のディーゼルエンジン発電設備（定格出力30kW）を使用した発電実証試験を実施したので，その結果について報告する。

2

寿樹

概燃料加温装置

写真1

実証試験装置表1

エンジン仕様要（1）実証試験装置の概要
本実証試験で使用した試験装置は，エンジンの始動性向上と暖機運転ならびに停止時における燃料置換を目的に化石燃料も使用できるように燃料系統を2系統と，ジャトロファ油の粘度を低下させるための加温装置を備えている。また，ディーゼルエンジンおよび発電機は汎用品を採用しており，操作性の向上や設備コストの低減を図っている。発電した電力は，電気ヒーターを使用した模擬負荷試験装置で消費した。
なお，ジャトロファ油は，カンボジア工科大学に設置しているジャトロファ種子搾油・精製装置で製造したものである。

項 目型

仕 様式

4サイクル水冷直列ディーゼルエンジン（過給器付）

燃料方式

直接噴射式

シリンダ数

4

総排気量

3.9L

定格回転数

1,800min-1

ガ バ ナ

機械式ガバナ 外付け DGP型電子ガバナ
表2発電機仕様

項 目型

仕 様式

回転界磁型同期発電機

定格周波数

60Hz

定格回転数

1,800min-1

定格出力37.5kVA/30kW

定格電圧

220V

定格電流98.4A

力率0.8（遅れ）

極数

励磁方式

4ブラシレス方式（2）ジャトロファとはジャトロファ（学名：Jatropha curcas，日本生物
学名「ナンヨウアブラギリ」）はトウダイグサ科の中南米原産の落葉低木で，種子には多くの油が含まれているが，毒性物質が含まれることから食料にできないエネルギー作物である。
図1

実証試験装置系統図

写真2

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ジャトロファ農園・果実・種子

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バイオマス液体燃料の国内適用に関する基礎研究（3）ジャトロファの燃料化
ジャトロファ油をエンジン燃料室内に直接噴射すると，含有するリン成分の影響で燃料噴射ノズルや燃焼室内に未燃炭素が堆積する原因となるため，当社が共同開発した搾油・脱リンプロセスを用いて，種子の精製・燃料化を実施した。実証試験で使用した油は，カンボジア工科大学にある装置で，搾油・精製して日本へ輸送したものである。
①搾油装置（2）燃料噴射圧力変更
ジャトロファ油の高い動粘度と引火点の対策として，燃料噴射弁に調整用シムを追加し，標準品より高めの噴射圧力で調整した燃料噴射ノズルで運転試験を実施した。なお，設定圧力はカンボジア工科大学の運転試験で燃焼改善（CO濃度低下，NOx濃度上昇）が認められた噴射圧力約25MPaの調整品を使用した。

②脱リン装置

種子油

水

搾油残渣

租油

写真3粗油

搾油残渣

（3）運転方法
通常運転と性能試験の運転方法で，累積260時間の運転を実施した。

処理中の状況

③フィルタープレス
脱リン油

P

ろ過油

図23

表4

精製後の油

ジャトロファ燃料化装置

項 目

ジャトロファ油の燃料性状

Ａ重油と比べたジャトロファ油の特徴は，①真発熱
量：約88％ ②動粘度：約11倍 ③引火点：約180℃高いという結果であった。
表3
項 目

単 位

燃料性状
ジャトロファ油※Ａ重油

真 発 熱 量

MJ/kg

36.78

41.85

総 発 熱 量

MJ/kg

39.48

44.50

動粘度
【40℃】

mm2/s

34.37

3.11

密 度
【15℃】

g/cm30.9171

0.8665

引火点℃

248.3

71.0

水分

wt%

0.150.01

リン

wtppm

13.33

̶

※日本へ輸送した油の平均分析値

4燃料噴射ノズル

試験出力

運転方法
採取データ

通常運転

15kW＋変動負荷（燃料ヒー 発電電力量等発電データ，燃料使用量・排タON・OFF運転，補機電源） 気温度等エンジンデータおよび燃料温度

性能試験

20kW（一定）（燃料ヒータ， 上記，発電データ，エンジンデータ，燃料燃補機は商用電源等へ切替） 料温度と排気ガス環境データ（NOx，CO）

5

研究成果

（1）長時間運転試験
NOx濃度は約400ppm，CO濃度は約330ppmで安定した。排気温度も約300℃で大きな変化もなく，安定的に運転をすることができた。
発電効率は，平均約30％で推移したが外気温度低下の影響により，発電効率が低下傾向となることを確認した。これは，大気温度の低下の影響で燃料タンクから供給される燃料温度が低下したことによる粘度影響も一因と考えられる。低温時期の運転時は，燃料の温度低下防止対策が必要となる。

実証試験の実施（1）実証試験の実施時期
カンボジア国の実証試験で，外気温度が25℃以下になると油から白色の沈殿物（油脂結晶）が発生し，安定運転に支障が生じることを確認したことから，低温に対する影響を評価するため，外気温度が低下する11月から翌年2月にかけて実施した。
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図3-1

長時間運転データ①

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研究レポート

図3-2

長時間運転データ②（2）各出力での性能確認
実証試験装置は，発電機出力を切り替えて，各出力（5〜30kW）の各負荷帯での性能試験を実施した。
想定どおり，発電機出力増加とともにNOx濃度は増加傾向，CO濃度は低下傾向を示し，排気温度も上昇することから，燃焼状態は向上する傾向になることを確認した。低出力時は，排ガス中のCO濃度上昇，NOx濃度，排気温度が低下傾向となることから，燃焼状態が悪化していると考えられ，それに起因する各部へのカーボン付着量の増加により，燃焼状態の良い高出力運転に比べて，運転時間の推移としては，早い時期にカーボンによる影響を生じてくる可能性があると推察する。また，発電効率も低く推移することから，ジャトロファ専焼においても高出力負荷帯で運転することが，エンジンへの影響を抑制でき，高効率かつ低環境負荷を実現できる運用と考える。
なお，出力変動させた際の追従性については，問題なかった。

ライナー・吸排気弁・ピストンリングの不調に起因する圧力低下がないか確認を行った。点火プラグを装備しない直接噴射式ディーゼルエンジンは，吸気を圧縮し，高温高圧になったシリンダ内に燃料を噴射することで，燃料着火していることから，圧縮圧力の低下は，燃焼悪化の直接原因になる。
測定の結果，試験前後のシリンダ圧縮圧力は大きな変化はなく，測定値も基準値内であり，燃料噴射圧力を上昇したことによる悪影響も特に認められなかった。
表5シリンダ単位試験後（2012.2）

試験前（2011.9）

No.1

MPa

2.90

3.00

No.2

MPa

2.95

3.00

No.3

MPa

3.00

2.90

No.4

MPa

2.852.80

基準値

MPa

気筒基準値：2.55
気筒間差圧：0.39

使用限界

MPa

1.96ｂ．エンジン部品点検結果
Ａ重油と比較してカーボン付着量は若干，多い傾向にはあったが，運転継続に支障となる付着ではなく，損傷も生じておらず，このまま継続使用することも可能と考える。また，燃料噴射ノズルも同様にノズル先端部にカーボンが付着しているが，噴射状態・圧力などに異常は認められなかった。

シリンダヘッド

図4

各出力での運転データ（3）分解点検結果
長時間運転試験終了後，エンジン分解点検を実施し，カーボン付着，機器損傷の有無等の影響評価を実施した。
ａ．シリンダ圧縮圧力
エンジン各シリンダの圧縮圧力を測定し，ピストン・Page 4

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圧縮圧力測定結果

シリンダヘッド

ターボチャージャー駆動翼 ターボチャージャー圧縮翼

燃料噴射ノズル

写真4

燃料噴射テスト

エンジン分解点検状況

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バイオマス液体燃料の国内適用に関する基礎研究（4）燃料油の低温影響
a．燃料油の状態変化
ジャトロファ油は，低温になる（カンボジアの場合，外気温度約25℃程度）になると白色の沈殿物（以下，「油脂結晶」）が現れ，燃料フィルターで吸着される現象が発生した。本実証試験においても加温をしない状態で屋外で保管したジャトロファ油は，大気温度の低下とともに沈殿物が発生した。

写真5

油脂結晶の発生状況

b．燃料性状の比較
温度低下により油脂結晶が生じても燃料加温装置で再び加温すれば流動性を回復し，燃料として使用可能となり，運転状態も異常は認められなかった。しかし，油脂結晶を生じたことにより，燃料性状に変化が生じていないか確認するため，油脂結晶を生じた燃料タンクから上澄みの油と油脂結晶が沈殿している油を回収し，燃料分析を実施した。
結果，油脂結晶が沈殿した油は，上澄みの油と比較して，引火点が高い傾向を示したが，その他に大きな差は生じていないことを確認した。
表6

上澄油と沈殿油の性状比較

項 目

単 位

上澄部

沈殿部

低位発熱量

MJ/kg

36.8236.76

高位発熱量

MJ/kg

39.4939.45

動粘度
【40℃】

mm /s34.1834.08

密 度
【15℃】

g/cm30.9188

0.9188℃

240256

引

火点2

水分

wt%

0.17

0.18

リン

wtppm

1010c．燃料状態変化確認試験
ジャトロファ油をビーカーに入れ，可能な限り冷却し（結果，油温度3.5℃まで温度低下），油脂結晶が生じた状態から温度を上昇させて，状態変化を確認した。
結果，温度上昇とともに油脂結晶が徐々に溶解を始め，ジャトロファ油温度が約20℃付近で液状となる

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ことを確認した。カンボジア工科大学の発電実証試験においても現地で比較的低温となる大気温度25℃程度で，油脂結晶の析出が始まったことを確認したことと一致した結果となった。
ジャトロファ油を日本国内で使用する際には，燃料タンクおよび燃料配管は油脂結晶が生じない温度以上に加温と温度保持をする設備対策が必要となる。

6

写真6

燃料油温度変化

あとがき

ジャトロファ油を使用する発電システムの実証試験
では，燃料性状に起因する設備トラブルは認められず燃料としての適用が可能であることを確認した。しかし，ジャトロファ油を屋外タンクに加温しないままに保管していたため，カンボジアでの現象と同様に大気温度の低下とともに油中に油脂結晶が生じた。そのような状態になっても，再加温すれば流動性を回復するとともに燃料性状の変化もなく，燃料として使用可能であった。ジャトロファ油を日本国内で使用する際には，燃料タンクおよび燃料配管は，油脂結晶による影響が発生しないように加温および温度保持のために保温を施工するなど配慮が必要となる。
［謝辞］
本研究で使用したジャトロファ油の精製技術は，
NEDO研究協力事業「未利用バイオマス燃料の混焼による発電技術の開発」を通じて開発した技術である。
また，日本国内での実証試験にあたり，共同実施した広島大学，燃料油の精製を実施したカンボジア工科大学，関係各位のご支援の下に実施したことをここに記す。
［参考文献］
1．平成21年度研究協力事業「未利用バイオマス燃料の混焼による発電技術の開発」成果報告書
2．同上，平成22年度成果報告書

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