フジタ技術研究報告第59号 2023年

木質バイオマス小型ガス化発電装置の効率化の開発

木質バイオマス小型ガス化発電装置の効率化の開発

概石堂健二

石川光祥

新納薫

永倉知

要

再生可能エネルギーの一つである木質バイオマス発電は木を燃料として発電をおこなう2,3）。発電の際に放出される CO2 はもともと大気に存在していた CO2 を光合成により吸収したもので、木質バイオマス発電はカーボンニュートラルを実現している。環境問題だけではなくエネルギーの地産地消や地域創生といった地域経済にも寄与することが期待される。
2012年に固定買い取り制度（FIT）が開始され、国内で 2 MW 規模の木質バイオマス発電所の建設が活況となった。しかし、発電所が増えるにつれて、限られた木質資源の取合いとなり、新規で大規模なバイオマス発電をすることが困難となった。昨今では木の確保が比較的少量で済む小型のバイオマス発電が注目されているが、小型になると一般的に発電効率が悪くなるため、発生した熱も利用してシステム全体の効率を上げる必要がある。本研究では発電機のエンジン排気熱に注目し、その熱を熱交換で採取し活用するための検討を行った。また本試験で使用したガス化発電装置は可搬式となっており移設の実証確認も併せて実施した。

Development of a small woody biomass gasification power generation system with higher efficiency
Abstract
Woody biomass power generation, a form of renewable energy, uses wood as fuel to generate electricity. The CO2
emitted during power generation is the result of photosynthesis, which absorbs CO2 that was originally present in theatmosphere, making woody biomass power generation carbon-neutral. It is expected to make a positive contribution not
only to environmental issues but also to regional economies through local production for local consumption of energy
and regional development. With the start of the feed-in tariff（FIT）program in 2012, the construction of 2 MW-scale
woody biomass power plants in Japan has been booming. However, as the number of power plants increased, it became
difficult to construct new large-scale biomass power plants due to competition for limited wood resources. Recently,
small-scale biomass power generation, which requires a relatively small amount of wood, has been attracting attention,but the smaller the size, the lower the power generation efficiency becomes in general. It is therefore necessary toincrease the efficiency of the entire system by also utilizing the heat generated. In this study, we focused on the engine
exhaust heat of the generator and examined ways to collect and utilize that heat through heat exchange. The
gasification and power generation equipment used in this study was portable, and verification of its relocation was alsoconducted.

キーワード：ガス化発電、熱電併給、小型バイオマス― 25 ―

フジタ技術研究報告 第59号

出し、カーボンニュートラルな電源として CO2 削減へ§1．はじめにも寄与する時代のニーズに合った発電装置である。現

木質バイオマス発電はサステナブルな電源として国状では一般の発電装置と同様に据え置き型であるが、内林業の再生と共にその発展が期待されているが、事本試験装置の仕様は屋外設置用でコンテナの中に最低業化するうえで最も重要になるのは燃料である木材の限の補機や電源盤が収まっており、建屋を準備しなく確保である。発電は一般的に発電容量が大きくなるほても発電装置を設置できるものである。我々はその特ど全体のシステムとして効率は上がるが、その為に必性を延長して、短期的な使用を新たに想定し、電気需要な木材も膨大な量となる。一方で小型のバイオマス要が発生する場所に直接発電装置を移動して、その場発電を採用した場合に、燃料調達は容易になるものの、で発電させるというコンセプトを新たに考えた。既存

その売電益は十分な利益を得られるほどに至っておらの非常用発電装置やバッテリーでは同様のコンセプト

ず FIT の補助金を適用しなければ採算は厳しい。効率で既に実施されており、災害時や山奥の工事現場などを上げるためには発電で発生したエネルギーを余すこのオフグリッド地域での電力供給で活用されているが、1）となく使い切ることである 。発電の際に発生する多数週間や数か月での使用になると想定外となり燃料補量の熱は暖房や乾燥に活用され節電や重油の低減につ給や充電などが発生し非効率になる。本装置は屋外型ながっている。今回検討に用いた木質ガス化バイオマとしてコンテナ化された機能を活かして、実際に移設

ス発電装置（Volter40）は、木質チップをガス化炉でして実証試験をし、移設に関わる様々な課題について燃焼させ、発生した可燃性ガスをエンジンに投入しエ検討する。

ンジンの回転で発電を行っている。ガス化炉で発生し§3．実施内容

た熱は装置内で熱交換され、外部へ 100 kW の熱とし3.1て供給しているがエンジンからの熱は、一部で熱交換排気熱の熱交換はするものの、そのほとんどが外部へ放出している。

Volter から発生した熱の一部は装置の冷却水で熱交

そこで本研究ではエンジン排気の熱に注目し、その熱換され、80℃のお湯となり約100 kW の熱をラジエターを熱交換で取り出し活用するための検討を行った。まで大気に放出している。そのラジエターから温風を取た本試験で使用したガス化発電装置は 40 ft コンテナ内り出すことによって暖房やチップ乾燥の熱源として利に補機や受送電盤などが収まっており、コンテナを移用されている。しかし装置本体から発生する熱のうち動させることにより、電気を必要とする現場に直接発22％（39 kW）が利用困難な熱として廃熱されている。

電装置を持っていき災害時やオフグリッド環境での使その一つがエンジンからの廃熱である。エンジン排気用も見据えて、要望がある場所に移動して現地でバイの温度はエンジン出口付近で120～200℃と高温であるオマスを入手しながら発電することも想定しており、が煙突出口付近では60℃程度になり、それまでの配管移設の実証確認も併せて実施した。

経路、もしくは排気ガス中の熱が放熱して排熱されている。本試験ではエンジン排気の熱源を熱交換しチッ§2．ガス化発電装置
2.1

プ乾燥の利用としての可能性を確認する。

Volter からの排気熱利用
3.2

ガス化発電装はガス化炉で発生した可燃性ガスをエ熱交換の構成ンジンに投入し発電機を動かし発電しているが、その通常熱供給（ラジエターで廃熱）している経路とはガスエンジンからの排気には多くの熱が含まれており、別に Volter のエンジン排気を熱交換器に通して排気熱

これに関しては熱交換で取り出す熱の対象にはなってを採取した。エンジン排気の配管を直接熱交換器に接いない。バイオマスの効率を上げることは小型のバイ続する際には、接続による圧損が大きくならないようオマス発電を商業運転させるために必須と考える。シに注意する必要がある。今回は可能性確認のためエンステムの効率化の為にいくつかある中で、熱の回収はジンの運転に支障のないように圧損に十分配慮した熱比較的に実現しやすい項目の為、今回は排気ガスの熱交換となっている。熱交換で得た熱は小型の穀物用乾の吸収による効率向上の検討を目的とした。

燥機に送られチップの乾燥に利用した。

2.2発電装置移設

本試験で使用した小型ガス化発電装置 Volter40 は木質チップを燃料に 40 kW の電気と 100 W の熱を生み― 26 ―

木質バイオマス小型ガス化発電装置の効率化の開発し系統へ逆流しないような処置を講じた。
3.5

熱供給

本体装置の冷却水を熱交換し発生した温風をチップの乾燥用に利用した。極東開発工業の可搬型チップ乾燥機を使用し 5 m3 の容器にチップを投入し 2 重底の床から温風を圧送して乾燥させる構造になっており、
図1

乾燥のスピードは送風温度やチップ投入量で調整する。

Volter からの熱供給

今回は屋外設置のため上部チップ投入口からの雨水侵入もあり通常よりも乾燥効率が悪化する中での使用となった。
3.6

CO2 供給最大 40 kW の電力を発電する為、現地の既存の施設に接続し給電を実施した。発生した熱はチップの乾燥
図2に使用し、排気ガスに含まれる CO2 は藻類培養の為に熱交換器接続水槽に供給した。エンジン排気には CO2 の他に窒素酸化物等の藻類培養を妨げるガスも含まれているため、3.3

発電装置移設

排ガスに含まれている CO2 を利用する際には、CO2 受本装置を石垣島へ移設して実証試験を実施した。

け入れ側の許容を確認の上、排ガスから CO2 のみを分試験離する仕組みも併せて構築する必要がある。

期間：10月 3 日～11月 2 日

Volter 稼働：24時間、出力30％供給：電源、CO2 供給（排気ガス）

燃料：石垣材（マツ、広葉樹）

乾燥

§4．結果
4.1

機：Volter の熱利用

排気熱の熱交換

エンジン排気用の煙突に熱交換器を接続し、その熱を回収できることが確認できた。熱交換器が屋外設置で外気にさらされており、熱交換機まで熱損失は大きかったものの、エンジンの運転に支障なく排気から熱が回収でき、その熱でチップを乾燥させることができた。熱源の保温対策で熱交換器の効率を上げれば低温利用の熱活用として利用できることが確認できた。
4.2

図33.4

熱交換効率

・熱回収温度：平均7.2℃

現地移設

・熱交換効率：約33％

電力供給

本装置は現地の電源室建屋に接続し、発電した電力（50 Hz/200 V）は場内消費の接続とした。発電は一般的に電力負荷と発電をバランスさせる必要があるが、今回の場内負荷への供給については発電での不足分（変動分）は系統より供給されるため、負荷容量以下の出力で運転することに注意する必要がある。本接続先

図4は常時 50 W 程度の使用が見込まれたため Volter の最大発電量 40 kW 以上であることから供給先としては問題ないが、念のために発電出力を最大50％として運用― 27 ―

熱交換器の入出力温度

フジタ技術研究報告 第59号

4.3

チップ含水率低減

十分な容量を定常的に使用することが求められるため、投入時の含水率45.7％のチップを排気熱で22.8％まで事前の使用状況確認が重要となる。本接続では接続先乾燥させた。乾燥に必要なエネルギーの総量は 1.2 kW。

建屋の 200 V 用電源盤に接続して給電をおこなった。
負荷の容量は十分であり負荷を超える発電は発生しな

日時2023/2/20

チップ

石垣材

天気

雨

含水率43.7％

気温18.5℃

重量（前）56.9 kg

湿度67.2％

試験時間8.75 Hr

図5かった。しかし給電先の電圧変動が本発電装置の許容範囲を超え、発電が停止する事態となった。その後は装置側の設定を変更することで対処した。接続先の電力トレンドを事前に入手しておくことが今回の反省点であった。

熱回収試験条件§5．今後の展開
今後は小型バイオマス発電の導入が検討された際の安定運転と事業の収益化の為に今まで確認してきたVolter のシステム全体の効率化を活かす。

§6．まとめ①木質ガス化バイオマス発電装置のガスエンジン排気の熱利用について、エンジンの運転に支障なく熱を取り出せることが確認できた。その熱を利用し木質チッ
図6

プを乾燥させた結果、熱交換の効率を上げれば、燃料

チップ乾燥試験チップの含水率を下げるための補助的な乾燥としてエンジン排気熱を利用できることが確認できた。

4.4

システムの熱効率向上②本装置の移設について、本体の移設は問題なく設置

今回の試験から、Volter の排気をチップ乾燥に利用することができ、短期間のうちに設置することができした場合の主乾燥エネルギー低減及びチップ輸送の削可搬型の効果を発揮することができた一方で、電気的減によるコスト削減の可能性を示す。装置へ投入するな接続については事前に接続先の電力系統の電圧変動直前にチップ乾燥を設置し投入含水率を上げることは幅を調べる必要があることがわかった。

見かけ上の装置仕様を緩和させる効果があり乾燥エネ
参 考 文 献ルギーの低減に加えて、チップ輸送の削減にもつながりシステム全体への影響は大きくなる。

1） 未利用木質バイオマスを用いた熱電併給事業の成立
条件

日林誌（2017）99: 226-232

2） 石炭火力発電所におけるボイラ内灰付着およびクリンカ の発生抑制技術

特集：新鉄源・石炭

3） 木質系バイオマスの熱分解ガス化プロセス
学総合工第23巻（2011） 9 項−15項

ひとこと
図7
4.5

バイオマス発電はサステナブ

排熱を利用した補助乾燥導入例

ルな電源と言われていますが、様々な課題が残っており広く普発電装置移設及させるためには、CO2 削減と本装置は可搬可能な 40 ft コンテナに発電装置が搭載ともに経済性も同時に求められされており、電気需要先に直接設置し給電することをており、熱電併給型のような高想定している。装置自体の移動は想定通り問題なく設効率なシステムの実現に向けて置でき、建設するよりも遥かに簡単で短期間に設置す石堂ることが可能である。しかし電気的な接続に関しては需要側の電気使用状況については、発電容量に対して― 28 ―健二

引き続き開発を進めたい。