木質バイオマス発電に適する木材
五ヶ瀬中等教育学校（５年）

吉村 真輝

指導教諭

村上 貴義
甲斐 和美
椎葉 耕一

１．研究の要約
私は木質バイオマス発電について研究した。木質バイオマス発電とは、木材を燃料とする火力発電である。新しい発電技術として注目されている。従来の火力発電より CO２排出量が少ないという利点がある。また、使う木材は建材以外の部分なので環境にも優しい。しかし、発電出力は高くない。そこで、どのような木材がこの発電に適し、出力向上につながるのかを調べた。最初に文献調査では２つのことが分かった。１つは、木材は水分がなくなるまで燃えないこと。もう１つは、木材の細胞壁に含まれるセルロースやそのほかの成分が燃焼することだった。次に手に入れやすい、スギ、クヌギ、アカシデ、の３種類の木材を燃焼させ、その熱量と CO 排出量を調べた。ちなみに CO は CO２ とは異なり、木材を燃焼させる際の燃料となるため、これが多いほど熱量が大きくなると考えられる。三者の熱量は、それぞれ、
8.99 ℃/50 ml 、9.42 ℃/50 ml 、9.22 ℃/50 ml であった。三者の CO 排出量は、それぞれ、25 ppm/ 100 ml 、50 ppm / 100 ml 、50 ppm / 100 ml であった。クヌギの実験結果が良かった理由として、クヌギが他の木材と比べ、水分が少なく、セルロースなどの量が多かったと考えた。つまりこの研究では、クヌギが木質バイオマス発電に最も適していることが分かった。
Abstract
I researched wood biomass power generation. It is a form of thermal power generation that uses woods
as a fuel. It is becoming popular as a new technology for power generation. This method of power
generation has a strong point in that it discharges less carbon dioxide than other form of thermal power
generation, and it does not use building materials like the rest of them, so it is eco-friendly. But it does
not currently have the ability to make a high amount of power. Therefore I researched what kind ofwoods is suitable for significant power generation. First, I checked the literatures and saw two things.
One thing was that wood cannot burn with water in it, which is to say that wood which contains lesswater burns better. Additionally cellulose and other constituents of the cell wall of wood burn efficiently.
Second, I inspected the calorific value and the amount of carbon monoxide released by burning threekinds of wood; Japanese cedar, oak and beech, all of which are easy to get. Some people think carbon
monoxide is the same as carbon dioxide. But carbon monoxide is a fuel when a wood burn. So I thinkthat the higher the amount of carbon monoxide rises, the higher the calorific value rise. Each wood’scalorific value was 8.99 ℃/50 ml, 9.42 ℃/50 ml, 9.22 ℃/50 ml in turn. Each wood’s amount ofcarbon monoxide was 25 ppm/100 ml, 50 ppm/100 ml, 50 ppm/100 ml in turn. I thought that the reason
why oak got a good result was that oak has less water and more cellulose than the other tested types ofwood. In short, I saw that oak has an aptitude for wood biomass power generation.
11２．問題意識と研究の目的

デの３種類の２０１１年の福島原発事故問題後、各メディ

木材を右のアで原子力発電の危険性や、それに代わるエ写真のようにネルギーに関する話題が大きく取り上げられφ１３ｍｍドリるようになった。そうしたものを見る中で新しいルで粉砕しエネルギー資源として木質バイオマス発電とたものを用いた実験を行う。

いうものがあると知り、私は興味を持った。木（１） 熱量測定実験

質バイオマス発電とは、その名の通り従来の…木材を燃焼させ、その際に発生す化石燃料の代わりに木材を燃料とする火力発る熱で水を温めその上昇幅を測定、電のことである。日本は国土の７割が森林であ比較する。

るにもかかわらず、林業は徐々に衰退していく（２） 排出ガス測定実験傾向にある。私の父親も林業従事者であり、…木材を燃焼させ、その際に発生す最近では木材の価格も低迷していると聞く。そる気体を採取、気体検知管を用いてこで需要が少なくなっているという木材をこの濃度を測定する。

発電に有効に利用できないかと考えた。そこで研究テーマとして取り上げ、身近で手に入る木材の中で、どのような木材がバイオマス発電に適しているのかを調べることにした。しかし実際に発電することは難しいため、発電効４．結果と考察率を上げるために最も必要な要素は燃焼熱だ≪文献調査≫と考え、スギ、クヌギ、アカシデという３種類の（１） 使用する木材の特徴木材を用い、それらを燃焼させた際の熱量をスギ、クヌギ、アカシデについて、それ実験によって調べることにした。また、木材にぞれの学名、種属、分類、樹高、成木によって CO２排出量がどれほど変わるかというこなるまでの年数、特徴などを調べた。とにも興味をもったので、調べることにした。

ⅰ）スギ

３．研究の方法≪文献調査≫
インターネットや図書室の文献を用いて・学名 / Cryptomeria japonica

次の項目の調査を行う。

・種属 /スギ科スギ属（１） 使用する木材の特徴

・分類/常緑針葉高木（２） 燃焼の仕組み

・樹高/ 30～60ｍ（３） 木質バイオマス発電について

・成木/30～40 年≪実験≫・特徴 / 戦後、日本の山地に大量に雑木林などでよく見かけられ、簡単に手植林された。建築用材としてに入れることのできたスギ・クヌギ・アカシの適性が高い
12ⅱ）クヌギ（２） 燃焼の仕組み
木材は一般的に火炎や火炎温度にさらされてもすぐに発炎し、燃焼することはない。なぜならば木材は複雑な過程をたどって燃焼に至っているからである。その過程は大まかに述べると次のようなものである。

・学名 / Quercusacutissima① 木材が加熱されることによる水分の・種属 / ブナ科コナラ属

蒸発 （～100℃）

・分類 / 落葉広葉高木② 木材成分の脱水反応による表面の・樹高 / 10～15ｍ

変色 （～150℃）

・成木 / 15～20 年③ ２大成分（セルロース、リグニン）の・特徴 / ドングリはこの木の実。薪熱分解 （200～500℃）

炭材や椎茸栽培のほだ木④ 熱分解生成物への引火あるいはとして利用される。

発火による燃焼 （270℃～）ⅲ）アカシデ
まず①の段階で細胞質内にあるような自由水が蒸発し、②の段階では細胞壁を形成するセルロースなどの分子を結合する結合水が失われ、褐色から黒褐色に炭化する。またこの脱水反応とともに熱分解・学名 / Carpinuslaxifloraが起き、③のように２大成分から CO、CH4 、・種属 / カバノキ科クマシデ属

C2H6 、H2 、アルデヒド、ケトン類、有機酸

・分類 / 落葉広葉高木のような可燃性ガスが発生する。また、木・樹高 / 10～15ｍ

材の熱分解は発熱反応であるので、熱分・成木 / 15～20 年

解はさらに加速され、ある一定の条件を充・特徴 /地方によってシデノキ、ソヤ、たすと引火あるいは発火する。そしてそのなどと呼び方が様々クヌギと燃焼熱がさらに熱分解を促進させ、木材同じく椎茸栽培のほだ木としの燃焼範囲が広がるというのが木材の燃て利用される。

焼する仕組みである。
（補足）
・セルロース(参考 ： 樹木名一覧)…植物細胞壁の主成分である鎖状高分子化合物。

またこれらの３種類を比較したところ、・リグニン

具体的な数値はないが、樹皮の厚さはクヌギ＞スギ＞アカシデ…細胞壁内および細胞壁間に沈着し、という順に、細胞同士を膠着させる芳香族高分子

ドリルで粉砕した際の堅さもクヌギ＞スギ＞アカシデ化合物。リグニンの存在により木材はであった。

強固になっている。
13また、着火するための一定条件とは以発炎燃焼終了後あるいは可燃性ガ下の２つの条件である。

スの放出後に、熱分解炭素残差の酸ア） 熱分解生成物と空気からなる可燃性化反応によって引き起こされる燃焼。

混合気体が発火に必要な濃度に達

写真のように発光はあるが、一般的なする炎の形成と煙の生成はない。燃焼速度イ） 条件ア）を充たした可燃性混合気体は遅く、放出される熱量も発炎反応との発火に必要なエネルギーが供給比べて少ない。

されるⅳ） 粉じん爆発
空気中に浮遊している木粉のよう引火は ア）の条件が満たされれば着火な可燃性固体の微粒子に火炎、放電するが、発火はおもに ア）を充たした上で火花などが触れて爆発する現象。

イ）が充たされないと起きない。ただし低温での長時間加熱など、木材の置かれた環

木材の燃焼は主に発炎燃焼であり、炭境によっては イ）が先行し、ア）が充たさの燃焼は赤熱燃焼である。

れることによって発炎することもある。
（参考 : 木材活用辞典）
さらに、燃焼には４種類ある。
ⅰ） 発炎燃焼（３） 木質バイオマス発電について
現在ある木質バイオマス発電の方式は2 種類である。
ⅰ） ボイラー式
木材を直接燃焼させ、その熱で蒸気
写真のように赤色からオレンジ色のを作り、蒸気タービンを回す方式

火炎を呈する燃焼。可燃性混合気体ⅱ） ガス化式が引火あるいは発火して燃焼したもの

木材を不完全燃焼させる、あるいはで、放出する熱量も多い。

微生物に分解させることによって得た

ⅱ） くん焼ガスを用いてガスタービンを回す方式

発光あるいは炎のない燃焼で、大量の煙を伴う。着火するための２つの条

現在日本で稼働している木質バイオマ件を満たしていない状態での燃焼で、ス発電所は１０か所もなく、そのすべてが空気の供給によって爆発的に発炎燃ボイラー方式である。ガス化方式は現在焼へと拡大する危険性を持つ。

実験段階である。

ⅲ） 赤熱燃焼また、海外と日本の木質バイオマス発電所を比較すると、日本の発電所には次のような問題点があることが分かった。

14

～使用木材について～

めるよりも、小型でコストを削減し、排熱現在燃料として使われてを有効に使うという路線を模索したほういるのは、建築用材としてが賢明だと考えられる。実際にドイツで植林されたスギなどの間伐は、１基当たりの発電量が 2,000kW が主材をチップ化したもの（左上写真：

流であるにもかかわらず、国内総合ではhttp://wbi.main.jp/web/7/catalog.html

125 億 kW（原発２基分）も木質バイオマ

より） である。しかし林業従事者が減少

ス発電でまかなっている。

傾向にある現在、大量の木材チップを収集することは難しい。またそのチップ自体（参考 : 木質バイオマスエネルギーのももとの木の半分ほどからし現状と課題）かできておらず、残りは伐採時の林地残材（左写真：
http://wbi.main.jp/web/7/catalog.html≪実験≫より） や加工時の工場残材として残って（１） 熱量測定実験しまっている。木質バイオマス発電にお～実験方法～

いて先進国ともいえるドイツでは、高価な次の写真のような装置を用いて、①～③のチップよりもこれらの林地残材を活用しよ手順と条件で実験を行った。

うという動きが強く、実際の利用率は９０%を超える。日本もこの例に倣って、改善すべきである。
～規模について～日本の発電所は発電量が 10,000 kWとドイツで主流の 2,000 kW と比べると大写真１ ： 燃焼皿

規模なものが多く、大規模であればあるほど使用する木材チップの量も増える。
しかし日本は物資輸送時のコストが高く、さらに調達する木材チップは山地からの＊空気孔をあける輸送のため、大量に輸送しようとすると格段にコストが高くなってしまう。また大

写真２ ： 燃焼皿底部型化により排熱量も大きくなってくる。ヨーロッパなどは日本と比べると寒冷であるため排熱を利用しやすいが、日本の場合あまりにも膨大な排熱を利用できておらず、大きなエネルギーロスになっている。
これらのことを考えると木質バイオマ

写真３ ： デジタル温度計

ス発電では、大型化して発電効率を求15

～仮説～
使用木材の特徴でも述べたように、３種類の中でクヌギが１番堅かったため、セルロー
スなどの成分を多く含み、その影響で熱量が高くなるのでないかとはと考え、クヌギが１番熱量が高いと予想した。
写真４ ：

写真５ ：

加熱装置

～結果～

測定装置

実験は 10 月 24 日と 11 月 14 日に行った。

実験手順ⅰ） 10 / 24 (木)① 木材をスチール燃焼皿（写真１）に

天候

入れ、ガスバーナで３分間加熱す

晴れ

気温20.5 ℃

表１ ： 10 / 24 結果る（写真４）

スギ
前
１回目
変量

後

（単位 ℃）

クヌギ

アカシデ

前

前

後

後

20.3 28.1 19.4 28.4 18.8 26.8
7.8

98

② 木材に点火し、燃焼皿を測定装置
ⅱ） 11 / 14 (木)の下に移し、（写真４～５）６分間放置する

天候

晴れ / くもり

気温

表２参照

表２ : 11 / 14 気温（単位 ℃）

9:00

10:0011:00

13:00(1,2 回目)(3,4 回目)(5,6 回目)(7,8 回目)

1315

16.5

16.8

気温

表３ ： 11 / 14 結果

スギ③ 装置（写真５）に設置したビーカー

前内の水温を設置したデジタル温度

１回目

計により②の操作前と操作後で記

変量

録する

２回目
実験条件

変量

・使用する木材

７g

・加熱させる水

室温で 50 ml

３回目
変量・加熱装置による木材の加熱

3分

４回目

・木材の燃焼時間

6分

変量
16

後

（単位 ℃）

クヌギ

アカシデ

前

前

後

後

11.7 16.6 11.8 20.3 12.2 21.2
4.9

8.5

9

12.6 21.7 12.9 23.1 12.8 23.6
9.1

10.2

10.8

13.1 21.6 13.3 19.3 13.5 22.5
8.5

6915.1 24.3 15.1 26.4 15.7 26.1
9.2

11.3

10.4

５回目

15.8 25.8 15.2 27.3 15.4 26.1

変量

10６回目

12.1

9.6

７回目

10.6

15.7 25.9 15.8

変量

10.2

８回目

26 15.6 24.7

10.2

10.7

量が最も高かったと考えられる。

259.7（２） ガス排出量測定実験

9.1

15.7 26.4 15.8 22.7

変量

セルロースなどの成分量が多かったため熱10.7

15.3 24.9 15.7 26.3 15.3

変量

かったことから、クヌギは他の２種類と比べて16 22.3

当 初 は右の よ6.3

うな木材燃焼時6.9に発生するガスの み を採 集 する

表１と表３の結果をまとめると表４のよう装置を作成し、そになった。
表４ ： 最終結果

スギ
10 月 24 日の中で木材を燃（単位 ℃）

クヌギ

焼 さ せ 、 CO やアカシデ

CO2 を採集する予定であった。しかし、空7.8984.98.59

2 回目

9.1

10.210.8

3 回目

8.569

4 回目

9.211.3

10.4

5 回目

1012.110.7

スを採集するのではなく、不完全燃焼させ6 回目

9.610.69.7た際に発生するガスを採集することにした。

7 回目

10.210.29.1

しかし今度は発生する CO2 量が極端に減

8 回目

10.76.96.3ってしまい、気体検知管で測定できる量で平均8.899.429.22はなくなってしまったので、CO のみを測定

１１月 14 日
1 回目

気の供給が悪く、途中で炎が消えてしまい、燃焼させ続けることができなかった。また
空気を供給させるために空気孔を大きくしたところ、そこから発生したガスが漏れしてしまう事態となった。
そこで完全燃焼させた際に発生するガし、その結果から CO2 量を推測することによってした。

クヌギ ＞ アカシデ ＞ スギの順で熱量が高いことが分かった。

～実験方法～

また目測ではあるが、３種類とも着火し次の写真のような器材や装置を用いて、た後の２～３分間は発炎燃焼であったが、①、②の手順と条件で実験を行った。

それ以降は赤熱燃焼へと変わっていた。
～考察～
文献調査の項目で前述したとおり、発炎燃焼のほうが赤熱燃焼より得られる熱量が多い。
しっかりとした計測をしていないが、発炎燃焼（株）ガステック No.1LLから赤熱燃焼へ変化したタイミングは大差な

写真６ ： 気体検知管
17実験手順① アルミ容器（写真８左）にアルミホイル（写真８右）を入れたのち、木材を入れ３分間加熱する（株）ガステック ガス吸引器（100ml）

写真７ ： 気体吸引器② 加熱装置（写真１０）からガス採集・測定装置（写真１１）への回路を閉じ、気体検知器において気体を採
写真８ ： 加熱容器

集、濃度を測定する
実験条件＊空気孔をあけ、ガスが漏れないよう写真８の右側のような丸めたア・使用する木材

７ｇ

・加熱時間

3分

・測定（吸引）時間

3分 × 2回＊取扱説明書に従う

ルミホイルを入れ、底上げをする

写真９ ： 加熱容器底部～仮説～
熱量測定実験ではクヌギが最も熱量が大きかったのでその分だけ CO 排出量も多くなると予想した。
～結果～
実験を試みたが、今回使用した検知管の測定域である 5～50 ppm/100ml の範囲（写＊加熱装置とガス採集・測定装置はゴム管でつなぐ

写真１０ ：加熱装置真の矢印間）に満たない、あるいは超えてし

写真１１ ：まい、測定することができなかった。

ガス採集・測定装置

18

～考察～ⅰ） 12 / 6 (木)条件としてそろえられなかった３種類の木

天候

晴れ

気温

材の含水量が今回の結果に関係しているの

湿度86 %

燃焼時間 ３分9.5 ℃ではないかと考えた。またその日の湿度と木材の乾きやすさに関係があるのではないかと考えた。実際に文献でも、木材は加熱された際に熱分解よりも優先的に脱水反応が起こっていると記載されていたため、このような結果になったのだといえる。
左から
この結果を踏まえて実験の内容を変更す

・未使用ることにした。当初の目的は CO 排出量を測

・スギ

30 ppm/100ml定することによって、CO2 排出量を推測する・クヌギ

50 ppm/100ml 以上ものであった。それを CO 排出量を測定する

・アカシデ 50 ppm/100ml 以上

ことによって含水量の比を推測し、ガスの排長さで濃度を比較すると出しやすさ、つまり燃焼のしやすさを比較す

クヌギ＞アカシデ＞スギることにした。

ⅱ） 1 / 23 (木)～実験方法～

天候晴れ

気温13.2 ℃

湿度45 %燃焼時間 １分

方法自体は変えなかったが、条件を次のように変更した。
・使用する木材７ｇ

・加熱時間3分→ １分 （ただし測定できなかった場合３分に延長）
・測定（吸引）時間

3分 × 2回

左から・未使用～仮説～
木材を７ｇ計測した際にアカシデが最も量

・スギ

25 ppm/100ml

・クヌギ

50 ppm/100ml 以上が多いように感じた。これは水分が少ないた・アカシデ 50 ppm/100ml 以上めだと考えられたので、アカシデが最も CO長さで濃度を比較すると排出量が多いと考えた。

クヌギ≒アカシデ＞スギ～結果～よってⅰ）、ⅱ）より１２月６日と１月２３日に実験を行った。測クヌギ ＞ アカシデ ＞ スギ

定域を超える量の CO が出たものもあったが、の順でガスを排出しやすい、つまり含水量が比較できる範囲であったため使用した。

少なく燃焼しやすいということが分かった。

19

６．参考資料～考察～・株式会社産業調査会 木の情報センター

仮説に反したが、クヌギが３種類の中では１番含水量が低かったため多くのガスが排出『木材活用辞典』されたと考えられる。

株式会社産業調査会 辞典出版センター
・梶尾 恵司また木材成分の熱分解温度はリグニンが240～350℃と他の成分と比べて低いほうで「木質バイオマスエネルギー利用のあり、３種類の中で最も堅かったクヌギはリグ現状と課題」

ニン量が最も多いと考えられるため、低い温

富士通総研（FRI） 経済研究所

度でも多くのガス排出できたと考えられた。

・「岩手・木質バイオマス研究会」＜http://wbi.main.jp/＞
・「アジア・バイオマスエネルギー協力推進オフィス」＜http://www.asiabiomass.jp/topics/

５．まとめ

1105_01.html＞

木質バイオマス発電に適する木材の条件と・「蔵前バイオマスエネルギー技術サポートして、ネットワーク」

・熱量が大きい＜http://www.kuramae-bioenergy.jp/

・ガスを排出しやすい = 含水量が少なくnews/?p=662＞

燃焼しやすい・「大気環境保全工学分野-木質バイオマスという２つがあげられ、今回の研究では熱量、ガス化」

排出ガス量測定ではどちらも＜http://www.hucc.hokudai.ac.jp/

クヌギ ＞ アカシデ ＞ スギ

~r16736/gasification.html＞の順で熱量、ガス量が大きくなり、３種類の・「APEC-VC-1 木質バイオマスの中ではクヌギが最も木質バイオマス発電に適ガス化発電」

していることが分かった。

＜http://www.apec-vc.or.jp/j/modules/

またここからクヌギのような

tinyd00/index.php?id=85&kh_open_・含水量が少ない

cid_00=36＞

・材質が堅い（リグニン量が多い）

・「樹木名一覧」

木材が木質バイオマス発電に適していること＜http://zasshonokuma.web.fc2.com/

が推測される。

jumokumeide/jumokumeide.html＞

しかし、今回実験で用いた木材は丸太の・「木質ペレット燃焼装置」部分であり、この部分のみを用いて発電を行＜http://www.olympia-burner.co.jp/

った場合、森林にかける負担が大きくなってperetpage1.html＞

しまう。発電においては実験で使用しなかっ・「木質バイオマス燃料」

た枝などの部分も有効利用する必要があり、＜http://wbi.main.jp/web/7/catalog.

これらの燃焼についても今後検証する必要

html＞

がある。

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