地域特性を考慮したバイオマスを用いたDME・発電ハイブリットシステムの設計・評価に関する研究
環境経済システム学分野
36637
浅野 琢
1.

序論
地球温暖化問題への対策として，再生可能エネルギーの利用が世界的に促進される方向にあり，特にバイオマスエネルギーは，持続可能な社会におけるエネルギー資源の 1 つの柱として，近年注目を集めている．日本の国土面積約 3,700 万 ha のうち 2/3 の 2,500 万 ha を占める森林から排出される木質バイオマスと，容器包装リサイクル法の下，再利用が進んでいないプラスチック製容器包装廃棄物を有効に活用することは，日本におけるバイオマスのエネルギー利用には必須の課題である．
バイオマスのエネルギー利用の実現は，地球温暖化対策に加えて，エネルギー自給率の向上，国土保全，低品質な利用や廃棄されている木質バイオマスやプラスチック製容器包装廃棄物を有効活用することによる地域振興などの複合効果を有するものであり，社会的意義は大きい．
バイオマスは，広く希薄に分散して存在する，低密度分散型のエネルギー資源であり，発生した地域にて，可能な限り循環利用・カスケード利用される．つまり，地域内で発生したバイオマスは，その地域内で利用するのが適していると考えられ，バイオマスを基盤としたエネルギーシステムは，当然地域性を反映したものとなる．そのため，地域に適したエネルギーシステムは，地域性特性を考慮して，構築することが必要である．しかしながら，現在行われているのは，国内バイオマス資源の賦存量推計などの包括的な調査，研究が中心であり，地域特性を考慮したものは，ほとんど見あたらない．そこで，本研究では，地域特性を考慮したバイオマスを用いたエネルギーシステムの導入対象地域として，岡山県真庭地域を取り上げ，設定地域内における製材廃材やプラスチック製容器包装廃棄物を利用したバイオマスエネルギーシステムを設計した．
近年，バイオマスのエネルギー変換プロセスとして，ガス化が注目されており，本研究では，エネルギー供給源の多様化に貢献し，新規性の高い分散型燃料である DME に着目をした．DME は，マルチソース・マルチユースな燃料であり，また，ハンドリング性に優れ，燃焼時に煤を排出しない，硫黄分・窒素分を含まない，健康に対する悪影響が無く安全などの特徴を有する，環境面で優れたクリーンな燃料である．
本研究では，設定地域における製材廃材やプラスチック製容器包装廃棄物を利用したバイオマスエネルギーシステムを設計し，DME・発電ハイブリットシステムにおける LCA 評価，経済性評価を通じ，システムの導入可能性を検討することを目的とする．
2.

当該地域の設定
本研究では，バイオマスを用いたエネルギーシステムの評価地域として，岡山県真庭地域を設定した．
図 1 に示す地域内における木材流通経路において（図中のパーセンテージは重量比），製材工場から排出される廃材のうち，引き取り価格がマイナスとなっている樹皮と，プラスチック製容器包装廃棄物を利用するシステムを検討した 1)．図 2 に真庭地域を1[km]×1[km]メッシュに区切った場合の，各製材工場から排出される廃材量の規模分布図を示す．

40.7%

国外

真庭地域外

製品
真庭地域内
真庭地域内

製材工場

85.9%
原料化

家畜敷料
菌床
堆肥
パルプ

処分

樹皮おが屑
鉋屑端材

廃材
真庭地域外
59.3%

14.1%

図 1. 真庭地域における木材流通経路.

3.
評価シナリオの設定と DME 合成量と発電・熱出力
3.1
DME・発電ハイブリットシステム
本研究では，図 3 のようにバイオマスを原料とした DME と発電のハイブリットシステムを設計した．本システムでは，バイオマスをガス化し，ガス化ガスを用いて DME を合成する．そして，DME 合成からの未反応ガスを用いて，ガスエンジン（またはタービン）を駆動させ，電気を発生させ，余熱は原料である樹皮の乾燥に用いる．
3.2
シナリオ 1
シナリオ 1 では，設定地域における家庭に，DMEを LPG 代替として配布する．
原料として樹皮 40ton/day
図2. 真庭地域における製材工場からの廃材規模分布.
（含水率 42%）を用い，真庭地域内における各製材工場からDME 合成・発電プラントまでの，原料である樹皮の収集コストが最小となる場所を算出し，プラントを設置すると仮定した．
ガス化ガスの組成割合は，ガス化剤として水蒸気に加えて空気を用いるため，N2 の割合が多くなる．また，上記ガス化ガスを
図 3. DME・発電ハイブリッドシステム概略図.
用いると，N2 のため DME を合成する反応が阻害され，DME は 0.79ton/day 合成される．DME 合成の際に余った未反応ガスを用いてガスエンジンを駆動し，発電 715.3kW と排熱 3.6GJ/hour を出力する．なお，発電出力は，ガス化用，DME 合成用，その他所内電力用や木材乾燥用の所内電力として用い，残りを中国電力株式会社に売電する．
3.3
シナリオ 2
シナリオ 2 では，設定地域外にプラントを設置し，DME を LPG に混合して利用する．原料として樹皮 40ton/day とプラスチック製容器包装廃棄物 60ton/day（含水率 7%）を混合し用い，DME 合成・発電プラントを，岡山県倉敷市の沿岸部に設置すると仮定した．ガス化ガスの組成割合は，ガス化剤として水蒸気に加えて酸素を用いるため，シナリオ 1 に比べて，H2，CO の割合が高くなる．
また，上記ガス化ガスを用いると，DME は 29.10ton/day 合成される．DME 合成の際に余った未反応ガスを用いてガスタービンを駆動し，発電 4,651.2kW と排熱 22.3GJ/hour を出力する．
バイオマス

ガス化炉

ガス冷却装置

ガス化剤

タール処理装置

ガスホルダ

ＤＭＥ
反応器

ＤＭＥ

LPG代替

未反応ガス

ガスエンジン

電気

所内電力
売電

排ガス
ボイラ

熱乾燥

4.

LCA 評価本研究における LCA 評価では，ライフサイクルの検討範囲として，原料の輸送，エネルギー変換の 2 段階を評価の対象とし，既存のシステムと本研究で設定したシステムを比較した場合における，CO2 排出量の削減分の定量評価を行った．なお，プラスチック製容器包装廃棄物を用いるシナ
リオ 2 においては，焼却処分されている場合と，リサイクルされている場合の，2 種類の既存のシステムを設定した．
4.1
検討範囲の設定
シナリオ 2 における LCA 評価概略図を，図 4（焼却処分されている場合），図 5（リサイクルされている場合）に示す．
4.2
樹皮とプラスチック製容器包装廃棄物の CO2 排出量の取り扱い
樹皮の燃焼に伴う CO2 排出量は，カーボンニュートラルの概念より，ゼロとカウントする．また，プラスチック製容器包装廃棄物の燃焼に伴う CO2 排出量は，既存のシステム（焼却処分，リサイクル）と本システム共に，プラスチック製容器包装廃棄物の燃焼に伴う CO2 排出量は同量なため，その分の CO2 排出量はカウントしないで，評価を行った．
4.3
樹皮の利用とプラスチック製容器包装廃棄物のリサイクルに伴う，既存のシステムと本研

究におけるシステムとの CO2 排出量の差
既存のシステムでは，樹皮を焼却処分，燃料利用，堆肥・家畜敷料に利用しているが，本研究にまた，おけるシステムと共に，カーボンニュートラルの概念より，CO2 は排出されないとみなせる．
既存のシステム（リサイクルされている場合）では，プラスチック製容器包装廃棄物をリサイクルして，用途ごとに製品を製造している．プラスチック製容器包装廃棄物をリサイクルした際の，インベントリ分析結果より，既存のシステムにおける CO2 排出量を算出した．また，本研究におけるシステムでは，プラスチック製容器包装廃棄物をエネルギー利用するが，既存のシステムでリサイクルされる製品の量分だけ，その製品を製造する必要があるので，その分の CO2 排出量を算出した．
堆肥40％

堆肥
40％
樹皮

樹皮
燃料利用
5％

樹皮

家畜敷料
43％

家畜敷料
43％

DME

LPG代替

プラ廃棄物

DME

LPG代替

電力

売電

プラ廃棄物

樹皮
燃料利用
5％

焼却処分
11％

電力

売電

排熱

樹皮乾燥

焼却処分
11％
樹皮乾燥

プラ
廃棄物

焼却処分

マテリアル
16％
油化（A重油）
2％

LPG
端材
木片
モルダー屑

化石燃料

家畜敷料
堆肥

プラ
廃棄物

発電

既存のシステム

排熱
熱供給

プラ

コークス
47％

高炉原料
23%

本研究におけるシステム

A重油

図 4. シナリオ 2 における LCA 評価概略図（既存のシステム：焼却処分）.

端材
木片
モルダー屑

化石燃料

ガス化
（熱供給）
11％

家畜敷料
堆肥

コークス

LPG

高炉原料

化石燃料

4.4
原料の輸送・エネルギー変換
既存のシステム本研究におけるシステム
既存のシステムにおいては，樹皮やプラス
図 5. シナリオ 2 における LCA 評価概略図
チック製容器包装廃棄物の輸送距離を仮定し，（既存のシステム：リサイクル）.
収集先から用途先まで輸送するとして，年間の総軽油使用量を算出した．また，シナリオ 1, 2 においては，原料の収集場所からエネルギー変換プラントまでの距離を計測し，年間の総軽油使用量を算出した．
エネルギー変換における CO2 排出量では，ガス化炉部分 2)とガス化ガスを用いて DME・発電を行う部分（中間設備を含む）3)の 2 箇所に分けて，評価を行った．
4.5
DME の LPG 代替，発電出力の電力代替
既存のシステムにおける LPG や電力は，化石燃料由来のものなので，LPG 代替として DME，電力代替として本システムにおける発電出力を用いることで，CO2 排出量を削減できる．
4.6
本研究における LCA 評価結果．
以上より，本研究における LCA 評価結果を表 1 に示す（単位は[ton-CO2/year]）発電

表 1. LCA 評価結果.

シナリオ 1項目（CO2 排出量）

シナリオ 2

既存のシ本研究における既存のシステム

既存のシステム（リ本研究におけるステムシステム（焼却処分）サイクル）

システム

14.5

18.0

エネルギー変換－LPG 由来

488.0

電力由来

2,597.4

原料の輸送

723.4

358.3

－

943.7

－

17,969.1－－

13,329.4－－

リサイクル由来CO2 排出量合計

230.4

3.099.8

376.3

30,639.9

18,300.9

62,168.8

49,829.8

30,639.932,307.0
3

表 1 より，シナリオ 1 では，既存のシステムと比較して，CO2 排出量を 2.7×10 ton-CO2/year 削減することになった．また，シナリオ 2 では，プラスチック製容器包装廃棄物を焼却処分した場合の既存のシステムと比較して，CO2 排出量を 29.9×103ton-CO2/year，プラスチック製容器包装廃棄物をリサイクルした場合の既存のシステムと比較して，17.5×103ton-CO2/year削減することになった．

6.

表 2. シナリオ 1 における経済性評価.

収
入
支
出

DME 販売収入

17.78×106 円/year

売電収入27.28×106 円/year

樹皮の引き取り収入

16.06×106 円/year

樹皮の輸送費66.22×106 円/year

DME 配送費

8.33×106 円/year

プラント維持費

資本費×10%円/year

表 3. シナリオ 2 における経済性評価.

収入

DME 販売収入

0.28×109 円/year

売電収入

0.16×109 円/year

樹皮の引き取り収入

16.06×106 円/year

プラスチック製容器包装

1.62×109 円/year

廃棄物の引き取り収入
支

樹皮の輸送費

0.32×109 円/year

出プラント維持費

資本費×10%円/year1089

資本費[×10 円]

5.
経済性評価
5.1
シナリオ 1 における経済性評価
DME 配布にあたり，既存の LPG 充填所，LPG容器，コンロなどの家庭設備を改造する必要がある．なお，樹皮の引き取り価格はヒアリングより，1,100 円/ton と設定した．表 2 にシナリオ
1 における経済性評価の結果を示す．以上より，プラント維持費を含まず，収入から支出を引いた収支はマイナスとなるため，シナリオ 1 は経済的に難しいことがわかった．
5.2
シナリオ 2 における経済性評価
プラスチック製容器包装廃棄物の引き取り価格は参考文献より，74,200 円/ton と設定した 4)．表 3 にシナリオ 2 における経済性評価の結果を示す．収入から支出を引いた収支はプラスとなり，プラスチック製容器包装廃棄物の引き取り価格[円/ton]と，分析対象期間を 21 年としたときに，事業成立を前提とした場合の IRR＝10%が成立するための資本費[×109 円]との感度分析結果を図 6に示す．プラスチック製容器包装廃棄物の引き取り価格を 74,200 円/ton と設定したとき，資本費の値は 8.1×109 円となった．

64

結論
本研究では，設定地域における樹皮やプラスチック製容器包装廃棄物を利用した DME・発プラスチック製容器包装廃棄物の引き取り価格[円/ton]
電ハイブリットシステムを設計し，LCA 評価，経済性評価を行った．
図 6. プラスチック製容器包装廃棄物の引き取り価格とその結果，シナリオ 1 においては既存のシス資本費の感度分析.
テムと比べて CO2 排出量を削減できるが，事業化ベースでの実現は，経済的に難しいことがわかった．また，シナリオ 2 においては，DME 合成量と発電・熱出力を決めるプラント規模やガス改質炉の仕様，原料の輸送距離は，事業成立の制約条件とはならず，DME 販売収入や売電収入といったエネルギーの販売価格ではなく，プラスチック製容器包装廃棄物の引き取り価格によって事業が成立し，既存のシステムと比べて，CO2 排出量を削減できることがわかった．
200

7.

10,00020,00030,00040,00050,00060,00070,000

参考文献

1)（財）中国産業活性化センター; 岡山県真庭地域振興計画調査報告書,（2002）.

2)

堂脇 清志; ガス化によるバイオマスエネルギーシステムのライフサイクル分析，東京大学博士論文，(2001) .

3) 本樹 祐樹ほか; ライフサイクル CO2 排出量による発電技術の評価，電力中央研究所報告書, (2001), Y99009.
4)（財）日本容器包装リサイクル協会; 再商品化事業者 落札単価（加重平均），http://www.jcpra.or.jp/.

80,00