千代川河川敷のオギを利用した地域エネルギー循環システムの検討

社団法人中国ニュービジネス協議会
コーディネーター

井川 光嗣

クラスター・マネージャー

竹内 善幸

株式会社廃棄物工学研究所
主任研究員

室山 晃一

これまでに、第２世代のバイオ燃料の原料となりうる調査地域として「千代川河川敷」に植生するオギについて、ヒアリング調査に基づき鳥取大学大学院千布拓生氏とともに実地調査を行った。
プロット（調査地点）を 11 カ所設定し、オギの被度・草丈を計測し刈り取りを行った。刈り取ったオギは、近畿中国四国農業研究センター大田研究拠点にて乾燥させ単位面積あたりの現存量（乾重）を測定し、調査データから千代川河川敷の現存量を求めた。
その結果、代川において河口から 8km 地点までにおいてオギのバイオマス量は約 1860ｇ/㎡（18.6t/ha）と推定された。
また、千代川（河口から 8km）における植生別の群落面積で見ると、オギが 30ha、ススキ 0.8ha、チガヤ 9.2ha、セイタカアワダチソウ 26.4ha となり、河川敷のカヤ類の中ではオギの群落面積が最も大きいことがわかっている。
このようなデータから、千代川河川敷のオギについて以下の現存量が求められた。
河口から河口から 8km までのオギまでのオギのオギの賦存量
オギの賦存量＝オギの乾燥重量(t/ha)×オギの群落面積(ha)＝18.6t/ha×30ha＝557.93t≒558t

ここで求められた現存量に基づき、千代川河川敷のオギを利用した地域エネルギー循環システムの検討を行った。当初、河川敷にある製紙会社のボイラー燃料との混焼ということで検討を進めていたが、詳細についての情報が十分得られず断念した。
最終的には、千代川河川敷のオギを原料に、ガス化・発電システムによるエネルギー利用について、設備の検討および経済性評価を行った。

11.1

はじめに近年、化石燃料の代替として、木質系バイオマスを原料とするチップやペレット等を利用した小規模のボイラー設備が導入され、温浴施設、福祉施設、学校、公共施設、農業ハウス等の暖房や給湯用設備として運用されている。
木質系バイオマスは、化石燃料に比較して発熱量は低いが、同じ発熱量ベースで比べた燃料価格が化石燃料よりも安価であるため、地域の状況にあった木質バイオマスが有効に利用されている。
一方バイオマス発電は、電力の買い取り価格が安いために、売電を目的とする大規模な事業用設備でも採算の厳しい状況にある。
そこで、これらを踏まえて、本検討では化石燃料を用いた設備と草本系バイオマスである「オギ」を用いた設備との採算性比較について、概略試算を行った。鳥取県千代川の河口付近からその上流8km の右岸および左岸を対象地域の例として採用し、当地域に賦存するオギのエネルギー利用についての検討を行った。

２．エネルギーの利用法
バイオマスのエネルギー利活用例を図１に示す。本検討は、図１の「直接燃焼式温水ボイラー設備とガス化・発電設備」について行った。
①オギの利用は、採集地域に隣接する温浴施設、福祉施設等への冷暖房・給湯用とする。
②原料を地産・地消とすることにより、搬送コストと搬送車から排出されるＣＯ２を軽減する。
③対象設備は、オギを直接燃焼してその発生熱から温水を回収する温水ボイラー設備と、オギを熱分解・ガス化し、生成したガスをガスエンジンに供給して発電と同時に温水回収を行うガス化・発電設備とする。
蒸気回収

タービン発電

売電

直接燃焼
温水回収
温水回収

冷・暖房／給湯

バイオマス

蒸気回収

（木質系・草本系）

ガス化

ガスエンジン発電

温水回収

有機合成原料
メタノール合成
自動車用燃料

炭化燃料

自動車用燃料
メタン発酵

バイオエタノール

図 1 バイオマスの利活用例
2

３．設備の設計条件
温水ボイラー設備およびガス化設備の設計条件を表１に示す。
１）オギの利用可能量
オギの利用量は、原料としての連続・安定な利用を考慮して年間２７９トンとする。
これは、千代川流域におけるオギの賦存量５５８トンの半分に相当する。
２）対象施設対象施設は近隣の温浴施設および福祉施設とする。
３）設備形式（１）温水ボイラー設備：施設に温水を供給する。
（２）ガス化設備：施設に電気と温水を供給する。
４）設備稼働設備の稼働時間は１０（時間／日）、稼働日数は３１７（日／年）とする。
（注）設備のメンテナンス等を含めて、平均４（日／月）の休転とする。
５）オギの供給量
オギの利用可能量２１７（トン／年）と、稼働時間および稼働日数から時間当たりのバイオマス供給量は８８（kg／h）とする。
６）低位発熱量
木質系および草本系バイオマスの含水率と低位発熱量の関係を図２に示す。
図から草本系バイオマスであるオギの低位発熱量は３，１００（kcal／kg）とする。

表１．設備の設計条件
１）バイオマスオギ２）賦存量

５５８（トン／年）
２７９（トン／年）

３）利用可能量（注）原料としての連続・安定な利用を考慮して、賦存量５５８（トン／年）の半分とする

４）利活用対象

温浴設備および福祉施設
直接燃焼方式：温水ボイラー設備５）設備形式

ガス化方式：固定床ダウンドラフト型ガス化炉（含む発電設備（ガスエンジン）／温水回収設備）
１０（時間／日） 、３１７（日／年）

６）稼働（メンテナンスを含め平均４日／月運転休止）
７）バイオマス処理能力８８（kg／ｈ）

８）低位発熱量

３，１００（kcal／kg）

3８．８（トン／日 ）5,000線形 (木質系バイオマス)
線形 (草本系バイオマス)

低位発熱量kcal/kg

4,000

3,000

2,000

1,0000
0.0

10.0

20.0

30.0

含水率（湿量基準）

40.0

50.0％

図２．草本系および木質系バイオマスの含水率と発熱量

４．設備概要
温水ボイラー設備の概要を図３に、ガス化・発電設備を図４に示す。
１）温水ボイラー設備
温水ボイラー設備の主要機器は、「原料ホッパー」、「スクリューフィーダー」、「温水ボイラー」、「エコノマイザー」、「温水タンク」、「サイクロン」、「排ガスブロワー」から成る。
「原料ホッパー」から「スクリューフィーダー」を介して供給されたバイオマス（オギ）は、「温水ボイラー」の燃焼室に送られ、ここで燃焼されて燃焼ガスとなる。燃焼ガスは、ボイラー水の入ったタンクに設けられた煙管内を通る間にボイラー水と熱交換されて、ボイラー水を加熱する。加熱されたボイラー水は「温水タンク」に溜められる。温水ボイラー」から出た排ガスは、さらに「エコノマイザー」でボイラーの給水と熱交換され、「サイクロン」で排ガス中のダストを除去された後、「排ガスブロワー」を介して大気に放出される。
この設備は温水を給湯用および暖房用として利用できる他、これに吸収冷凍機等の設備を加えれば、夏場の冷房用としても利用可能である。
２）ガス化・発電設備
ガス化発電設備の、「原料ホッパー」、「スクリューフィーダー」は「温水ボイラー」と同様である。
「ガス化炉」は燃焼空気の少ない条件下でオギを不完全燃焼させて加熱分解および水熱反応させて可燃性ガスを生成させる。生成したガスは「サイクロン」でダスト（灰分）を除去され、さらに「ガス冷却器」で冷却されたのち、「ガスフィルター」でタールを除去される。タール4

を除去してクリーンとなったガスは「ガスホルダー」に貯蔵され、そこから「ガスエンジン発電機」に供給されて発電される。又余剰の生成ガスは、「温水ボイラー」で燃焼して温水として熱回収される。
「ガスエンジン発電機」から排出される排ガスはその熱を有効利用するため、「温水タンク」に設けられた熱交換器で熱回収される。

原料ホッパーサイクロン

給水
エコノマイザー

温水タンク

スクリューフィーダー

温水ボイラー
空気排ガスブロワー

灰分

図３．温水ボイラー設備

温水排ガス

ボイラー排ガス

原料ホッパー

バケットエレベーター

ガスボイラー

サイクロン
給湯タンク

ガス冷却器
空気

スクリュー
ガス化炉
フィーダー
灰分
ガスフィルター
ガスエンジン発電機
ガスホルダーチャー電力

空気空気ブロワー
冷却水
水＋酢酸

図４．ガス化・発電設備

5５．設備の建設費
これまでに公表されている設備のバイオマス投入量と建設費との関係を参考として図５に示す。
時間当たり８８kg のバイオマス（オギ）を投入する設備の建設費用は、周辺機器および設置工事費等を含め、温水ボイラーの場合約４千万円（但しボイラー基数は１基とする）、ガス化・発電設備では約１億２千万円である。
一般に、温水ボイラーの運用例では、バックアップとして通常２基以上のボイラーを設置している。図５にプロットした温水ボイラーの建設費用は、２～３基を設置している実用機の例である。
ガス化・発電設備は、生成したガスを燃焼させて温水を作る温水ボイラーの他に、タール除去用フィルター、発電用ガスエンジン、ガスエンジンからの排熱回収等の機器から構成されており、温水ボイラー設備よりも割高な建設費となる。
平成２０年２月に、鳥取県西部総合事務所に建設された国内最大規模の温水ボイラーの設備
費用は、５８０kW×３基（本検討の温水ボイラー２７０kW の約６．４倍）で、吸収冷凍機、冷却塔、熱交換器等温水ボイラー以外の設備も含めた建設費は約３．４億円である。
温水ボイラー設備として、６００kW 以上（バイオマス処理量：２００kg／ｈ以上相当）の設備は、北欧における広範囲な地域への暖房設備用としての利用の他は余り見られない。
規模が大きくなると大量に回収した温水の利用が難しくなり、蒸気ボイラーとタービンとの構成によって発電を行うシステムに切り替えられる。

10,000,000

蒸気ボイラー・蒸気タービン（ 千円 ）

ガス化間接加熱ガスエンジン

1,000,000
ガス化固定床ガスエンジン

建設費

直燃式温水ボイラー100,000

10,0001101001,000

10,000バ イ オ マ ス 投 入 量 （ kg/h )

図５．設備建設費とバイオマス投入量の関係

6６．経済性評価
６．１ 経済性評価のための条件
経済性を検討するにあたって基本となる熱量、発電量、温水回収量等は下記にて算出した。
１）温水ボイラー出力および温水製造量
温水ボイラーの出力および温水回収量はオギの投入量、低位発熱量およびボイラー効率から下記で計算した。
ボイラー出力＝８８（kg／hr）×３，１００（kcal／kg）×０．８５（－）＝２３１，８８０（kcal／h）≒２７０（kW）
１５℃の給水を加熱して８５℃の温水を作る場合の温水回収量は、温水回収量＝２３１，８８０（kcal／h）／（８５－１５）(kcal／kg)≒３，３１３（㎏／h）２）ガス化における生成ガスの熱量および冷ガス効率
冷ガス効率とは投入される燃料（オギ）の熱量に対するガ生成ガス熱量の割合のことで、ガス化炉の形式や規模にもよるが、木質バイオマスの実績は５８～７０．５％である。設備の規模からこの検討に用いる冷ガス効率は６１％とする。
冷ガス効率＝生成ガスの熱量／オギの熱量×１００
従って、時間当たりの生成ガスの熱量は、生成ガスの熱量＝８８（kg／h）×３，１００（kcal／kg）×０．６１（－）＝１６６，４０８（kcal／h）≒１９３．５（kW）
３）発電出力および発電効率
ガス化発電における発電効率の実績は１２～２１％である。設備として規模の小さいものは発電効率は低いが、蒸気タービンの１０～１５％に比べれば高効率である。
本検討に用いる発電効率は１９％とする。
発電効率＝発電出力（kW）／燃料（オギ）の熱量×１００
従って、発電量は、発電出力＝８８（kg／hr）×３，１００（kcal／kg）×０．１９／８６０（kcal／kW）≒６０（kW）
４）総合効率、回収熱量および温水回収量
ガス化システムの総合効率とは、生成ガスの熱量に対する回収熱量（発電と温水回収の合計）の割合である。一般に実用機では、３０～７８％である。これは設備の規模によるところが大きく、規模が小さいとガスエンジンの排ガスおよびガスエンジンの冷却水からの熱回収が難しくなり効率が悪くなる。本検討に用いる総合効率は６３％とする。
総合効率＝回収熱量（kW）／生成ガスの熱量×１００
従って、時間当たりの回収熱量は、回収熱量＝１９３．５（kW）×０．６３（－）＝１２１．９（kW）
7従って、温水回収の熱量は、温水回収熱量＝１２１．９（kW）－６０（kW）＝６１．９（kW）
温水回収量＝６１．９（kW）×８６０（kcal／kW）／（８５－１５）（kcal／kg）＝７６０（㎏／h）５）売電価格および温水の価格
売電価格は１０（円／kW）とする。温水の売買価格は存在しないが、温水の利用者からその利用料を徴収できるものとし、その料金設定はつぎのとおりとする。
１トンの水を１５℃から８５℃に加熱するための熱量を７０，０００１（kcal）とし、これと同等の熱量に相当する A 重油の使用料を温水の価格とする。
Ａ重油発熱量＝８，４８４（kcal／Ｌ）、単価＝７５（円／Ｌ）
Ａ重油の使用料＝７０，０００（kcal）／８，４８４（kcal／Ｌ）×７５（円／L）≒６１９（円）
すなわち、温水の売価格＝６１９（円／トン）
７）その他
人件費：設備の運転員はこの規模では１名とし、費用は年間４５０万円とする。
水道料金：水道料金は、２６７（円／m３）とする。
設備メンテナンス費：年間２回のメンテナンスを行い、費用は２５万円／１回とする。
フィルター交換：ガス化炉・発電設備については２回／月の交換を行い、費用は３万５千円／回とする。
灰分処理費：バイオマスから副生される灰分は肥料等の有価物とする。
売価は１０円／kg とする。
木酢処理費：ガス化炉・発電設備から副生する木酢は、有価物とする。
売価は５千円／ｋＬとする。

６．２ 経済性の検討結果
設備の試算条件を表２に、年間における維持管理費と収入の試算結果を表３に示す。
表３より、いずれの場合でも設備の運用によって利益を得ることは難しい。但し、A 重油専燃の温水ボイラー設備の負担費用は年間約９百４０万円に対して、オギを利用する温水ボイラー設備は約３百万円、ガス化・発電設備は約４百７０万円となり、軽減費用として温水ボイラー設備は６百４０万円、ガス化・発電は４百７０万円となる。
又オギを逆有償の廃棄系バイオマスとして、この負担額を０円にするための燃料単価は、温水ボイラー設備の場合６千円／トン、ガス化・発電設備では、１万２千円／トンとなる。
現状においてオギの賦存量が大量に存在する状況にはないが、オギの投入量を２５トン／日（１，０４２kg／h）とした場合のガス化・発電設備の採算性について試算したその条件および結果を表４および５に示す。この設備の発電量は約８６０kWh で、その内１５０kWh が設備の電力として消費される。従って売電量は７１０kWh である。この程度の規模であれば収入が維持管理費を上回り、年間約千２百万円の黒字となる。然しながら、設備の建設費である８億円を償却するほどの8利益にはなっていない。ＲＰＳ制度によってバイオマスが対象エネルギーとして認定されたものの、現状の売電価格では採算性は厳しいものがある。

表２．１ 経済性評価条件（温水ボイラー設備 / ガス化・発電設備）
バイオマス原料－

オギ㎏/h

88㎏/day

27,896トン/ｙ

279

稼働時間

h10

稼働日数日317

原料投入量表２．２ 経済性評価条件（重油炊き温水ボイラー設備）
燃料A 重油L/h

32L/day

322kL/ｙ

102

稼働時間h

10

稼働日数日317

原料投入量表３．１ 温水ボイラー設備の試算結果（注）建設費

バイオマス

数量

単位

購入量

279t/ｙ5円/kg

1,395千円/y

人件費

1

人

4,500,000円/y

4,500千円/y

41.2

MWh/ｙ

10円/kWh412

千円/y

11,027m3/年

260円/m3

2,867千円/y

装置消費電力量
上水量
維持管理費

単価

金額

フィルター交換

0

回

35,000円/回

0千円/y

点検・補修

2

回

250,000円/回

500

千円/y

灰分処理

20t/ｙ

10円/㎏

(195)

千円/y

9,479

千円/y

小計
売電電力料金収入

４０，０００ 千円

0MWh/ｙ10円/kWh

0千円/y

10,502トン/ｙ619円/トン

6,501千円/y

小計

6,501

千円/y

合計

(2,978)

千円/y

温水回収量

9表３－２ ガス化・発電設備の試算結果
建設費

バイオマス

数量

単位購入量

279t/ｙ5円/kg

1,395千円/y

人件費

1

人

4,500,000円/y

4,500千円/y

装置消費電力量

0MWh/ｙ10円/kWh

0千円/y2,530m3/年

260円/m3

658千円/yフィルター交換

24

回

35,000円/回

840

千円/y

点検・補修

2

回250,000円/回

500

千円/y

灰分処理

20t/ｙ

10円/㎏

(195)

千円/y

木酢処理

25

kL/y

5,000円/kL

(126)

千円/y

7,697

千円/y

上水量

単価

１２０，０００ 千円
金額

維持管理費

小計収入

売電電力料金149

MWh/ｙ

10円/kWh

1,490千円/y

温水回収量

2,409トン/ｙ619円/トン1,491千円/y

小計

2,981千円/y

合計(4,716)

千円/y

表３－３ 試算条件（重油炊き温水ボイラー設備）
建設費

A 重油数量

単位購入量

102kL/ｙ75円/L

7,644千円/y

人件費

1

人

4,500,000円/y

4,500千円/y

41.2

MWh/ｙ

10円/kWh412

千円/y

11,027m3/年

260円/m3

2,867千円/y

装置消費電力量
上水量
維持管理費

単価

金額

フィルター交換

0

回

35,000円/回

0千円/y

点検・補修

2

回

250,000円/回500千円/y

副生成物処理00千円/y15,923千円/y

0

小計
売電電力料金収入

３０，０００ 千円

0MWh/ｙ10円/kWh

0千円/y

10,502トン/ｙ

619円/トン

6,501千円/y

小計

6,501

千円/y

合計(9,422)

千円/y

温水回収量

10

表４ ２５（トン／日）規模のガス化・発電設備）
建設費

８００，０００ 千円

ガス化炉
バイオマス原料

オギ
㎏/h

1,042

トン/day

25

トン/ｙ

8,375

稼働時間

ｈｒ

24

稼働時間

日335

原料投入量

表５ ２５（トン／日）規模のガス化・発電設備の試算結果
数量

単位

単価

金額

購入量

8,375

t/ｙ

5円/kg

41,874

千円/y

人件費

8

人

4,500,000円/y

36,000千円/y

装置消費電力量

0MWh/ｙ10円/kWh

0千円/y104,012m3/年

260円/m3

27,043

千円/y

バイオマス

上水量
フィルター交換

24

回

150,000円/回

3,600

千円/y

点検・補修

2

回

1,500,000円/回

3,000千円/y

灰分処理

586t/ｙ10円/㎏(5,862)

千円/y

木酢処理

754

kL/y

5,000円/kL(3,769)千円/y105,655

千円/y

維持管理費

小計

収入

売電電力料金

5,708

MWh/ｙ

10円/kWh57,084

千円/y

温水回収量

99,059トン／ｙ619円/トン

61,317千円/y118,401

千円/y

12,746

千円/y

小計合計

以上の試算結果から、オギを利用する場合の効果的な方法として、以下を提案する。

①木質系および草本系のバイオマスを化石燃料の代替として利用し、ＣＯ２の削減とバイオマスと化石燃料の価格差から生じる燃料費の削減を設備建設費の償却に充てる。
②オギの採集地域に隣接する温浴施設、福祉施設等への冷暖房・給湯用として利用する。

11