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天津市の環境保全シミュレーション（III） $ ^{*} $

一都市と農村地域に適した環境・エネルギー技術の導入一

酒井裕司 $ ^{a} $ 中野 諭 $ ^{b} $ 鬼頭浩文 $ ^{c} $

2011年7月

## 要旨

本研究では、中国の都市と農村地域に適した環境・エネルギー技術について紹介し、それらの技術導入による環境改善効果を検討する。都市と農村地域が共存する地域として天津市を、また対策技術としては、簡易湿式脱硫法、石炭バイオブリケット、ヒートポンプ式の熱供給システム、バイオガスを選択する。そして、導入のインセンティブになる副産物利用による塩類土壤改良効果、植林、バイオガス導入による$\mathrm{CO}_{2}$削減効果を評価する。その結果、脱硫法から得られた副産物による塩類土壤改良では、天津市の塩類土壤の約1/3を改良でき、農産物の増加をもたらす。また、土壤改良地域に植林を行った場合と農村地域にバイオガスを導入した場合における$\mathrm{CO}_{2}$削減量は約1.7％と算出され、$\mathrm{CO}_{2}$削減に効果的であることが示されている。また、バイオガス残渣の肥料としての利用も農家における農産物の増加と肥料コストの削減に寄与する。
# Environmental Conservation Simulation for Tianjin in China (III) Introduction of environmental and energy technology suitable for city and agricultural area

Yuji Sakai

(Lecturer, Faculty of Engineering, Kogakuin University)

Satoshi Nakano

(Researcher, The Japan Institute for Labour Policy and Training)

Hirofumi Kito

(Professor, Faculty of Policy Management, Yokkaichi University)

## Abstract

In this research, the environmental and energy technologies suitable for both city and rural areas in China are introduced and the effects of environmental improvement due to the installation of these technologies are evaluated. Tianjin city are selected as the area that have both city and rural areas and simple wet desulfurization equipment, coal bio-briquette, heat supply system (heat pump), and biogas digester are selected as environmental technologies. The effect of salt-affected soil amelioration using desulfurization by-products and the reduction of $ CO_{2} $ emission by both afforestation and the installation of biogas digesters are evaluated. As a result, about 1/3 of the total salt-affected soil in Tianjin are ameliorated and the increase in agricultural products are confirmed. Next, the reduction of $ CO_{2} $ emission in case of both the afforestation in soil ameliorated area and the introduction of biogas digesters in rural areas are approximately 1.7%. These results contribute the reduction of $ CO_{2} $ emission. Moreover, residues from biogas digester are effective as fertilizer and contribute the increase of agricultural products and cost reduction of fertilizer.
### 1. はじめに

近年、中国では急速な経済発展、とりわけ工業発展に伴う環境とエネルギーの問題が深刻化しており、中国に適した環境対策技術ならびにエネルギー対策技術の開発および導入が喫緊の課題となっている。中国での環境・エネルギー問題の特徴として、エネルギー消費に占める石炭利用の割合が多いことが挙げられ、石炭燃焼に伴う二酸化硫黄(SO₂)、煤塵の排出による大気汚染、さらに酸性雨や健康被害への影響も深刻化している。2007年における中国のSO₂排出量は約3150万tと、世界のSO₂排出量の約1/3を占めている(IEA, 2009)。そのため、大気汚染防止をはじめたとした環境保全技術が急速に導入され始めており、特に2006年から開始した第11次5カ年計画にて、都市部などを中心に石炭火力発電所など大規模煙源への脱硫装置の導入や低硫黄炭の使用などが進められてきている。湿式脱硫装置の例であるが、1995年にはわずか1GWにしか導入されていなかったが、2006年末の時点では14GWに達し、100GW分が建設中であった。さらに、2010年には90GW(総電力容量の約10.7％、火力発電所の約15％)に達し、350GWが建設中と報告されている(You and Xu, 2010)。このように、第11次5カ年計画(2006～2010年)中、急速に脱硫装置が導入されてきており、今後もこのような勢いで導入が進むと予測される。この背景には、政策による効果のみならず、投資やオペレーションにかかるコストが以前よりも低くなったことや技術的な発展がある。しかし、現在、主に導入されている湿式脱硫プロセスは、大量の水を消費するために、北部や西部などの内陸部では適した方法とは言えず、今後の導入には、半乾式脱硫法や簡易湿式脱硫法など、湿式と比べて省水型で、かつ安価な脱硫法の開発および導入が必要となってくる。また、脱硫装置のさらなる普及のインセンティブのためにも、各種脱硫方法から排出される副産物の利用方法の開発や提言も必要になってくる(酒井、2008)。

このように発電所をはじめとした都市部の大型プラントにおいては、脱硫技術の導入が進んできているが、都市部でも中小規模工場や、都市部から離れた郊外における中小規模工場や農村地域などの生活における脱硫技術の対策は十分に行われていないのが現状である。そして、農村地域においては呼吸器系疾患での死亡率が高く(中国統計年鑑、2006)、発熱量が低く、硫黄分や灰分が多く含有する低品位炭を、中小工場のみならず家庭用の燃料として利用していることが原因である可能性があり、中小規模工場や民生用における脱硫技術の開発と導入は早急に取り組むべき課題である。

また中国では、温室効果ガスである二酸化炭素 $ CO_{2} $ の排出量も増加しており、2007年に米国を抜いて世界の総排出量の約1/5を占める最大の排出量となっている。その後も増加傾向は続いており、2009年には総排出量の約1/4を占めている(U.S.EIA, 2011)。 $ CO_{2} $ 削減のためには、エネルギー利用効率の高い技術を導入していくことが必須であることは言うまでもないが、都市部のみならず農村地域などのインフラが未開発の地域においては再生可能エネルギーの利用も検討すべきである。第11次5カ年計画中、国家エネルギー戦略にて再生可能エネルギーは重点開発分野とされており、都市と農村の経済格差や地域格差の是正
や環境・エネルギー問題解決と経済発展を両立した持続可能な発展のためにも今後検討すべき分野の一つである。具体的には、「再生可能エネルギー中長期発展計画」(2007年)、「再生可能エネルギー発展第11次5カ年計画」(2008年)において、エネルギー消費総量に占める再生可能エネルギー消費量の割合を、2010年までに10％に、2020年には15％に引き上げる目標を設定している。そして、2020年までの中国の再生エネルギーにおける中長期発展計画から、風力、太陽光、水力、バイオマス、バイオマス(燃料用)、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼルとすべての技術において、急速な導入を検討していることが確認できる(表1参照)。

以上のような中国での環境とエネルギー問題の現状を踏まえ、都市型と農村型の地域が共存する地域として北部沿岸地域の天津市を選択し、天津市における適切な環境対策技術を導入した場合における環境・経済・健康影響の評価を行うことを目的とした。都市部での発電所ならびに大型プラントなどは脱硫装置や電気集塵機などの対策技術の導入も進んでいるようで、本研究での評価対象は、中小規模工場への脱硫技術導入と、農村地域における脱硫技術とバイオマス利用技術の導入に着目する。また、北部に位置することからも推測できるが、天津市では南部の省や地域と比べて熱供給エリアも広く、使用する石炭量も多いことから、熱供給システムについても評価する技術に選定した。

以上より、天津市における環境保全技術の導入による環境・経済評価は中野ら(2011)、健康影響評価は鬼頭ら(2011)の報告にて行い、本研究では、中国の都市と農村地域に適した環境・エネルギー技術について紹介し、それらの技術導入による、さらなる環境改善効果を検討する。以降、第2節では、中国に適した環境・エネルギー対策技術について概要と導入の現状について述べ、第3節では、天津市におけるバイオガス利用と熱供給システムの利用調査について述べ、第4節では、第2節で記した各種環境対策技術の導入シナリオでの脱硫廃棄物やバイオガス残渣による塩類土壌をはじめとした劣化土壌の改良および農産物の増産効果、また、植林への適用から環境改善効果の結果について考察を行い、第5節はおわりにとして、まとめと今後の可能性について述べる。
表 1 中国の再生可能エネルギー中長期発展計画

設置容量 or 年間生産量
2010	2020
風力	5 GW	30 GW
太陽光	0.3 GW	1.8 GW
水力	190 GW	300 GW
バイオマス	5.5 GW	30 GW
バイオマス(燃料用)	100 万 t	5000 万 t
バイオガス	190 億 m³	440 億 m³
バイオエタノール	200 万 t	1000 万 t
バイオディーゼル	20 万 t	200 万 t

(出所: NDRC, 2007)
### 2. 環境・エネルギー対策技術について

中国における環境ならびにエネルギー問題の対策技術には、 $ SO_{2} $ を中心とした大気汚染対策技術として排煙脱硫技術、バイオブリケットを想定し、 $ SO_{2} $ 対策にも関係するが、主にエネルギー利用技術として $ CO_{2} $ 対策にも貢献できる熱供給システム、バイオガスの技術も評価の対象とした。ここでは、これらの概要および中国における導入状況について説明する。

### 2.1 排煙脫硫技術

排煙脱硫法(FGD: Flue Gas Desulfurization)は、石炭火力発電所をはじめとする大規模なプラントから中小規模の工場などの$\mathrm{SO}_{2}$を排出する装置に設置可能で、水の使用量から湿式法、半乾式法、乾式法と大別することができる(表2参照)。日本など水資源の利用に制限が無い地域では、スラリー吸収法(石灰石石膏法)などの湿式脱硫法の導入が一般的である。一方、内陸での導入も多く、水使用の制限が多い中国にとっては、湿式法以外の方法が導入される必要があるが、2006年以降、大規模プラントには、湿式法が導入されているようである。

湿式法では、上述の石灰石石膏法が主流であるが、その他にも、水酸化マグネシウムスラリー法やアルカリ溶液吸収法などといった手法もある。また、半乾式法ではスプレードライヤー法、乾式法では炉内石膏吹込み法や電子ビーム法などがある(表2参照)。このような主要な脱硫プロセスは、これまで他の数多くの著書や文献などに紹介されているため、本研究では、現在の脱硫プロセスの導入状況についてと、今後導入を検討すべき中国に適した脱硫法について紹介する。

中国では石炭使用量が多いため、 $ SO_{2} $ のみならず煤塵などの除去も必要であるために、電気集塵機(EP: Electric Precipitator)の導入が普及し、2009年には、石炭火力発電所の約96％以上に導入されている(You and Xu, 2010)。最近では、脱硫プロセスが国内で生産できるようになったことで、これまでと比べて安価になったことや技術的な制約が少なくなってきたことから、普及が急速に進行している(Xu et al., 2010、Hao et al., 2010)。

以下にて、これまで著者の共同研究者である清華大学徐教授らと中心となって開発した中国に適した脱硫法を２つ紹介する。

最初は、水膜法(Integrated DeSOx Water-Film Dust Collector)と称する方法で、簡易湿式脱硫法に分類される。本手法は2000年に藩陽市化学肥料工場に導入された(図1参照)。この方法は、発電所に設置されている水膜集塵機を改良し、Ca吸収剤として消石灰(Ca(OH) $ _{2} $ )を含む水滴が、煙道ガス中のSO $ _{2} $ と接触するために集塵と脱硫を同時に行うことが可能な方法である。藩陽市化学肥料工場に導入した水膜法プロセスの反応器全体の大きさは高さが15mで、反応器の内径は1.7m、排ガスは脱硫反応装置内において、攪拌槽で調整された消石灰スラリーを反応器下部からスプレーノズルにより上方へスプレーされた吸収剤と反応することにより脱硫および脱塵されるという方法である。その後、さらにミスト分離器を通って排気される(図1参照)。脱硫率は約85%まで達し、集塵率は約90%である。そして最
大の利点として、コストが通常の石灰石石膏法の2割以下であるということが挙げられる。本方法は、これまでに大規模用には開発されておらず、中小規模にて利用されていることから、本研究での中小規模への導入という主旨にも適する脱硫法である。

表 2 排煙脱硫法(FGD)の分類

分類	脱硫プロセス	吸収剤 or 吸着剤	副生物(処理)	特徴(脱硫率、コスト etc.)
湿式	石灰スラリー吸収法(石灰石石膏法など)	石灰石、消石灰、ドロマイト、フライアッシュ	石膏(回収)、スラッジ(亜硫酸カルシウム含む。)(廃棄)、	脱硫率:90％以上設備費高コスト
水酸化マグネシウムスラリー吸収法	水酸化マグネシウム	石膏(回収)硫酸マグネシウム(廃棄)	脱硫率:90％以上
アルカリ溶液吸収法	水酸化ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、アンモニア水など	亜硫酸ナトリウム、硫黄/硫酸、硫酸アンモニウム(回収)	脱硫率:90％以上
ダブルアルカリ法	ソーダ、アンモニア、硫酸アルミニウム	石膏(回収)	脱硫率:90％以上
酸化吸収法	触媒添加希硫酸	石膏(回収)	脱硫率:85~90％
半乾式	スプレードライヤー法	消石灰、重炭酸ソーダ、ソーダ灰熱水養生剤(石炭灰利用)	亜硫酸カルシウム、石膏(廃棄 or 埋立て利用)	脱硫率:70~85％湿式より水の使用量少ない
乾式	炉内石灰吹込み法	石灰石、消石灰、蒸気養生剤(石炭灰利用)	亜硫酸カルシウム、石膏(廃棄 or 埋立て利用)	脱硫率:80％程度
活性炭吸着法	活性炭(活性コークス)	硫酸(硫黄、液体SO2)(回収)	脱硫率:80％活性炭が高コスト
電子ビーム法	アンモニア	硫酸アンモニウム(回収)	脱硫率:80~95％高コスト同時脱硫脱硝

(出所: 定方ら、1997)
図 1 水膜法(Integrated DeSOx Water-Film Dust Collector) (出所: 酒井、2002)

次に、FGDと循環流動層型反応器(CFB: Circulating Fluidized Bed)を組み合わせた脱硫法(FGD-CFB)について紹介する(You and Xu, 2010)。中国において小型の流動層燃焼設備は多数あり、1970年代に入って炉内に石灰を加え脱硫を行い、低温燃焼であることから窒素酸化物(NOx)の生成が比較的少ないことも分かったため、欧米諸国やわが国でも発電設備などの比較的大型設備に用いられるようになった。近年は、循環流動層燃焼が使用され、燃焼効率を99％程度にまで高め、80～90％の脱硫率(Ca/S=2)を得ることができる。また、循環流動層ボイラーでは、使用される吸収剤の量は従来の半乾式脱硫プロセスと比べて30％削減できるという利点をもつ。この方法は、初期投資が湿式脱硫プロセスと比べて50～60％であり運転費も安価であるうえに、脱硫率は80～95％と比較的高く、中国には適したプロセスといえる(鬼頭・酒井、2003)。
さらに、その後、上記 FGD-CFB 法を応用し、石炭フライアッシュと消石灰にて作製した新規脱硫剤(FLASH)を利用する新規脱硫法(T-T プロセス)が開発され(Matsushima et al., 2004)、実用化を目指している (図2参照)。長所としては低温で高脱硫率であることと(中国でのパイロットプラントでは約83% (350℃)の脱硫率を達成。)、脱硫剤の中のフライアッシュをサイクロンで分離することにより沙漠化土壤改良で有用な脱硫石膏を副産物として多く得られることである。さらに、その後、予熱に伴うエネルギーロスを無くすことで、建設・運転費用の大幅なコスト削減が可能となるために、さらに反応温度の低下に寄与するゼオライトを利用した脱硫剤の検討を行い、さらなる低温化(実験室レベルにて250℃で約84%の脱硫率を達成。)を実現している(酒井ら、2010a)。このように、今後の実用化に向け、注目できる新規脱硫技術であると言える。

図2 T-Tプロセス

(出所: 鬼頭・酒井、2002)
### 2.2 石炭バイオブリケット

近年、化石燃料の大量消費に伴う環境汚染や資源枯渇に対する解決策として、バイオマス資源を含む再生可能エネルギーの開発利用の重要性に対する認識が高まっている。 $ SO_{2} $ 排出量を削減するためには、石炭中の硫黄分や灰分を洗滓することにより除去することも可能であるが、コストがかかることや洗滓でも硫黄分や灰分の除去が困難な石炭があることが問題として挙げられる。そして、このような大量の $ SO_{2} $ と煤塵を発生するような低品位炭は、燃焼性が悪いために熱効率も低いという性質を有する。そこで、民生用の脱硫法としてのみならず、新たな未利用バイオマスの利用法としても有効な石炭バイオブリケットについて紹介する。

石炭バイオブリケット(図3参照)は、粉炭(70~85%)とバイオマス(15~30%)の混合物をバイオブリケット製造装置内、圧縮ローラー部分(図4参照)により高压ブリケッティングすることによって作製され、石炭中の硫黄含有量にあわせて消石灰などの脱硫剤を添加することにより燃焼とともに脱硫可能な技術である。

バイオマスとしては、トウモロコシ茎、稲藁、バガスなどの農業廃棄物や、山林における残廃材、住宅解体後の廃棄物などの林産廃棄物を利用できる。作製において圧縮成型が必要であるためにコストが高くなることや糖蜜や澱粉等のバインダーを必要とすることが短所として挙げられるが、煤煙の大幅な減少ができること、自己脱硫・脱硝効果があること、燃焼炉の改良が不必要なこと、安価な脱硫技術であること、バイオマス添加によって燃焼効率が向上すること、バイオマス使用に伴う石炭使用量の減少と $ CO_{2} $ 削減に貢献できること、さらに、燃焼灰の塩類土壤改良における効果があることなど、数多くの利点が挙げられる。

これまで、著者らの研究グループは、中国遼寧省藩陽市、四川省成都市へのバイオブリケット製造装置の導入を行ってきた実績があり、図4は藩陽市に導入した製造装置である。藩陽市、成都市に導入した製造装置の生産能力は、それぞれ50 kg/h、200~250 kg/hであった。天津市へのバイオブリケット製造装置導入の評価では、成都市に導入したバイオブリケット製造装置における各種データを利用して計算を行い、脱硫率を67％と想定している。また、バイオブリケット燃焼灰による塩類土壤での改良効果も確認できており、燃焼後の副産物の利用もできる(酒井、2003)。さらに、農村地域などのバイオブリケット導入地域における石炭利用を考え、Sakaiらは、硫黄分が多い低品位炭を利用したバイオブリケットの燃焼灰でも土壌改良において有効であることを報告している(Sakai et al., 2011a)。

このように、バイオブリケットは、民生用のみならず、工業部門、とりわけ中小規模工場にも適用可能な新規脱硫法として注目することができる。
図3 石炭バイオブリケット

(出所: 酒井、2008)

図４ バイオブリケット製造装置

(左: バイオブリケット製造装置、右: 装置内圧縮ローラー部)
### 2.3 熱供給システム

近年、中国では、北部を中心に都市部における集中熱供給システムが増加している。特に、北部では、冬期に地域熱供給による暖房を行っているため、新しい技術の導入も増えてきている。熱供給システムにおけるエネルギー源の大部分は石炭であり、集中熱供給による $ CO_{2} $ 排出は年平均10.3％で増加し、2009年の中国における $ CO_{2} $ 排出量の4.4％に相当する。また最近では環境対策を考慮して、都市における集中熱供給からの微粒子や $ SO_{2} $ 排出を削減するために、天然ガスによる熱供給への転換も積極的に推進している(Wang et al., 2011)。

熱供給方式は、①都市地域熱供給、②区域熱供給、③建築物単独暖房の3つの方式に分類できる(図5参照)。熱供給の主要な設備は、都市地域熱供給では石炭燃焼とガス燃焼のボイラーやコジェネレーションを、区域熱供給では、石炭燃焼とガス燃焼のボイラー、地熱ヒートポンプ、電熱ボイラーを、建築物単独暖房では、電気ヒーター、地熱ヒートポンプ、エアコン／冷凍機、石炭燃焼のボイラーである。2004年において、都市地域熱供給方式を採用している建築物が7割以上を占め、その都市地域熱供給システムにおいて、熱・電併給方式(コジェネレーション)とボイラー方式がそれぞれ5割ずつを占めている(NEDO、2009)。

さらに政府は、太陽光や太陽熱などの再生可能エネルギーの利用促進を進めるとともに、地中熱などの未利用エネルギーを活用したヒートポンプの利用促進も図っており、これらの事業に対する補助を実施している。2007年度における中国建設部のモデル事業においてヒートポンプを利用した空調床面積は約1600万 $ m^{2} $ に達する。また、地下水を利用したヒートポンプシステムが最も多く、全体の約4割を占める。一方で、地下水を直接汲み上げる方式のヒートポンプシステムにおいて地盤沈下が問題となっており、地方政府等により導入を禁止した地域もあるとの報告もある(NEDO、2009)。

例えば、北部の北京や藩陽市を例に熱供給について調査してみると、2009年における北京では、全集中熱供給量3.60億GJのうち、約88％にあたる3.18億GJは暖房ボイラーによって供給され、残りは、コジェネレーション暖房であるとの報告がある。そして、その利用されている暖房ボイラーの90％以上は石炭燃焼によるものである(Wang et al., 2011)。また、2008年の遼寧省藩陽市を例に、地域熱供給の割合を調査した結果では、熱電併給発電所が約23％、石炭ボイラーが約73％、その他約4％であり、その他の中で、地中熱ヒートポンプが約86.6％(全体の約3.4％)を占めている。藩陽市では、この地中熱ヒートポンプの供給熱面積を2010年には約6500万m²と拡大する計画である(日本貿易振興機構ほか、2009)。

そして、本研究にて導入の対象としている天津市の2007年における熱供給面積は1億6908万m²であり、10年間で4倍以上、毎年平均で約17％の増大となっている(中国統計年鑑、2009)。そのうち、約75.5％が都市住宅における集中熱供給である。天津経済技術開発区(TEDA: Tianjin Economic-Technological Development Area)では、2007年に「天津経済技術開発区省エネ・環境保護に関する暫定規定」および「天津経済技術開発区省エネ・環境保
護に関する実施法案」を施行し、また2008年4月に「天津経済技術開発区省エネ・環境保護に関する重点奨励カタログ(第一弾)」を発行して、建築物や設備機器の省エネについて独自の政策を展開している(NEDO、2009)。そのため、公共建築物（住宅、オフィス、商業施設等）において、熱供給の戸別計量装置を設置するよう改修した建築物を対象に財政資金を補助したり、地熱ヒートポンプ、再生水熱ヒートポンプ、地下水熱ヒートポンプなどの低温熱源を、暖房・冷房用の新型エネルギーとして利用するプロジェクトを対象に財政資金を補助したり、そして、排熱利用（冷房）を対象に財政資金を補助したりと様々な取り組みが行われている(表3参照)。

図 5 北部における一般的な熱供給方式と設備 (出所: NEDO、2009)

表 3 天津経済技術開発区(TEDA)における省エネに関する制度

項目	対象および補助内容
公共建築物における暖房熱計量のための改修	・対象：公共建築物(住宅、オフィス、商業施設等)に熱供給の戸別計量装置を設置するよう改修した建築物
・補助基準：改修投資額に応じて、世帯ごとに最高3万元の財政資金を補助
ヒートポンプ技術の導入	・対象：地熱ヒートポンプ、再生水熱ヒートポンプ、地下水熱ヒートポンプなど、低温熱源を暖房・冷房用の新型エネルギーとして利用するプロジェクト
・補助基準：地熱ヒートポンプ・再生水熱ヒートポンプについては暖房・冷房の面積1㎡あたり50元、地下水熱ヒートポンプの場合、35元の財政資金を補助
排熱利用(冷房)	・対象：工場等の排熱を、夏季の冷房エネルギーとして利用するプロジェクト
・補助基準：排熱利用による冷房の供給量により、プロジェクト事業者に300元/kWの財政資金を補助

(出所: NEDO、2009)
### 2.4 バイオガス

中国における農村の小規模なバイオガスの利用と普及は1970年代から始まっており、1990年代から農村地域で急速に拡大している。特に2000年以降、導入量が急速に増加し、2005年末時点で約1700万戸の農家がこのシステムを導入している(図6参照)。2007年までに、2650万のバイオガスプラントが導入されており、105億m³(標準炭換算約10億トン)のバイオガスが発生されていると報告されているが、農村地域の約19％のみでしか利用されていないというのが状況である(Chen et al., 2010)。そして2010年までに、農村における小型タイプのバイオガスの導入戸数を4000万戸、導入可能農家戸数に占めるシェアを28.4％とし、2020年までに70％にまで引き上げる計画である。そのため、現在、地域によって異なる様々なバイオガスプロジェクトが存在し、それぞれの農村地域で商業モデルとして確立している。バイオガスの利用は、地域格差の是正または持続可能発展という観点での農村開発において重要な政策手段と考えられており、中国政府も重点開発分野として指定している(Chew, 2007)。

中国の農村部や辺境地域においては、以前から麦ワラやトウモロコシの茎などを炊事や暖房等の生活用エネルギー源として利用する、いわゆる伝統的なバイオマス資源の利用が行われてきており、現在でもこのような地域では重要なエネルギー源となっている。そして、農村地域におけるバイオガスシステムでは、発酵槽を地下に作製し(図7参照)、生ゴミ、家畜や人の糞尿を溜めてメタン発酵を行い、発生したバイオガスは、ガスコンロや温水器や照明などの燃料として利用される。さらに、発酵槽内の液体と固体残渣は肥料として利用することができるために、農村地域に適した有効な技術である。バイオガスは、メタン約60％、二酸化炭素約40％、その他に微量の硫化水素、アンモニアなどから構成され、メタン以外に二酸化炭素などの不燃性ガスを含有しているために熱量が低く5000~6000 kcal/m³程度の熱量である。そのため、メタンを主成分とする熱量の高い都市ガスやプロパンガスより用途は限定される。メタン発酵では、タンパク質、脂質、炭水化物といった高分子の有機物が加水分解反応によって可溶性となり低分子化される。次に、酸反応によって揮発性脂肪酸に分解され、酢酸反応によって揮発性脂肪酸が酢酸に変換される。最後に、メタン発酵によって酢酸からバイオガスが生成される。このように農家において発生する生ゴミや家畜や人の糞尿を利用しているために、発生するバイオガスは非枯渇性の再生可能資源ということができ、農村地域などのインフラが整備されていない地域へのエネルギー供給システムとして注目されている。
図6 バイオガス装置の導入数とバイオガス発生量の変化 (1991~2005) (出所: Liu et al., 2008)

図7 バイオガスシステム(メタン発酵槽)
3. 天津市におけるバイオガス利用と熱供給システムの利用調査

### 3.1 天津市におけるバイオガス利用

2007 年農業部にて「全国農村メタンガスプロジェクト建設計画」を公表し、バイオガス導入が推進された。農村における家庭用メタンガスの利用には、「一池三改」と呼ばれる家庭用メタンガス槽の建設、トイレ、台所、暖房などの改造を同時に施工する方法に基づき、2010年までに4000万戸の農家に新設する勢いである。その他、家畜飼育場や養殖場などにおける中型・大型のメタンガス装置設置プロジェクトも進んでいる。

2007 年天津市における農村戸数は 119 万戸で(天津統計年鑑、2008)、バイオガス導入戸数と発生量の推算(Chen et al., 2010)から、1 戸あたり約 1.09 m³/日となり、1 m³ あたり 5000 kcal と仮定すると約 5450 kcal の熱量と推算される。また、2007 年の天津農村地域における石炭消費量は約 45 万トンであることから、石炭による 1 戸あたりの熱量は約 5178 kcal/日と推算され、さらに電力とその他による 1 戸あたりの熱量を計算すると約 4763 kcal/日である。

また、10 m³の規模のバイオガス装置導入に伴うコストは平均4000元(材料費:2000元、人件費:1000元、パイプ、ホース、ガスコンロなど:1000元)で、政府からの助成金が1600元、地方からの助成金が1000元であることがヒアリング調査により得られた。

### 3.2 現地調査

2010年10月10日、11日に天津市農村地域でのバイオガス利用の調査を目的として、西青区と薊県邦均鎮の民家における視察を行った。西青区農村地域における住宅内では、炊事や暖房に、低品位炭を使用している(図8参照)。また、農村地域では、収穫したトウモロコシを沿道脇にて乾燥させ、食用や飼料、また、トウモロコシ茎はすべてでは無いが、バイオマスエネルギーとして利用されている。

次に、薊県邦均鎮においても、農産物からのバイオマス(トウモロコシ茎など)残渣を確認した(図9参照)。これらのバイオマスは、トウモロコシであれば、芯部分は粉砕して飼料として、それ以外の部分は、燃料として利用している。民家においては、バイオガスを調理に利用しており(図10参照)、バイオガス発酵槽から得られた残渣は農産物の肥料としても利用している。

また、2010年11月23日に天津市都市地域における熱供給システムの状況調査も行った。地域内における供給パイプと熱供給用石炭ボイラーのようすを示す(図11参照)。
図 8 天津市西青区農村地域における住宅内における石炭利用

図9 天津市薊県邦均鎮でのバイオマス残渣
図10 天津市薊県邦均鎮での民家におけるバイオガス利用

図 11 天津都市地域における熱供給パイプと石炭ボイラー

### 3.3 まとめ

天津市の農村地域におけるバイオマス利用ならびにバイオガス利用の状況と都市地域における熱供給システムの現状を調査することができた。本研究では詳細を記載していないが(詳細は、鬼頭ら(2011)参照)、熱供給システムにおいては、天津市での環境・経済・健康に関するシミュレーションを行う上で必要となる発電所の位置や熱供給ボイラーの位置や様子などのデータも調査することができた。
4 導入シナリオにおけるシミュレーション

4.1 環境・エネルギー対策技術の導入シナリオにおける副産物発生量

本研究では、中野ら(2011)、鬼頭ら(2011)にて報告されている以下のシナリオ4において発生した脱硫石膏、バイオブリケット燃焼灰による塩類土壌改良と植林の効果、ならびにバイオガス残渣による肥料生産について検討する。

シナリオ1：生活用熱供給の拡大分をすべて石炭ボイラーによって賄うケース

シナリオ2：生活用熱供給の拡大分をすべてヒートポンプによって賄うケース

シナリオ3：生活用熱供給の拡大分をすべて石炭ボイラーによって賄うが、その燃料である石炭をバイオブリケットによって代替する。都市家計の生活用石炭消費のうち熱供給で代替されないものをバイオブリケットに代替する。加えて、農村家計の生活用石炭消費をバイオガスとバイオブリケットに代替するケース

シナリオ4：シナリオ3に加えて工業部門に簡易排煙脱硫装置を導入するケース

シナリオ3における農村家計の燃料転換は、生活用石炭消費のうち1/3が厨房用エネルギーとしてバイオガス、残りの2/3がバイオブリケットにそれぞれ代替されると想定している。また、バイオブリケットの導入の際には、生活用熱供給部門、都市および農村の家計消費における石炭消費量から代替されるバイオブリケット消費量を算出し、次に、このバイオブリケット消費量を所与として、費用最小化によってバイオブリケット製造装置の最適生産規模および必要台数を決定している(バイオブリケット製造装置の最適生産規模: 0.679 t/h、必要台数: 594台)(中野ら、2011)。なお、バイオブリケットによる脱硫率は、前述したとおり、67％と想定している。そして、バイオガス発生装置の規模は、一家3~4人に適している平均的な容積として10 m³を想定している。

シナリオ4における簡易排煙脱硫装置は、中小規模ボイラーを対象とし、水膜法(簡易湿式脱硫法)を採用している。なお、簡易排煙脱硫装置の脱硫率は、80％と想定している。脱硫装置の規模を決定するには、工業部門におけるボイラーの規模分布の情報が必要であるが、入手困難であるため、簡便的にいずれの工業部門においても中小規模ボイラーの容量は10 MWであると仮定し、それを導入する脱硫装置の規模としている(中野ら、2011)。その結果、220基の脱硫装置が導入できることが確認できた。

上記、中小規模ボイラーに簡易排煙脱硫装置である水膜法(10 MW)を導入し、稼働時間を7000時間と想定した場合における脱硫石膏の発生量は49.3万トンで、シナリオ4にて導入したすべてのバイオブリケットにおける燃焼灰の発生量は42.3万トンであった。
### 4.2 副産物利用による環境影響評価

中国は、国土面積は約960万km²と広大であるものの、沙漠化地域を含めた劣化土壌が広く存在するために耕地面积は少なく、食料問題対策としても沙漠化は解決すべき課題となっている。乾燥地および半乾燥地は、中国の国土全体の約52%にあたる約500万km²にも達し、年々、沙漠化は進行しており、1975~1987年の13年間では沙漠化進行面積が年間2100km²であったのが、1987~2000年の14年間では3600km²と急増していて(Tao and Wei,2005)、沙漠全面積は国土面積の約17.4%にあたる約167万km²との報告もある(周、2009)。沙漠化は北部および西部を中心に起こっていて、おもに内モンゴル自治区、吉林省、黒竜江省、遼寧省、新疆ウイグル自治区、河北省、陕西省、青海省の乾燥地および半乾燥地に広く分布する。また中国北部の沙漠化は、過耕作、過放牧、森林伐採、不適切な水資源利用や植生破壊、砂地の拡大などが要因になっており、大部分が人為的な要因によることがわかる(Tao and Wei,2005)。

このような中国における深刻な沙漠化の問題とこれまで記述してきた大気汚染の問題を解決するために、1996年より中国藩陽市、天津市、銀川市などを中心に、大気汚染と沙漠化の同時解決手法を提案して取り組んできた(Sakai et al., 2002、2004、2007、2011b、酒井ら、2010b)(図12参照)。具体的には、石炭火力発電所や工場からの排煙による大気汚染防止のために必要な脱硫装置からの副産物である脱硫石膏や、都市部以外の民生用の脱硫技術として有効なバイオブリケット燃焼後の燃焼灰を利用して沙漠化土壌改良を行ってきた。そして、現在は、中国の共同研究者の清華大学徐旭常教授らにより、上記以外にも、内モンゴル、吉林省、黒龍江省、青海省、甘肅省、新疆ウイグル自治区、山西省などにおいて検討しており、本技術が多くの地域において検討されている。

そして、上記の藩陽市の改良試験区よりもさらに北に位置し、内モンゴル自治区のカルチン沙漠の南に位置する康平県沙金台において、防砂と防風を目的としてバイオブリケット燃焼灰を利用した植林を行なった結果、活着率および生育率が向上したため、今後の温暖化対策を目的とした大規模な植林への技術として有用であることが確認され、温暖化対策植林にも応用可能と考えている。

一方、天津における土壌は渤海湾周辺の塩類土壌に分類され、耕地面积(約4856 km²)の約38％が塩類化している。その塩類化の原因としては、脱塩によるアルカリ化、地下水からの毛管現象による塩類化、灌溉水による塩類化などが挙げられる。特に、渤海沿岸域の土壌は塩化ナトリウムを中心とした多くの塩分を含有する。塩分の多い地域については、例えば、植物による脱塩を行い、その後、脱硫石膏により改良するのが効果的な方法の一つであると報告している(Sakai et al., 2011c)。このように、そのまま脱硫石膏を使用することができない地域があるにせよ、脱塩後には脱硫石膏を施用するために、ほぼ全域にて脱硫石膏を利用することになる。

簡易湿式脱硫法である水膜法からの副産物である脱硫石膏中の石膏含有量は82.6 wt%と、通常の石灰石石膏法(約88 wt%)のものよりはやや少ないが、半乾式脱硫法(約20 wt%)より
も含有量が多いため、改良のためにはこれまでと同様の施用量(11.6 トン/ha)で十分であると考えられる。また、バイオブリケット燃焼灰においては、上記脱硫石膏よりも石膏含有量が少ないことから、施用量を多くする必要があり、少なくとも23.1 トン/haは必要である(酒井、2003)。

よって、簡易脱硫プロセスから得られた石膏およびバイオブリケット燃焼灰による改良面積は、それぞれ、424.8 km²、183.3 km²と、天津市の塩類化している土壌の約23.0％、約9.9％を改良できるという試算であり、両方合わせれば、天津市の塩類化土壌の約1/3を改良できる。その結果、土壌環境の改善のみならず、農産物の増産にも繋がる。

1997 年から康平県で行われた湿式、半乾式脱硫石膏を利用した土壌改良試験では、試験区に湿式脱硫石膏を11.6トン/ha施用した場合に5年間の年平均値で2768kg/haのトウモロコシが生産された。これを使用して、天津における脱硫石膏を利用した土壌改良によるトウモロコシ増産量を計算する。バイオブリケット燃焼灰の場合には、2000年から開始した改良試験にて23.1トン/ha施用した場合の2年間のトウモロコシ生産量の平均値3668kg/haを利用して計算を行った。その結果、脱硫石膏とバイオブリケット燃焼灰による結果を合わせて、トウモロコシ生産量は約18.5万トンとなり、2007年の天津市のトウモロコシ生産量の約21.7％を占めることになる。

また、上記同様に、両方の脱硫副産物を利用して植林を行った場合には、5150万株の木を植えることができることになる。1999年より慶應義塾大学が中心となって行われた康平県沙金台でポプラの一種である楊により植林を行った場合には、年間5.46トン- $ CO_{2}/ha $ の $ CO_{2} $ が固定されたことから(早見ら、2004)、康平県同様にすべての面積に植林が行われた場合には、シナリオ4における技術導入後の $ CO_{2} $ 排出量(1億2164万トン- $ CO_{2} $ )の約0.27％にあたる約33.2万トン- $ CO_{2} $ が固定されることになる。ただし、藩陽市とは土壌や気象などの自然条件が異なるため、植物の生育状況も異なる可能性があり、天津市での詳細な評価を行うためには、さらなる調査が必要である。

バイオガスは、バイオマス利用によるエネルギー消費における石炭をはじめとした化石燃料使用量の削減に貢献するために、 $ CO_{2} $ 排出量削減にも貢献できる技術である。Liuらの研究によれば、 $ 10\ m^{3} $ の家庭用バイオガス装置にて、石炭利用の代替を仮定すると、年間で1.517トン- $ CO_{2} $ の削減を行うことができるとの試算から(Liu et al., 2006)、天津市のすべての農村に導入されれば、シナリオ4における技術導入後の $ CO_{2} $ 排出量(1億2164万トン- $ CO_{2} $ )の約1.46％にあたる約177.3万トン- $ CO_{2} $ の $ CO_{2} $ 排出が削減できると試算される。石炭からバイオガスへのエネルギー代替による $ CO_{2} $ 削減効果は、シナリオ4で想定した技術導入にともなう $ CO_{2} $ 削減および増加効果の一部として中野ら(2011)の結果に反映されているが、ここではLiuらのデータをもとに、エネルギー代替による $ CO_{2} $ 削減効果のみをボトムアップで算出したものを示している。

また、バイオガス装置から得られるバイオマス残渣が肥料として利用できるために農村における農産物の増加と肥料の経費削減の効果をもたらす。上述のように１戸あたりのバ
イオガス使用量は年間約 $ 402 \, m^{3} $ (約 $ 1.09 \, m^{3} $ /日として計算)で、バイオガス残渣としての肥料は約 $ 173 \sim 230 \, kg $ 得られ、農作物であれば約 $ 0.03 \, ha $ と天津市の農村地域における1戸あたりの耕地面积(2007)の約10％を賄うことができることが分かった。また残渣以外にも液肥としての施肥も行うことができ、今後、バイオガスの導入が推進されれば、 $ CO_{2} $ 排出削減効果のみならず使用肥料の削減効果ならびに、農産物の増加も期待することができる。

図 12 中国における大気汚染、沙漠化、温暖化対策へのアプローチ
## 5 おわりに

中国において都市部を中心に火力発電所など大型プラントには、排煙脱硫装置や電気集塵機などの大気環境対策技術の導入は進行しているが、都市部での中小規模工場、農村地域などの都市から離れたローカルなエリアでの中小規模工場や民家などにおいての大気汚染対策技術は不十分であり、今後の導入は喫緊の課題である。都市部の大気汚染に関しては、 $ SO_{2} $ 以外にも窒素酸化物(NOx)、浮遊粒子状物質(SPM)や微小粒子状物質(PM10、PM2.5)など都市型の大気汚染についての対策も必要となってきているが、都市以外のローカルなエリアにおいては、まだ大気汚染対策技術が十分に導入されていないため、呼吸器系疾患などの健康被害も多いのが現状である。このような状況は、大気汚染対策のみならず、水処理や廃棄物などの問題においても同様に抱える問題となっており、今後の対策技術の導入を迫られている。そして、このような対策技術に求められる条件としては、技術的に高度であり、経済的に導入できる要件を満たし、さらに導入にインセンティブが働くような対策技術が必要であると考えられる。また、都市以外の地域ではインフラの整備に必要なコストとエネルギーを考えると、小規模分散型の環境・エネルギー対策技術の導入も必要になってくる。

大気汚染対策技術としては、大規模プラント以外への簡易湿式脱硫装置、民生用脱硫技術として石炭バイオブリケット、またエネルギー対策技術としては、ヒートポンプ式熱供給システム、バイオガスに着目して、環境・経済・健康に対する評価を行った。本研究では、中国におけるこれらの技術についての現状を調査し、さらに導入のインセンティブになる可能性のある副産物利用による塩類土壤改良や植林への適用、また、肥料としての利用についての評価を行った。その結果、簡易湿式脱硫装置と石炭バイオブリケットから得られた副産物による塩類土壤改良では、天津市の塩類化している土壤の約1/3を改良できる量を得ることができ、土壤改良対策としての有用性と農産物の増加を確認することができた。また、それらの改良地域に植林を行った場合におけるCO₂削減量と、農村地域全域にバイオガスを導入した場合におけるCO₂削減量を評価した。その結果、両者ともに大幅なCO₂削減の効果が得られたわけではないが、植林やバイオガスがCO₂削減に効果的であることがわかった。また、バイオガス残渣の肥料としての利用も農家における農産物の増加と肥料コストの削減に寄与するため、今後の導入に期待できることが示唆された。さらに、植林とバイオガス技術に関する詳細なデータの収集や導入シナリオの検討を進めていく予定である。

今後は、都市以外のローカルエリアにおけるバイオマス資源を利用した環境・エネルギー対策技術についての導入の可能性を、環境・エネルギー評価のみならず、経済性、健康影響も含めた総合的な評価を行っていきたい。
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