アルコール燃料

アルコール燃料は、内燃機関などのエネルギー源として利用されるアルコールの総称。アルコール単独であるいは他の燃料と混合して使用される。最近の原油価格高騰および地球温暖化に対する関心の高まりを背景に、化石燃料を代替する燃料として注目が集まっている。特に、メタノール、エタノール、ブタノールおよびプロパノールについては、バイオマスから合成が可能で、現在普及している内燃機関の燃料としてそのまま利用できることから注目度が高い。

アルコール燃料のうち、メタノールは、主として天然ガスから合成されており、原油価格の高騰を背景に、石油を補う代替自動車燃料としての利用が模索されている。一方、エタノールは、主としてバイオマスから製造されているため、温暖化ガスの排出につながらないことや再生可能資源  で永続的に利用可能であることを背景に注目され、近年急速に普及をみせている。

1. 燃料としてのアルコール
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エタノールやメタノールは可燃性の液体であり、そのまま燃やして熱源として利用できる。とくに高純度のエタノールは、古くからランプやコンロの燃料となっていた。エタノールなどの低分子アルコールは酸素含有率が高く、煤が出にくいという利点があることから、現在でもこのような形でアルコールが燃料として利用されることは珍しくない。卓上コンロなどで利用されるアルコール固形燃料は、エタノールに酢酸カルシウムを混ぜる、またはステアリン酸を加えるなどの方法で液体のアルコールをゲル化させたもので、アルコールを直接燃やす方法の1つといえる。

アルコールは内燃機関の燃料としても利用される。20世紀初頭に石油から精製されるガソリンの供給が一般化するまではアルコールが内燃機関の主要な燃料であり、内燃機関の発明者であるニコラス・オットーもエタノールを燃料として利用していたとされる。1908年に発売され、自動車文明をもたらしたフォード・モデルTは、エタノールとガソリンのいずれも燃料として利用することができた。このような内燃機関の燃料としてのアルコール利用は、石油から精製されるガソリンが大量かつ安価に供給されるようになってから下火になったが、1970年代のオイルショック以降、石油、とりわけガソリンの価格が高騰するとともに息を吹き返し、最近では地球温暖化への関心の高まりを背景に一段と注目されるようになっている。

以上のほか、燃料電池に水素を供給する手段としてアルコールを用いることがあり、これもアルコールの燃料利用の一形態ということができる。

純粋なエタノールを燃料として利用する場合には、飲料への転用を防ぐため、メタノールなどを添加した変性アルコールの形で利用されることが一般的である。

1.1. 内燃機関とアルコール燃料
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初期の内燃機関の燃料としてアルコールが利用されていたことが示すように、内燃機関の燃料としてアルコールとガソリンは基本的に代替的である。このため、ガソリン価格の高騰といった経済的な理由から、あるいは、化石燃料の燃焼による温室効果ガスの排出を削減するという環境的な理由から、内燃機関、とくに自動車の燃料としてガソリンの代わりにアルコール燃料を利用しようとする動きが強まっている。

もっとも、アルコールはガソリンと比較して同一容積当たりの熱量が低く、ゴムやプラスチックなどを侵す性質がある。このため、ガソリンを燃料として利用することを前提に設計された内燃機関にアルコールを燃料として供給すると、十分に性能を発揮できないだけでなく、故障や火災を引き起こす可能性もある。アルコール燃料を生産・供給する際の資源消費や環境負荷を考えると、アルコール燃料の利用拡大は全地球的にみて望ましいことではなく、公共交通機関の利用推進など、自動車社会からの訣別を政策の中心に据えるべきであるとの批判も聞かれる。

以下、内燃機関の燃料として利用されることが多い、エタノールとメタノールについてやや詳しく検討する。以下の記述は世界的な動向に注目したもので、日本国内でのアルコール燃料の利用には法令上の制約があることには留意しなければならない。

1.1.1. エタノール
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エタノールは、サトウキビやトウモロコシといったバイオマスからの生産方法が確立しており、そうした方法による生産量が拡大していることもあって「環境に優しい」ガソリン代替燃料としてとくに近年注目されている。ガソリンと比較してノッキングを起こしにくいことから、ガソリンの改質剤として利用が拡大しているという事情もある。ガソリンとの混合燃料としては、エタノールそのものではなく、エタノールから生成したエチルtert-ブチルエーテルを添加したガソリンも広義のアルコール燃料と理解されている。

純粋のエタノールは、ガソリンと容易に混合する。このようにして作られる混合燃料については、エタノールの百分率で表した容積比をxxとして、Exxという形で品質が示される。たとえば、E10といえばエタノールを容積比で10 %含む燃料である。このようにエタノールとガソリンを混合した燃料は、ガソホールと呼ばれるが、エタノールとガソリンの混合比率は、国あるいは地域ごとに異なっている。

エタノールとガソリンは燃焼特性が異なるが、エタノールの混合比率が低い混合燃料の場合、純粋なガソリンを燃料として利用することが想定されている内燃機関で燃焼しても問題が生じにくいとされている。エタノール混合比率は、各国で普及している内燃機関の特性により上限値が左右される。古くからアルコール燃料の普及に努めていたブラジルはE25、米国はE10、日本はE3が安全性を確保できる上限としており、2007年4月末から東京都、千葉県、埼玉県で先行販売が開始されたエタノール由来成分混合ガソリンはエタノール由来成分の含有量が容積比で3 %相当となっている。

ガソリンのオクタン価向上剤としてかつて使われていたアルキル鉛は有害だったため代替のオクタン価向上剤が必要だったことと、アルコール/エーテルなどの含酸素燃料をガソリンに混和すると排出ガスの窒素酸化物濃度が下がるので、1990年代の欧米ではMTBEのガソリンへの添加が進んでいた。しかし、カリフォルニア州の田舎町で老朽化して穴のあいた地下タンクから漏洩したガソリンに添加されていたMTBEが、飲料に供されていた地下水に混和して飲用不適になってしまう事件が起こり、米国では2014年までにガソリンへのMTBEの混和は禁止され、MTBE代替のガソリン混和材としてエタノールの需要が急増した。

ただし、アルコールは水和物で一種の界面活性剤として働き、アルコール混和後の石油は水を懸濁しうるため、商品への水の混入を避けるため、エタノール/メタノール/ETBE/MTBEとも石油製品への混合後はパイプライン輸送ができない。米国では石油パイプライン輸送をする場合、末端の油槽所でブレンドするため別途エタノールを輸送せねばならない問題が発生している。

エタノールの混合比率が高い燃料を内燃機関の燃料として利用する場合には、点火時期などを調整しなければ十分な性能が発揮できない。いろいろな混合比率の燃料を利用できるようにした自動車は「flex-fuel vehicles」と呼ばれており、とくにブラジルで広く普及している。ブラジルの flex-fuel vehicles はE100まで対応できるのに対し、米国で販売されている flex-fuel vehicles はE85までの対応に止まっており、ここでも国ごとの違いが表れている。

地球温暖化対策などを念頭に、市中で販売されるガソリンに一定比率でのエタノール混合を義務づける国や地域が増えている。たとえば、ブラジルではE20が基本であり、米国でもコネチカット州やミネソタ州ではE10の販売が義務付けられている。

バイオエタノール用の穀物の作付面積が増大するにつれ、飼料用穀物の価格が高騰し、低所得者層の穀物の入手に影響が及びつつある。そこで各国ではおが屑や間伐材など、従来はバイオエタノールの原料として使用されてこなかった資源的な制約の少ない原料を元にバイオエタノールを製造する技術が開発中である。

セルロース細胞壁の分解は熱と化学処理を伴い、従来難しい問題で、セルラーゼで分解することも実施されていたが、前処理に手間がかかり大変であった。メリーランド大学カレッジパーク校のSteve Hutcheson はチェサピーク湾の沼地で発見されたバクテリアがアルコールを使用したバイオ燃料の使用が罪であると表明した。2009年現在では一部の学者による個人的見解として示されているだけであるが、公式にファトワーとして出されればイスラム国家ではアルコール燃料の使用が宗教的禁忌とされる可能性がある。だが、サウジアラビアは原油輸出国であり、国益の為に表明したと一般的に捉えられている。イスラム教がアルコール禁止をした理由は、飲料する事による喧嘩防止の為である。その為、拡大解釈とされている。

2. 脚注
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2.1. 注釈
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2.2. 出典
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3. 関連項目
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アルコール
バイオマス
バイオマスエタノール
サトウキビ
オイルショック
バイフューエル
マルチフューエル
ガイアックス
バイオディーゼル
ガソール

4. 外部リンク
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米国エネルギー省：[1].
米国エネルギー省： [2]. フレキシブル燃料自動車の情報を含む.
アメリカエタノール連盟： [3]. 擁護団体.
メタノール研究所： [4] レースカーにおけるメタノール燃料についての文献.
[5] - 1982年の成書、現在はオンラインでも発行。エタノールを使用できるようにガソリン車を改造する方法に関する情報.
[6] - 燃料としてのエタノールの生産から使用までを扱ったWebサイト。
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[8]
[9]
[10]この記事は英語版の記事"Alcohol fuel"からの翻訳を版元とした。