バイオ燃料
バイオ燃料(バイオねんりょう、Biofuel)とは生物体(バイオマス)を利用した燃料全般を言う。
直接燃焼させる他、用途に応じてアルコール燃料や合成ガス、コークス状やペレット状の固形燃料のように加工され、バイオマス発電や航空機、自動車、船舶など幅広い機械の燃料として使われる。
食用バイオマス(穀物など)を用いて製造するものを第一世代バイオ燃料、非食用のバイオマス(木質燃料や廃棄物)を用いて製造するものを第二世代バイオ燃料という。
再生可能エネルギーの一つとして扱われる。
バイオ燃料は石油のような枯渇性資源を代替しうる「非枯渇性資源」として注目されている他、地球温暖化問題によるCO削減要請の高まりもあって、カーボンニュートラルであるとして主に自動車や航空機を動かす石油燃料の代替物として注目されている。2016年9月にはICAO総会にて航空向けCO2排出量の削減に関する枠組みで合意がなされ、バイオ燃料への注目が集まって来ている。
ガソリンの代わりに、トウモロコシやサトウキビと言った安い穀物を発酵・濾過してアルコール(エタノール)を作り出し、乗用車・小型商用車用のガソリンを代替するバイオマスアルコール燃料として利用する。
穀物・廃糖蜜をアルコール発酵させて醸造する在来法と、食料にならない廃材/乾燥地生育植物であるサボテン・牧草・藁・トウモロコシ茎・間伐材のセルロースを熱や真菌で分解してからコリノ菌・酵母で醸造する第二世代セルロースエタノールがある。在来法は食料との競合問題がでているために、食料と競合しないセルロースエタノールの経済的生産法の開発が急がれている。最近RITEとHONDAが、セルロース法の大幅なコストダウンを可能とするRITE-HONDA法を開発し、出光興産と三菱商事が合弁で大型プラントを立ち上げる計画がある。
バイオマスアルコール燃料は、化石燃料であるガソリンより出力は劣るものの、向き不向きこそあれど、大抵の穀物は原料に出来るために原料を選ばないこと、安い穀物や、穀物の搾りかす(従来から産業廃棄物のことが多い)を使うことで、コストが抑えられること、硫黄酸化物や窒素酸化物の排出が極めて少ないこと、植物原料の燃料なので新たなCO2を作り出さないこと(カーボンニュートラル)などの長所がある。
アルコール燃料は、自動車の初期の時代から使われていた。第二次世界大戦末期、日本ではビール工場の全てを軍事用(飛行機・自動車用)として、アルコール燃料生産用に改造することに着手していたといわれる。石油が低価格で安定供給されるようになってからは注目されない燃料となっていた。しかし、1970年(昭和45年)のオイルショック以降、再びメタノールやエタノールといったアルコール燃料(バイオマス燃料)に注目が集まった。ブラジルでの実用化が有名だが、アメリカ合衆国でも、自動車燃料に10 %のアルコール燃料を含んでいるもの(E10 gas)が標準となっており、Gasohol (ガソホール/ガソール)と呼ばれることもある。
日本でも経済産業省が取り組みを始めた。2007年時点では、廃却処理に苦労しているサトウキビやサトウダイコンの搾りかす(バガス)を使ったプラントでの試験を行なう予定。そのほかでは、材木の廃材や雑草を原料とする方法など、できるだけ食料を使わない方向で研究が進められている。2007年4月27日よりバイオエタノールを含んだガソリンの試験販売が開始されており、ガソリン価格の高騰、地球温暖化への関心の高まりを受け注目されている。バイオ燃料E85(ガソリンにエタノールを85%混ぜた燃料:IPSJ)は、通常のガソリンよりもCOの排出が70%少ない。バイオ燃料が利用できるフレックス燃料車が広く普及しているブラジルで2007年5月、トヨタ自動車もバイオ燃料の使用が可能な自動車を発売した。
フルクトースやグルコースから製造する。エタノールよりもエネルギー密度が高く、水とも混じらず化学的にも安定。
大型のバス・トラック・建設機械・船舶・軍用車両用の軽油代替燃料である。ガソリン代替燃料が農産物/農林廃棄物のアルコール発酵を利用しているのに対して、バイオディーゼル燃料(BDF/BioDieselFuel)は一般の動植物油脂をそのままメタノール処理または水素化分解して製造する。
第一世代のBDFは植物油をアルコール処理してグリセリンを除去した燃料で、欧州では菜種BDFを軽油に5%前後混入して使用する例がある。日本で最近見られる廃食用油ディーゼル燃料も第一世代に属する。第一世代BDFは100%で使用した場合、燃焼力の強い触媒で排ガス処理をしないと粒子状未燃物が出やすいほか、コモンレールディーゼルの高圧噴射との相性の問題もあり、菜種/大豆油の場合は酸化しやすく、パーム油は低温固化しやすく、魚油はスラッジでエンジン焼付きが出易い等の問題がある。
第二世代のBHF(BioHydrocracking Fuel)とは、新日本石油が減圧軽油水素化分解装置を使って動植物油を分解するプロセスを試験して得られた、GTL同等の高品質のディーゼル燃料を指す。燃料中の酸素分が除去されて未燃の問題が、ワックスが分解されて固化の問題が改善するほか、グリセリンが分解されてグリセリンの廃棄問題が解決して、歩留まりも改善する。但し水素化分解装置は、石油精製残渣油水素化分解装置の転用が利くものの、大規模な設備投資を必要とする。なお、船舶用エンジンでは元からA重油など低級な燃料油が使われていた事もあり、漁船用に魚油の生焚きも検討されている。
航空機用ジェット燃料、軍艦/戦車用ガスタービン燃料、コジェネレーション用マイクロガスタービン燃料として灯油、ジェット燃料、軽油を代替する。航空機用燃料としては1kgあたりの発熱量が高いことが絶対条件で、アルコールは発熱量が低いため使えず、動植物油かGTLが考えられている。陸海軍用はkg発熱量はそれ程重視されないが、戦闘中に引火しない事が条件のため、やはりアルコールは不適格と考えられている。
ヴァージン・アトランティック航空がココナツ油等を、ニュージーランド航空がナンヨウアブラギリ油を航空燃料の混和材として使用する試験を開始した。
2009年1月JALが747の4基のエンジンの内、1基の燃料に従来の燃料50%にバイオ燃料50%を使用した「JALバイオ・フライト」として空のエコ活動を実施した。但し、JALは経営再建と効率化推進の為、2011年03月に全ての747を引退させた。
第一世代バイオ燃料ではサトウキビやトウモロコシを原料としてバイオエタノールを製造していたが、これらの穀物の栽培により、飼料用穀物の作付面積が減り、穀物相場が高騰していた。第二世代バイオ燃料では藻類等のバイオマスや古紙・古着、おが屑や牛糞などの廃棄物に含まれる有機物を分解することによってバイオ燃料を製造する。そのため、資源的な制約が無く、需要が増えても穀物相場には影響を与えにくいが、その反面、収率が低く、原材料は安いものの、熱量あたりの製造費用が高くなる可能性がある。2013年以降、各地でプラントが建設されつつあるが、セルロースの発酵のために超臨界水を使用するなど、ハードルが高い事が普及の妨げになっており、近年の原油相場の下落により、滞っている。
日本国内ではおからを原料にしたバイオエタノール精製への取り組みも行われており、静岡油化工業株式会社は、2008年3月から、現在産業廃棄物として処理されているおからを再利用したバイオ燃料の製造を開始している。
セルロース細胞壁の分解は熱と化学処理を伴い、従来難しい問題であった。また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(サッカロファガス デグラダンス)が強力なセルロース細胞壁の分解能を有する事を突き止めた。Zymetis社ではさらに効率よく糖に変更するために遺伝子を組み換えて、72時間で1トンのセルロースバイオマスを糖に変換できる事を実証した。
また、シロアリの消化器官内の共生菌によるセルロース分解プロセスがバイオマスエタノールの製造に役立つ事が期待され、琉球大学や理化学研究所等で研究が進められる。
また、世界中の池や湖などに生息し、自ら油を生成する藻の一種「ボトリオコッカス」を培養、抽出した油をバイオ燃料とする研究も行われている。同じく藻のオーランチオキトリウムの研究も盛んになっている。株式会社ユーグレナ (企業)は同じく藻のミドリムシから採れるバイオ燃料を使って実用化を2020年までに目指している。ミドリムシは好気的条件下では多糖で楕円形や円形の板状の結晶構造を作るパラミロンを貯蔵する。嫌気的条件下に置くとワックスエステル発酵によりパラミロンがミリスチルミリステートを主成分とするワックスエステルを生成する。倍加時間は約12時間であり、ユーグレナ細胞自体が大きいため単位時間あたりのバイオマス生産量が大きいことがバイオ燃料源としてミドリムシが着目されている主な理由だ。その他、40%の高濃度二酸化炭素条件下でも培養可能な炭酸ガス耐性や放射性物質への高いストレス耐性を持つこと、pH3の酸性培養での培養化が可能であることなどの特徴を持っている。
生成されたワックスエステルから作られる燃料は低温でも固まりにくい性質を持っているため、ジェット燃料の規格に適している。
横浜市にバイオジェット燃料製造実証設備を建設し2019年から商用フライト用のバイオジェット燃料を生産する計画であるとしている。
ユーグレナ社はエアロジーラボと共同で沖縄県竹富島と石垣島の間でミドリムシ由来のバイオ燃料を使用したドローンの実証実験を行った。ドローンは約5.5kmの距離を高度100mで約15分間飛行し、最大飛行時間は150分で最大重量は4kgの荷物運搬が可能である。
下水処理やリンなどの資源回収等の付加価値をつけることで見かけ上のコストを削減する方法も検討されている。
メタン菌による嫌気発酵により有機物を分解してメタンガスを生成する。主に下水や生ごみ等、主に廃棄物が原料となるのでバイオエタノール等の作物を原料として使用するバイオ燃料よりも資源の制約が少なく、既存の処理施設を改造する等、比較的少ない投資で実現可能である。また、下水処理施設等で生成されるメタンガスは地球温暖化の原因ともなっており、有効利用することによって一石二鳥の効果が見込まれる。
バイオ水素は水素生産菌や光合成細菌によって生成されるバイオガスである。シロアリの消化器官内にいる共生菌の中には水素を生成する菌がいる事が確認されている。
植物由来のあらゆる廃材を高温高圧で石炭に似た物質に変化させ、固形燃料として利用する。発酵を伴わず製造時の廃材のエネルギー損失がほぼ0で、原材料と比べ体積が5分の1以下になり、化学的に安定しているなど様々な利点がある。コークスの代替として既に実証段階に入っている。
バイオ燃料が普及する、あるいは増産するに当たり、以下の課題が存在している。
上記の通り、バイオ燃料は植物を利用する(有力なのがサトウキビ、小麦、トウモロコシ等である)。大量に増産するには当然ながら作物が大量に必要となるが、特に政策などで推奨するなどしない限り、作物の耕作面積が急速に増えることはありえない。生産量が上がっていない状態で需要だけが伸びることにより、穀物の値段の高騰を引き起こしており、供給が不足するのではないかという懸念がある。また、バイオ燃料に使用される作物への転作が行われることで、バイオ燃料としては不向きな作物も高騰、不足に陥る可能性がある。特に日本の場合、食料自給率は40%程度(カロリーベース)であり、燃料に回す分があるのかという指摘もある。これらにより食用作物以外での生産が望まれ、第二世代バイオ燃料が開発されている。
現在のところ、生産コストがガソリンのそれよりも幾分高く、日本の税制上、ガソリンと同じ扱いを受けるため、販売価格が高くなってしまう。2007年4月からの試験販売では、ガソリンとの差額分を経済産業省、石油連盟が負担している。
バイオ燃料そのものはCO排出量は減ると言われているが、生産プラントの建設や、生産、輸送(2007年7月現在、日本で販売されているバイオ燃料はフランスから輸入されている)の各段階でどれほど燃料が消費され、CO2が排出されるか、実際に大量に生産を始めてみなければ分からない。プラント建設、あるいはバイオ燃料の元となる穀物を栽培する用地確保の為に森林を伐採する等、生産から使用までトータルで計ると環境に悪影響を及ぼすとする意見もある。ただし穀物用の畑については現在各地で農家の引退や生産者の不足などを理由に土地が余っている傾向にあり、宮城県登米市ではバイオ燃料用に休耕田で多収穫米試験栽培が始まっており、コストダウンが最大の課題だという。
バイオ燃料はその特性上、熱に弱く、一定温度以上の場所に置いておくと酸化されてしまう性質がある。ゆえに保存場所や容器等を選ぶ側面があるため、自動車や飛行機等の燃料として利用する場合、燃料タンクの改良が必要になる可能性もある。これらの問題もバイオ燃料の生産コストを引き上げる要因となっており、大量生産に繋げる為にはハード面の技術革新も同時並行で進める必要がある。また将来的に採算性がとれるかどうかは実際にやってみないことには分からない為、進化した先の未来像を予測することは困難である。
一般の燃料に比べ亜酸化窒素(N)の放出量が2倍である。NはCOの約310倍の温室効果を持つため、地球温暖化を防止するどころか、かえって地球温暖化を促進させるのではないかとパウル・クルッツェン博士などが指摘している。
地球温暖化は複数種の温室効果ガスが引き起こしているという面がある。その為、CO2だけを削減したとしても結果的にそれが問題の解決に繋がるかと言えば、必ずしもそうとは言えない実情がある。よって、電気自動車やバイオ燃料に頼るだけでなく、総合的な温室効果ガスの削減が実現できなければ、地球温暖化問題の根本的な解決に繋がらない恐れがある。