バイオマスエタノール
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バイオマスエタノール(Biomass Ethanol)、またはバイオエタノール(Bioethanol)は、産業資源としてのバイオマスから生成されるエタノールを指す。一般には内燃機関の燃料としての利用を意識した用語である。
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[編集] 概要
バイオマスエタノールとは、サトウキビやトウモロコシなどのバイオマスを発酵させ、蒸留して生産されるエタノールを指す。エタノールは石油や天然ガスから合成することもでき、そうして生産されるエタノールを合成エタノールと呼ぶが、合成エタノールに対する概念は発酵エタノールまたは醸造エタノールであり、バイオマスエタノールという語は、エネルギー源としての再生可能性やカーボンニュートラル性を念頭において使われる。
バイオマスエタノールは、再生可能な自然エネルギーであること、および、その燃焼によって大気中の二酸化炭素量を増やさない点から、エネルギー源としての将来性が期待されている。他方、生産過程全体を通してみた場合の二酸化炭素削減効果、エネルギー生産手段としての効率性、食料との競合、といった問題点も指摘されている。
[編集] 原料
バイオマスエタノールの原料は、理論的には炭水化物を含む現生生物由来の資源であれば何でもよい。しかし、生産効率の面から糖質あるいはデンプン質を多く含む植物資源が選好されており、現在では主に次のような農産物が原料として利用されている。ブラジルではサトウキビに由来するモラセスが、米国ではトウモロコシが、欧州では甜菜が主な原料となっている。
なお、バガス、パルプ廃液、廃材木、もみ殻・稲藁など、多様な植物由来資源に含まれるセルロースなどの多糖類を分解して原料とする研究が進められているが、2007年の時点では実証プラントが操業を開始した段階であり、商用化には至っていない。これらの原料は、使用価値の低い物から燃料を作ることができるので、今後の展開が注目される。
[編集] 製造工程
まず、植物由来の原料から何らかの方法で酵母が代謝できる糖を得た後、酵母によるアルコール発酵で低濃度のエタノール溶液を生成する。その低濃度溶液を蒸留して95%程度のエタノール濃度とし、さらに分子篩などを使って精製（脱水）することで（ほぼ）純粋なエタノール（無水アルコール）が生産される。なお、燃料として利用される場合には、飲料への転用を防ぐため出荷時にガソリンなどが添加される。
エタノール製造工程から生じる副産物には二酸化炭素や発酵滓などがあるが、これらの副産物の活用が進められており、原料がほとんど無駄なく活用できるようになっている。
[編集] サトウキビを原料とした製造工程
サトウキビは酵母が代謝できる糖を多く含んでいるため、バイオマスエタノールの原料として適している。もっとも、一般的にはサトウキビの絞り汁をそのまま発酵させるのではなく、精糖を分離した後のモラセス（廃糖蜜）が発酵原料となる。
サトウキビを原料としたエタノール生産工程において特筆すべきは、副産物であるサトウキビの絞り滓（バガス）と蒸留廃液（ビナス）の利用である。バガスは主として植物繊維であるが、サトウキビの処理工場では熱源として活用されている。バガスの燃焼によって得られるエネルギーは精糖およびエタノール生産工程に必要なエネルギーを超えており、自家発電装置を備えたエタノール工場の中には地元の電力会社への余剰電力の売電によって収入を得ているところもある。また、バガスを製紙原料として活用したり、それ自体を分解してエタノールの原料とする研究も進んでいる。
ビナスは高温、強酸性かつ高BODの廃液であるため、河川に投棄されると深刻な公害問題を発生させる。これを防止するため、最近ではこれを他の工場排水と混合して希釈し、サトウキビ栽培の肥料として活用する努力がみられる。
[編集] トウモロコシを原料とした製造工程
トウモロコシをバイオマスエタノールの原料とする場合、トウモロコシの実に含まれるデンプンを酵母が代謝できる糖に糖化する工程が必要になる。トウモロコシの実からはもともと高純度のデンプンを効率よく取り出すことができるが、最近では乾式製法（下記参照）によるエタノールの生産により適したハイブリッド品種が開発され、エタノール生産の効率性向上に貢献している。
トウモロコシを原料としたバイオマスエタノールの生産には湿式製法（wet milling）と乾式製法（dry-grind process）とがある。湿式製法は、トウモロコシの実を水と亜硫酸ガスに浸した後で粉砕し、デンプン、グルテン、繊維質、胚などに分離し、それぞれを加工する方法で、加工工程で得られるデンプン溶液が糖化され、発酵原料となる。これに対し、乾式製法ではとうもろこしの実を乾燥した状態で丸ごと製粉し、その粉に水を加えたマッシュを糖化・発酵させる。最近では工程の標準化もあって乾式製法のコストが下がっている結果、米国で新設されるトウモロコシを原料とするバイオマスエタノール工場はすべて乾式製法の工場である。
湿式製法にせよ乾式製法にせよ、副産物として飼料などが生産されるので、バイオマスエタノールと食料との競合という場合にはどのように競合しているか注意が必要である。たとえば、トウモロコシから生産される飼料はトウモロコシに含まれるタンパク質（グルテン）が主な原料となっており、エタノール生産のためにトウモロコシの処理量が増えれば自動的に増産される。また、食用油（トウモロコシの胚芽油、いわゆる「コーン油」）についても、湿式製法でエタノールを生産する場合には、副産物として生産され得るので、エタノールの増産が食用油の増産につながる可能性がある。他方、乾式製法においても、食用油のような有用成分を発酵滓から分離する研究が進められている。
なお、湿式製法においては発酵滓が「distillers grains」と呼ばれる飼料として利用されており、これがエタノール生産の採算向上に貢献している。反面、飼料としての鮮度保持のために滓を乾燥させる過程で多くのエネルギーが消費され、最終的なエネルギー収支を悪化させている。
[編集] セルロースを原料とした製造工程
バイオマスからセルロースを分離し、セルロースを酵素を用いて糖分に分解し、微生物によってアルコール変換する方法である。セルロース系バイオマスからのエタノール生産に関しては、地球環境産業技術研究機構と本田技術研究所がコアとなる製造技術を発表していたり[1]、独立行政法人産業技術総合研究所が実証実験を行ったり[2]している。米国でも、ブッシュ大統領がスイッチグラスという草を利用したバイオエタノールの生産について一般教書演説等で何度も言及をし、予算をつけている。エタノール燃料を大規模に導入するためには、セルロースからのエタノール製造が必要になるのはほぼ確実であるとサイエンス誌にも記事が掲載されている[3]。
[編集] 内燃機関の燃料としての特性とその利用
エタノールは、酒類に含まれるなど、多様な形で利用されているが、内燃機関の燃料以外の用途で利用されるエタノールをバイオマスエタノールと呼ぶことはまずない。したがって、ここではバイオマスエタノールの内燃機関の燃料としての特性と利用方法について説明する。
[編集] 特性
バイオマスエタノールには内燃機関の燃料としてのいくつかの好ましい特性がある。
- 再生可能な生物（植物）資源から生産されるために理論的には無尽蔵なエネルギーであること。
- 燃焼しても地表の循環炭素量を増やさないこと。
- 内燃機関での燃料として利用する場合、ガソリンと比較してノッキングが発生しにくいこと。
- ガソリンと混合しやすく、ある程度の混合比までであれば既存のガソリン内燃機関を改造なしに利用し続けられること。
他方、次のような好ましくない特性もある。
- 同じ量のガソリンと比較して熱量が約34%小さいこと。
- 燃料供給装置の中のゴム製、プラスチック製や内燃機関に使用されているアルミニウム製の部品を腐食する可能性があること。
- アルコール系物質は水との親和性が非常に高い為、燃料タンク内と外気の温度差によって発生した結露水と結合し、水分を高温高圧な燃焼室へ送り込み腐食を急激に早める可能性があること。
- 現行の内燃機関でのガソリン燃焼と比較して人体に有害とされるNOｘ系物質が多く排出されること。
近年バイオマスエタノールが内燃機関の燃料として注目されている背景としては、地球温暖化の対策の一環として温室効果ガスの1つである二酸化炭素の排出削減に対する関心が高まっていることを指摘できる。バイオマスエタノールに含まれる炭素は植物の光合成によって固定された大気中の二酸化炭素に由来することから、エタノールの燃焼によって二酸化炭素が大気中に放出されても地表に存在する炭素の総量は変化しないと考えられている。炭素が循環するに過ぎないという意味でこの考え方をカーボンニュートラルという。ただし、生産過程でエネルギー源として化石燃料が使われ、石油や石炭から合成される肥料や農薬が原料となる植物の栽培において使われる可能性があるので、生産過程まで含めると完全にカーボンニュートラルでない可能性が高い。
なお、温室効果ガスの削減という面では、稲わらなど、通常は廃棄されてやがて腐敗する植物性資源がエタノールの原料として実用的に利用できるようになれば、腐敗する植物から放出されるメタンの削減を通じた温室効果ガスの削減も期待できる。
バイオマスエタノールの利用については温暖化ガスの排出削減効果という文脈で議論されることが多いが、利用の是非を考えるに当たってはそれ以外の有用な特性（上記参照）も考慮しなければならない。
[編集] 燃料としての利用法
バイオマスエタノールを内燃機関の燃料として利用する場合、エタノールのみで利用することもガソリンなど他の燃料と混合して利用することもできる。一般的に、ガソリンと混合した場合、エタノールの混合比率によって「Exx」（xxは百分比で表したエタノールの混合量）と表記される。たとえば、E10とはエタノールを容積比で10%含む混合燃料である。このほか、エタノール混合燃料ではないが、バイオマスエタノールから生成されたエチルターシャリーブチルエーテル（ETBE）という添加剤をガソリンに混合したものも広い意味ではバイオマスエタノールの燃料利用の一形態とされている。
バイオマスエタノールを燃料とする内燃機関は、構造的には純粋なガソリンを燃料とするものと同じで差し支えない。とくにエタノールを低濃度で混合した燃料の場合、純粋なガソリンを燃料として利用することを想定した内燃機関で燃焼させても問題が生じないとされる。とくに対策を講じることなしにどの程度のエタノール混合まで許容できるかは社会にどのような内燃機関が存在しているかに左右されるため、一概に線を引くことはできない。たとえば、米国で現在走行しているガソリンエンジン自動車についてみるとE10までは許容できるとされており、米国の一部の州ではE10の販売が義務付けられている。また、現在ブラジルで販売されている標準的な自動車用エタノール・ガソリン混合燃料は、E20である。これに対し、日本では総合資源エネルギー調査会燃料政策小委員会が、2003年6月25日にエタノールは混合率3%まで（E3）なら自動車に使っても安全という結論を出している。
エタノールの混合比率が高くなると、内燃機関の圧縮比や燃料への点火システムなどを調整しないと十分な性能が得られない。これは、エタノールはガソリンと比べノッキングを起こしにくい反面、容量1単位あたりの熱量が低いことに起因する。また、エタノールの腐食性への対策も必要である。ブラジルではこのような対策を施し、純粋エタノールから純粋ガソリンまでどのような混合比の燃料を利用しても十分な性能が得られる自動車（「flexible-fuel vehicles」と呼ばれている）が販売されており、近年では国内自動車販売のほとんどを占めている。
なお、バイオマスエタノールをガソリンと混合して内燃機関の燃料とする際には、エタノールとガソリンが相分離することを防ぐため、水分が混入しないようにしなければならない。これに対し、エタノールのみを内燃機関の燃料として利用する場合（E100）にはある程度の水分が残存していても差し支えなく、実際、ブラジルで販売されている純粋エタノール燃料はエタノール蒸留後の脱水工程を省いたもので、5%程度の水分が含まれている。
[編集] 世界各国におけるエタノール燃料の利用
- 日本では、政府全体が「バイオマス・ニッポン総合戦略」に取り組んでおり、輸送用燃料におけるバイオマス由来燃料の普及を目指す下で、ETBE（上記参照、バイオマス由来ガソリン添加剤）、E3などの導入が推進されている。2010年度に原油換算で50万kl相当のバイオ燃料を輸送用燃料として導入する目標が立てられており、そのうちの21万kl相当分の実現について協力を求められた石油連盟では、同量のETBE供給を目指して態勢整備を開始した。2007年4月にはその第一歩として、首都圏50か所のガソリンスタンドにおいてETBE混合ガソリンの供給が始まった。[1]また2007年10月からは、沖縄県宮古島において大規模なE3実証実験が行われようとしたが、結局反対により失敗した。さらに、E3よりも高濃度のエタノール混入に対応するため、国土交通省では、E10対応の車両の安全・環境性能に関する技術指針の整備も進めている。
- 米国では、2005年エネルギー政策法によって2012年までに生物資源由来の燃料の使用量を75億ガロン（約0.28億kl）まで増やすことが定められたが、そのかなりの部分がバイオマスエタノールでまかなわれるとみられている。また、ガソリンの改質材として広く利用されてきたメチルターシャリーブチルエーテル（MTBE）が環境問題を引き起こしたことから、代替的な改質材としてエタノールの利用が拡大している。このほか、州レベルでみると、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。
- ブラジルでは、サトウキビ栽培が盛んでバイオマスエタノールが国内で供給できることから、1970年代初の石油ショックの際にプロアルコール政策（1975年～）が策定され、自動車へのエタノール燃料の普及が進み、一時は国内で走行する自動車のほとんどが純粋エタノール燃料を利用していた。ところが、1990年代の原油価格低迷と同時期にエタノール供給が混乱したこともあり、ブラジル国内では一転して純粋ガソリン燃料を利用する自動車が主流になってしまった。その後、2000年代に入り原油価格が再度上昇するようになると改めてエタノールの自動車燃料への混合が義務付けられるようになった。現在では、様々なエタノールとガソリンとの混合比率に対応可能なflexible-fuel vehiclesが人気を集めるようになったが、逆にエタノール供給が増加する需要に追いつかなくなり、エタノールの混合義務が25%から20%に引き下げられるという皮肉な結果を招いている。
[編集] 問題点
バイオマスエタノールは、再生可能な自然エネルギーであり、燃焼させても地表の循環炭素量を増やさないと同時に、既存の化石燃料の供給インフラや利用技術を大きく変更せずに利用できるため、地球温暖化に対する関心が高まる中で代替燃料として注目されている。しかし、仮に地球上の全耕地面積でエタノールの原料を栽培してエタノールを生産しても、現在消費されているガソリンを置き換えることができない[要出典]ことや、バイオマスエタノールの利用を拡大していくにつれ発生する問題の大きさを考えると、バイオマスエタノールを中心的な代替燃料として想定することは適当ではないという意見も強い。このようなバイオマスエタノールの代替エネルギー源としての妥当性に懐疑的な立場からは、米国などにおいてエタノールの生産に多額の補助金が投入されていることも強く批判されている。
バイオマスエタノールの問題点としては、大きく分けて、排気ガス、インフラ、再生可能な代替エネルギーとしての適格性、エタノール原料の生産過程における環境破壊の可能性、および、エタノール原料と食料との競合がある。
[編集] 排気ガス
バイオマスエタノールは、完全に燃焼させれば二酸化炭素と水になるので、理論的にはクリーンエネルギーといえる。しかし、内燃機関で燃焼した場合の有害物質の発生についてはNOｘ等がガソリン燃焼より多く排出される等のデータがあり、今後の課題とされている。
[編集] インフラ
バイオマスエタノールの供給・利用には既存の石油系燃料向けインフラをほぼ転用できるとされているが、新たな対応が必要な部分もある。
- 蒸気圧
エタノールは水分と融合しやすい。そのため、ガソリンとの混合燃料におけるエタノールとガソリンとの相分離を防ぐため、水分の混入防止対策を強化することが必要である。エタノール直接混合ガソリンに水が混入すると、蒸気ガスが増加し、光化学オキシダントが多く発生する可能性がある他、エンジン等の部品を傷めることも懸念される。そのため、エタノールをイソブチレンと反応させてETBEとすることで、この問題を回避させる動きもあるが、現在販売されているバイオガソリンに使用されているETBEはフランスからの輸入品に頼っている。
- 腐食性
エタノールには腐食性があるため、現在ではパイプライン以外の輸送方法をとらなければならない。結果として米国ではエタノールの鉄道輸送が拡大しているが、輸送中の事故によって沿線住民に被害が及ぶリスクの増大が懸念されている。
[編集] 代替エネルギーとしての適格性
- カーボンニュートラル
バイオマスエタノールの原料を生産するためには、農業機械を動かし、肥料や農薬を投入しなければならない。また、原料からエタノールを生産する際にもエネルギーが必要である。仮にこうした投入資源やエネルギーの相当量が原油や石炭などの化石燃料に由来する場合、バイオマスエタノール自体はカーボンニュートラルであっても、生産から消費までのすべての過程を通じてみれば追加的な二酸化炭素が放出されている可能性は否定できない。そのため、バイオエタノールの生産方法別によるライフサイクルＣＯ２によって評価をする必要がある。
- エネルギー収支
バイオマスエタノールを燃焼して得られるエネルギーよりもエタノールを生産する過程で投入されるエネルギーの方が大きい可能性がある。別の自然エネルギーや化石エネルギーを使ってまでバイオマスエタノールにエネルギー源を変換する必要があるかどうかを検討しなければならない。
トウモロコシを原料とするバイオマスエタノールの場合、2002年7月に公表された米国農務省の報告書によればエネルギー収支は1.34とされている。すなわち、エタノール生産に投入されたエネルギーの熱量を1とすると、生産されたエタノールの熱量はその1.34倍になるということである。これに対し、ガソリンのエネルギー収支は0.74程度とされているので、トウモロコシを原料としてエタノールを生産すると効率性が8割程度向上するということもできる。
サトウキビからバイオマスエタノールを生産する場合には、サトウキビが光合成効率の高い作物であることに加え、サトウキビからエタノールを生産する過程で追加的なエネルギーの投入が必要ないこと（製造工程の項参照）から、トウモロコシよりも高いエネルギー収支が達成される。最近の研究では8から9というきわめて高い数字が挙げられている。[要出典]
- 技術開発による改善
上記に挙げたトウモロコシ由来エタノールのエネルギー収支についてみると、1995年の米国農務省報告書では1.24という数字が示されており、技術進歩による効率改善があったことがうかがわれる。また、トウモロコシ由来エタノールの生産過程で消費されるエネルギーの3分の1が発酵滓を飼料として利用するために乾燥する過程で消費されていることを考えると、乾燥過程を省くために飼料を利用する畜舎や鶏舎がエタノール工場の付近に立地するようになるだけでかなりの効率化が期待できる。さらに、植物のセルロース成分を分解してエタノールを生産する技術が実用化され、現在は廃棄物として投棄されているトウモロコシやサトウキビの葉、あるいは、トウモロコシやサトウキビよりも栽培効率の高い植物からエタノールが生産されるようになれば、エネルギー効率が一段と改善すると期待されている。
[編集] 環境破壊の可能性
バイオマスエタノールの原料となる作物を増産するために野放図な開墾が行われる場合、作物の生産過程で農薬や肥料が過剰に投入される場合、原料からエタノールを生産する工場の廃棄物対策が十分でない場合などには、バイオマスエタノールの生産が拡大されることによって生態系が破壊され深刻な環境問題が発生する可能性がある。
もっとも、バイオマスエタノールの推進側は、エタノールがクリーンな自然エネルギーであることを標榜していることもあって、こうした環境問題には敏感であり、問題解決に向けた動きがみられる。たとえば、サトウキビの処理過程で生じる高BODの廃液（ビナス、製造工程の項参照）については、かつては深刻な河川汚染の原因となっていたが、最近では再利用が進められている。
サトウキビの生産適地とされる地域はサンパウロ周辺であり、今後の栽培地拡大もこの地域が中心になると考えられている。
[編集] 食料との競合
2007年1月、トウモロコシの価格が1ブッシェル（約21kg）あたり4米ドルを突破したが、これは2004年から2006年にかけての平均価格のほぼ2倍の水準である。また、砂糖の価格も同時期の比較で2割ほど高くなっている。この間、トウモロコシやサトウキビがバイオマスエタノールの主要原料となっており、バイオマスエタノールの生産量が増勢を維持していることを背景に、バイオマスエタノールの増産が原料となる農産物の価格高騰を招きエタノールと食料との競合が生じているという見方が広まった。とくに米国におけるトウモロコシを原料とするバイオマスエタノールの生産には多額の補助金が支出されているため、補助金を支出してまで食料品を燃料に転換することで食料品価格を上昇させることはないという批判が聞かれた。
このような批判は、バイオマスエタノールの商業的な生産が増加することによってバイオマスエタノールの原料となる作物に対し追加的な需要が生じているとみられることを考えると一定の説得力がある。たとえば米国の場合、平年のトウモロコシ生産量の15%がエタノールの原料となっている（2006年）。トウモロコシのような農産物の場合、需要の増加に対応して供給が増加するためには最低でも翌年の生育・収穫期まで1年の時間が必要であることを考えると、たとえ需要の増加がわずかであっても大幅な価格の上昇を招くことはあり得ないことではない。また、他の作物からバイオマスエタノールの原料作物に転作する生産者が増加すれば、転作によって供給が減少する作物（とくに大豆）の価格が今後高騰する可能性も指摘されている。
もっとも、作物の価格上昇が末端の消費者向けの食品価格にどのように影響するかを判断することは容易ではなく、食品価格の上昇をすべてバイオエタノールの増産によって説明することには無理がある。たとえば、現在米国において主流となっている乾式製法によってトウモロコシからバイオマスエタノールを生産する際には、エタノールのほかに発酵滓由来の飼料が生産され、そうした飼料の生産量は8百万トンに達している（2006年）。この場合、トウモロコシの価格とは、生産されるエタノールと飼料の価格の合計からそれぞれの生産コストを引いたものにほかならず、最近のように原油価格が高騰し、燃料としてのエタノールが高値で取引される可能性のある環境の下では、トウモロコシの価格が上昇しても飼料の価格が上昇する必然性はない。むしろ、発酵滓由来の飼料の供給が増加するために価格が下落する可能性すらある。言い換えれば、家畜の餌にする代わりにエタノールを生産しているという図式ではとらえきれないメカニズムがある。この点は、食料と直接的な競合が生じ得る生物資源由来の油脂を燃焼するバイオディーゼルと異なっている。[要出典]
また、2006年末から2007年初にかけてメキシコ各地で頻発したトルティーヤの価格上昇に対する抗議デモに関する報道においても、トウモロコシからのエタノールの生産拡大とトルティーヤの価格上昇との間の因果関係を十分に分析していない論評が目立った。エタノール生産に使われるトウモロコシは黄粒種（yellow corn）であるのに対し、トルティーヤの原料となるトウモロコシは白粒種（white corn）である。これらの品種の用途はあまり重ならないため、両者の価格は相互に影響しているものの、連動するとは限らない。また、2006年のメキシコにおける白粒種の生産が干ばつの影響によって低迷したことにより、メキシコ国内でのトウモロコシ需給が逼迫したことも見逃せない。さらに、白粒種は米国のトウモロコシ生産量の1%未満（2005年）で、米国からメキシコ向けに輸出されるトウモロコシの2%に過ぎない。したがって、エタノールの生産拡大を背景として米国内で黄粒種のトウモロコシの価格が高騰したことが、メキシコにおける白粒種のトウモロコシの価格になにがしかの影響を与えていたことは事実と考えられるものの、米国におけるエタノールの生産拡大によってメキシコのトルティーヤの価格が上昇したと説明することは強引である。[要出典]
価格高騰がバイオエタノールと食料生産のトレードオフだけで説明できないことは、サトウキビ先物価格の上昇にも見て取れる。現在、サトウキビの廃糖蜜や絞りかすからの生産が主であるサトウキビの価格が高騰しているということは、バイオエタノール需要を見込んだ投機の影響であると考えられる。
- 食料を使用しない生産法
この問題に関しては、セルロースなど、非可食部を使用する生産法が研究されている。非可食部の利用であれば、食料との競合は発生しない。
[編集] 脚注
- ^ セルロース系バイオマスからのエタノール製造新技術を共同開発
- ^ 食料と競合しない多様なバイオマス資源を用いて環境に優しい非硫酸方式によるエタノール製造
- ^ Ethanol Can Contribute to Energy and Environmental Goals
[編集] 関連項目
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| 主な燃料 | ガソリン (高オクタン価ガソリン (ハイオク)、無鉛ガソリン (レギュラー)) | 軽油 |
| その他燃料・エネルギー | バイオ燃料 (バイオディーゼル、バイオガス、バイオマスエタノール) | 天然ガス | 電気 |
| 関連項目 | Category:燃料 | Category:バイオ燃料 | ガソリンスタンド |
