バイオ燃料

バイオ燃料（バイオねんりょう、英語: biofuel）とは、バイオマスを利用して作られた燃料全般を言う。穀物などのように、食用としても使える原料を用いて製造した物を、第1世代バイオ燃料と呼ぶ。一方で、木質燃料や廃棄物などのように、非食用の原料を用いて製造した物を、第2世代バイオ燃料と呼ぶ。その構成分子により、気体・液体・固体、いずれのバイオ燃料も製造できる。これらは、いずれも再生可能エネルギーの1つとして扱われる。なお、かつては生命体であったものの、化石燃料はバイオ燃料に含まれない。バイオ燃料は、化石燃料の代替燃料としても扱われる。

概要

ネブラスカ州、フェアモントのバイオ燃料製造プラント。

バイオ燃料の1種であるバイオエタノールの燃焼の様子。

バイオ燃料は、現生生物を利用して製造する燃料であるため、再生可能エネルギーの1つとして扱われ、化石燃料のような枯渇性資源を代替し得る「非枯渇性資源」として注目されている。また、地球温暖化問題によるCO₂削減要請の高まりも相まって、カーボンニュートラルである点も注目される。このため、これまで化石燃料を大量に消費してきた分野において、化石燃料の代替燃料として使用される。例えば、ボイラーや暖房や火力発電や、航空機・自動車・船舶などの機械類を動かすための燃料としてである。このように様々な用途に使用されるため、バイオ燃料は直接燃焼させるだけでなく、用途に応じて加工される。アルコール燃料のような液体燃料、合成ガスのような気体燃料、コークス状やペレット状の固形燃料と、様々なバイオ燃料が製造される。

2016年9月にはICAO総会にて、航空業界に向けてCO₂排出量の削減に関する枠組みで合意がなされ、航空バイオ燃料への注目が集まっている。

なお、バイオ燃料には¹⁴Cが必ず含まれるのに対して、化石燃料には¹⁴Cが含まれない。¹⁴Cは大気中の窒素が宇宙線の影響を受けて常に生成されているが、半減期は6千年に満たない。炭素を含んだ化合物の代謝を行う過程で、必然的に¹⁴Cを生体内に取り込む現生生物を原料としたバイオ燃料の分子にも¹⁴Cが必ず混じる。しかし、生物の遺骸が化石燃料に変化するだけの長期間が経過すると、¹⁴Cは全て崩壊しており検出されない。このため、仮に化石燃料とバイオ燃料は¹⁴Cの有無を調べれば鑑別できる。

種類

ガソリン代替オットー機関用燃料

バイオマスエタノール

トウモロコシ。

ブラジル、サンパウロの給油所。左奥(A)はエタノール100%燃料、右手前(G)はガソリン。

→詳細は「バイオマスエタノール」および「アルコール燃料」を参照

バイオマスエタノールは、ガソリンの代替品として用いられる。アルコール燃料としても利用できる。

主にトウモロコシやサトウキビと言った安価に入手できる穀物や、廃糖蜜を原料に、まずは酒造と同様にアルコール醗酵させて、エタノールを得る。醗酵液を濾過してさらに精製、純度の高いエタノールにした物が、バイオマスエタノールとして製造されてきた。これが、第1世代のバイオマスエタノールである。なお、これは第1世代バイオ燃料に分類される。

しかし、穀物を原料にすると食糧と競合するため、非食用の原料でのバイオマスエタノールの製造も模索されている。例えば、林業の間伐材、木材の廃材、また、食用にしないサボテン・草・藁・トウモロコシの茎などを原料に、植物体に含まれるセルロースを、熱や真菌を用いて分解し、さらにコリノ菌・酵母で醸造する方法で製造する第2世代のバイオマスエタノールがある。セルロースを原料とするため、セルロシック・エタノール、俗にセルロースエタノールなどとも呼ばれる。これは第2世代バイオ燃料に分類される。他に、化学合成したエタノールは飲用酒としては使用が禁止されているものの、燃料としてであれば問題ないため、化学合成したエタノールも候補ではある。ただし、原料費は安価に抑えられても、製造工程が複雑な分だけ製造費が嵩むため、経済的生産法の開発が急がれている。なお、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。

バイオマスエタノールは分子内に酸素原子を1個含んでおり、炭化水素であるガソリンより、単位重量当たりの燃焼熱は劣る。それでも大抵の穀物は原料に出来るために原料を選ばない点、安価な穀物や、従来は産業廃棄物として扱われてきた穀物の搾りかすを使えば、原料費を抑えられる点、硫黄酸化物や窒素酸化物の排出が極めて少ない点、現生の植物を原料とする燃料なので新たなCO₂を作り出さないためにカーボンニュートラルである点などの長所が存在する。

なお、アルコール燃料は、自動車の燃料として初期から使われていた。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くなっていたが、1970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に注目が集まった。その後ブラジルでは、100 %のエタノールが自動車用の燃料として実用化された。なお、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CO₂の排出量が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は、2007年5月に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。そのような中で、多数の自動車を用いてきた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物（E10 gas）が標準となっており、Gasohol （ガソホール/ガソール）とも呼ばれる。

この分野における後進国である日本でも、経済産業省が取り組みを始めた。2007年4月27日よりバイオマスエタノールを、数 %含んだガソリンの試験販売が開始された。2007年時点では、日本国内では廃却処理に苦慮しているサトウキビやサトウダイコンの搾りかすである、バガスを使ったプラントでの試験を行なう予定だという。

ETBE

→詳細は「エチルターシャリーブチルエーテル」を参照

エタノールと、2-メチルプロパ-1-エンを反応させて合成する。

DMF

→詳細は「2,5-ジメチルフラン」を参照

フルクトースやグルコースを原料にして製造する。2,5-ジメチルフランは、化学的にも比較的安定である。さらに、エタノールよりもエネルギー密度が高く、エタノールとは異なり水との分離精製が容易である。

軽油代替ディーゼルエンジン用燃料

→詳細は「バイオディーゼル」を参照

主に大型自動車に向けた軽油の代替燃料である。しかし、船舶やディーゼル機関車用など、大型のディーゼルエンジンの燃料としても使用できる。また、軍用車両などでも試用されている。

ガソリン代替燃料が農産物や農林廃棄物を原料にしたアルコール醗酵を利用しているのに対して、軽油代替ディーゼルエンジン用燃料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。

BDF

第一世代のBDF（BioDieselFuel）は、動植物から採取された中性脂肪が持つ3箇所のエステル結合を全て切り、グリセリンとではなく、メタノールとエステル結合を作成するというエステル交換を行って合成する。これにより、中性脂肪がエステルの形で持つ3分子の脂肪酸は、3分子のメタノールと脂肪酸のエステルに変わる。そして、不純物として遊離してくるグリセリンを除去して、精製した燃料がBDFである。ヨーロッパではナタネ油を主原料としたBDFを、軽油に5%前後混入して使用する例がある。BDFは100%で使用した場合には、エンジン内での燃焼状態を良好に保ち、また、排気ガス中に粒子状の未燃物が混じらないようにする事が、軽油を用いた時よりも、技術的なハードルは上がる。軽油のような炭化水素と比べて、BDFは化学的に不安定な構造を持つ分子が混じり、原料の動植物油に含まれる分子種が異なるために様々な性状の分子の混合物にならざるを得ないからである。軽油の精製過程のように、加熱すれば沸点の差で精製できるという物ではなく、むしろ、加熱されると化学的に反応性の高い部分の構造変化が促進され、BDFの性状の変化を促進してしまう。また、動植物から得られる中性脂肪が分子内に抱えている脂肪酸は、それぞれに違いが見られる。すなわち、C=C二重結合を含んだ不飽和脂肪酸が比較的多いナタネ油やダイズ油などの場合には、加熱や金属イオン共存などの影響により、酸化劣化して重合反応などが発生し、次第に粘稠性が増したりして問題を引き起こす。また、不飽和脂肪酸の一般的な性質として融点が低い傾向があるのに対して、C-C単結合しか有しない飽和脂肪酸のは融点が高い傾向がある。したがって、飽和脂肪酸が比較的多いパーム油の場合を原料としたBDFは、低温に晒されると容易に固体へ状態変化する。

BHF

第二世代のBHF（BioHydrocracking Fuel)とは、新日本石油が減圧軽油の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と同等の高品質のバイオ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他に、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。ただ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。

重油代替燃料

船舶用エンジンでは元からA重油など品質の低い燃料油が使われていた事も有り、重油の代替燃料として、漁船用に魚油の生焚きなども検討されている。重油が多く燃料として用いられてきた燃焼装置としては、他に例えばボイラーなどが挙げられる。

ジェット燃料/軽油代替ガスタービン用燃料

→詳細は「持続可能な航空燃料」および「航空バイオ燃料」を参照

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1 kg当たりの発熱量が高くなければならず、絶対条件とされる。このため、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。

また、2008年には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。他にも、ヴァージン・アトランティック航空がココナツ油などを、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月には、JALがボーイング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」を実施していた。しかし、JALは経営再建と効率化推進のため、 2011年03月に全てのボーイング747を引退させた。

第2世代バイオ燃料

→詳細は「第二世代バイオ燃料」を参照

第2世代バイオ燃料の原料であるバガス。これはサトウキビの絞りカスであり、食用にはされない。

第1世代バイオ燃料では、サトウキビやトウモロコシなどを原料としてバイオエタノールを製造していたが、飼料用穀物の作付面積が減り、穀物相場が高騰した。第2世代バイオ燃料では、あまり食用にされてこなかった藻類などのバイオマスや、古紙・古着、おが屑や牛糞など、様々な廃棄物に含まれる有機物を分解する方法により、バイオ燃料を製造する。従来は充分に利用されずに廃棄されてきた有機物を利用するため、需要が増えても穀物相場には影響を与え難い。その反面、燃料を製造した際の収率が低く、原材料は安価なものの、単位熱量当たりの製造費用で見た場合には、高くなる可能性が考えられる。2013年以降、各地でプラントが建設されつつあるものの、セルロースの分解のために超臨界水などを使用する。この方法は、製造費が高価になり易く、製造管理にも高度な知識や技術が要求されるために、あまり普及していない。さらには、2010年代に起きた、近年の原油相場の下落により、この方法は滞っている。

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、産業廃棄物として処理されていたおからを再利用したバイオ燃料の製造を開始した。

植物の細胞壁に含まれるセルロースの効率的で素早い加水分解は、21世紀初頭の技術では難しい問題であった。超臨界水を使用するなど、特殊な化学処理が必要であった。また、温和な条件で、酵素のセルラーゼを使って分解する方法も実施されていたものの、前処理に手間がかかった。

そんな状況下で、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のサッカロファガス 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、さらに効率良くセルロースを加水分解して糖にするために遺伝子を組み換えた結果、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など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類の1種であるボトリオコッカスを培養し、培養液から抽出した油をバイオ燃料にする研究も行われている。同じく藻類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)は同じく藻類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、単位時間当たりのバイオマス生産量が多い。ミドリムシには他にも、40％の高濃度の二酸化炭素を含んだ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上に、pH3の酸性培養での培養化が可能である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難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の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5.5 kmの距離を高度100 mで約15分間飛行し、最大飛行時間は150分で最大重量は4 kgの荷物運搬が可能である。

なお、バイオ燃料の製造に際して、下水処理やリンなどの資源回収などの付加価値を出す方法で、見かけ上のコストを削減する方法も検討されている。

バイオガス

→詳細は「バイオガス」を参照

バイオメタンガス

メタン菌によって、嫌気的に有機物を分解する方法により、メタンを生成する方法が有名である。下水や生ゴミなど、主に廃棄物を原料にできるため、農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い。その上、既存の廃棄物処理施設を改造して、メタン回収・精製設備を設ければ良く、比較的少ない投資で実現可能である。

バイオ水素

バイオ水素とは、水素生産菌や光合成細菌によってバイオガスとして産生される水素である。シロアリの消化器官共生菌の中には、水素を生成する菌がいる事が確認されている。なお、水素の一般的な性質として、分子サイズが小さいために、特別な工夫をしないと貯蔵場所から漏出しやすいという問題がある。また、貯蔵場所の材料を適切に選択しないと、材料内部に水素が入り込んで膨張させる場合が有り、注意が必要である。例えば、多くの金属は水素を吸収し、膨張して脆くなる。このため、水素貯蔵合金なども開発されてきた。

バイオコークス

→詳細は「バイオコークス」を参照

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。バイオコークスの製造の際には、微生物を作用させる必要がないという意味において、製造時の廃材のエネルギー損失が少ない。また、コークスの形に炭化させるため、原材料と比べて、体積が5分の1以下と減容化できる。炭化処理の際に出てくる可燃性の気体も上手く利用できれば、さらにエネルギー損失を抑えられる。さらに、製造されたバイオコークスは、化学的に安定している。

バイオコークスは、石炭コークスの代替として、既に実証段階に入っている。

微細藻燃料

培養されている藻類。藻類の培養には、このように光を必要とする。

→詳細は「微細藻燃料」および「フォトバイオリアクター」を参照

課題

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。特にバイオ燃料の原料として使いやすい植物は、デンプン質の多い穀物である。バイオ燃料の需要だけが伸びれば、穀物の値段の高騰を引き起こし、供給が不足する懸念がある。また、バイオ燃料に使用される作物への転作が行われた結果として、バイオ燃料としては不向きな作物の価格も高騰し、不足に陥る可能性がある。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。
• バイオ燃料を使用すれば、CO₂排出量は減ると言われている。しかし、バイオ燃料の生産プラントの建設や、生産工程、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、正確には分かっていない。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。ただし日本の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が見られ、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。
• バイオ燃料には、バイオメタンやバイオコークスなどのように化学的に比較的安定しており、化石燃料と同様に使える物もある一方で、C=C二重結合を有した分子などは化学構造の変化に伴い性状が変化しやすい。さらに、この反応は加熱されると促進されるため、自動車や飛行機などの燃料として利用する場合には、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、大量生産に繋げるためにはハード面の技術革新も必要になる。また将来的に採算性がとれるかどうかは不明確である。
• 一般の燃料に比べ、亜酸化窒素(N₂O)の放出量が2倍で、N₂OはCO₂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原因となっているため、CO₂だけを削減しても問題の解決に繋がるとは限らない。

関連項目

• バイオマス
• 再生可能エネルギー
• カーボンニュートラル
• バイオマス発電
• 木質燃料
• エネルギーペイバックタイム
• エネルギー収支比
• 松根油
• 代燃車
• アグロインダストリー
• はげ山
• カーズ2 - 油田オーナーによるバイオ燃料潰しがストーリーの重要な要素として組み込まれている。
• エンビバ
• Drax

外部リンク

• 『バイオ燃料』 - コトバンク
• 『バイオマス・エネルギー－生物からエネルギーをつくる－』(1983年) - バイオマス・エネルギーというものが一体どのようなものであり、どのように利用されるのか───研究開発の現状をわかりやすく説明。科学技術庁(現・文部科学省ほか)の企画の下で東京文映が製作。『科学映像館』より