Extended Summary 本文は pp.168-175

－1－

(a) Energy Intensities

(b) CO2 emissions

Case 1-1: CGS case, Case 1-2: CGS case with electricity substitution through the gas-engine, Case 1-3: CGS case with heat substitution through the gas-engine, Case 1-4: CGS case with electricity and heat substitutions through the gas-engine, Case 2: H2 production case, Case 3: MeOH production case, Case 4: DME production case min.:a minimum value in the estimated results by the Monte Carlo simulation, max.:a maximum value, ave.:an average value Note: CO2 emissions in each fuel of fossil fuel origin are represented as “Conventional case” (See (b)).

Fig. 1. Results of life cycle inventories

A Life Cycle Assessment on a Fuel Production Through Distributed Biomass Gasification Process

Kiyoshi Dowaki Member Tsutomu Eguchi Non-member Rui Ohkubo Non-member (Dept. of

Industrial Administration, Tokyo University of Science) Yutaka Genchi Non-member (AIST)

Keywords : LCA, BT-process, CGS, Hydrogen, Methanol, Di-methyl ether

Since the Kyoto protocol has come into effect in 2005, the biomass energy system, that is, the energy system using biomass materials such as wood, organic waste, sewage and similar material, has become one of the promising energy systems to abate CO2 emissions.

In the early stages, it was thought that the biomass energy system through gas-engine cogeneration (CGS) would be a mainstream. However, since there is a discrepancy between the demand and the supply, the energy of electricity and/or heat would be excessive. Consequently, in such a system, CO2 emission mitigations were always not able to be realized.

On hydrogen, in the future, the market of hydrogen will be expanded due to the development of fuel cell and/or the increase of demand in the industrial sector. In addtion, for the environmental protection, H2 from biomass materials began to be developed.

On the other hand, the liquefied fuel from biomass materials (Biomass to Liquid, BTL) has been attractive as a future alternative energy or an environmentally friendly energy among the fuel/car makers. However, since the auxiliary power of fossil fuel origin is increased in the liquefaction process, in such a case, the energy consumption in the fuel production is increased and CO2 emissions become worse, too.

In this study, we focused on the biomass CGS (Case 1), the biomass hydrogen (Bio-H2, Case 2), the biomass methanol (Bio-MeOH, Case 3) and the biomass di-methyl ether (Bio-DME, Case 4). Also, we considered the energy substitutions for auxiliary power and/or heat energy through the gas-engine in Case 1.

We estimated life cycle inventories (energy intensities and CO2 emissions) on these energy fuel systems, using the bottom-up methodology. The system boundary consists of the pre-processing and the biomass energy conversion process.

In the pre-processing, energy intensities and CO2 emissions on material's chipping, transportation using 10 ton trucks, and dryer operation were estimated. Also, the uncertainties on the moisture content of biomass materials and the transportation distance to the plant were considered by the Monte Carlo simulation.

Next, the energy conversion system was built up by gasification through the BLUE Tower process, with either CGS, PSA (Pressure Swing Absorption) system or the liquefaction process. The BT process, which was developed by D.M.2 Projekt GmbH, consists of 3 reactors: a pre-heater, a reformer and a pyrolyzer. The main components of syngas are H2, CO, CH4, CO2 and H2O, and H2 concentration is likely to be approximately 50 % on a dry basis at 950ºC and Steam/Carbon=1.0. Using the experimental data on pyrolysis and reformed gaseous yields, and on the equilibrium constants, we executed the process design.

In our estimation, the biomass materials were the waste products from Japanese Cedar. The uncertainties of moisture

content and transportation distance were assumed to be 20 to 50 wt. % and 5 to 50 km, respectively. The capability of the biomass gasification plant was 10 t-dry/day, that is, an annual throughput of 3,000 t-dry/yr. Input energy at the life cycle stage was considered as primary energy. In addition, compared to CO2 emissions on each fuel production due to the fossil fuel origin, we estimated CO2 emissions mitigations. The production energy in each case were used as a functional unit.

Consequently, the energy intensities of 1.12 to 3.09 MJ/MJ and CO2 emissions of 4.79 to 88.0 g-CO2/MJ were obtained (See Figure 1). CO2 emissions in CGS case (Case 1-4) by which the substitution of fossil fuel was considered were the lowest value of 4.69 g-CO2/MJ. The additional biomass materials for auxiliary heat energy were little required in Case 2. In the liquefaction processes (Case 3 and 4), their CO2 emissions were strongly affected by the auxiliary power.

Finally, we concluded that CGS case contributes to the environmental mitigation, and that Bio-H2 and/or Bio-DME cases have a potential to reduce CO2 emissions, compared to the conventional ones of fossil fuel origin.

© 2008 The Institute of Electrical Engineers of Japan. 168

分散型バイオマスガス化システムによる燃料製造に係る LCA

正 員 堂脇 清志＊ 非会員 江口 勉＊

非会員 大久保 塁＊ 非会員 玄地 裕＊＊

A Life Cycle Assessment on a Fuel Production Through Distributed Biomass Gasification Process

Kiyoshi Dowaki＊, Member, Tsutomu Eguchi＊, Non-member, Rui Ohkubo＊, Non-member, Yutaka Genchi＊＊, Non-member

In this paper, we estimated life cycle inventories (energy intensities and CO2 emissions) on the biomass gasification CGS, Bio-H2, Bio-MeOH (methanol) and Bio-DME (di-methyl ether), using the bottom-up methodology.

CO2 emissions and energy intensities on material's chipping, transportation and dryer operation were estimated. Also, the uncertainties on the moisture content of biomass materials and the transportation distance to the plant were considered by the Monte Carlo simulation. The energy conversion system was built up by gasification through the BLUE Tower process, with either CGS, PSA (Pressure Swing Absorption) system or the liquefaction process.

In our estimation, the biomass materials were the waste products from Japanese Cedar. The uncertainties of moisture content and transportation distance were assumed to be 20 to 50 wt.% and 5 to 50 km, respectively. The capability of the biomass gasification plant was 10 t-dry/d, that is, an annual throughput of 3,000 t-dry/yr. The production energy in each case was used as a functional unit.

Finally, the energy intensities of 1.12 to 3.09 MJ/MJ and CO2 emissions of 4.79 to 88.0 g-CO2/MJ were obtained. CGS case contributes to the environmental mitigation, and Bio-H2 and/or Bio-DME cases have a potential to reduce CO2 emissions, compared to the conventional ones.

キーワード：ライフサイクルアセスメント，ブルタワープロセス，コージェネレーション，水素，メタノール，ジメチルエーテル

Keywords：LCA, BT-process, CGS, Hydrogen, Methanol, Di-methyl ether

1. はじめに

2005 年 2 月に京都議定書が発効されて以来，バイオマス

エネルギーシステムについては，CO2 削減オプションの重要

な柱の 1 つとして位置付けられている。国内におけるバイ

オマスシステムの利用については，例えば，発電利用とし

て 2010 年までに 34 万 kL を見込んでいる(1)。また，H2 の利

用については，燃料電池システムの今後の導入促進と関連

して 2010 年には 60 億 Nm3，2030 年には，456 億 Nm3の需

要があると推定している(2)。さらに，バイオマスニッポンで

は，バイオエタノール等のいわゆる BTL（Biomass to Liquid）の技術開発を推進しており，2010 年頃までにバイオマスに

よる輸送用燃料については50万kLを見込んでいる(3)。特に，

わが国においては，運輸部門における営業用貨物車の CO2

排出量は 1990 年度に比して増加しており，今後の温暖化対

策を確実にするために，その 1 つとしてバイオマス燃料の

導入が挙げられている(27)。 一方，今後のバイオマスの導入課題の１つとして，バイ

オマス導入ハンドブックによれば，原料の収集・運搬が重

要であり，バイオマス資源の発生地点から近距離にバイオ

マス施設を設置することが求められている(16)。さらに，そ

の他の関連する調査報告書においても，バイオマスの収集

とエネルギー変換効率の向上が重要であると述べており，

当該報告書においても収集距離を 35km として，各種エネル

ギーシステムの分析を行っている(22)。 このような背景をもとに，国内におけるバイオマス利用

においては，原料に係る輸送コストの問題から，小規模分

散型対応のバイオマスガス化システムが資源制約の観点あ

るいは事業面から有望視されており，いわゆるエネルギー

の地産地消を目途としたエネルギーシステムの構築の必要

性があると考えられる。 本研究では，小規模分散型対応であるドイツ DM2 社が技

＊ 東京理科大学理工学部経営工学科 〒278-8510 千葉県野田市山崎 2641 Dept. of Industrial Administration, Tokyo University of Science., 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510

＊＊ 産業技術総合研究所ライフサイクルアセスメント研究センタ〒305-8569 つくば市小野川 16-1 Research Center for Life Cycle Assessment, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)., 16-1 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305-8569

論 文

バイオマス燃料の LCA

電学論 C，128 巻 2 号，2008 年 169

術特許を保有している BT（Blue Tower）プロセスに着目し

た。このシステムの特徴は，熱分解炉，改質炉及び予熱炉

の 3 つの炉から形成されている間接加熱方式によるガス化

炉である。 原料は，まず熱分解炉に投入され，550℃にて熱分解し，

ガス，未燃分（Char）及び液状物質（Tar）に分解される。

分解ガスは引き続き改質炉にて，950℃で水蒸気により改質

され H2 リッチなガスが生成され，洗浄工程を経てエネルギ

ー化される。各反応に必要な熱源は，Char 及び一部の Tarにより，炉内を循環しているヒートキャリア（熱媒体，直

径約 10mm 程度のアルミナボールを使用，HC）とともに，

熱風炉にて燃焼及び加熱され，再度，上部にある予熱炉，

改質炉及び熱分解炉へと循環し，反応に必要な熱を供給す

るシステムである(19)(20)。また，この炉の標準的な規模は

10t-dry/d であり，前述したように小規模分散型システムと

して十分に対応可能なプラントである。 これまでバイオマスのガス化においては，Tar 等のトラブ

ルにより運転上の問題が指摘されているが，当該システム

の技術的な特性については，基礎試験機による実験や関連

メーカー等との実機製作のための検討が進んでおり，ある

程度の課題の解決がなされつつある。例えば，炉内を循環

しているアルミナボールの利用や原料の選択により，Tar トラブルの発生が防止できる可能性がある。亀山らは，当該

システムの原料及びHCによる Tarの影響を実験により考察

した。この結果，原料については，スギやシイが Tar 発生量

の小さいことを確認し，また，熱媒体にもなり得る活性ア

ルミナの利用により Tar の発生を低下させることを確認し

た(24)。さらに，現在，徳島で実施されている当該システム

の実証試験においても生成ガス中からの Tar の検出は認め

られなかった(25)。 筆者らは，これまでバイオマス原料を利用した当該ガス

化システムを中心として，これまで CGS（Co-generation system），H2，BTL 等に関する技術ポテンシャルやコスト面

を含めた評価を行ってきた(4)～(6)。また，ガス化部分につい

ては，小型の熱分解炉と改質炉を製作し，これらの試験機

を利用して，熱分解ガス及び改質ガス生成量の温度及び水

蒸気特性について検討するとともに，シフト反応及びメタ

ネーション反応の平衡定数について評価した。さらに，こ

れらの結果を利用して，各種エネルギーシステムのプロセ

ス設計を行った(5)(6)。 当該システムを利用した事業性評価においては，補助金

の利用と原料の逆有償による受入の必要性が生じるが，条

件によっては事業化へのポテンシャルが十分に高いと判断

されている。他方，環境性評価においては，本研究で行う

ような資源採取から燃料製造までの LCA については未だ実

施されていない。また，当該ガス化システムによるエネル

ギー化についても，これまで CGS を中心に実証試験により

検討されているものの(18)，その他，エネルギー多様化の観

点から期待されている液化を含む燃料化については，その

可能性が指摘され始めている段階である。なお，将来的に

は，燃料系及び素材系メーカー等を中心に自社の外部から

のエネルギー購入費用の低減効果，あるいは輸送及び貯蔵

が有利であるとの利点から期待が高まりつつある。 今後のエネルギー開発は，エネルギー多様化の問題を勘

案し，また CO2 削減を考慮した各種エネルギーの導入・普

及の推進していくことが目標とされており(26)，これまで検

討してきたように事業化の可能性を含め，各種エネルギー

の LCAによる CO2排出量を検討する意義は大きいといえよ

う。 従って，以上のような背景から，本研究では，小規模分

散型対応である BT プロセスによるエネルギー製造システ

ムに関連して，バイオマス資源の採取から輸送，乾燥及び

エネルギー変換に至るまで，CGS による電力・熱，H2，メ

タノール（MeOH）及び DME の製造についての LCA を行

った。なお，MeOH 及び DME の選定理由については，当該

プロセスによるガス化特性の結果から，間接法による DMEの製造ポテンシャルがあると判断し，また，その中間製品

である MeOH の製造も可能であることによる。

2. 当該システム条件の設定

〈2･1〉 これまでの LCA の事例 これまで，バイオマ

スからの H2 製造や BTL に関する評価事例は存在するが，こ

れらの結果については，プラント規模や反応条件等に関す

る条件が必ずしも明確ではなく，不確実性が残る研究結果

となっている(8)(9),(23)。また，本研究で対象としているバイオ

マスエネルギー製造パスに関する LCA の例はいくつか存在

するが(7)(8)，同一バイオマスガス化システムに対するプロセ

ス設計を考慮した各種エネルギーについて，原料採取から

エネルギー変換プロセスに至るまでの複数のエネルギー製

造パスに関する包括的な LCA については殆ど存在しない。 これまでのバイオマス LCA においては，不確実性の高い

原料の含水率及び原料収集距離について，ある値に固定す

る評価手法が多く見られるため，本研究では，一様分布を

仮定したモンテカルロ法による確率分布を考慮した評価を

行うこととした。なお，LCA は，目的・評価範囲の設定，

インベントリー分析，影響評価及び解釈から構成されるが，

本研究の LCA では，バイオマスからの各種エネルギー生産

のポテンシャル評価を主眼とした分析であるため，インベ

ントリー分析まで扱うこととした。 また，本研究における H2 や液化燃料製造の LCA におい

ては，燃料電池の普及状況や他の化石系エネルギーとの代

替施策等も含め，未だ不確実な部分も多いため，当該プラ

ントにおけるエネルギー製造までの LCA に留めることとし

た。その他，エネルギー収支比（各種エネルギー1MJ 製造

時のエネルギー消費量）の検討においては，製造時に投入

されるエネルギーは，1 次エネルギーのみを扱うこととし，

輸送用燃料，プラント等の建設，プラント維持，プラント

内で利用される薬品，触媒等に係る各評価ケースの共通部

分における間接エネルギーについては考慮しなかった。な

お，エネルギープラントの建設に対するエネルギー投入量

170 IEEJ Trans. EIS, Vol.128, No.2, 2008

Fig. 1. System boundary on the biomass LCA

の影響は小さいと考えられている(21)。 〈2･2〉 LCA の条件設定 次に，本研究における LCA

の分析条件については，以下のとおりである。 ガス化システムの規模は，当該ガス化炉の標準規模と同

等の 10t-dry/d とし(19)，年間稼働日数を 300 日とした。この

場合，年間バイオマス原料消費量は3,000t-dry必要となるが，

牧野らの分析によれば，補助燃料のバイオマス原料（燃料

製造システムにより，追加的に 300t-dry～2,200t-dry 必要と

想定される。）も含め，収集距離が約 50km 圏内で賄うこと

が可能である(17)。本研究においては，原料含水率を 20～50％，輸送距離を 5～50km として，各種インベントリー評

価を行った。 また，対象とする原料は，スギ廃材とする。特に，各種

エネルギーシステムのプロセス設計では，ガス化部分につ

いて熱分解ガス及び改質ガスの温度特性やシフト反応及び

メタネーション反応の平衡定数の実験結果を用いた(5)。 〈2･3〉 システムバウンダリー 初に，Figure 1 に本

研究で対象とするシステムバウンダリーを示す。ここでは，

バイオマスの採取後，チップ化，プラントまでの原料輸送，

原料乾燥及び各種のエネルギー化のパスを想定する。なお，

各種エネルギーの製造はそれぞれ独立に行われることを想

定し，以下のようなケース設定を行った。また，バイオマ

スについては，燃料用の原料と補助燃料用の原料とに区分

される。 各ケースでの機能単位については，各ケースで製造され

る生産エネルギーをベースとして評価した。 (１) Case 1：CGS による電力・熱生産 ガス化 CGS

による電力・熱生産システムにおいては，製造された電力

や熱（蒸気・温水）エネルギーに対して，プラントへの所

内動力や乾燥プロセスへの利用が考えられ，さらに，次の 4つのケースに分かれる。なお，機能単位については，製造

エネルギー（単位：MJ）をベースとし，CGS により発電し

た電力に3.6 MJ/kWhを乗じた値とCGSからの熱エネルギー

との合計により評価した。 Case 1-1 は，ガス化炉から生成された合成ガスを利用し

て，CGS により電力及び熱を製造することを想定した。プ

ラントの所内動力及び原料乾燥用エネルギーについては，

それぞれ一般電力及び軽油によるボイラにより賄われるも

のとした。次に，Case 1-2 は，所内動力のみを CGS で製造

された電力によって一部賄われるとした。同様に，Case 1-3は，乾燥用エネルギーのみを CGS で製造された熱（蒸気の

み）によって賄うことを想定するが，CGS による熱が不足

する場合，すなわち，原料の初期含水率が 46％以上となる

場合には，ボイラによって賄われるものとした。また Case 1-4 は，所内動力及び乾燥用エネルギーの両方を CGS によ

る電力及び熱から供給されることを想定した。このケース

も Case 1-3 と同様に，原料の初期含水率が 46％以上となる

場合には，ボイラにより熱が賄われるものとした。 (２) Case 2：Bio-H2 生産 燃料電池自動車等への供給

を目途に，製造エネルギーである水素をガス化プラントか

ら PSA（Pressure Swing Absorption）により純度 99.99 vol.%で生産される場合を想定した。この場合の機能単位につい

ては， 終製品である H2 の低位発熱量 10.8MJ/Nm3 をベー

スとした。 (３) Case 3：Bio-MeOH 生産 ガソリン代替あるいは

産業利用等を目途に，ガス化プラントから加圧反応器を想

定し，製造エネルギーである液化燃料（MeOH）について検

討した。この場合の機能単位は，MeOH の低位発熱量

19.7MJ/kg-MeOH をベースとした。 (４) Case 4：Bio-DME 生産 軽油代替あるいは産業利

用等を目途に，Case 3 と同様に，ガス化プラントから加圧反

応器を想定し，製造エネルギーである液化燃料（DME）に

ついて検討した。なお，本研究では，Case 3 と関連し，当該

液体燃料生産については，ガス化合成ガスの組成から間接

法による DME 製造方式が期待されるため，第 1 段目の反応

で生成される MeOH について，まず検討し，続いて MeOHの脱水化反応により DME 生産が行われるものとして評価

した。この場合の機能単位は， DME の低位発熱量

28.8MJ/kg-DME をベースとした。 〈2･4〉 計算方法と各種データの設定 本研究におい

ては，Figure 1 で示されるシステム全体（各プロセスから構

成）のエネルギー収支比及び CO2 排出量を計算した。この

エネルギー収支比 EC MJ/MJ は，システム全体で消費される

エネルギー量 Cons_E MJ/h 及び生産されたエネルギー量

バイオマス燃料の LCA

電学論 C，128 巻 2 号，2008 年 171

Table 1. Data of fuel energy and CO2 emissions

Fuel Energy(LHV) CO2 Note Biomass (Japanese

Cedar) 13.65 MJ/kg 0.0 g-CO2/MJ

at 20 wt.% (moisture content) Gasifier feedstock/Auxiliary

Diesel Oil 35.50 MJ/L 79.82 g-CO2/MJ Chipping, Transportation

Electricity 3.60 MJ/kWh 123.1 g-CO2/MJ Auxiliary

Town Gas(13A) 48.07 MJ/Nm3 69.68 g-CO2/MJ Conventional case

LNG 57.01 MJ/kg 69.10 g-CO2/MJ Conventional case

Table 2. Characteristics of biomass materials

C*

H*

O*

S*

N*

Cl*

Ash*

50.90

5.90

40.50

0.10

0.52

0.080

2.00

wt.%

wt.%

wt.%

wt.%

wt.%

wt.%

wt.%

Higher Heating Value* 18,348 kJ/kg

Moisture Content

(at the point of feed) 20.0 wt.%

Volatile Matter 81.5 wt.%

Bulk density 0.14 t/m3

※Dry-Base

Prod_E MJ/h から，次式により定義される。 Cons _ EECProd _ E

= ........................................................... (１)

ここで，Cons_E は 2 次エネルギーとして扱い，電力につ

いては 3.6MJ/kWh とし，システムに投入される他の燃料に

ついては，燃料の持つ化学熱を消費エネルギーとして扱う

こととした。なお，補助燃料用のバイオマス原料について

もカウントされる。他方，CO2 排出量については， 終需要

で利用される時点で全排出量がカウントされるものとし

て，燃料製造及び輸送段階で投入されるエネルギー起源の

CO2 排出量を考慮した。ここで，バイオマス原料の CO2 排

出量については，伐採過程等の CO2 排出量を考慮する必要

があるが，本研究では，この過程における CO2 排出量は考

慮しないものとした。この理由として，例えば，海外の植

林に関する LCA では，伐採過程（集材等作業を含む）の CO2

排出量は，約 0.3g-CO2/MJ-原料となっている(28)。しかしな

がら，本研究では，前述したようにスギ廃材を原料と仮定

しているため，廃材となるまでの時間等を含め不明確な部

分もあることによる。なお，本研究では，Figure 1 で示され

るバイオマスケースのほか，従来ケースとして都市ガスを

燃料とする CGS，LNG を燃料とする H2 製造，MeOH 製造

及び DME 製造を考慮し（従来ケース）(7)，バイオマスから

の各種エネルギー製造に係る CO2 削減量，エネルギー収支

比の比較を行った。なお，都市ガス及び LNG を燃料起源と

する電力・熱，H2，MeOH 及び DME については，原料の製

造等に消費されるエネルギー消費量（1 次換算）を考慮し た(7)。

ここで，各種エネルギーデータならびに CO2 排出量につ

いて Table 1 にまとめる。 次に，バイオマス原料は廃材とし，その分析値及びかさ

比重（気乾状態：含水率 15％）については，実測値より Table 2 のように表される(5)。なお，元素分析値等の化学データに

ついては，後述する基礎実験の結果をもとにしたプラント

のプロセス設計等に利用される。 プラントの運用条件については，前述したとおり補助燃

料を除くエネルギー製造のために利用される原料を基準と

して 10t-dry/d（燃料用バイオマス年間消費量：3,000t-dry/yr）で統一した。すなわち，燃料化に使用される原料を同等と

し，製造エネルギー単位あたりで評価することによって，

各ケースの効率等の比較分析が可能とした。 〈2･5〉 含水率及び収集距離の不確実性 次に，バイ

オマス資源によるエネルギーシステムは，通常，含水率や

原料輸送距離を固定し，評価を行う場合が多い。本研究で

は，これらの指標に関する不確実性について，より一般性

を持たせるために，過去の類似研究を参考にモンテカルロ

法によりそれらの影響における幅を検討し，各エネルギー

パスの LCA を行うこととした。 本研究においては，前述したように原料含水率を 20～

50％，輸送距離を 5～50km と仮定し，補助熱源として利用

されるバイオマス原料も含め，プラントに必要な原料に対

して，一様乱数によりプラントまでに投入されるエネルギ

ー量及び CO2 排出量を算出した。なお，計算回数は 10,000回とし，有意水準 5％としたときの 大値， 小値及び平均

値を LCA に利用した。すなわち， 小含水率， 大含水率，

小輸送距離及び 大輸送距離をそれぞれ Min_MC％，

Max_MC％，Max_Dist km 及び Max_Dist km とし，[0,1]の一

様乱数を Rnd と表す場合， ( )MC_MinMC_MaxRndMC_MinMC 1 −+=

.............................................(２) ( )Dist_MinDist_MaxRndDist_MinDist 2 −+=

.............................................(３)

の関係が成立する。なお，MC 及び Dist は，各条件におけ

る原料の含水率％及び輸送距離 km を表し，Rnd1 及び Rnd2

は互いに独立であるとする。また，含水率 MC のときのか

さ比重 MCρ は，気乾状態のときのかさ比重 15ρ を用いて，

MC 150.85

1 MCρ ρ=

−........................................................(４)

の関係を満たすものとする。 以上の設定データをもとに，当該システムを対象とした

各プロセスにおけるエネルギー消費量及び CO2 排出量につ

いて検討した。

3. 各プロセスの分析結果

〈3･1〉 チップ化 チップ化で消費されるエネルギー

原単位については，橋本らのデータを利用した。すなわち，

172 IEEJ Trans. EIS, Vol.128, No.2, 2008

Table 3. Specification of wood-chips dryer (Boiler)

Fuel Diesel Oil

Energy efficiency ηb [%] 80%

Steam Temperature Tst[℃] 170

Steam Pressure Pst[MPaG] 0.7

Drying Temperature TDry[℃] 100

Initial Material Temperature T0[℃] 20

Heat Loss ε[%] 10%

チップ化のエネルギー原単位として，電力及び軽油がそれ

ぞれ 13.6kWh/t-原料及び 1.23L/t-原料が消費されるものとし

た(9)。なお，原料の含水率に伴う原単位の変化はないものと

して扱った。 〈3･2〉 原料輸送 原料輸送プロセスにおいては，次

のような指標に基づいて評価した。まず，本研究での輸送

プロセスは 10t トラック（輸送可能容積：24.7m3，燃料：軽

油）とし，重量に対する積載率λに関して，燃料消費量

Trans_FC GJ/yr 及び CO2 排出量 Trans_CO2 t-CO2/yr を次式に

より評価した(10)(11)。なお，輸送距離は往復距離を考慮する

こととし，空載時は 0λ = ，満載時はトラックの荷台容積を

上限にし，そのときの重量から積載率λを求めることによっ

て算出することができる。なお，トラックの平均輸送速度

は，わが国の貨物車の平均車速である 29.3 km/h を想定し た(10)。

含水率 MC％であるバイオマス原料の年間消費量を WMC t/yr とするとき，10t トラックでの年間延べ輸送回数 NBio は，

MCBio

MC

WN 124.7ρ

= +

................................................. (５)

となる。なお，[a]は a を超えない 大の整数を表す。 さらに(５)式から，積載率λは，

MC BioW N10

λ = ............................................................. (６)

となるので，燃料消費量 FC l/yr 及び CO2 排出量 Trans_CO2 t-CO2/yr は，

( ) ( ){ }Bio FC FCTrans _ FC Dist N f f 0λ= ⋅ + .................. (７)

( ) ( ){ }2 22 Bio CO COTrans _ CO Dist N f f 0λ= ⋅ + ............. (８)

と表される。なお，式中の FCf ( )λ 及び2COf ( )λ は，それぞれ

10t トラックの積載率λのときの単位距離あたりのエネルギ

ー消費量 GJ/km 及び CO2 排出量 t-CO2/km を表す関数であ る(10)。 〈3･3〉 乾燥プロセス 次に，原料乾燥プロセスにつ

いて説明する。原料乾燥プロセスでは，次のガス化炉投入

原料の仕様条件として，蒸気により 20％まで乾燥させるこ

とを想定した。ここでは，蒸気は軽油を燃料とするボイラ

（ボイラ効率：80％）により，供給されるものとし，その他，

ポンプ動力原単位（電力）0.195kWh/t についても考慮した

（Table 3 参照）。

〈3･4〉 エネルギー変換プロセス 次に，ガス化炉へ

投入された場合の原料製造及びユーティリティ等の評価を

行った。本研究で対象としている BT プロセスは，H2 ガス

が高濃度で生成するという特徴をもつ。 本研究では，筆者らが当該システムの基礎試験装置を用

いて，ガス化プラントの運転条件に合わせた熱分解及び改

質温度をそれぞれ 550℃，950℃に設定し，水 0.2ml/min 添加

したときのガス化特性試験の結果を用いた。また，当該結

果及び実証プラントの運転条件を考慮して，原料 1kg（含水

率 20%）のとき，水蒸気の投入条件を Steam/Carbon=1.0（水

蒸気[mol/kg-原料]/原料中の炭素含有量[mol/kg-原料]）のとき

の物質収支を次式のように評価した(5)(19)。

( )etc. CharOthersN15.0OH0.45CO7.12H8.34CO9.12CH34.3

OH9.33NOHC

2

2224

23.03.208.469.33

++++++

→+

.............................................(９)

次に，この物質収支から，Case 1 から Case 4 までのシス

テムについてプロセス設計を行い，各エネルギーの生産効

率及び所内動力について検討した。なお，本研究では，当

該ガス化システムの性能を示す指標として，次式で定義さ

れる冷ガス効率を導入した。すなわち，原料の発熱量 Feed_E MJ/h，補助燃料として投入されるバイオマスのエネルギー

量 Aux_E MJ/h，オフガスのエネルギー量 Offgas_E MJ/h 及

びガス化炉から生成する合成ガスのエネルギー量 Syn_E MJ/h とした場合，冷ガス効率 Coldη を，

ColdSyn_E=

Feed_E+Aux_E+Offgas_Eη ..............................(10)

として評価した。 炉内における各種反応に必要な反応熱は，炉内を循環す

る HC よって加熱されるが，この場合，さらに追加的に HCを加熱するための補助燃料が必要とされる場合がある。本

研究では，炉外に排出される Char（一部 Tar を含む），補助

燃料用のバイオマス原料及びオフガスを想定するため，(10)式による冷ガス効率によりガス化効率を表すこととした。

なお，Feed_E に相当するバイオマス量及びプラントの年間

稼動時間（7,200 時間を想定）は各ケース一定とし，また，

生産される合成ガスは，過不足なく全量が消費されると仮

定し，以下に示すプラントのデータにより LCA を行った。 (１) Case 1：CGS による電力・熱生産 このシステム

におけるガスエンジンの性能については，本研究で対象と

しているガス化から生成されるガス特性をベースに，メー

カー等においてヒアリングしたデータを用いた（Table 4 参

照）(4)。 (２) Case 2：Bio-H2 生産 次に，Case 1 におけるエン

ジンの代わりに，PSA により H2 製造のプラントを想定し，

Case 1 と同様にエンジニアリングデータを用いた（Table 5参照）(5)。

(３) Case 3：Bio-MeOH 生産 MeOH については，当

該ガス化炉から合成ガスを対象としたエンジニアリングデ

ータは存在しない。従って，本研究では，バイオマスに対

バイオマス燃料の LCA

電学論 C，128 巻 2 号，2008 年 173

Table 6. Performance data of Gasifier and MeOH refinery

(Case 3) 520.8 kg/h

Feed Biomass 7,108 MJ/h

194.8 kg/h Auxiliary Biomass

2,658 MJ/h

700.0 Nm3/hOff Gas

3,688 MJ/h

1,233 Nm3/hProduct Gas

8,105 MJ/h

Cold-Gas Efficiency 60.2% LHV-%

BT Process

(Gasifier)

Auxiliary Power* 437.1 kW

184.6 kg/h Scale

3,637 MJ/h

Operating Pressure 3.0 MPaA

Operating Temperature 260 ºC

MeOH Refinery

Refining Efficiency 44.9% LHV-%

* The auxiliary power of MeOH refinery is included in this category.

Table 7. Performance data of Gasifier and DME refinery

(Case 4) 520.8 kg/h

Feed Biomass 7,108 MJ/h

270.3 kg/h Auxiliary Biomass

3,688 MJ/h

666.6 Nm3/h Off Gas

2,347 MJ/h

1,233 Nm3/h Product Gas

8,105 MJ/h

Cold-Gas Efficiency 61.7% LHV-%

BT Process(Gasifier)

Auxiliary Power* 437.1 kW

173.0 kg/h Scale

4,982 MJ/h

Operating Pressure 3.0 MPaA

Operating Temperature 260 ºC

DME Refinery

Refining Efficiency 61.5% LHV-%

* The auxiliary power of DME refinery is included in this category.

する MeOH 製造については，既往研究によるデータや化学

平衡論により推算した(8)(12),(13)。 (９)式による反応式から，当該ガス化炉から生成される合

成ガスは H2/CO=2.7 程度になることが想定される。MeOH製造は，H2/CO=2 のときに合成ガスの平衡転化率が 大と

なることから，ここでは，Char を炉内部で部分酸化させ，

改質温度を上昇させることによって，H2/CO=2 となるよう

に計算により成分調整を図ることとした(6)。なお，ガス化炉

からの合成ガスによる MeOH 生成反応式は次式のように想

定し，プロセス設計を行った（Table 6 参照）。 OHCHCOH2 32 →+ ................................................ (11)

(４) Case 4：Bio-DME 生産 MeOH と同様に，DME生産効率等については化学平衡論より検討した。

本研究における DME 生産は，通常，合成ガスの H2/COが 2 となる場合には， MeOH が生成し，さらに MeOH の脱

水反応を経て製造する方法（間接法）が選択される(14)。す

なわち， OHOCHCHOHCH2 2333 +→ ..................................(12)

となる。但し，本研究においては，生成プロセスにおいて

MeOH 生成の平衡制約を受けない触媒が利用されることを

鑑み，(11)及び(12)式の 2 つの反応式を組み合わせた OHOCHCHCO2H4 2332 +→+ ...............................(13)

により，プロセス設計を行った（Table 7 参照）(13)。

4. LCA 結果

〈4･1〉 LCA の概要 これまで検討してきた各プロセ

スデータをもとに，本研究では，前述した Case 1 から Case 4までのエネルギー消費量及びCO2排出量について評価した。

また，化石燃料を利用した従来ケースにおける CO2 排出量

（燃焼分の CO2 排出量をカウントする。）についても比較分

析を行った(7)(15)。なお，CGS の場合には，ユーザー側のエ

Table 4. Performance data of Gasifier and Gas-engine

(Case 1) 520.8 kg/h

Feed Biomass 7,108 MJ/h

379.7 kg/h Auxiliary Biomass

5,182 MJ/h

0 Nm3/h Off Gas

0 MJ/h

849.5 Nm3/h Product Gas

7,682 MJ/h

Cold-Gas Efficiency 62.5% LHV-%

BT Process (Gasifier)

Auxiliary Power 151.2 kW

Scale 675 kW

Load 100% －

Steam 1,502 MJ/h

Hot water 1,746 MJ/h

Power Efficiency. 31.5% LHV-%

Thermal Eff.(Steam) 19.5% LHV-%

Thermal Eff.(Hot water) 22.6% LHV-%

Gas-Engine

Total Efficiency 73.6% LHV-%

Table 5. Performance data of Gasifier and PSA (Case 2) 520.8 kg/h

Feed Biomass 7,108 MJ/h

379.7 kg/h Auxiliary Biomass

5,182 MJ/h

535.6 Nm3/h Off Gas

4,708 MJ/h

849.5 Nm3/h Product Gas

7,682 MJ/h

Cold-Gas Efficiency 61.3% LHV-%

BT Process (Gasifier)

Auxiliary Power* 286.4 kW

Scale 275.6 Nm3/h

Operating Pressure 0.8 MPaA PSA (4N-H2)

Refining Efficiency 67.9% LHV-%

* The auxiliary power of PSA is included in this category.

174 IEEJ Trans. EIS, Vol.128, No.2, 2008

Case 1-1: CGS case, Case 1-2: CGS case with electricity substitution through the gas-engine, Case 1-3: CGS case with heat substitution through the gas-engine, Case 1-4: CGS case with electricity and heat substitutions through the gas-engine, Case 2: H2 production case, Case 3: MeOH production case, Case 4: DME production case Note: CO2 emissions in each fuel of fossil fuel origin are represented as “Conventional case”.

Fig. 3. Results of CO2 emissions in each energy system

ネルギー需要量の状況を検討する必要があり，また，燃料

製造については，当該燃料を利用する機器の効率等を考慮

する必要がある。しかしながら，対象となるシステムにつ

いては，需要の不確実性や現状では普及段階でないことを

鑑み，ここでは，燃料製造段階までのポテンシャルとして

扱うこととした。なお，Well to Wheel による分析は，各対

象となる需要や機器の実用化の状況を勘案し分析すること

としたい。 〈4･2〉 LCA 結果 まず Figure 2 及び Figure 3 に，エ

ネルギー収支比 MJ/MJ 及び CO2排出量 g-CO2/MJ の結果を

示す。なお，図中の min，max 及び ave は，〈2･3〉節で示し

たモンテカルロシミュレーションから得られる 小値，

大値及び平均値を表している。なお，Figure 3 では，化石系

燃料からの各種エネルギー製造における CO2 排出量を併記

した(7)。 この結果から，1MJ エネルギー製造時にすべてのケース

において，エネルギー消費量が 1MJ を超え，エネルギー収

支比は 1.12～3.09MJ/MJ となった。特に，液化燃料への転換

ケースにおいては，MeOH の 2.92～3.09MJ/MJ，DME の 2.33～2.46 MJ/MJ となった。また，すべてのケースにおいて，

所内動力（電力）の影響が大きく，また Case 2 を除いては

補助熱源として導入されるバイオマスの投入の影響も大き

くなる(7)(8)。エネルギー効率の観点から，Case 1 のエネルギ

ー収支比は他のケースに比して，若干有利であるが，需要

側において過不足なく生産されたエネルギーの消費をする

ことが求められる。また，バイオマスの有効利用の観点か

らは Case 2 が有利となり，H2製造については，H2 の高純度

化のための圧縮動力の影響もあるが，オフガス利用による

エネルギー効率の改善とより付加価値の高い製品が得られ

る可能性があることが示唆された。 次に，CO2 排出量については，化石燃料起源のエネルギー

と比して，Case 3 の MeOH の場合を除き，すべてのケース

において CO2 削減の可能性が見出された。また，Case 2～Case 4 については，原料の乾燥と所内動力（電力）の影響が

大きくなるという結果が得られた。特に，本研究では含水

率の影響を含む原料輸送を考慮したが，原料輸送の CO2 排

出量については 1.72～4.58 g-CO2/MJ となり，Case 1-3 や

Case1-4 を除き，総じて全排出量に対する割合は小さい結果

となった。また CGS のケースについては，乾燥のエネルギ

ーを含む所内動力を生産されたエネルギーで代替すること

の効果は大きく，例えば，乾燥エネルギー及び所内電力の

両方を代替したケース（Case 1-4）については，4.97 g-CO2/MJとなった。

将来的な BTL 技術の動向については，Shell 社がドイツの

CHOREN 社と共同で FT（Fischer Tropsch）合成による商用

化を目指しており，また，当該ガス化システムを利用した

液化技術の検討例としては，Krongkaew らの FT 合成による

軽油製造の技術評価もある(23)。しかしながら，BTL システ

ムにおいては，全体システムの条件によっては CO2 削減が

困難な場合も予想され，今後の液化技術の動向を勘案し，

さらに詳細な評価を進めることとしたい。

5. おわりに

本研究では，小規模分散型対応のガス化システム（BT プ

ロセス）を利用して，将来のエネルギー多様化の観点ある

いは CO2対策に資する各種エネルギーに関する LCAを行っ

た。特に，原料収集条件等の不確実性（収集距離及び含水

率）を考慮し，また実験データ等を利用したプロセス設計

を実施し，その結果，化石燃料系起源の各種エネルギーに

対するエネルギー収支比及び CO2 排出量の検討を行った。 以上の結果から，原料の収集条件及びプロセスの所内動

力等の影響を燃料製造別に捉えることができた点は，今後

のバイオマスエネルギーシステム開発における LCA に重要

なデータを提供したといえよう。 後に，本研究における LCA においては，各種エネルギ

ー製造に係る触媒等に関する影響については考慮されてい

ない。しかしながら，触媒の種類及び活性時間については，

Case 1-1: CGS case, Case 1-2: CGS case with electricity substitution through the gas-engine, Case 1-3: CGS case with heat substitution through the gas-engine, Case 1-4: CGS case with electricity and heat substitutions through the gas-engine, Case 2: H2 production case, Case 3: MeOH production case, Case 4: DME production case

Fig. 2. Results of energy consumption in each energy system

バイオマス燃料の LCA

電学論 C，128 巻 2 号，2008 年 175

エネルギー変換効率に重要な影響を与えるものと考えられ

るため，これらの影響を考慮した評価については，今後の

研究課題としたい。さらに，インパクト評価等についても，

より具体的なデータの入手あるいは実用化される段階で実

施したい。 （平成 19 年 3 月 9 日受付，平成 19 年 10 月 4 日再受付）

文 献

(１) 新エネルギー産業技術総合開発機構(NEDO)ホームページ：「新エネ

ルギー関連データ平成 17 年度版」，http://www.nedo.go.jp/nedata/17fy/ 06/b/0006b001.html (access 2007-2)

(２) 岩渕宏之：「我が国ならびに欧米の水素エネルギーロードマップレビ

ュー」，電気学会誌, Vol.125, No.6, pp.340-343 (2005) (３) 農林水産省ホームページ：「新たなバイオマス・ニッポン総合戦略の

ポ イ ン ト 」， http://www.maff.go.jp/biomass/h18_point.pdf (access 2006-11)

(４) K. Dowaki et al. : “A life cycle assessment on the biomass tri-generation (bio-hydrogen, electricity and heat production system) through DM2 process in Japan”, Proc. of The Seventh International Conference on EcoBalance, pp.41-42 (2006)

(５) K. Dowaki et al. : “An Economic and Energy Analysis on Bio-hydrogen Fuel using a Gasification Process.”, Renewable Energy, Vol.32, Issue 1, pp.80-94 (2007)

(６) K. Dowaki et al. : “A potential analysis on bio-DME considering the chemical experiments”, Proc. of The 23rd CONFERENCE ON ENERGY, ECONOMY, AND ENVIRONMENT, pp.487-490 (2007) (in Japanese) 堂脇清志・大久保塁・江口 勉・坂脇弘二：「実験を考慮したバイオ

マスからの DME 生産のポテンシャル評価」，第 23 回エネルギーシ

ステム・経済・環境コンファレンス, pp.487-490 (2007) (７) トヨタ自動車株式会社，みずほ情報総研株式会社：「日本における輸

送用燃料製造（Well-to-Tank）を中心とした温室効果ガス排出に関す

る報告書 (2004) (８) P. Ahlvik and Å. Brandberg : “WELL-TO-WHEEL EFFICIENCY For

alternative fuels from natural gas or biomass”, Ecotraffic ERD3 AB (2001) (９) 橋本征二・小原卓巳・寺島 泰：「解体木くずリサイクルの環境面か

らの評価」，土木学会論文集Ⅶ, pp.37-48 (2000) (10) 株式会社 数理計画：「自動車排出ガス原単位及び総量算定検討調

査」，平成 16 年度環境省委託業務結果報告書 (2004) (11) 岩手県林業技術センター：「山土場からのチップの運搬功程」，研究

成果速報, No.171 (2005) (12) 社団法人 化学工学会：「化学工学便覧 改訂六版」，丸善 (1999) (13) 株式会社 ダイヤリサーチマーテック：「バイオマスからのジメチル

エーテル（DME）生産に関する実用可能性調査」，独立行政法人 新

エネルギー産業技術総合開発機構成果報告書 (2002) (14) 大野陽太郎：「DME 製造技術の動向」，配管技術，pp.21-27 (2003) (15) 東京ガス株式会社ホームページ：「高効率ガス吸収冷温水機コージェ

ネレーションパッケージ」， http://eee.tokyo-gas.co.jp/setsubi/pdf/ kosisu_1_1.pdf (2007)

(16) 独立行政法人 新エネルギー産業技術総合開発機構：「バイオマスエ

ネルギー導入ハンドブック（第 2 版）」 (2005) (17) Y. Makino, T. Kato, and Y. Suzuoki : “Potential of Co-firing Woody

Biomass in Coal Fired Power Plant”, IEEJ Trans. PE, Vol.125, No.12, pp.1129-1135 (2005) (in Japanese) 牧野陽祐・加藤丈佳・鈴置保雄：「木質系バイオマスの混焼の利用可

能性」，電気学会論文誌 B 部門, 125, 12, pp.1129-1135 (2005) (18) 八木建設株式会社・宇部テクノエンジ株式会社：「木質バイオマスガ

ス化およびガスエンジンコージェネレーションによる生産設備への

電気・熱量実証試験事業」，独立行政法人 新エネルギー産業技術総

合開発機構成果報告書 (2007) (19) H. J. Muhlen and C. Schmid : “Verfahren zur Vergasung von organishen

Stoffen und Stoffgernishen”（有機物質及び物資混合物をガス化する方

法），ドイツ特許資料 DE19945771C1 (2001) (20) Mayer, M; Mühlen et al. : Blue Tower-Hydrogen from Biomass, European

Conference on Renewable Energies and Cooperation Exchange 2004 (2004)

(21) 池田明由・篠崎美貴・管 幹雄・藤原浩一・早見 均・吉岡完治：「環

境分析用産業連関表」，KEO モノグラフシリーズ No.7，慶應義塾大

学産業研究所 (1996) (22) 財団法人 エネルギー総合工学研究所：「バイオマスエネルギー導入

システム及びロードマップ等に関する調査」，独立行政法人 新エネ

ルギー産業技術総合開発機構成果報告書 (2005) (23) K. Laohalidanond, J. Heil, and C. Wirtgen : The Production of Synthetic

Diesel from Biomass, KMITL Sci. Tech. J., Vol.6, No.1, pp.35-45 (2006) (24) M. Kameyama, K. Dowaki, K. Morishita, and T. Takarada : Influence of

recycled heat carrier during pyrolysis of woods in BLUE Tower Gasification Process, Japan Society of Energy and Resources, Vol.29, No.1 (2008-1 in press) (in Japanese) 亀山光男・堂脇清志・森下佳代子・宝田恭之：「ブルータワーガス化

プロセスにおけるヒートキャリアの繰り返し利用による木質バイオ

マスの熱分解への影響」，エネルギー資源, 29, 1 (2008-1 掲載予定) (25) 八木建設株式会社・宇部テクノエンジ株式会社：「木質バイオマスガ

ス化およびガスエンジンコージェネレーションによる生産設備への

電気・熱量実証試験事業第 2 回評価委員会資料」 (2006) (26) 次世代自動車・燃料に関する懇談会：「次世代燃料イニシアティブの

とりまとめ」，経済産業省 (2007) (27) 国土交通省ホームページ：「運輸部門の地球温暖化対策について」，

http://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/kankyou/ondanka1.htm (2007 access) (28) 堂脇清志「ガス化プロセスによるバイオマスエネルギーシステムの

ライフサイクル分析」，東京大学学位論文 (2001)

堂 脇 清 志 （正員） 1968 年 7 月 5 日生。1994 年 3 月早稲

田大学大学院資源工学専攻修了，2001 年 3 月東

京大学大学院工学系研究科地球システム工学

専攻修了，博士（工学）。現在，東京理科大学

理工学部経営工学科講師。エネルギーシステ

ム，化学工学等の研究に従事。エネルギー資源

学会，日本エネルギー学会，日本 LCA 学会会

員等。

大久保 塁 （非会員） 1980 年 1 月 18 日生。2007 年 3 月東

京理科大学卒業。現在，東京理科大学大学院理

工学研究科修士 1 年。バイオマスガス化に関す

る実験ならびに事業性等に関する研究に従事。

エネルギー資源学会会員。

江 口 勉 （非会員） 1982 年 12 月 18 日生。2007 年 3 月

東京理科大学大学卒業。産業技術総合研究所

LCA センター技術研修生として，バイオマスの

LCA 研究に従事。現在，キヤノンマーケティン

グジャパン株式会社に勤務。日本 LCA 学会会

員。

玄 地 裕 （非会員） 1965 年 11 月 11 日生。1991 年 3 月

東京大学大学院工学系研究科化学工学専攻修

了。1997 年 7 月東京大学大学院工学系研究科化

学システム工学専攻助手。現在，資源環境技術

総合研究所（現産業技術総合研究所）LCA セン

ターチームリーダー。現在，都市のエネルギー

需給分析，都市熱環境とエネルギーシステムに

関する研究，及び地域施策に適用する LCA 手

法開発に従事。博士（工学）。