廃棄物系バイオマスの有効利用の現状...HBD: Hydro-treated bio diesel...

廃棄物学会(リサイクルシステム・技術研究部会） 2008年11月21日

産業技術総合研究所・小木 1

独立行政法人産業技術総合研究所

バイオマス研究センター

小木知子・中西正和

廃棄物学会リサイクルシステム・技術研究部会：京都大学: 2008年11月21日

廃棄物系バイオマスの有効利用の現状---木質系バイオマスのガス化・メタノール＆液体燃料製造--

新エネルギー導入政策

34

H17/2見直しH16/10策定

34

3946(6.5%)

537

423

87

112

120

374

269

2024

2030想定

(新エネ推進)2010目標

黒液・廃材等 ※１

バイオマス熱利用

廃棄物熱利用

未利用エネルギー（雪氷冷熱を含む）

太陽熱利用

バイオマス発電

廃棄物発電

風力発電

太陽光発電

約42倍186144.4

∞？倍30867－

約1.1倍483494457.0

約2.8倍1910

(3.3%)693

(1.2%)

新エネルギー供給計

(一次エネルギー総供給/構成比)

約38倍1343.5

約5倍552115.0

約6倍5.4

約0.9倍9043998.0

熱利用分野

約1.2倍5584.1

約23倍

←

1185.3発電分野

20101999

〔一次エネルギー原油換算 万kl〕

1999実績

（出展：総合資源エネルギー調査会 新エネルギー部会資料）＊１：バイオマスの一つとして整理されるものである。

うち50万klが輸送用燃料輸送用燃料

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日本におけるバイオマスエネルギーポテンシャル

賦存量合計 1,757ＰＪ/年利用可能量合計 1,327ＰＪ/年

（日本の1次エネルギーの5-10%）

利用可能量の内訳→ 木質系バイオマス １/３

食品廃棄物製紙系バイオマス

出典：「新エネルギー等導入基礎調査 バイオマスエネルギーの利用・普及製作に関する調査」（Ｈ１４、5月）

バイオマス

直接燃焼

熱化学変換

ガス化

熱分解

熱・発電

（燃料）ガス

間接液化

直接液化液体燃料

低温ガス化 水素・メタン

（コンポスト）

合成ガス

生物化学変換

嫌気消化

好気分解

発酵

メタン

エタノール

その他

バイオマスのエネルギーへの変換利用体系

炭化 炭

固形化

エステル化 バイオデイーゼル

流動化

ＲＤＦ、ペレット燃料等

（ポンプ輸送可、他のプロセスの前処理）

バイオマスからのエネルギー変換プロセス

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現状 ２０１０年断面 ２０２０年以降２０２０年以降

４．要素技術４．要素技術

前処理・後処理技術

バイオマス燃料・熱利用の地域における導入促進

技術開発の規模別

ターゲット

100 t/d

10 t/d

1 t/d

転換要素技術

エネルギーの高品質化エネルギーの高品質化小型化・低コスト化小型化・低コスト化

安全性・環境への配慮安全性・環境への配慮転換効率の向上転換効率の向上

収集・運搬効率化

潜熱回収

破砕・分別･脱水

運転制御 ガス精製・触媒

廃液脱臭・再利用

バイオマスエネルギー・テクノロジーロードマップバイオマスエネルギー・テクノロジーロードマップ

20102010年に期待される技術群年に期待される技術群

可溶化＋メタン醗酵＋ボイラ、ＧＥ

水素メタン２段醗酵＋ﾎﾞｲﾗ、GE

・ｶﾞｽ化改質＋GE 多様な食廃ﾊﾞｲｵに対応する高度可溶化＋多様な食廃ﾊﾞｲｵに対応する高度可溶化＋

高効率ﾒﾀﾝ醗酵による電力・気体燃料高効率ﾒﾀﾝ醗酵による電力・気体燃料（分解率約60%）

水素メタン２段醗酵＋電力・水素変換水素メタン２段醗酵＋電力・水素変換（発電効率10%up、高性能膜開発、ﾊﾞｲｵGE他）

食・農産バイオマス対応ｶﾞｽ化改質＋食・農産バイオマス対応ｶﾞｽ化改質＋電力・気体燃料電力・気体燃料 、新規触媒による液体燃、新規触媒による液体燃

料化料化（ 油中改質、水熱改質等による食廃脱水技術（冷ガス効率：10%up）、高性能触媒開発）

水熱ｶﾞｽ化＋ﾊﾞｲｵ水熱ｶﾞｽ化＋ﾊﾞｲｵGE,FCGE,FC（高性能触媒の開発）

３．食品・農畜産バイオマス３．食品・農畜産バイオマス

可溶化＋メタン醗酵＋

ボイラ、ＧＥ

・ｶﾞｽ化改質＋GE メタン醗酵による電力・気体燃料＋メタン醗酵による電力・気体燃料＋

消化汚泥燃料化消化汚泥燃料化（ﾊﾞｲｵGE適用、廃油混合でのﾊﾞｲｵｿﾘｯﾄﾞ化等の燃料変換により、総合効率5%up） 水熱ｶﾞｽ化＋ﾊﾞｲｵ水熱ｶﾞｽ化＋ﾊﾞｲｵGE,FCGE,FC

（高性能触媒の開発）

高含水バイオマス対応ｶﾞｽ化改質＋高含水バイオマス対応ｶﾞｽ化改質＋電力・気体燃料、新規触媒による液体燃料電力・気体燃料、新規触媒による液体燃料化化（ 潜熱回収を利用したガス化技術（冷ガス効率：既存の15%up）、高性能触媒開発）

・ｶﾞｽ化改質＋GE

技術開発の規模別

ターゲット

100 t/d

10 t/d

1 t/d

２．下水汚泥バイオマス２．下水汚泥バイオマス

将来期待される技術群将来期待される技術群技術開発の

規模別ターゲット

100 t/d

10 t/d

1 t/d

ｶﾞｽ化改質＋ｶﾞｽ化改質＋高効率な電力変換高効率な電力変換（ﾊﾞｲｵｶﾞｽﾀｰﾋﾞﾝｺﾝﾊﾞｲﾝﾄﾞ開発により発電

効率25-30%→ 35-40 %）

水熱による炭化・液化燃料化水熱による炭化・液化燃料化（連続生成・安定運転の確保）

ｶﾞｽ化改質小規模化＋電力・気体燃料ｶﾞｽ化改質小規模化＋電力・気体燃料（発電効率5%up、小規模高効率化、ﾊﾞｲｵGE,FC適用）

ｶﾞｽ化改質＋新規触媒による液体燃料化ｶﾞｽ化改質＋新規触媒による液体燃料化（高性能触媒開発、ｴﾈﾙｷﾞｰ変換効率50-60%）

ｴﾀﾉｰﾙ醗酵ｴﾀﾉｰﾙ醗酵（連続・安定醗酵の確立）

・ｶﾞｽ化＋燃焼・直接燃料ﾎﾞｲﾗ

（熱利用）

・ﾍﾟﾚｯﾄ他固体燃料・直接燃焼ﾎﾞｲﾗ

（熱利用）

・石炭火力混焼 ・ｶﾞｽ化＋

GE

１．木質バイオマス１．木質バイオマス

１） バイオマス発電・熱利用は新エネルギーに認定

木屑焼却炉、木屑ボイラ・発電は広く普及している技術：

信頼性が高く、合理化設計・コストダウンが進んでいる。

２） 環境対策として建設廃木材等の都市廃棄物のリサイクル施設

の需要が急拡大。重油高騰で、自家発電燃料として廃棄物利

用が進む中、木屑の需要も高まる。

３） 森林整備、林業復興対策として、中産間地域の森林資源、製

材廃材を利用した、地産地消型で経済効果の高いシステムの

ニーズが高まっている。

（良質な“木材”については、技術的にはほぼ完成。→ 木材に関しては、一部取り合いが始まっている。

木質系廃棄物については、まだ技術的課題あり。）

木質系バイオマス利用の現状

（RPS法などの各種制度、税制上の優遇措置の支援）

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燃焼発電における発電量と効率の関係 ガス化発電における発電量と効率の関係

＊バイオマス燃焼発電 概要

燃焼 → 蒸気タービンは小規模では発電効率が低い（下図参照）

→ 石炭などとの混焼で大規模にする→ 小型（専焼）で効率のよい方式を開発

＊バイオマスガス化発電 概要

バイオマスガス化炉の種類＊固定床

ダウンドラフト式アップドラフト式

＊流動床バブリング式循環式

＊噴流床式（微粉体バーナー式）

＊ロータリーキルン内熱式外熱式

ガス化 → ガスエンジン（GE)発電＊ガス化 → ガスタービン（GT)発電

ガス化 → 燃料電池

＊出力 5kW ~ 300kW で各社から各種エンジン開発4,000 kcal/m3 発熱量対応2,000kcal/m3 動作との報告例もあり

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灯油留分

軽油留分750.750.78

150-250250-360

ＧＴＬ＊（BTL)

10.338-53--0.84180-360デイーゼルオイル

10.3-0.45-0.9-0.7530-190ガソリン

6.440-500.21-0.7978エタノール

6.955-605.31.570.67-25.1ＤＭＥ

4.850.37-0.7964.6メタノール

11.158.31.520.49-42プロパン

発熱量(103kcal/kg)

セタン値蒸気圧（気圧）比重密度(g/cm3)

沸点（℃）

なぜ液体燃料か・・・＊輸送用燃料(transportation fuel vehicle fuel)として有用、直接ガソリン、

デイーゼルオイル、軽油に直接代替可能＊長距離大量輸送が可能(Death of distance)、国内にプランテーション用地を

確保できない国に有利 （・・→ ＣＤＭ事業にカウント）→オランダ、シェルの戦略

＊シェルSMDS中間留分の品質、藤元薫、他、PETROTECH, 24, 113 (2001)より転載

ガス化 → 発電ガス化・・・・→ もうひとつの道 ・・・ → 液体燃料製造

ただし、後段に高温高圧プロセス（触媒液化）が控える大規模プラントメーカ対象？中小規模に不適？

次世代自動車・燃料イニシアティブ (経済産業省)

戦略1 バッテリー

戦略2 水素・燃料電池

戦略3 クリーンディーゼル

戦略4 バイオ燃料 (エタノールが主、

その他の新燃料: 水素化バイオ軽油、BTL)

戦略5 世界一やさしい車社会構想

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次世代自動車・燃料イニシアティブ (経済産業省)

GTL: Gas To Liquid, BTL: Biomass To Liquid, CTL: Coal To Liquid原料→ガス化/改質 (H2/CO=2)→FT合成→成分調整、FTD

(広義のBDF) バイオディーゼルは以下の3種(狭義のBDF) FAME: 第1世代、水素化: 第2世代、BTL: 第3世代

軽油代替/デイーゼル車用バイオ燃料の種類と展開

植物油脂（パーム椰子、ナタネ、

大豆、ひまわり等）

動物油脂

リグノセルロース系（木質、草本）バイオマス

ガス化FT合成等

（圧搾、抽出）

油脂

メチルエステル化（FAME*)

水素化処理(HBD**)

BTL(Biomass-to-liquid)

（直接混合）

（第1世代BDF）FAME: Fatty acid methyl ester

（第2世代BDF）HBD: Hydro-treated bio diesel（水素化バイオ軽油）

（第3世代BDF）

FAME HBD BTL

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バイオマス廃棄物

（農林産廃棄物）

都市ごみ

ガス化装置

ガス精製

ガス比調整

液体輸送燃料

DME、メタノールBTLバイオマスプランテーション

樹木・草木（エネルギー作物）

バイオマスの生産供給原料化

前処理 後処理バイオマスのガス化

DME、メタノールBTL 合成

当面

将来

バイオマス：再生可能、ＣＯ２ニュートラル有機性資源で化石燃料に代替可能

膨大な賦存量

ＤＭＥ、BTL：デイーゼル燃料代替

クリーン、遠距離輸送可

＊バイオマスガス化－液体燃料製造 概要

CO,H2 合成成ガス

＊ガス化→発電： 発熱量の高いガスを得る。ガス組成は厳密でない。生成ガスの精製も厳密でない

＊ガス化 →液体燃料製造：生成ガスの組成厳密（(CO+H2）組成、N2は不可）

後段触媒液化 →不純物の徹底除去

ガス化：発電と改質・液体燃料製造プロセスの比較

タールは少ないこと

S,Cl、P、Nは1ppm以下まで精製。特にSとCｌはppbレベル除去が必要

（後段の触媒に依存）

H2, CO（合成ガス組成）、

H2/CO=約２前後が望まし

い。

高いことが望ましい。

ガス化

→改質・液体燃料製造

タールは少ないこと

S,Cl,P,Nは数十-数ppmレベル除去が望ましい。

CO,CO2, CH4, C2-3H4-8、

組成比率はあまり問題とせず。

発熱量の高いガスが望ましい。

高いことが望ましい。

ガス化

→ 発電

ガス精製（微量成分、副生成物の影響）

ガス組成（生成ガスの種類と組成）

ガス化率鍵となる

パラメータ

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Ethanol(エタノール)

Syngas(合成ガス）

CO+H2Methanol(メタノール)

DME

Acetic acid

OlefinsGasoline

FT-liquid(液状炭化水素)

H2

MTO

FT合成

MTBE

NH3 DMFC

MTG

Formaldehyde

i-C4

OlefinsGasoline

WaxesDiesel

MixedAlcohols

合成ガスを基点とする燃料/ケミカルズの製造

目 的

目 標

プラント容量 ： バイオマス処理能力2t/日規模

バイオマス ： スギ、流木や間伐材(従来未利用)ガス化方式 ： 噴流床部分酸化ガス化方式

メタノール合成方式 ： 高圧触媒合成方式

冷ガス効率 ： 65％以上 （実用機75%以上相当）

メタノール重量収率 ： 20％以上 （実用機40%以上相当）

バイオマスのガス化によるメタノール等気体・液体燃料製造技術の実用化に目処をつける。

熱的に自立したガス化炉を用いて、試験プラントの製作，

運転試験を行う。

NEDOプロジェクト(H13-16年度）：バイオマス高速ガス化-気体・液体燃料製造全体計画

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（独) 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)

経済産業省 資源エネルギー庁

推進委員会

バイオマスの高速ガス化方式によるメタノール等気体・液体燃料への高効率エネルギー転換技術開発

試験プラント設備 支援研究

試験プラント設計・製作

試験プラント総合評価

全体システム

フィージビリティ検証

三菱重工 (株)

バイオマス収集・輸送・乾燥

試験プラント運転

バイオメタノール利用検証

試験プラント立地点整備

中部電力 (株)

多種多様なバイオマスの

ガス化特性計測

(独) 産業技術総合研究所

NEDOバイオマスプロジェクト研究体制

バイオマスガス化メタノール製造試験プラント

発電設備側

ＬＮＧタンク側

川越電力館テラ４６

試験プラント位置図（川越火力発電所構内）

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粉砕装置

ガス化炉常圧

（２トン／日） ガス精製 メタノール合成装置

バイオマス（ＣＨ２Ｏ）

ガス化炉 ス

クラバ

灰

排ガス

メタノール（ＣＨ３ＯＨ）

原料

ホッパ

粉砕機

脱塵装置

排水

合成塔

酸素（Ｏ２）

水蒸気（Ｈ２Ｏ）

ガス冷却器

水

バイオマスガス化-メタノール合成システムフロー

バイオマス粉砕設備

ガス化炉設備

ガス精製ﾒﾀﾉｰﾙ合成設備

ユーティリティ設備

２ｔ/ｄ試験プラント全景写真（中部電力・川越発電所内）

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バイオマス性状（受入状態）

スギ（RＵＮ1～3） 広葉樹（RＵＮ4） バーク（RＵＮ5）

伐採木（RＵＮ6） 流木（RＵＮ7） 建築廃材（RＵＮ8）

50

55

60

65

70

0.35 0.40 0.45 0.50O2/C

冷ガ

ス効

率（%

）

冷ガス効率(%)＝生成ガス熱量／原料バイオマス熱量

冷ガス効率65%達成（実用機70～75%相当）

杉

伐採木流木

広葉樹

バーク

目標値

計画運用範囲

建築廃材

ガス化特性：冷ガス効率

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バイオメタノールの性状 （提供：㈱三菱重工）

12 wt%その他（炭化水素等）

1 wt%水分

87 wt%メタノール

24.3 kJ/kg高位発熱量

バイオメタノールの用途補助ボイラ（軽油使用）代替燃料燃料電池用バイオデイーゼルフューエル（BDF)メチルエステル化用DME製造 → ボイラ/ガスタービン 集中電源用燃料

→ デイーゼルエンジン、燃料電池、分散電源用燃料GTL製造 → 軽油、灯油代替、輸送用燃料への混合、化学原料

40 wt%以上18 –21 wt%20 wt%以上メタノール

重量収率

75 cal%以上60 –67 cal%65 cal %冷ガス効率

50 –100 ton/day

2 ton/day2 ton/dayバイオマス処理量

商業プラント

(想定)試験プラント

結果

試験プラント

目標

試験プラントの計画、実績と実機計画

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産総研の小型噴流床型バイオマスガス化装置

図3　小型噴流床型バイオマス

ガス化炉フロー図

蒸留水 流量計

窒素加圧 蒸発器

流量計

流量計

窒素ガス

酸素ガス

電気炉

反応管

ヒーター加熱

フィルター：固形物回収

ドレイン：タール回収水溶物回収

ガス回収

冷却器

冷却水

原料供給装置

ガスメータ

[O2]/[C]=0 [H20]/[C]=2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

スギ ヒノキ スギ樹皮 ライグラス イナワラ

[生成

ガス

mol]/[原

料中

Cm

ol]

CO

CH4

CO2

H2

各種バイオマスガス化結果

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BTLシステム構成 BTL Process Illustration

噴流床ガス化

洗浄

圧縮

スチーム

除塵・再利用

改質

脱硫

熱回収

FT合成

C10-20

C20+ wax

<C10

BTL燃料

CH4

tar

触媒

FT触媒

NEDOプロジェクト（MHI-AIST H18-21年度)のBTLプロセス概要

噴流床ガス化の特徴多種多様なバイオマス利用可能食料と競合しない低品位廃棄物系バイオマス

1段ガス化ガス化条件の調整でガス組成調整可高冷ガス効率 (商用機：>75%)

→社会情勢に柔軟に対応可能

軽油代替燃料(BTL, BHD)の特徴性状が安定(長期保存・輸送可)腐食性が無いセタン価が高い従来設備で使用可

次世代自動車・燃料イニシアティブ戦略3「クリーンディーゼル」対応

高品位

1．BTL製造システムフロー

付帯設備（洗浄システム、水封タンク、コンプレッサ等）設置

低圧コンプレッサ関連装置小型噴流床型ガス化装置

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←左：FT合成用反応装置

→右：合成したFT油（BTL)

ＦＴ反応(合成）装置と合成したＢＴＬ

軽油代替燃料製造コストの試算：現状と将来

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バイオマスエネルギーの経済性従来法のエネルギー生産コストのみの観点；化石燃料より不利

（ただし、現時点で、原油価格の上昇や税制考慮により

バイオマスエネルギー、バイオ燃料は競合可能になってきている）

▽

▽

アグロフォレストリー（農林生産複合）、バイオリファイナリーの観点

＊エネルギーだけでない他の産業との組み合わせによる土地面積あたりの総生産量考慮

＊新しいコスト試算因子の導入

☆環境保全

地球環境 → ＣＯ2削減効果 （COP3・・）（環境税導入ケース）（ＲＰＳ制度導入）

地域環境 → 造林による洪水防止、土壌流出防止、廃棄物処理

☆エネルギーセキュリテイ

☆雇用促進、地域振興

★ リクリエーション資源

→ 上流（原料調達）と下流（生産品利用システム、制度確立）が必要

謝辞ご清聴ありがとうございました。

本講演に際しては、以下の機関、方々のご援助、ご助力をいただいております。この場をお借りしてお礼を申し上げます。

＊資源エネルギー庁・新エネルギー対策課御中

＊ＮＥＤＯ 新エネルギー技術開発部(バイオマスＧｒ）御中

＊三菱重工業㈱御中、

＊中部電力㈱御中

＊長崎総合科学大学御中

＊森林総合研究所御中