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バイオマス利活用の技術
柚山 義人
1. バイオマスの特性と利活用の推進政策
1．バイオマスとは
■バイオマスの認知度が飛躍的に高まってきた。10年前には考えられなかったことである。毎日のように様々な報道がなされている。 「バイオ」は生物や生物資源を，「マス」は量を表す。バイオマスは，生きものが大気圏，水圏，土壌圏に広く分散して存在している物質を集積・改質・合成することによってつくられる。植物は光合成によって有機物を生産する。食物連鎖を通して物質の集積が進む。作物，樹木，家畜の糞尿，生ごみ，稲藁，生活廃水汚泥など，生物由来のモノがバイオマスである。人類は昔から，バイオマスを食料，飼料，木材，生活用品，燃料などとして有効活用してきた。 近年，バイオマスの利活用が注目されている背景としては，大量生産，大量消費，大量廃棄の社会システムが，自然の浄化能力を超え，地球温暖化，水質汚濁，廃棄物，有害物質等の様々な環境問題を深刻化させていることがあげられる。バイオマスがエネルギー・環境問題軽減に貢献できると見直されるようになったのは，バイオマスの有する，(1)再生可能であること，(2)貯蔵性・代替性があること，(3)膨大な賦存量を有すること，(4)カーボン・ニュートラルであること，という特性による。 バイオマスを変換して利活用するイメージは，図1に示すとおりである。本講では，人間の食料や家畜のエサの生産と利用，木材の生産と建築・木工資材としての利用については扱わない。対象とする原料としてのバイオマスは，廃棄物系バイオマスと未利用・低利用バイオマス及び資源作物である。人間が介在したバイオマスは，収集，変換して価値が生じ，実用上の「資源」と呼べる状態になる。バイオマスからは，飼料，有機肥料，工業原料，電気，熱，そして自動車の燃料など色々なものを作り出すことができる。
図1 バイオマス利活用のイメージ
2．バイオマス利活用推進の背景と政策の動き ■バイオマスの利活用は，適切に計画・実行されれば，資源循環や環境保全に貢献し，農業と工業分野の協働を含む産学官・市民の連携による持続可能な地域社会システムの構築に大きな役割を果たす。2000年5月の循環型社会形成促進基本法の制定や2002年12月のバイオマス・ニッポン総合戦略1)の閣議決定等がその取り組みを後押ししている。バイオマスのエネルギー変換は地球温暖化防止対策になる場合があり，京都議定書が2005年2月16日に発効したのを受けて進むと思われる。開発した技術を外国へ導入して施策を講じると，京都メカニズムに基づき，共同実施（JI），クリーン開発メカニズム（CDM）の対象となり，温室効果ガス削減量としてカウントされる。 2005年4月に閣議決定された京都議定書目標達成計画においては，1次エネルギーに占める太陽光，風力，廃棄物，バイオマス，黒液・廃材による発電などから得られる「新エネルギー」の割合を2002年度の1.6％（原油換算で923万kL）から2010年度までに3％（同1,910万kL）に引き上げる計画である。これらの新エネルギー需要先としては，クリーンエネルギー自動車，天然ガスコージェネレーション，燃料電池が想定されている。京都議定書目標達成計画においては，2010年度までに308万kL（原油換算）のバイオマス熱利用が目標として設定されている。うち，輸送用燃料バイオマス由来燃料を50万kL（原油換算）使用する（輸送用燃料全体約8,600万kLの約0.6％）という目標を揚げている。なお，「新エネルギー」は，1997年に施行された「新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法」において，「技術的に実用化段階に達しつつあるが，経済性の面での制約から普及が十分でないもので，石油代替エネルギーの導入を図るために特に必要なもの」と定義されている。そのため，実用化段階に達した水力発電や地熱発電，研究開発段階にある波力発電や海洋温度差発電は，自然エネルギーであっても新エネルギーには指定されていない。これらの数値からは，涙ぐましい努力をしても，石油依存の社会からの脱却が容易でないことが理解できる。 また，世界的にバイオマス由来の輸送用燃料（バイオ燃料）の導入が進む中で，我が国においても国産バイオマス由来の輸送用燃料の利用促進が要請されている。そのような観点から，バイオマス・ニッポン総合戦略が2006年3月に見直され，食料・農業・農村政策推進本部が決定した「21世紀新農政2006」においても，国産農産物等を原料としたエタノール利用の実例の創出，原料農産物の安価な調達手法の導入，低コストで高効率な生産技術の開発等を進めるとされている。2007年2月には，国産バイオ燃料の大幅な生産拡大に向けた工程表が，農林水産大臣より内閣総理大臣へ報告され，政府一丸となった取り組みが開始された。これによると，2011年に5万kL，2030年頃に600万kLという輸送用燃料利用の目標が設定されている。 バイオマスの利活用は，農村振興の観点からも重要な取り組みである。バイオマスの利活用を農業・農村振興の立場で捉えると，持続的農業のために必要な良質の土づくり，農地・畜産施設からの環境負荷削減，循環促進のための活動を通した魅力的な美しい農村社会の創造等が主な視点である。 これまでのバイオマスに係る事業制度は，ソフト，ハード事業とも多岐にわたっていたが，例えば農林水産省関連分は平成17年度から「バイオマスの環づくり交付金」に一本化された。平成19年度からは「地域バイオマス利活用交付金」となった。これにより，地域に柔軟な裁量が委ねられるとともに，より確実な成果が求められる。 総合科学技術会議では，様々な機関で実施されている研究をつなぐために，「連携施策群」と呼ばれる中の1つとして「バイオマス利活用」をとり上げ，平成17年度後半から研究開発に着手している。 3．バイオマス・ニッポン総合戦略 ■バイオマス・ニッポン総合戦略*1は，内閣府，文部科学省，農林水産省，経済産業省，国土交通省，環境省，総務省が連携して推進している。事務局は，農林水産省大臣官房環境バイオマス政策課におかれている。 同戦略の目指すものは次のとおりである。 (1)地球温暖化の防止(2)循環型社会の形成 (3)競争力のある新たな戦略的産業の育成 (4)農林漁業，農山漁村の活性化 ■これに基づき，計画的な施策の推進が図られてきた。その後，2005年2月に京都議定書が発効し，実効性のある地球温暖化対策の実施が喫緊の課題となるなど，バイオマスの利活用をめぐる情勢が変化した。このため，バイオマスの利活用の現状と課題の検証を踏まえ，2006年3月に新たな総合戦略を策定し，今後重点的に取り組むべき課題や施策を明らかにした。この中で2030年を見据えてた「バイオマス・ニッポン」の姿は，次のように描かれている。 国民一人ひとりの中に，私たちの身近にあるバイオマスは，資源として利活用されるものであるとの意識及び生活習慣が定着し，廃棄物系バイオマスの発生抑制が進む。バイオマスの生産・変換においては，適正な窒素循環等の環境への配慮や付加価値の高い製品・エネルギーを作り出す取組，段階的に製品やエネルギーに変換される取組が進み，生活の中にバイオマスの利活用が普及する。 家庭や外食産業，小売店舗などから出る生ごみは，再生利用しやすい形で分別して収集され，たい肥などに利用されたり，炭化又はメタンガス化されてエネルギーとして利用される。食品加工残さ等のように性状の均一な資源がまとまって出されるものについては，飼料としての利用も進み，食料自給率の向上にも資する。 下水汚泥や家畜排せつ物から作られるたい肥等の製品の品質の向上が図られ，需要側の使い勝手の良いものとなる。エネルギーとしての利用も進み，産出される熱や電気は施設内だけでなく，近隣の施設にも供給される。 建設発生木材は，製紙原料などの製品利用を優先的に進めるほか，製品利用できないものについては，発電用燃料としての利用，燃料用エタノール等の熱利用が進む。 稲わらは効率的に回収されることにより飼料としての利用が進み，粗飼料の自給率が100％になることに貢献するところとなる。また，農作物が食用だけでなく製品やエネルギーの原料として非食用途に利用される。また，農業機械にもバイオマス由来燃料が利用されるほか，良質なたい肥の安定的供給が図られ，耕畜連携が進むことにより，環境保全型農業が進むなど，農業生産現場の様子が変わる。 間伐材を含む林地残材等は，その利活用が，健全で活力のある森林の育成につながり，地球温暖化の防止や国土の保全，水源のかん養など森林の有する多面的機能の維持増進に資することについての国民の理解が深まるとともに，生産・流通・加工の大幅なコストダウンによって，製品やエネルギーとしての利活用が進む。 このようにして，廃棄物系バイオマス及び未利用バイオマスのほとんどが製品又はエネルギーとして最大限有効かつ体系的に利活用され，バイオマスタウンが全国的に構築される。また，有機性廃棄物についてはゼロエミッション社会が実現する。 輸送用機械の動力源が多様化する中で，液体燃料としてはバイオエタノールやバイオディーゼル燃料などの利活用が進む。各地において，様々なバイオマスを利用した発電及び熱利用が行われ，自家需要や近隣の電力需要の一部を賄うなどのエネルギーの地産地消が実現する。バイオマスプラスチックについては，環境への影響の少ないシステムが確立され，多くの製品に利用される。 ■バイオマスの利活用技術の展開方向としては，(1)効率の高い収集・変換技術の開発・実用化，(2)バイオマス・リファイナリーの構築，(3)バイオマスのカスケード的利用，(4)他分野との連携，周辺技術の開発，が特記されている。 バイオマスタウンについては，次のように地域特性に応じたシステムの構築の必要性を示している。 バイオマスは，生物によって生産されるため，「広く，薄く」存在するという特性を持つ。バイオマスの利活用を推進するためには，この特性を踏まえ，地域で効率的にエネルギーや製品として利用する地域分散型の利用システムを構築することが基本となる。 また，バイオマスを持続的に利活用していくためには，その生産，収集，変換，利用の各段階が有機的につながり，全体として経済性のある循環システムを構築することが重要である。さらに，バイオマスの賦存状況，利用に対する需要の条件等は地域によって様々であることから，地域ごとに地域の実情に即したシステムを構築することが必要である。 このため，市町村が中心となって，広く地域の関係者の連携の下，総合的なバイオマス利活用システムを構築する「バイオマスタウン」構想の取組を広げていくことが必要である。 バイオマスタウンの構築は，物質循環，経済性，地域活性化，雇用創出等の観点から他の地域のモデルとなる事例の提示，地域の潜在能力をどのように活用すべきか方向付けを行うことができる人材育成等により進展するものと期待される。 ■また，システム全体の設計と評価手法の開発を次のように推進するとしている。 バイオマスを持続的に利活用していくためには，その生産，収集，変換，利用の各段階が有機的につながり，全体として経済性がある循環システムを構築することが重要である。このため，各段階に係る個別要素技術開発の一層の推進とあわせて，地域雇用の創出や全体システムとしての経済性を考慮するとともに，地域の条件にあった持続可能なモデルを提示できるようなシステム全体の設計・評価手法の開発を強力に推進すべきである。この場合，エネルギーや製品として利活用できるというバイオマスの特性を活かし，多種多様な燃料や有用物質を体系的に生産し，限りある資源を最大限かつ合理的に利用する「バイオマス・リファイナリー」を効果的に導入することにより，システム全体の経済性の向上を図ることが重要である。 また，システム全体の設計に当たっては，窒素などの重要な物質収支等を考慮することが重要であり，これを評価するため，バイオマス利活用システムのすべての工程を一貫して定量的に環境への影響を評価するライフサイクルアセスメント（LCA）手法を確立することが必要である。 4．バイオマス利活用の推進について ■バイオマス利活用システムは，原料バイオマスの発生（生産）・収集，変換プラントへの搬送・貯蔵，変換，変換によって得られる再生資源（マテリアルやエネルギー）の貯蔵，利用場所への搬送，利用，各段階における廃棄からなっている。 バイオマス利活用は，京都議定書のような国際公約を守ったり世界をリードするビジネスを成立させたりという戦略と，日本の農村を守り豊かにするという戦略をそれぞれ練り上げていくべきである。道路にたとえると，前者は全国を縦断する高速道路で，後者は田舎道である。いずれも大切であり，各々の議論に基づいて推進していく必要がある。 考えて頂きたいこと ■わが国は，石油由来のモノやエネルギーであふれています。何をバイオマス由来のものに変えられる可能性があるでしょうか。 次回予告 ■次回は，わが国におけるバイオマス利活用の現状とバイオマスタウン構想について解説します。
＜コラム＞ カーボン・ニュートラル
バイオマスを燃焼すること等により放出されるCO2は，元々，生物の成長過程で光合成により大気中から吸収したCO2であるため，バイオマスは私たちのライフサイクルの中で大気中のCO2を増加させない。この特性を表現する用語が「カーボン・ニュートラル」である。化石資源由来のエネルギーや製品をバイオマスで代替することにより，化石資源由来の温室効果ガスの1つであるCO2の発生を抑制できる。 温室効果ガスにはCO2，CH4，N2O，オゾン，フロン等がある。我々の活動や自然現象によりどのくらい温室効果ガスが発生するか，または削減をカウントできるかは，「地球温暖化対策の推進に関する法律」に基づく「地球温暖化対策地域推進計画策定ガイドライン」により，各々のガスの排出係数を用いて算定できる。例えば，一般炭2.4kgCO2/kg，原油2.6kgCO2/L，電力0.38kgCO2/kWh，都市ガス2.1kgCO2/km3，廃棄物（食物屑）の埋立処分場からの排出140kgCH4/t，乳用牛のふん尿処理堆積発酵6.7kgCH4/頭/年，3.7 kgN2O/頭/年，わら施用の間断灌漑水田（黒ボク土）8.5kgCH4/10a/年である。 このように，バイオマスは，完全にCO2に分解した場合やメタン発酵により発生するCH4を捕集してエネルギー利用した場合は「カーボン・ニュートラル」の特性により，地球温暖化を抑制できる。しかし，放置や変換の過程でCH4やN2Oが大気へ放散される場合には地球温暖化を促進する。CO2，CH4，N2Oは1mol当りの赤外線吸収度が異なり，CO2に比べCH4は21倍，N2Oは310倍程度の温暖化をもたらすとされている。バイオマスの生産（発生），輸送，変換，サービスにもエネルギーが使用される。したがって，この評価にはライフサイクルアセスメント（LCA）などの適用が望まれる。
柚山 義人 H20.5.14
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