【話題9】

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
• 2. バイオマス利活用の現状とバイオマスタウン構想
• 3. バイオマス利活用システム設計のための地域診断
• 4. バイオマス利活用システムの評価の視点
• 5. バイオマス利活用システムの評価の手法
• 6. バイオマス利活用推進に向けての課題
• 7. バイオマスの変換技術
• 8. バイオマス多段階利用の実証研究
• 9. バイオマス多段階利用の実証研究の成果と教訓
• 10. メタン発酵消化液の利活用
• 11. バイオマス利活用と農業
• 12. 農業と環境保全
• 13. バイオマス利活用における安全問題
• 14. バイオマス利活用における輸送問題
• 15. バイオマスタウン構想策定の実務

ホーム >> 話題一覧 >> 11. バイオマス利活用と農業｜ バイオマス利活用の技術

1．バイオマス利活用による新たな農業の展開

■バイオマス利活用の推進は，目指すべき我が国の農業像を再考する機会でもある。農業は，化学肥料が普及するまでは，バイオマス由来養分の補給が収量確保の生命線であった。今，農業からの環境負荷や多くのエネルギー使用が明らかになりつつあり，現代版の環境保全型農業技術の確立が求められている。食糧自給は国の基本である。バイオマスを利活用することは，従来の食料・木材等の生産の枠を超えて，休耕田や耕作放棄農地を活用することにもなり，農村地域の活性化，雇用確保，食料自給力ポテンシャルの維持による食料安全保障にも役立つ等，農林水産業の新たな領域の開拓につながる。バイオマスの利活用は，現在の経済的価値基準で必ずしも採算がとれなくとも，脱石油時代に向けて，また外部不経済の解消が必要な時代にあって，環境保全に資する方法で進める必要がある。

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2．廃棄物系バイオマスの利活用

■農村地域で生産される，あるいは発生するバイオマスには，家畜糞尿，生ごみ，生活廃水汚泥，農作物非食部などがある。これらを資源として利用する，少なくとも適切に処理するための変換技術として，堆肥化，メタン発酵，飼料化，炭化等がある。図1は，耕種農家と畜産農家が連携して，飼料（エサ）と肥料の自給率を高めるとともに，家畜糞尿を有効利用するためのシステムである。システムが成立するためには，家畜の頭数と農地面積のバランスが重要である。また，利用者の要望に応える品質の堆肥や消化液を製造していかなければならない。メタン発酵については，糞尿の固液分離が確実に行え，消化液の需要が大きく，堆肥化に比べて窒素やエネルギーの回収率が高いという優位性を発揮できる地域を中心に適用すべきである。

堆肥やメタン発酵消化液（液肥）を農地に施用する場合には，窒素やリンが過剰に蓄積され環境へ大きな負荷を与えることのないよう注意が必要である。基本的には，作物吸収に見合う量を供給することにより，環境負荷を小さくする。窒素，リン，カリウムの1つが必要量に達した時点で成分を自由に調整できない堆肥等の供給は停止し，不足成分は単肥の化学肥料で補うことになる。肥効率は堆肥等の種類によって大きく異なること，また，連用により肥効率が変化することを認識しておかなければいけない。持続性の判定においては，ストック量の変化を予測するとよい。しかし，全てを事前に予測することは困難なので，運用開始後にモニタリングを行い，需要と供給の調整の余地を残しておくことが肝要である

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3．資源作物の候補

■資源作物とは，エネルギー源や製品の原料として栽培される作物（農林水産省大臣官房環境政策課資源循環室，2006）*2であり，糖質資源としてさとうきび，てんさい等，デンプン資源として米・イモ類・トウモロコシ等，油糧資源としてナタネ，大豆，落花生等が挙げられる。糖質資源およびデンプン資源はエタノール発酵による燃料への変換，油糧資源は食用油としての利用後のバイオディーゼル燃料（BDF）等への変換が期待され，実証が進められている。また，デンプン資源は，生分解性プラスチック原料としても注目されている。直接燃焼によるエネルギー生産も含めれば，木材も含め非常に多くの作物が資源作物に該当するが，本稿では，エタノール生産およびBDFの原料となる作物（「エネルギー作物」とも呼ぶ）を資源作物として取りあげる。表1は，現在国内で生産されており，今後資源作物としての生産可能性があると考えられる作物について，栽培状況を整理したものである。

てんさいは，収穫量の100％が北海道，サトウキビは収穫量の56％が沖縄県，44％が鹿児島県と生産地が限られている。一方，飼料作物であるソルガムは，九州を中心に収穫量が多く，本州でも栽培可能であることから今後資源作物としての生産が期待できる。

■我が国において本格的な資源作物の生産はこれからである。望ましい資源作物とは，低投入・高収量・低環境負荷のものである。粗放・低コスト栽培が条件となる。高収量を確保しようとすると，一般的には高投入・高環境負荷になるので，どこかで折り合いをつける必要がある。作物の収量と施肥量の例を表2に示す。資源作物の候補にもなる水稲の飼料用多収量品種と食用のコシヒカリを比べると，前者は収量が多い分，施肥量も多い。資源作物に対する施肥基準なるものはない。現段階では飼料作物に関する情報が参考になる。

■作物生産には，人間の食用，家畜のエサ用，そしてエネルギー用という優先順位がある。食料や飼料と競合しない場所及び時期での生産という制約条件が付けられる場合が多くなると思われる。自ずと条件不利地での栽培になる。資源作物の栽培が耕作放棄地や休耕田対策とリンクされるのはこのためである。

資源作物は，投入エネルギーをできるだけ小さくして，年間で単位面積あたり，いかに多くのＣを安定的に回収できるかを考えて栽培計画を立てる必要がある。このため，高収量品種の選定，作物の成長速度を考えた収穫時期の設定，複数年を考えての作付け体系，場合によっては永年性資源作物との組み合わせ等がポイントとなる。願わくは，スケールメリットを発揮できるよう，空間的まとまりがほしいところである。生産物の全てを利用するのか部分を利用するのか，主産物をどこにするのかも重要な視点である。例えば，米収量を多く確保する場合とワラ部分を多く確保する場合では，品種の選択が異なる。また，作目や品種にもよるが，高収量になるため水の消費量が増大する場合があること，優良条件下での栽培試験結果がそのままあてはまらないこと，排水対策など基盤整備が必要な場合があることに留意する必要がある。

エネルギー米（稲）の生産には，既存の技術とインフラを使えること，環境保全に資すること，いざという時に容易に食用米の生産に再転換できることという魅力がある。但し，一農家（経営体）で食用米，飼料稲，エネルギー米（稲）のいずれか2つ以上を同時生産する場合には，労働ピークの軽減のための作付け体系，水利権の確認・確保が必要である。

一方，資源作物には高収量という目標を犠牲にして，超粗放・低コスト栽培に徹するという考え方もある。クリーニング作物，カバー作物，景観作物としての役割もある。現在の経済価値基準からは採用しづらくとも，環境保全につながるのであれば，シニア世代の活躍の場の確保，耕作放棄地対策等として導入する意義は大きい。

資源作物の一つとして期待されているソルガムは，クリーニングクロップあるいはカバークロップとして，大豆や根菜類と輪作される場合もある。また，青森県横浜町のばれいしょ・小麦－ナタネの輪作体系では，連作障害の防止策としてナタネ栽培が始められたが，それに加えて，菜の花景観を利用した観光産業にも結びついている。

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4．資源作物からのバイオ液体燃料製造*1 *3

■バイオ液体燃料の製造と利用が国策として表明された。原料バイオマスは資源作物，林地残材，食品残さ，廃食用油等で，生成物はエタノール，メタノール，バイオディーゼル燃料等である*4～*8。図2は，資源作物からバイオ液体燃料を製造する大枠のフローである。システムとしての成立性は，原料バイオマスの生産や変換だけでなく，収穫，乾燥，輸送，貯蔵，破砕，固液分離，廃棄物処理を含む全プロセスについて，エネルギー，環境，経済など様々な観点から点検・評価する必要がある*6。副産物のほとんどを廃棄物として処分しないといけない方法ではシステムが成立しない。燃料生産の効率化だけに意識があると，窒素（N），リン(P)，有機物の循環を含む農業生産・土壌の持続性に問題を生じる危険性がある。すなわち，液体燃料の製造においては，光合成に基づく炭素（C）の回収が主となるので，それに付随するN・P・カリウム（K）及び微量ミネラルの農地還元が鍵となる。

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5．エネルギー収支による評価*3

■資源作物生産においては，「投入エネルギー（直接的エネルギー＋間接的エネルギー）＜生産されるエネルギー」が成立する必要である。 主食用・飼料用イネ品種のエタノール化を例として，1ha当たりの収穫物から生産されるエネルギーを試算した（表3）。

■農林水産技術情報協会（1996）*10では，平成7～9年度に，33の作物・4種の家畜について，地域および経営形態・経営規模などによって異なる作業体系を例として取りあげ，各作業体系におけるエネルギー消費原単位を明らかにしている。例えば，「水稲（東北・集団経営）」における一定の前提条件の下での直接エネルギー・間接エネルギーの総計は，1ha当たり6,607Mcalである。算出対象にされている作業は，種子の予措（発芽安定のための塩水選）から播種，育苗，代かき，田植等を経て収穫し，籾の乾燥調整とその後の秋耕までである。加えて，低コスト・省労力栽培でのエタノール原料イネとして飼料用イネを想定し，同調査から，「水稲（岡山・乾田直播）」と「飼料作物（北海道・草地型酪農）」の算出結果を組み合わせて試算した結果，1ha当たりの飼料用イネ生産に必要なエネルギーは3,427Mcalとなった（表4）。

■エネルギー収支という点では，表3で試算した発熱量から，資源作物の圃場における収集および変換プラントまでの輸送，さらにはエネルギー等への変換及び貯蔵に係るエネルギーを引いた残りが，表4に示した所要エネルギーよりも大きければ，その資源作物の生産は，エネルギー収支の観点からは持続的であると評価できる。

(財)十勝圏振興機構は，北海道十勝圏で，小麦・ばれいしょ・てん菜・豆類の4品目による輪作体系が定着していることを踏まえ，規格外小麦，ビートトップ，スイートコーン残さ，豆がら，ばれいしょでん粉粕およびてん菜を原料としたバイオエタノール変換システムの事業化可能性を評価する調査を行っている（財団法人十勝圏振興機構，2005）*11。この調査では，各作物・残さの賦存量(発生量)，収集・運搬性，発生時期・保存性，価格の観点から検討されている。収集・運搬性については，エタノール製造プラントの立地や運搬機械の燃費（走行時・積降ろし）・所要時間を仮定して燃料消費量が試算されており，標準発熱量に換算すると，生産されたエタノールから得られるエネルギーに対して収集・運搬にかかるエネルギーは，規格外小麦で1.1％，含水率の高いてん菜で1.8％となった（表5）。

■しかし，てん菜の収穫時期は10月中旬から11月中旬と限られており，また，収穫物の含水率が高いために腐敗しやすく，保存には適さない。乾燥保存のためのエネルギーは本試算には含まれておらず，資源作物としてのてん菜利用を考えるならば，前処理のエネルギーを加算する必要がある。さらにエタノール製造の場合には，粉砕，蒸煮，糖化（ここまでを前処理という場合が多い），発酵，濃縮，抽出，精留，脱水といった工程がある。この調査では，スケールメリットが得られ，採算がとれる規模のプラント（年間エタノール生産量3万kL）を想定し，プラント稼働日数を300日として試算している。それによると，操業に係るエネルギーは，直接エネルギーだけで一日当たり122万1,432MJが必要となる。さらに，使用される薬品等の間接エネルギーや廃棄物処理に係るエネルギーを考慮しなければならない。

資源作物の生産およびエネルギー・工業製品としての変換・利用においては，多大なエネルギーを投入することとなる。農業環境技術研究所では，様々な作物栽培体系における環境への影響を評価するため，LCA（ライフサイクルアセスメント）の手法を開発しており，その中で肥料・土壌改良資材・農薬の施用や管理作業による環境負荷物質の排出及び吸収量を算出している。例えば，水稲の移植と直播体系の比較，あるいは耕起栽培と不耕起栽培体系の比較においては，それぞれ直播，不耕起栽培の場合に投入エネルギーが小さいと推測されるが，一般的な施肥基準の下では直播栽培体系の方が窒素・リン等の環境負荷は大きく（農林水産技術会議事務局・農業環境技術研究所，2001*12，2003*13），また，一酸化二窒素（N₂O）は耕起移植水田よりも大きい結果となっていた（農業環境技術研究所，2003）。投入エネルギーだけでなく，投入資材および適用技術等によっても環境への影響に違いが出ることがわかる。

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6．経済性からみた評価*3

■「資源作物生産に係る投入物質・エネルギー価格＜資源作物から得られる物質・エネルギー価格」であれば，資源作物生産は経済的に見合うと言えるだろう。このような単純な不等号が成立するためには，生産者の立場から見れば，資源作物が低コスト・省力で生産可能であると同時に，資源作物のエネルギー・製品原料としての価格が生産コストを上回る必要がある。

また，資源作物をエネルギー・製品原料として利用する立場（エネルギー業・製造業あるいはエネルギーや製品を利用する一般市民など）から見れば，左辺にはエネルギー・工業製品への変換や輸送にかかるコストを計上することになり，資源作物の原料としての価格はそれらのコストに見合うものでなければならない。

経済性は，基本的に，ライフサイクルコストで評価すべきである。

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7．持続的な農業経営のための評価－生産者の視点から*3

■全農の営農総合対策部による調査（環境省エコ燃料利用推進会議，2006）*9では，新潟県の生産組織代表者を対象に，不作付水田解消に向けたバイオエタノール原料イネの栽培意向を調査している。この調査では，単収800kg/10ａの超多収品種を使い，無人ヘリ利用の湛水直播体系による超低コスト栽培を前提としている。また，生産された玄米の買い入れ価格は原料玄米1kg当たり20円と設定している。この調査の前提を，平成16年産米生産費調査の値と比較したのが，表6である。米生産にかかる費用のうち，食用米生産部門と共有できるコスト，あるいはバイオエタノール原料イネ栽培においては発生しないコストを差し引き，かつ，低コスト生産により労働時間が低減することを前提とした10ａ当たりのバイオエタノール原料イネ栽培費用は，約35,600円である（表6の全農調査の前提①）。さらに，農機具費については食用イネ栽培側で負担するとし，そのコストを差し引いた栽培費用は，18,600円である（表6の全農調査の前提②）。この前提条件が妥当かどうかは，あくまでも試算であり，生産地の状況や米市場等の情況により一概には言えないが，この調査により提示されたバイオエタノール原料玄米の販売収入は10ａ当たり16,000円であり，同じ水田で食用イネを栽培した場合の約14％に過ぎない。

■ただし，この調査の前提は，現在の食用米の作付体系および機械体系との適合性を図りながら土地利用率の向上を目指していることにある。多くの労力を追加的に必要とせずに一定程度の換金効果がある作物を生産できるならば農業経営の効率化につながると考えられる。

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8．エネルギー変換システムの持続性評価－変換プラント運営の視点から

■5．で取りあげた(財)十勝圏振興機構による調査では，原料価格および圃場からエタノール製造プラントまでの収集・輸送に要するコストを検討し，十勝圏におけるバイオエタノール原料として規格外小麦が有望であるとしている。その上で，てん菜（参考として）と規格外小麦を原料としたエタノール製造プラントの建設コスト，運用コスト（原料購入コスト，プラント操業コスト，廃棄物処理費，設備維持管理費，減価償却費）を試算し，規格外小麦からのエタノール製造コストを98.4円/L，てん菜からのエタノール製造コストを260.6円/Lと算出した。ただし，この試算では，廃棄物処理費は0円と見なされている。

また，7．で取りあげた全農の営農総合対策部による調査（環境省，2006）*14では，バイオエタノール製造プラントの経営収支についても検討している。プラントの操業に必要な電力およびボイラー用蒸気のエネルギー源を，原料イネのもみ殻を使ったガス化発電コジェネレーションで賄うことを前提とした場合には，エタノール生産原価は114円/Lと算出されている。

これらのエタノール製造コスト（生産原価）と比較して，ブラジル産エタノールのCIF価格（平成18年3月）（農林水産省大臣官房環境政策課，2006）*15は関税を含めても97円/L（ガソリン税抜き）であり，国産の資源作物を原料としたエタノール燃料の生産を実現するためには，製造コストを下げる必要がある。

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9．耕作放棄地での作付拡大の可能性*3

■長期的には，遊休農地での資源作物の作付が期待されている。環境省エコ燃料利用推進会議（2006）*9による試算では，遊休農地対策データベース（全国農業会議所，2000）*16を元に，活用可能性が高い田畑へ稲・ナタネ・ソルガム等を作付けた場合のバイオエタノールやBDF等の生産量が示されている。

実際には，遊休農地の中でも長期間耕作放棄された農地においては，復旧のためにコスト・労力が必要となる。有田ら（2003）*17は，耕作放棄された農地の利用可能性を評価するため，放棄年数と復田コストの関係をモデル化している。これによれば，復田コストは耕作放棄から1年後の約7000円/10ａから7年後の約35万円/10aまで急激に上昇し，木本類が進入しないという前提では，10年後以降約37万4,000円/10aでほぼ一定となる。この結果を元に，耕作放棄地での資源作物栽培コストを試算する際には，30～37万円/10ａの復田コストを上乗せする必要があろう。

さらに，作付しようとする農地（水田）が耕作放棄に至った原因を鑑みれば，その農地の生産条件の不利性（基盤整備の状況，水利条件，通作距離等）をも踏まえ，資源作物作付の可能性を評価しなければならない。

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考えて頂きたいこと

■資源作物の生産コストとして，20円/kgという目標が設定されることがある。どのような方策を講じれば，そのような大幅なコストダウンを実現できる可能性があるだろうか。

次回予告

■次回は，バイオマス利活用を行う農業と環境保全の問題をとりあげます。

10. メタン発酵消化液の利活用

12. 農業と環境保全

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