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バイオマス利活用の技術
柚山 義人
14. バイオマス利活用における輸送問題
1．はじめに
■バイオマス資源の利活用は，バイオマス資源の収集，変換，需要があって成立する。地域レベルでバイオマス資源の利活用を検討するに当っては，まず対象地域においてバイオマス資源となり得る原料の発生場所，質及び量，移動量，再資源化（変換）施設の位置及び性能，再生資源の需要場所，質及び量を把握するなどの地域診断が必要である。再資源化の方法は，再生資源の需要が確実なものでなければいけない。一般に，バイオマス資源の発生場所，堆肥化，メタン発酵，炭化などによる再資源化を行う場所及び再生資源の需要場所は異なり，それらを結びつけるためには輸送行為が必要になる。 本講では，輸送という切り口からバイオマス利活用を推進する上での問題点の所在及び展開方向をとりまとめる。また，廃棄物系バイオマスの再資源化及び再生資源の農地施用を例に，リソース・マイル（Resource Mile；以下，RMと記す。）*1という概念を用いて，再資源化施設の規模・配置の検討を支援する方法を紹介する。 2．輸送問題の所在 ■バイオマス資源を大量かつ特定のルートで移動・集積させる主体は人間であるが，健全な物質循環の維持・増進を検討するに際しては，自然界の生きもの*2，水，風などの力を常に念頭におく必要がある。 物質循環は，植物の光合成による炭素吸収，根粒菌やらん藻類による窒素固定，各種微生物による分解作用など生きものの営みによって支えられている。流域に散在している栄養塩類や有機物は水を媒体として移動し，重力により低いところに集積する。動物による物質移動は，重力と逆方向にも起こり得る重要な輸送経路の一つである。有機物が内在する化学エネルギーの一部は，餌として摂取・異化されて生活エネルギーに変換される。バイオマス資源である動物体の運動にはこのエネルギーが用いられる。例えば，わが国の河川における普通種であるヒゲナガカワトビケラは，幼虫期を流水域で暮らす。大礫に網状の巣を造り，流下する有機物を濾過して餌としている。そして成長とともに自発的な流下を繰り返し，羽化後，河川の上流に向かって集団で飛行して産卵する。流下にしたがって低下した個体群の位置エネルギーは成虫の飛行によって補われ，次世代へと受け継がれていく。すなわち，流下によって増大したエントロピーを飛行時に生じた熱として排出して減らしていると考えることができる。 一方，人為によるバイオマス資源の輸送には，輸送手段の確保が必要であるとともに，コストと時間がかかる。輸送コストは維持管理費に大きくひびいてくる。畜産糞尿由来の堆肥や液肥の利用を考えると，畜産農家，耕種農家とも，糞尿や堆肥・液肥の輸送に時間をさけなかったり，重労働に耐えられなかったりする状況にある。このため，堆肥や液肥の需要を推進するためには農地への散布サービス付加が不可欠になりつつある。輸送・施用に要するコスト，エネルギー，時間のみから考えると，堆肥より化学肥料の方が有利である。単位窒素量で比較すると，化学肥料を1.0とした堆肥及びメタン発酵消化液の容積は，それぞれ40，170にもなる。輸送手段としては，車が使われることが多い。効率的な輸送のためには，道路が整備されているとともに搬入や一時的貯蔵のための場所の確保が重要となる。車での輸送とともに，肥培灌漑，生ごみディスポーザー，パイプライン真空圧送技術の応用，既存の用排水システムの活用なども検討の余地がある。 ゴミの分別（生ゴミの脱水），指定箇所への持ち込み，再生資源の持ち帰りなどで地域住民がより積極的な役割を果たしたり，ボランティアによる貢献があったりすると，従来行政負担となっていた輸送コストを減じる方向に働く。 3．再資源化施設の規模及び配置の検討（その1） ■バイオマス再生資源の生産総量は，その需要量見通しから決めるべきである。この場合にも，収集・再資源化・利活用システムを空間的に大規模集中とするか小規模分散とするか，どの位置に再資源化施設を設置するかは重要検討事項である。 本章では，話題提供者が委員として参画した「有機性廃棄物広域総合処理基盤整備推進調査委員会」（以下，「委員会」と記す。）の報告書に含まれている1つの事例地区*3を題材として用い，輸送面からみた再資源化施設の規模及び配置を検討する。 ここでは，再資源化施設へ持ち込まれるまでのバイオマス資源を有機性廃棄物，再資源化施設で生成されるバイオマス資源を再生資源と呼ぶ。有機性廃棄物として畜産糞尿，再資源化方法として堆肥化，再生資源である堆肥の需要場所として畑地を想定すると，家畜の飼養場所，糞尿重量，堆肥重量，それぞれに含まれる肥効成分（窒素率など），輸送距離が必要情報となる。糞尿発生量や窒素率は原単位情報から，家畜の飼養頭羽数は農業センサスデータや畜産統計などから求める。堆肥化過程では，脱水と窒素揮散が生じるので，糞尿発生量と堆肥生成量は異なる。堆肥の需要量は，畑地への窒素施肥量と農業センサスの作付面積から堆肥受け入れポテンシャルを求める方法やアンケート調査により求める方法がある。輸送距離は，実測または地図を用いて推定することができる。 （1）再資源化施設の配置によるコスト比較 委員会では，数多くの検討事項の1つとして有機性廃棄物の最適な広域化処理の組合せ方法が検討された。具体的には，12市町村からなるＹ地域を事例として，処理施設の設置数及び場所を数通り設定し，(1)輸送費，(2)再資源化施設の建設費及び維持管理費（以下，「施設費」と記す。）(3)環境負荷（エネルギー消費等に伴うCO2排出量）を算出・比較した。本節では，堆肥化に関係する輸送費に焦点をあて，委員会報告書に記載されていない事項についての筆者らによる聞き取り調査結果を加えて検討結果を紹介する。 Ｙ地域における各市町村の廃棄物発生量は図1に示すとおりである。なお，図1の中の再生資源需要率は，市町村別の畑面積から筆者らが仮想した値であり，後述の検討で用いる。市町村間距離の算出は，基点を各市町村の市役所または役場とした。各市町村内における廃棄物の収集運搬費は，各種の有機性廃棄物が基点から5㎞離れた地点にあるものとした。有機性廃棄物を輸送する場合の輸送経路としては図2を想定した。道路整備が十分にされていない経路は，検討の対象に含めなかった。図2の中の数値は，市町村間距離（km）である。堆肥の需要位置は，堆肥需要量を制約条件とし，輸送費が最も小さくなるよう輸送先市町村が選定された。 施設費（再資源化施設の建設費及び維持管理費）の算出にあたっては，「下水汚泥処理総合計画策定マニュアル」*4及び「廃棄物処理施設コンサルタント業務標準検討報告書」*5に記されている費用関数が用いられた。輸送費については，次に示す有機性廃棄物の種類別費用関数が用いられた。 (1-1)廃棄物輸送費（生ごみ，農作物残渣，下水汚泥，木くず）Y1 =3.06Nt ＋C・Nt ＋0.477×10-6 Gt ・Lt ここに，Y1：輸送費（百万円／年），Nt：トラック必要台数（台），C：人件費単価（百万円／人・年），Gt：軽油単価（円／L），Lt：トラック年間走行距離（㎞／年）である。 (2-1)廃棄物輸送費（し尿・浄化槽汚泥，有機性汚泥，動植物残渣，動物の糞尿） Y2=3.673Nv＋2C・Nv＋0.433×10-6Gv・Lv＋21×10-6Gv・T ここに，Y2：輸送費（百万円／年），Nv：バキューム車必要台数（台），Cv：人件費単価（百万円／人・年），Gv：軽油単価（円／L），Lv：バキューム車年間走行距離（㎞／年），T：吸泥・排泥等のための操作時間（h／年）である。 図1 Y地域の有機性廃棄物発生量と再生資源需要率1)
 図2 Y地域内の市町村位置と想定輸送ルート1)  ■全ての有機性廃棄物を対象に，Ｙ地域内に堆肥化施設を1～3箇所設置した場合の検討結果は表1のようになった。1箇所設置する場合には，設置位置にかかわらず施設規模が同じであるため施設費は同じ値になる。輸送費は，輸送する有機性廃棄物量及び堆肥量と輸送距離により変化する。今回の検討では，Ａ市に設置する場合が最も小さくなり，次いで，Ｃ町，Ｌ町の順となり，ほぼＹ地域の中心に近い市町村への設置が有利であった。 2箇所以上設ける場合については，施設の設置場所及びそれぞれの市町村からどこの施設へ輸送するかの組合せが非常に多くなるため，総費用（CTotal）を最小化することを目的とした次式による最適化問題が解かれた。 CTotal = Cf ＋Ct ，Cf = ΣＦ（ΣS1i ），Ct = ΣG（S1i ，S2i ，Lij ） ここに，CTotal ：総費用，Cf ：施設費（建設費及び維持管理費），Ct ：有機性廃棄物を堆肥化施設にまで輸送するための費用及び堆肥を需要市町村へ輸送するための費用，S1i ：市町村ｉの有機性廃棄物排出量，S2i ：堆肥化施設を設置した市町村ｉの堆肥生産量，Lij ：市町村ｉと市町村ｊの距離，F：有機性廃棄物量S1 に対応する施設費用関数，G：輸送量S1 ，Ｓ2 と距離Ｌに対応する輸送に関する費用関数である。 2箇所の場合はＡ市とＦ町，3箇所の場合はＡ市，Ｆ町，Ｈ町に設置した場合が最も総費用が小さくなった。また，施設数を増加させることによる輸送費用を低減効果よりも集約処理することによる効果の方が大きいため，施設数が増えるにしたがい総費用が大きくなった。
表1 堆肥化に関わる経費1)
（2）リソース・マイルによる検討支援方法 ■実際の事業計画においては前節のようなコスト計算が必要であるが，ここでは，想定される数多くのバイオマス利活用のアイデアを簡単にスクリーニングするためにリソース・マイル（RM）という指標を用いて輸送面から幾つかの検討を試みる。再資源化の方法としては，堆肥化，メタン発酵，炭化をとりあげる。 RMは，バイオマス資源重量と輸送距離の積の累計値である。すなわち，バイオマス資源発生重量(t/年)と発生場所から再資源化施設までの距離(km)との積（RM1），再生資源重量（t/年）と再資源化施設から需要場所までの距離(km)の積（RM2）の和をRM(t･km/年)と定義する。RMが小さいということは，輸送コストや輸送に伴う環境負荷が少ないということになる。 各種再資源化方法による重量の変化と窒素残存率は表2のように設定する。例えば，堆肥化では脱水や揮散により重量が4割になり，窒素含有量が6割になるとする。メタン発酵では，生成される液肥（＝消化液）を農地施用することを前提とし再生資源と考える。炭化では，生成した炭を土壌改良材として用いることを想定する。有機性廃棄物の収集，再資源化及び需要は受益市町村内で完結すると仮定する。市町村内における有機性廃棄物の収集と再生資源の搬送距離は各々5kmと仮定する。また，再生資源の需要の各市町村への仕向け割合は，図1に示す再生資源需要率を受益市町村内で比例配分する。計算ケースと結果を表3に示す。右端のRnは表2で仮定した再生資源の窒素残存率である。市町村名は，図1，図2に対応している。再資源化施設の数は，ケース1～7では1ヶ所，ケース8では2ヶ所，ケース9と10では3ヶ所とした。ケース4では移動式の炭化を想定する。RMの計算に際しては，Ａ市に常駐させている炭化装置搭載のトラックが各市町村を往復する際の重量として炭化する有機性廃棄物重量の1/5を見込む。また，RM2の計算に際しては再生資源（炭化物）が炭化した地点から5km隔れたところで利用されるものとする。
表2 有機性廃棄物の再資源化に伴う想定収率1)
**有機性廃棄物の窒素含有量に対する再生資源の窒素含有量
表3 再資源化の方法，施設の規模・配置によるＲＭの比較1)
■表3によると，まず，ケース1～3とケース5～7の比較により，再資源化施設をＹ地域の中心部であるＡ市と外縁部であるＢ町に建設した場合では，RMが1.5倍以上異なることがかる。RM2は，再資源化の方法に支配され，炭化，堆肥化，メタン発酵の順に優位になっている。ケース4の移動式炭化では著しくRMが小さくなった。ケース1，8，9，10を比較すると，施設数の増加に伴いRMを小さくできることがわかる。一方，表3の右端欄は，単位窒素量を再資源化して農地利用する効率を相対的に表現した指標である。値が小さい方が輸送面からみると高効率と言える。炭化物には肥料効果より土壌改良効果を期待する場合が多いので単純比較はできないが，RMの比較では炭化，堆肥化，メタン発酵の順に優位だったものが，この指標ではメタン発酵，堆肥化，炭化の順になっている。以上のようにRMによる解析は，再資源化施設の規模及び配置の検討に一材料を提供する。 なお，ここでの検討では題材として基本空間単位を市町村としたが，より詳細な検討では集落とすべき場合が多いと考えられる。この場合には，ここで示した考え方をスケールダウンして用いればよい。 （3）バイオマス利活用における輸送問題の展開方向 ａ）RM概念の拡張 ■RMを用いた解析は，バイオマス利活用における輸送問題をマクロに検討するという性格のものである。自ずと限界があるが，若干の発展可能性を述べる。島ら*6は，堆肥化を例としてＲＭの算出に道路情報を組み込んだGISを用いる方法を開発している。この中では，畜産農家位置は，集落の重心に設定している。また，10ｍメッシュ土地利用図から畑地のポリゴンを各集落ごとに作成し，その重心を堆肥利用地点としている。道路データは2500空間データ基盤をトポロジー構造に変換して用いている。これらを用いてネットワーク解析を行い，糞尿発生源～堆肥化施設，堆肥化施設～畑地の最短距離を求めている。近年目覚しく発展しているカーナビゲーションシステムとのリンクも期待される。樽本8)は，輸送距離を最小にするための堆肥流通計画を提案しており，輸送距離と輸送費の関係を精緻化できれば実用的なツールになり得る。Ⅲの2．ではRMを重量と距離の積としたが，輸送のネックが重量ではなく容積の場合には，容積と距離の積をRMとして試算する必要がある。 ｂ）再資源化周辺技術輸送に関わる再資源化技術で重要になるのは，バイオマス変換技術の周辺技術と位置づけられる前後処理である。減量，減容，取扱い性の改善，安定・均一化等のために，濃縮，乾燥，攪拌，粉砕，ペレット化に関わる実用化技術の整備が重要である。堆肥や液肥の散布機械のさらなる改良は作業効率の向上や環境負荷の軽減につながる。 ｃ）時間の考慮輸送コストの算出に当っては，人件費として時間が一部考慮されている。畜産農家，耕種農家とも時間のゆとりを重視する傾向があるため，農家が輸送や再生資源の施用に費やす時間の積算がバイオマス利活用を検討する際に重要となる。畜産農家の場合は，1日の作業体系の中で，どの時間帯に輸送を組み入れることができるかも検討しておかなくてはいけない。時間とコストの削減という観点からは，輸送における往復のうち一方を無駄にしない工夫が求められる。また，輸送の頻度，輸送手段である車の稼働率，稼働時期の集中度，人員配置も関連して検討すべき事項である。 図3 T市各集落の窒素収支と計算ケース*6  図4 施設数の違いによるＲＭの比較*6  図5 RMを用いた経済分析の例*6  5．おわりに ■バイオマス資源の利活用システムは，再資源化の方法と地域特性によって適正空間規模が異なる。地域全体でライフサイクルコストや環境への負荷を計算し，最適な施設規模と配置を決める必要がある。一箇所でバイオマス資源（原料）から再生資源の完成品を製造する場合，複数箇所で中間生成物を製造し一箇所で仕上げる場合，1箇所で中間生成物を製造し数多くの末端利用場所で仕上げる場合のいずれが適切かについても検討する必要がある。再資源化施設は固定式であることが一般的であるが，移動式についても比較検討する価値がある。このような検討に際して輸送を考慮することは不可欠である。輸送手段（車・船・飛行機）により，化石エネルギーの消費量や環境への負荷量は大きく異なる。今後，コスト計算に表れない環境負荷などの外部不経済解消への配慮が求められてくる。LCA的アプローチは，複数オプションの相対的評価に役立つと考えられる。また，輸送のためのエネルギーに化石資源が大量に使われるのは望ましくないので，できるだけバイオマス資源の変換で得られるエネルギーを燃料として使うことを考える必要がある。このための法規制の見直しの必要性が指摘されている。 本講では，輸送という切り口でバイオマスの利活用について検討したが，再資源化施設の適切な規模・空間は，利活用の担い手・組織など社会条件を踏まえることが必要なことは言うまでもない。 なお，RMという用語は，当初，話題提供者らがウエイスト・マイル（Waste Mile）を使おうとしていた際に，東京大学の山路永司教授の御助言により名称を変更したものである。インパクトのあるキーワードを提示頂いた山路教授に感謝します。 考えて頂きたいこと ■将来は不確実である。その中で，大規模集中型と小規模分散型の選択をどのように考えていけばよいのだろうか。 次回予告 ■次回は，最終回です。実際にバイオマスタウン構想を策定する場合を想定して，役立つと思われる情報を提供します。
柚山 義人 H20.5.14
*1 柚山義人・森 淳・中村真人・清水夏樹：輸送問題からみたバイオマス利活用，農業土木学会誌，73(12)，pp.29-33，2005 *2 森 淳：農業用排水路と溜池における生物を媒介とした物質循環,農村計画学会誌，23(3)，pp.203-210，2004 *3 国土交通省北海道局：有機性廃棄物広域総合処理基盤整備推進調査報告書，pp.150-159，2004 *4 日本下水道協会：下水汚泥処理総合計画策定マニュアル，2001 *5 日本廃棄物コンサルタント協会：廃棄物処理施設コンサルタント業務標準検討報告書，1993 *6 農林水産バイオリサイクル研究「システム化サブチーム」編：「バイオマス利活用システムの設計と評価」（ISBN4-9902-6830-x），2006 |
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