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バイオマス発電

バイオマス発電とは?仕組み・メリット・デメリット

EnergyShift編集部
2021/03/02

バイオマス発電と呼ばれる、環境に優しい発電方式をご存知でしょうか?バイオマス発電は、燃料を燃やすことで発電するため、他の再生可能エネルギーとは異なり発電時に二酸化炭素を発生させます。にもかかわらず、どうしてエコな発電方式だと考えられているのでしょうか。
ここでは、バイオマス発電の仕組みやメリット・デメリット、他の発電方式との違いについてご説明します。

バイオマス発電とは

バイオマス発電は、動植物から生成された再生利用可能な資源を使い、電力を作る発電方式。自然の営みから生まれるものを燃料とするため、火力発電や原子力発電とは異なり有限資源を消費しません。

燃料として利用されるバイオマス資源は、以下の3種類に分類されます。

資源の種類資源になるものの一例
廃棄物系資源製材工場残材・古紙家畜の排せつ物・生活排水食品廃棄物
未利用系資源林地残材・間伐材稲作残さ(稲わら・もみ殻)麦わら
生産系資源短周期栽培木材牧草・水草・海草・藻類糖・でんぷん・植物油

これらのバイオマス資源は発電だけでなく、燃焼時の熱・蒸気をそのまま使うバイオマスボイラーや、部屋や施設の暖房に使うバイオマスストーブの燃料としても活用されています。

バイオマス発電が発電する仕組み

バイオマス発電の仕組みは、直接燃焼による発電とガス化による発電の2つに大別できます。

直接燃焼による発電

直接燃焼による発電は、さらにバイオマス混焼方式とバイオマス専焼方式に分類されます。バイオマス混焼方式は、微粉炭と木質バイオマスを混ぜ合わせて燃焼させる発電方式。大型の火力発電設備を利用するため、大量のバイオマス資源を燃焼できる点が特徴です。

直接燃焼による発電

*新エネルギー・産業技術総合開発機構「NEDO 再生可能エネルギー技術白書 第2版

上記の1番にあたる「微粉炭機による混合粉砕方式」は、既存の火力発電所を流用できるため、改造しなければならない範囲が少なく、蒸気タービンや発電機といった主要な設備をほぼそのまま使えます。2番の「専用粉砕機による粉砕方式」は、バイオマス専用の粉砕設備を新たに導入しなければなりませんが、微粉炭機を使用する方式よりも混焼に適した状態まで木質バイオマスを粉砕できます。

もう一方のバイオマス専焼方式は、バイオマスのみを燃やして水蒸気を発生させ、タービンを回して発電する方式です。

バイオマス専焼方式

*新エネルギー・産業技術総合開発機構「NEDO 再生可能エネルギー技術白書 第2版

有限資源である石炭を使うことなく、バイオマス単体で発電できる点がメリットではあるものの、混焼方式に比べて熱効率は低く、大量の木質バイオマスを入手することが困難であるといった課題があります。

ガス化による発電

ガス化による発電は、熱分解ガス化によるものとメタン発酵によるものに分かれます。熱分解ガス化による発電は、前処理されたバイオマスをガス炉に入れてガス化し、生じたガスを利用することで発電する仕組みです。以下のように発電方式は細かく分類されますが、いずれも高温下でガス化剤を利用して木質バイオマスや草本バイオマスなどからガスを得ます。

熱分解ガス化による発電

*新エネルギー・産業技術総合開発機構「NEDO 再生可能エネルギー技術白書 第2版

熱分解ガス化による発電は、小規模な設備を用いるケースが多く、発電効率が20~31%ほどある4~25kW程度のガスエンジンを採用する場合が多いようです。

メタン発酵による発電は、空気に触れず活動する微生物を利用した「嫌気性発酵」によりバイオマスを分解し、発生したメタンを発電設備に供給して稼働させる仕組みです。

メタン発酵による発電

*新エネルギー・産業技術総合開発機構「NEDO 再生可能エネルギー技術白書 第2版

ガス化炉の型式や発酵方式などの違いにより、バイオマス発電の仕組みはさらに細分化されますが、大きな分類としてはここまでに解説した4つのタイプが挙げられます。

バイオマス発電が占める割合

環境エネルギー政策研究所が、資源エネルギー庁の公表する電力調査統計などをもとに作成した資料によると、2019年度の日本全体における電源構成は以下のようになっています。

2019年度の日本全体における電源構成

*環境エネルギー政策研究所「2019年(暦年)の自然エネルギー電力の割合(速報)

2019年時点では、電源構成の2.7%をバイオマス発電が担う形となっており、まだまだ普及率は低いことを読み取れます。政府の方針では、2030年を目途にバイオマス発電の割合を3.7~4.6%にすることが目標とされており、今後も徐々にバイオマス発電所は増えることが予想されます。

以下は、日本以外の国も含めた、バイオマス発電導入量を示す資料です。中国とアメリカが大きくリードしている様子が分かります。バイオマス発電は発電効率に課題があり、発電量に対する建設コストや維持コストが大きいことから、技術発展による効率性の向上・低コスト化が期待されます。

各国の再エネ導入量

*資源エネルギー庁「持続可能な木質バイオマス発電について

バイオマス発電のメリット

ここでは5つの観点から、バイオマス発電のメリットについてご説明します。

二酸化炭素の排出量を樹木の光合成により相殺できる

バイオマス発電は、二酸化炭素の収支が実質ゼロである「カーボンニュートラル」な発電方式です。バイオマス燃料として燃やされる木質バイオマスは、もともと樹木であったため光合成によって大気中の二酸化炭素を吸収しています。そのため、理屈上では発電時の燃焼に伴う二酸化炭素の発生と、光合成によって吸収した二酸化炭素が相殺されるといった考え方がなされるのです。

一方的に二酸化炭素を排出し、吸収するサイクルを持たない火力発電とは違って、バイオマス発電は全体として見たときに二酸化炭素の総排出量が少ないといえます。

廃棄物や未利用資源を活用できる

バイオマス発電は、廃棄物や未利用資源を燃料とするため、本来であれば捨てるはずだったものを有効活用できます。バイオマス発電による廃棄物の廃棄コスト低減や電力創出は、循環型社会(資源を持続可能な形で利用する社会)の実現に良い影響をもたらします。

すでにある発電設備を活用できる

「バイオマス発電が発電する仕組み」の項目でも述べたように、既設の火力発電所を利用してバイオマス発電を行うことも可能です。新たな設備を必要としない、あるいは小規模な設備投資によって発電を始められる点は、他の再生可能エネルギー発電には見られないメリットだといえます。

発電時の熱を有効活用できる

バイオマス燃料を燃焼させた際に生じる熱は、地域で有効活用できます。発電時に生まれる熱をきのこ栽培や温浴施設に活用する事例が報告されています。バイオマス発電は、発電効率が低いというデメリットを持っていますが、発電時に放出される熱を使うことで生まれたエネルギーを最大限活用できます。

発電量が安定している

他の再生可能エネルギーは、発電量が自然エネルギーによって左右されますが、バイオマス発電は原理的に火力発電とほぼ同じです。悪天候のときに発電量が著しく下がる太陽光発電や、一定以上の風量がなければ発電できない風力発電とは違い、バイオマス発電は燃料を用意すれば安定的に発電できます。

バイオマス発電のデメリット

ここでは4つの観点から、バイオマス発電が抱えるデメリットについてご説明します。

燃料の調達が必要

再生可能エネルギーの多くは、燃料の調達を必要としません。太陽光発電や風力発電、水力発電や地熱発電はそれぞれ質量のない自然エネルギーを利用しており、燃料を収集・運搬・管理する必要がありません。

一方、バイオマス発電を稼働させるためには、バイオマス燃料を調達する必要があります。太陽光や風力とは異なり、バイオマス燃料は固形で質量のある物体なので、収集・運搬・管理はもちろん必要に応じて加工や品質管理も求められるのです。

発電効率は低い

バイオマス発電の発電効率は最大20%ほどといわれており、発電効率が20~40%程度の風力発電や、発電効率が80%程度の水力発電に比べれば効率性は劣ります。バイオマス発電の発電効率の目安である20%は、太陽光発電や地熱発電と同程度の数値です。

また、燃料品質のばらつきにより、バイオマス燃焼炉内の温度が安定しないことも課題となっています。燃料品質に乱れがあると、発電設備の能力を最大化できなかったり、燃料品質を調整するための手間が発生したりといった問題につながるため、品質の安定したバイオマス燃料を調達できる体制構築が課題となっています。

資源のある地域が分散している

バイオマスは国内でも調達できる資源ですが、収集できる地域は広範囲に分散しています。前述の通り、バイオマス燃料は収集・運搬・管理が必要であるため、資源のある地域が分散していることで人件費や運搬費用が大きくなりやすい点はデメリットです。

発電コストが高い

バイオマス燃料は、数ある再生可能エネルギー発電のなかでも発電コストが高い傾向にあります。発電コストが高いほど、発電する電力量あたりの経済的負担が大きくなるため、費用対効果に課題がある発電方式だといえるのです。

バイオマス発電の将来性

バイオマス発電は、主要電源になることを期待される発電方式ではありません。しかし、再生可能エネルギーのなかではとくに発電量の安定性が優れています。燃料を調達すれば発電量をコントロールできるため、発電量を天候に依存する他の再生可能エネルギーとは違った役割が期待されます。
2019年時点では、バイオマス発電は日本の電源構成における2.7%を占めていますが、2030年には3.7~4.6%にまで増加する見込みです。環境に優しい発電方式の1つとして今後も日本の電力供給を下支えしてくれるでしょう。

おわりに

廃棄物や未利用資源を活用しつつ発電する、バイオマス発電についてご説明しました。2030年には、水力発電や太陽光発電に次ぐ発電電力量を担うため、引き続き技術開発が注目される分野だといえます。

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