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1 リグノセルロース系バイオマスからのバイオバイオ燃料製造技術燃料製造技術の現状と今後の展開 ( 独 ) 産業技術総合研究所 (AIST) バイオマス研究センター (BTRC) 研究センター長坂西欣也 バイオマス研究センター広島県呉市 我が国におけるバイオマス利用可能量 利用可能量合計 1,715 万 kl ( 原油換算 ) 家畜糞尿 26 万 kl/ 年 下水汚泥 81 万 kl/ 年 食品廃棄物 159 万 kl/ 年 木質系バイオマス 577 万 kl/ 年 農業残さ 229 万 kl/ 年 木質系 ( うち製紙系 ) 643 万 kl/ 年 :1PJ=1 15 J=2.58 万 kl, 1EJ=1 18 J 引用文献 : 新エネルギー等導入促進基礎調査 経済産業省委託調査

2 主なバイオマスの発生量と利用状況の変化 出所 : バイオマス ニッポン総合戦略 ( 平成 18 年 3 月 31 日策定 ) 世界のバイオマスエネルギー賦存量 アジアは世界で最も多くのバイオマスが賦存する地域である (87EJ は原油換算で約 22.6 億 kl に相当 ) 単位 :EJ 1EJ= kl( 原油換算 ) オセアニア 17 アフリカ 38 南アメリカ 3 北アメリカ 41 ヨーロッパ 41 アジア プランテーション系畜産系農業系林産系 出典 ) バイオマス資源を原料とするエネルギー変換技術に関する調査 (( 財 ) 地球環境産業技術研究機構 平成 1~12 年度 ) 1 2

3 準化市場価値(メタン 水素バイオマス利用技術マップ プラント利用技術 大規模プロセス バイオリファイナリー技術 黒液の利用 石炭との混焼 液体燃料 セメントキルン中での燃焼バイオマス地産地消コジェネ産業利用標薪の利用 メタン発酵 BDF ( ローカル利用 ) バイオケミカルズ 木質ペレット BDF ( 商業利用 ) 活性炭 木炭 高付加価値物質 ローカルエネルギー技術 小規模プロセス 有価物回収技術 )燃焼 -ST 電混焼気メタン発酵 - 燃焼炭化 RDF ペレット インフラ整備実用技術の成熟度原理実証熱液体燃料BDF( 廃食用油 ) BDF コンプレックス ( パーム油 ) ( グリセリン利用 トータルシステム化 ) アルコール発酵 ( 糖 デンプン ) 糖化 -アルコール発酵 ( 木質系 ) C5 発酵 固定化酵母 成分分離 - 糖化 - 発酵 ( 木質系 ) 遺伝子改変酵母 バイオ炭化水素生産 ( 遺伝子改変 ) 気体燃料メタン発酵 - 改質 ガス化 -FC( ガスクリーニング技術 ) ガス化 -GE MGT ガス化 - 液体燃料合成 (BTL) ( 触媒技術 ) ガス化 - 改質 二酸化炭素吸収ガス化 水素発酵 ( 有機酸 糖 汚泥へ拡大 ) ガス化 -IGCC( 収集システム ) 水素 メタン発酵 -GE MGT FC メタン発酵 -GE MGT FC 炭素燃料電池 メタン発酵 ( 後処理 NP 回収 ) 超 ( 亜 ) 臨界水ガス化 -GE MGT FC 潜熱回収乾燥 光合成水素生産 生物電池 直接発電 ( 糖 汚泥へ拡大 ) チップ化 (ST: スチームタービン GE: ガスエンジン MGT: マイクロガスタービン FC: 燃料電池 ) 1 3

4 バイオマスのエネルギー政策における位置付け 炭酸ガス低減と地球環境保全が最重要課題 国内対策 ; バイオマスニッポン総合戦略との連携 => 新エネ導入促進 ;RPS, バイオ燃料優遇税制等 海外対策 ; バイオマスアジア戦略の確立 =>CDM 活用 植林 砂漠化防止 CO2 排出権取引等 課題 : 化石資源 特に石油 ( 液体燃料 ) 代替のためのバイオマスのエネルギー利用最適システム開発 =>21 年新エネ導入目標 (191 万 KL 特に バイオ燃料 :5 万 KL) 達成とそれ以降の増産 食料と競合しないリグノセルロースからのバイオエタノール リグノセルロース由来バイオエタノールは化石資源消費量の低減と地球温暖化防止の切り札 石油消費量の低減二酸化炭素排出量の低減 Green Biomass for Cool Earth 1 4

5 我が国における輸送用バイオ燃料の利用状況 日本政府は 京都議定書目標達成計画 において 21 年度までに輸送用バイオマス由来燃料 ( バイオ燃料 ) を原油換算で 5 万 kl 導入することを目指している 我が国においては安全性及び排出ガスへの影響の観点から 揮発油等の品質の確保等に関する法律 ( 品確法 ) において ガソリンにエタノールを 3 体積 % まで ETBE を 7 体積 % まで混合することが認められている ETBE CH 3 CH 3 -CH 2 -O-C-CH 3 CH 3 エタノール CH 3 -CH 2 -OH 石油業界は 21 年度において 原油換算 21 万 kl 分の ETBE を導入することを決定している 経済性及び供給安定性の理由から 我が国におけるバイオエタノールの利用は 一部の自治体における実証的な利用に限定されているのが現状 バイオ液体燃料の現状 第一世代 BDF ( バイオディーゼルフューエル ) 原料 : 廃食油 植物油 実用化技術 資源量に限りがある バイオエタノール原料 : サトウキビ トウモロコシ 第二世代 バイオ原料油の水素化処理油 (Bio Hydrofined Diesel BHD) BTL ( バイオマスツーリキッド ) 原料 : 植物系バイオマス全般 研究開発段階の技術 研究開発段階の技術 バイオエタノール原料 : 草 木質 ディーゼル代替 B5 ガソリン代替 E3 1 5

6 実用化段階術開発の必要なバイオマス国産バイオ燃料生産可能量 原 料 生産可能量 (23 年度 ) エタノール換算 引用 : バイオマス ニッポン総合戦略会議 国産バイオ燃料の大幅な生産拡大 生産可能量 (23 年度 ) 原油換算 1. 糖 でんぷん質 ( 安価な食料生産過程副産物 規定外農産物等 ) 5 万 kl 3 万 kl 2. 草本系 ( 稲わら 麦わら等 ) 18 万 kl~2 万 kl 11 万 kl~12 万 kl 3. 資源作物 2 万 kl~22 万 kl 12 万 kl~13 万 kl 4. 木質系 2 万 kl~22 万 kl 12 万 kl~13 万 kl 5. バイオディーゼル燃料等 1 万 kl~2 万 kl 6 万 kl~12 万 kl 合計 6 万 kl 程度 36 万 kl 程度 ( 農林水産省試算 ) 国産バイオ燃料の生産拡大工程表 規格外農産物等廃棄物 ( 処理費用を徴収した上で原料として使用 ) ( 年度 ) 草本系 ( 稲わらなど ) 資源作物 木質系 ( 林地残材など ) ハ イオテ ィーセ ル燃料その他 目標生産コスト 制度等 実証底コスト収集技術 効率的糖化 発酵技術の確立システム実証 実用化底コスト収集技術 効率的糖化 発酵技術の確立生産拡大 施設整備技ゲノム情報を利用した多収品種の育成 生産拡大 施設整備 システム実証 実用化効率的な前処理技術の確立効率的糖化 発酵技術の確立システム実証 実用化 ( 製材工場等残材等 ) 収集 運搬機械の開発連続同時糖化発酵技術の確立システム実証 実用化 ( 林地残材 ) 生産拡大 施設整備効率的発酵技術等の確立食品廃棄物等からの燃料化 バイオエタノールの大規模実証等による普及促進 製材工場等残材稲わらなど 1 円 /L 程度 林地残材資源作物 1 円 /L 程度 現行制度下で更なる取組の本格化拡大を目指すハ イオエタノール3%( 含酸素 1.3%) 以上混合可能な社会インフラの整備バイオ燃料の理解を広げるための啓発 普及 引用 : バイオマス ニッポン総合戦略会議 国産バイオ燃料の大幅な生産拡大 生産拡大 施設整備 生産拡大 施設整備 他の燃料や国際価格等に対し競争力を有する価格 更なる拡大が可能か 1 6

7 一次エネルギー 平成 19 年度重点化方針 利用技術 Outcome 化石燃料高効率利用天然ガス石油石炭バイオマス 燃焼 電気化学反応燃料電池 バイオマスコンビナート CCS CO 2 の地中 海洋貯留に関する挙動予測 探査 安全影響評価等の技術を開発 バイオマスから化学製品を生産 分離 精製 変換プロセスの開発と全体設計 地球温暖化の回避 化石エネルギーの高効率利用 サステナビリティへの貢献 石油依存度の低下 原子力 ( 負荷変動に弱い ) 再生可能エネルギー ( 出力変動が課題 ) 新燃料自動車技術 新燃料の製造 使用技術開発 規格化 品質確保を推進 支援 排気ガス浄化技術の向上 蓄電技術 二次電池やキャパシタの高性能化 新規材料の開発 デバイス化 評価技術 石油依存度の低下 良好な大気環境の確保 エネルギーの需要ギャップの調整 自動車の電化促進 良好な大気環境の確保 プラグインハイブリッド電気自動車 産総研バイオマス研究センターの重点テーマ 平成 17 年 1 月設立 バイオマスエネルギー研究の COE を目指して 産総研第 2 期 (25~29) 基盤技術の確立及びプロセス設計 第 3 期 (21~211) 実用化へ 木質から液体燃料へ 非硫酸法糖化基盤技術の確立 革新的 BTL トータルシステムの開発 経済性 環境性評価技術の確立 重点課題 1) エタノール ETBE 製造技術の開発水熱 メカノケミカル発酵前処理と酵素糖化連結による非硫酸法糖化法の実用化 2) トータル BTL ディーゼル製造技術の開発小型ガス化 ホットガスクリーニング 触媒反応連結による高効率 BTL ディーゼル製造プロセス設計 3) シミュレーションによる経済性評価技術の開発バイオマス高効率利活用と経済性 環境性の評価 バイオ液体燃料製造技術の確立 産学ニーズ シーズのネットワーク化 バイオマス研究センター 水熱 成分分離チームエタノール バイオ変換チーム BTL トータルシステムチーム BTL 触媒チーム ( つくば ) バイオマスシステム技術チーム 1 7

8 バイオエタノールの原料について 第一世代 : お酒作りと同様の技術 サトウキビ 砂糖 容易 : 実用化技術 直接エタノール発酵可能 トウモロコシ デンプン 酵素糖化容易 実用化技術 アミラーゼ糖化 + エタノール発酵 酵母は グルコースやショ糖をエタノールに変換できる 第二世代 古紙 キャッサバパルプ セルロース セルラーゼ糖化 + エタノール発酵 木質 稲わら セルロース ヘミセルロース 前処理 + セルラーゼ糖化 + エタノール発酵 技術課題 : 糖化がより難しい 酵母が発酵できない糖 ( キシロース ) を含む 最近のプロジェクト ( 実証試験 ) 木質バイオマス 粉砕 水 濃硫酸法 ( 日揮 /NEDO) 鹿児島 出水 膜脱水 エタノール 建築廃材 ( おが屑 ) 反応器容量 6リットル 75% 硫酸濃縮硫酸水 糖化 蒸留 固液分離 固 連続式発酵 液 リグニン遺伝子組み換え凝集性酵母 CaO 中和 擬似移動層式クロマト分離 C5 糖 +C6 糖 CaSO 4 希硫酸固液分離希硫酸固液分離 二段希硫酸法フロー ( 月島機械 ) 第 1 段糖化 固 液 第 2 段糖化 固 液 リグニン C5 糖 C6 糖 粉砕 CaO 中和 CaSO 4 CaO CaSO 4 中和 建築廃材 4トン / 日木質バイオマスエタノール KO11 株遺伝子組み換え C5 糖発酵 酵母菌 C6 糖発酵 蒸留 膜脱水 希硫酸法 + 酵素法フロー ( 三井造船 /NEDO) 岡山 真庭 希硫酸 第 1 段糖化 粉砕 おが屑 2トン / 日木質バイオマスエタノール CaO 九州沖縄農業研究センター / アサヒビール ( 沖縄 伊江島 ) 3トン / 年サトウキビ砂糖 ( モンスターケーン ) 固液分離 酵素 固 液 第 2 段糖化 C5 糖中和 CaSO 4 酵母菌 C6 糖 C5 糖 蒸留 リグニン 膜脱水 燃料へ 圧搾 搾汁 バガス ( 絞りカス ) 結晶化 燃焼 / 発電 糖蜜 発酵 エタノール 蒸留 膜脱水 C5 糖 C6 糖同時発酵 砂糖, 熱 電力の併産による経済性向上 1 8

9 NEDO バイオマスエネルギー先導技術研究開発 / ワンバッチ式バイオエタノール製造技術の研究開発 前処理 糸状菌培養液添加 ( 糖化酵素 ) C6 C5 同時糖化 粉砕法 水熱法 木粉添加 一つの反応槽 組換酵母添加 エタノール 蒸留 特徴 :(1) 基本的に一つの反応槽で生産が進行するので プロセスがシンプルになる (2) 一つの反応槽で生産が進行し 中間生成物の分離工程がないのでロスが少ない 蒸留残渣 : リグニンの利用 C6 C5 同時糖化発酵 C6: グルコースなど六炭糖のことで 従来の酵母が発酵可能 C5: キシロースなどの五炭糖のことで 従来の酵母が発酵できない糖を含む 産総研のバイオエタノール生産技術の課題と解決法 前処理 酵素糖化 発酵 課題 解決法 粉砕動力の低減 投入エネルギーが 1/1 になる新規技術を開発中 課題 解決法 酵素コストが高い 酵素の工場内 ( オンサイト ) 生産と糸状菌の改良による生産性の向上 課題 解決法 遺伝子組み換え酵母のキシロース発酵速度が遅い さらに酵母の遺伝子を組み換える 1 9

10 ( 添付資料 - 産総研のバイオエタノール生産技術 ) メカノケミカル処理による酵素糖化促進のモデル ブナ 木質組織のモデル図 セルロース 木質構造の転換による酵素糖化性の向上 ヘミセルロース リグニン メカノケミカル処理 ( 乾式粉砕 ) 基礎実験装置 ( 遊星型ボールミル ) 容易に接近 セルラーゼ酵素 ( 約 3~5 nm) 粒径 :2μm, 分子運動 :5nm セルロースミクロフィブリル ( 約 3 nm) 水熱処理とメカノケミカル処理の複合効果 技術の融合 水熱処理技術 + メカノケミカル処理技術 処理時間の短縮 高効率化 木質系バイオマス ( ユーカリ ) 8 7 未処理 水熱処理 水熱処理技術 セルロース画分 ( 固体 ) ヘミセルロース画分 ( 溶液 ) セルロース糖化率 / % メカノケミカル処理技術 酵素糖化試験 min 3min 12min min 3min メカノケミカル処理時間 12min 1 1

11 ( 添付資料 - 産総研のバイオエタノール生産技術 ) 木質バイオマスの酵素糖化とエタノール発酵の実験結果 酵素糖化による収率 (g/kg 乾燥木粉 ) ガラクトースアラビノースマンノースキシロースグルコース 濃度 (g/l) グルコース ( 酵素加水分解物 ) エタノール ( 酵素加水分解物 ) グルコース ( コントロール ) エタノール ( コントロール ) ユーカリ ( 主にグロブリス ) コナラ ブナ ヒノキ ベイマツ ( ダグラス ファー ) 図. メカノケミカル処理物の酵素糖化 樹種によらず酵素糖化可能 糖収率はおよそ 7-8% 経済的な酵素生産技術は? 時間 (h) 図. メカノケミカル処理物の酵素糖化液のエタノール発酵 酵母を用いたグルコースの発酵収率は現時点で 9% 以上 五炭糖の発酵収率は? 広葉樹や草本は キシロースを多く含む 木質バイオマスの酵素糖化のための前処理技術の複合効果 水熱処理 + 脱リグニン処理 + メカノケミカル処理 グルコース生成量 (mg/g 基質 ) <4FPU/g 基質 > 技術の複合化による粉砕コストの低減 MC のみ 水熱 (2 )+MC 水熱 (22 )+MC 水熱 (2 )+ 脱リグニン +MC 水熱 (22 )+ 脱リグニン +MC MC: メカノケミカル処理粉砕時間 ( 分 ) 水熱処理および脱リグニン処理により粉砕時間が大幅に短縮 水熱 成分分離チーム 1 11

12 2 糖化 ベイマツ Arabinose Galactose ヒノキ ブナ 酵素カクテルを用いたボールミル処理バイオマスの糖化研究成果 Xylose Mannose Glucose C6 発酵酵母で高効率発酵 8 5%(w/v) BM 処理ベイマツ 1FPU/g DM セルラーゼ 1U/g DM マンノシダーゼ Arabinose Galactose 糖化反応条件 45, 48 h, (ph 5.) Xylose Mannose Glucose ユーカリ 6 C6 C5 発酵酵母の開発が必須 バガス稲わら 生成糖 (g/kg DM) 4 2 1% 8% 7% 原料中の糖組成 g/kg DM 理論値カクテルセルラーゼ Acremonium cellulolyticus による高効率糖化酵素生産 2 糖化 セルラーゼ生産菌アクレモニウム セルロリティカス C1 株 方法 1 目標 方法 2 アクレモニウムセルラーゼ生産を誘導物質の検索 セルラーゼの生産性を向上させる 高セルラーゼ活性を有する突然変異株の取得 オンサイト酵素生産 1 12

13 木質からのエタノール発酵に及ぼす重金属の影響 建築廃材 2, 万トン / 年 ( 廃木材リサイクル研究会 ) 防腐剤含有 ( 銅 クロム ヒ素 ) Ethanol (mg ml -1 ) Cr (mg l -1 ) Cu (mg l -1 ) 酵素糖化 発酵 図銅 クロムの共存下における酵母のエタノール生産 糖化に及ぼす重金属の影響 発酵に及ぼす重金属の影響 農産廃棄物からのエタノール発酵技術の開発 農産廃棄物 粉砕 5 酵素糖化 発酵 Time (h) 図酵素糖化処理したタマネギの酵母によるエタノール発酵 効率的な酵素糖化法の開発 発酵阻害物質の除去技術 1 13

14 タイとの共同研究 (a) (b) CrI (%) Glucan Xylan 2 1 CrI Time (min) Crl: セルロースの結晶度 Enzymatic digestibility (%) サトウキビバガスと稲わらの糖化に対する粉砕処理の効果 (a) サトウキビバガス (b) タイ産稲わら CrI (%) Time (min) Glucan Xylan J タイでの生産に適した糖化酵素の開発プロジェクトを実施中 CrI Enzymatic digestibility (%) 国産バイオエタノール実用化への課題 安価な原料の安定供給セルロース系原料の価格が 15 円 /kg とすると エタノール 1L 当たりの原料コストは 5~6 円程度となる 想定されるエタノール工場は 原料を 1 日当たり数百トン必要とする また 特に稲わらなど農産廃棄物は腐りやすく 季節性がある点が課題 経済性の高い生産技術前処理 : 低環境負荷 経済性 低酵素要求性糖化 : 酵素生産コストの低減発酵 : キシロース発酵速度の向上 1 14

15 2) 超低環境負荷クリーン燃料製造における BTL の重要性 2-21 Fuel technologies for urban environment *PM,NOx reduction *Advanced end-of-pipe technologies Petroleum Energy security Natural Gas Biomass Heavy Oils Coal S-free gasoline S-free diesel Syngas CO/H Fuel technologies for miniminimizing fuel consumption S-free low-aroma low- olefins and high octane gasoline S-free low-aroma diesel S-free, Aroma-free FT Synthesis, etc. H2 *CO2 reduction *New engine system/new fuel GTL / BTL DME Methanol 22- Designed fuel H2 for Fuel Cell BTL とは? バイオマスから FT 軽油を製造する技術 杉木部稲わら農業廃棄物など 合成ガス製造 H2/CO 比調整ガスクリーニング DME Fischer-Tropsch 合成 水素化分解 / 異性化 バイオマスから合成ガスを製造する技術 : * ガス化 ガスクリーニング 水素 /CO 比調整 FT Diesel 他に FT Naphtha FT Kerosene 多段階の反応 - 触媒を中心とした産総研の技術連携 合成ガスの液化技術 : *Fischer-Tropsch 合成, ワックス分解 / 異性化による軽油分への変換 * その他 :DME 合成 1 15

16 トータル BTL ディーゼル製造技術の開発活性炭による乾式ホットガスクリーニング BTL システム 活性炭を用いて 2~4 でタール 硫黄化合物を除去 CO 2 水蒸気 (N 2 を含まない ) ガス化 ~9 CO, H 2 タール,S 乾式ガス精製 装置がコンパクト N 2 を含まない ディーゼル燃料収率アップ CO, H 2 (1~4 ) 加熱不要 エネルギー効率アップ FT 合成 既存の工程 空気 (O 2 +N 2 ) ガス化 ~9 CO, H 2 タール,S,N 2 分離が困難な N 2 を含む ディーゼル燃料収率 : 低 水を用いた湿式ガス精製法 処理設備 : 大廃水処理コスト : 高 CO, H 2 N 2 ( 水温 ) 加熱必要 FT 合成 重量 % mol/ mol-c ガス化率 114% 杉木部のガス化 [O 2 ]/[C]= [H 2 O]/[C]=2.5 ガス化率 94% ガス化率 92% ガス化率 9% [H 2 O]/[C] [H 2 O]/[C]=2.5, [O 2 ]/[C]= is best. mol/mol-c 重量 % ガス化率 94% ガス化率 92% ガス化率 89%.1.3 [O 2 ]/[C] High gasification efficiency, low solid by-product, low tar [O 2 ]/[C]=, [H 2 O]/[C]=2.5: Gasification 94% [H 2 ]/[CO]=3.2 Good 1 16

17 新規 FT 合成プロセス用 Ru 系触媒 長寿命化と再生法が重要 Chromatogram of FT products by Ru/Al 2 O 3 catalyst Solvent(C16) Hydrocracking >C Retention time/min CO conv. and C5+ sel./% Effect of calcination temperature. CO conv. C5+ Sel Calcination Temperature/K 水素化分解 / 異性化反応の目標 Naphtha (C 1- ) MD C 2+ wax Hydrocracking/ isomerization catalysts MD Middle-distillate (C 1 -C 2 ) C 2+ wax Targets in C 2+ wax upgrading: * conversion >8% * selectivity to MD >75% * iso-paraffins in MD >65% Quality of MD: * Sulfur < 1ppm * Aromatics ~ * Cetane No.>7 R FT 粗油 (wax) 水素化分解 R R 異性化 C 1 - カ ソリン, ガス FT 軽油 1 17

18 BTL ベンチプラント ( 産総研バイオマス研究センター 27 年 ) 1) 常圧ガス化 ( 固定床 ダウンドラフト型 ) 2) 常圧乾式及び湿式ガス精製 3) 合成ガスの圧縮及び貯蔵 4) フィッシャ - トロプシュ (F-T) 合成反応器 ( スラリー床型 ) ガス化 乾式タール除去 ( 活性炭 ) F-T 合成 木質チップ (1~1 kg/ 日 ) 湿式ガス精製 ( 脱硫 脱水等 ) 圧縮及び貯蔵 合成炭化水素混合物 (1.6 ~ 16 L/ 日 ) BTL ベンチプラント写真 ガス化炉 ( 固定床 ) 部分 乾式 高温ガス精製部分 木質チップ供給速度 ~4 kg/h 生成ガス流速 2~6 Nm 3 /h 活性炭によるタール除去 1 18

19 合成ガスの貯蔵 圧縮 F-T 合成装置 ( スラリー床型 ) ボンベ ( 約 14MPa) 貯蔵 CO- 水素化触媒反応による液体燃料合成 産総研における BTL( バイオマスツーリキッド Biomass to liquid) プロセス開発 AIST 技術の特徴 ガス化 ガス精製 噴流床ガス化による H 2 /CO 比調整が不要なガス化技術の開発 フィッシャート FT 合成ロップシュ (FT) 合成 活性炭を用いた乾式ガス精製 水素化分解異性化反応 高ワックス / 水素化分解の 2 元機能触媒の開発 BTL ( ディーゼル燃料 ) 個々の目標値 1) H 2 /CO=2 2) CO 収率 >35% 1) S<.1ppm 1) CO Conv.> 7% 2) C5+Sel. > 85% 3) a >.9 トータルシステムの目標値生成量 :16L/ 日 セタン価 >7 S<1 ppm 中間留分収率 :2 wt% 以上 芳香族 ~% 27 年度に 1.6L/ 日規模の実験プラントをセンター内で稼働 可搬型プラントへ 実用化の一つのイメージ 1 19

20 木材水水水 固液 五炭糖第 1 第 2 熱交換分離 & 酵素貯蔵 4 粉砕粉砕 1 爆砕糖化炭酸ガス KG 蒸気 ETOH 六炭糖五炭糖空気水熱 ETOH 化空気蒸発酵素水 ETOH 圧縮 2 処理蒸留 糖化発酵冷却水クロマト 分離 温水 9.6 五炭糖 1. 第 2 水蒸気クロマト水熱交換 71 貯蔵 3 六炭糖 1.7 燃焼改質分離 2 炭酸ガス 水水 窒素 灰分 炭酸ガス 六炭糖第 1 発電 13.2 貯蔵 1 濾過貯蔵 2 ETOH 燃焼水灰分灰分 415 発酵冷却水 KG 蒸気 空気 MEOH 乳酸水熱交換炭化貯蔵 5 圧縮 1 合成水発酵 冷却水 乳酸 温水空気炭素材メタンフ ロハ ン水乳酸 MFOR 乳酸水熱交換水シ オール六炭糖 1.3 合成蒸留 82 4 発酵冷却水水六炭糖水 フ ロハ ンフ ロハ ンシ オール炭酸ガス貯蔵 7 ギ酸メチル炭酸ガスフ ロハ ンシ オールシ オール貯蔵 6 水 窒素メタノール六炭糖 水濃縮六炭糖 1.1 水 1.3 3) シミュレーションによるバイオマス転換システム評価技術 経済性 環境適合性評価 &ETBE BTL 製造システムの最適化 入力 シミュレーション 出力 木材組成 分子構造 分子組成 元素組成 熱物性値 燃焼熱 含水率 標準生成熱 エンタルピー 価格データ 装置 プロセス 生産物 物質収支前提条件 固液分離 酵素糖化 エタノール発酵 FT 合成 解析項目 エネルギー収支 物質収支 コスト分析 ETBE BTL 製造プロセスモデル 炭素収支 エネルギー収支 変換効率 環境負荷量 (LCA) トータルコスト 投資回収年 CO2 期待される成果 ; エタノール &ETBE 製造技術 : 水熱メカノケミカル糖化法の連続プロセスとしての優位性 エタノール &ETBE 製造技術 : 吸着アルコール分離式エタノール発酵技術の優位性 BTL 製造技術 : 活性炭利用クリーンガス化 FT 触媒 水素化触媒による合成プロセスの最適組み合せ Absorption of carbon CO 2 Harvest CO 2 CO 2 CO 2 BTL process This work Transportation Product Silviculture Fossil fuel CO 2 Collection Fossil fuel Fossil fuel Fuel production Fossil fuel Biofuel バイオ燃料生産によってどの程度の CO 2 削減が可能か? 1 2

21 ETBE BTL 生産システムの経済性検討 単純投資回収年 建設廃材 製材残材 林地残材 間伐材 木材価格 ( 円 / トン ) 単純投資回収年 = 投資総額 ( 固定費 :267 億円 )/ 単年度回収費単年度回収費 = 製品販売額 ( 液体燃料 :6 円 /L)- 人件費 保守費等 経済性評価の比較と特徴 バイオマス資源コスト ( /L) プラントコスト ( /L) 人件費 ( /L) 運転費維持費 1ポテンシャル推計特徴 バイオマスの最適輸送距離を半径 5km(Fujimoto, 26) 糖化発酵の技術革新を設定 (21 年 NEDO 22 年 AISTプロセス ) 既存研究 METI 日本全体のポテンシャル 不正確な生産コスト 2 生産コスト算出特徴 スケールファクター導入 (1 万 kl 7 万 kl) 人件費ファクター導入 山田ほか (26) より既存研究 METI(23)36kLに固定 技術革新の想定に学習曲線を用いた費用効果分析 (Kampman, 26) しかし 全く新規技術に学習曲線は適用不可能 3CO2 削減コスト算出 CO2 削減コスト (ton/ 円 ) EtOH 生産追加費用 / ガソリン消費削減によるCO2 削減量 EtOH 生産コストとガソリン生産コストの差額特徴 原油価格 2ドル / バレル~9ドル / バレルに設定 )

22 既存研究の経済性試算 METI(23) 三菱総研 (23) をベース 輸送距離 4km 試算結果はなぜかプラントの生産コストではなく 日本全体 設備規模 36kL に固定 43 日本におけるバイオエタノール ポテンシャル推計 1. 供給原料の設定 建築発生木材 製材副産物 枝条 間伐材 もみ殻 稲わら 2. バイオマス利用可能量と資源価格の設定 最適輸送距離 5km での利用可能量と資源価格 ( 日エネ学会編, 23) 3. 糖化 発酵プロセスの技術革新 1 21 年 NEDO( 硫酸法 ) プロセス :244L/dry-t wood 2 22 年 AIST プロセス :366L/dry-t wood

23 日本におけるバイオエタノール ポテンシャル推計 Yeary ethanol production and feedstock costs in the 5km radius of Japan 9 間伐材 8 Feedstock costs (Yen/ton) 背板 籾殻 建廃 枝 バーク 稲わら 2millionL plant 7 million L plant Ethanol production (million L/year) 45 日本におけるバイオエタノール ポテンシャル推計 半径 5km ではエタノール生産ポテンシャルは非常に限定的 最大規模プラント :21 年 2 万 kl 22 年 7 万 kl 糖化発酵の技術革新でエタノール生産量増加 国産バイオエタノール最大生産可能量 21 年 1 億 L 22 年 57 億 L( 輸送燃料 1%) million L / year Cellulose BioethanolPotentialin the 5 km radius Waste Timber from Construction By-product from lamwood manufacture Branche Logging Residue Rice Husk Thinned wood Rice S traw

24 G 小売価コストバイオエタノール生産コストの算出例 スケールファクターはプラントコスト削減に大きく寄与 生産コスト 68 円 /L~18 円 /L( ガソリン換算 ) ガソリン税免除があればガソリン価格に競合可能 (1 万 kl を除く ) 但し 生産コストはいずれもガソリンより割高 => より一層の技術革新が必要 (4 円 /L の目標例 ; 原料 :2 円 /L+ 生産コスト :2 円 /L) Ethanol Production Cost EtOH 純生産コスト (7 万 kl,22 年 ) JPY/Litre(petrol base) 生産格ガソリン税免除で競合可能 Petrol Tax Maintenance Costs Operation Costs Personal Costs CIF import cost Material Costs Plant costs. 1 m illion L (FY21) 2 million L (FY21) 2 million L (FY22) 5 m illion L (FY22) 7 million L (FY22) CIF oil price(jan 27) 47 CO2 削減コストの算出例 5 万 kl と 7 万 kl プラントで 7 ト ル /bbl 以上のケースのみ費用効果的 25 日本低炭素社会 PT(27)2,7 円 / CO2-t~34,7 円 /CO2-t 5 万 kl&7 万 kl プラント :7, 円 /CO2-t ~32, 円 /CO2-t CO2 削減コストは原油価格に大きく依存 原油輸入価格は変動大きい :24$/bbl(Jan.1997) 6$/bbl(Jan.27) CO2 削減コスト = エタノール純生産コスト /CO2 削減量 CO2 reduction costs (JPY/CO2-t) CO2 reduction costs by bioethanol in Japan CIF price in Jan 27 1 m illion L (FY21) 2 m illio n L (F Y 2 1 ) 2 m illio n L (F Y 2 2 ) 5 m illion L (FY22) 7 m illion L (FY22) C O 2 reductio n c o s ts in JP CIF oil import price (USD/bbl)

25 木質系バイオマスからの液体燃料製造トータルシステム開発 低環境負荷 低コスト 木質系バイオマス 総合システムの開発 前処理技術 + 酵素糖化技術 ガス化技術 セルロース, ヘミセルロース リグニン 発酵技術 ガス化技術 エタノール ETBE 合成ガソリン ディーゼル燃料,DME 輸送用液体燃料 波及効果 自動車等輸送用燃料の代替による二酸化炭素削減 国内資源によるエネルギー生産技術 バイオマス系新産業 新規雇用の創出 持続可能な成長のためのバイオマスアジア戦略 アジア資源, 技術 効率 経済性 日本知財 & 技術 R&D における Win/Win 協力体制 アジア全体基盤 バイオマス産業 新規産業 & 市場の創成 1. 新エネルギー製造 ( 輸送用燃料 : バイオエタノール BDF 等 ) 2. バイオマス利用による CO 2 削減 3. バイオマテリアル生産 1 25

26 東南アジア主要国の各種バイオマス資源量 アジアの二つの典型的なバイオマス利活用モデル バイオ燃料電池! 大規模プラント 高効率 & 利便性 地産地消型 工業化 小型分散型 高い経済性 原料バイオマス安定供給, 高い生成物需要 1 26

27 バイオマス アジアネットワーク < 概要 > アジアに大量に賦存するバイオマスの相互有効利用のため 資源 技術 人材育成のネットワークを構築 < 研究内容 > バイオマス利用は地域特性が高く また資源 技術も多種多様である 国別 資源別の賦存量等のデータベースを作成し 研究機関間の分散型ネットワークを構築 ( 例えば タイ ベトナムのライス シュガーエネギー コンプレックス マレーシア インドネシアのパームエネルギー コンプレックス ウッドリファイナリー構想を展開中 ) < 開発技術の波及効果 > CDM 事業展開へのガイドブック 支援 バイオエネルギー ケミカルズ輸出入事業支援等 => ASEAN バイオマスにおける農工連携の推進 中国 森林の育成 CO 2 排出源対策 ローカルエネルギー供給 マレーシア タイ 生産系バイオマスのエネルギー 物質変換 ネットワーキング ベトナム クレジット CDM CDM 技術供与 投資 フィリピン インドネシア 液体燃料 ケミカルズ アジア諸国 両者にメリットのある相互補完的な共同研究開発 日本 BDF は 植物油をメチルエステル化して製造 世界で大豆油生産量 3 万 t/ 年 パーム油 25 万 t/ 年 パーム油生産は マレーシアとインドネシアが大部分を占める 日本 バイオマス利活用による効果的な協力 技術移転投資 CDM ( クリーン開発メカニズム ) 地域エネルギー供給 森林保全 修復 CO 2 削減 炭素クレジットバイオ燃料バイオケミカル 1 27

28 アジアにおける持続可能なバイオマス利活用シナリオ 1) パームオイルエネルギーコンプレックス ; - 持続可能 かつ環境調和型のBDF 及び他のバイオ燃料の併産プロセス 2) シュガー & ライスエネルギーコンプレックス ; - 食料 バイオ燃料同時生産のための農産廃棄物からの大規模バイオエタノール製造プロセス 3) ウッドリファイナリーコンプレックス ; - 新しいビジネスモデルの木材 パルプ エタノール 及びケミカルズ併産トータルシステム アジアにおけるバイオマスネットワーキング & パートナーシップ 1) バイオマスアジアワーキンググループ編成 ; - アジアバイオマス協議会への展開 2) 今後のバイオマスアジアWSの手配と管理 ; - ホスト国イニシアティブと事務局機能 3) 人材交流プログラムの確立 - 学際的な技術 博士研究員トレーニング及び人材教育 養成の促進 1 28

29 25 年 今後のバイオマス研究展開 分散型エネルギー源 地域連携課題 国際展開 21 年 廃棄物系 ガス転換 水素転換 運輸用液体燃料製造 風力発電 国内ローカルエネルギー クバイオマスガス 重点課題 be ガス 水素ネットワー 水素 燃料電池 電力ネットワーク アジアのローカルエネルギー 太陽光 アジアのプランテーション 木質系草木系 ガス転換軽油転換 BTL 技術ディーゼル燃料 22 年 エタノール発酵 ETBE ガソリン添加剤 石油代替化学原料長期的課題 バイオリファイナリー バイオマス資源の利活用トータルシステムの構築 切り出しコスト 運搬コスト 製造コスト 保管コスト販売コスト 適材適所でコスト削減 ( 原料 製造 製品 ) 木質系バイオマス 間伐材丸太チップおが屑, カンナ屑建築系 ( 柱 ) 単一樹種高純度混合物樹皮廃棄物 事業形態 小規模分散型 高付加価値製品 輸送容易 地産地消 大規模集中型 低価格製品 輸送困難製品 廃棄物処理 リサイクル技術と融合 大規模製材所 海外展開 中国 ネットワーキングクレジット CDM 森林の育成 CO 2 排出源対策 ローカルエネルギー供給 マレーシア タイ ベトナム 生産系バイオマスのエネルギー 物質変換 CDM 技術供与 投資 フィリピン 液体燃料 ケミカルズ 日本 インドネシア 1 29

30 バイオマス高効率利活用 ( 今後の展開 ) 太陽と木陰と木炭 => 温木知薪 : エコ エネ都市 & 農林水産業振興のタイアップ産総研の社会貢献 ; 全国 & 国際戦略への展開 1) 化石資源代替の促進 2) 地球環境保全とエネルギー安定供給 3) 省エネ徹底 & 自然との共生 1)Biomass1(E1, BDF1, Jet1 等 ) への挑戦 2) クリーンガス ( 合成ガス 水素 メタン ) 製造と利用 3) エコカーボン バイオポリマー等による材料製造 & 再生 再利用トータルシステムの構築 Green Biomass for Cool Earth Thank you for your attention! 1 3