バイオマス発電の仕組みとは？ガス化発電についても解説

日本は現在火力発電に頼る形でエネルギーを得ていますが、この発電から出る二酸化炭素が環境問題に大きな影響を与えており、火力発電に代わるエネルギーの模索が急がれています。
そこで注目を集めたのが再生可能エネルギーです。その中でもバイオマス発電は、ほかの再生可能エネルギーとは異なり、二酸化炭素は出すものの環境への負担が少ないと期待されているのです。

この記事では、バイオマス発電とはどのような仕組みなのか、ガス化発電とともに解説します。

バイオマス発電とは？必要な燃料は？仕組みやメリット・デメリットを解説！

バイオマス発電とは

世界は、地球温暖化による気温の上昇と、それに伴う異常気象や気候変動の脅威に曝されています。これらの事象の要因の一つと言われているのが、温室効果ガスです。

温室効果ガスは二酸化炭素を主とした気体の集まりであり、地球温暖化を起こす原因とされています。
この温室効果ガスの排出量は、18世紀に起こった産業革命以降、急激に増加しました。
つまり私たちの生活が豊かとなる技術の発展が、同時に地球温暖化を進めることになったのです。

私たちが生活する中でエネルギーは欠かせないものですが、そのエネルギーを消費、あるいは生み出すたびに二酸化炭素は排出されています。
そのため世界では、二酸化炭素の排出量削減のための目標を決め、それに向けた取り組みを進めてきました。
特にエネルギーの生産を行う発電方法の見直しは世界的に行われており、各国で主力となる火力発電や原子力発電に代わる発電方法の模索と導入が進められてきました。

そんな中で注目されているのが、再生可能エネルギーです。
再生可能エネルギーは、二酸化炭素を排出しないだけでなく、火力発電に用いられる石炭や石油、天然ガスなどを必要としないため、純国産のエネルギー源として期待されています。太陽光発電や風力発電が有名ですが、ほかにも地熱発電やバイオマス発電というものもあります。
このバイオマス発電は、資源の再利用の観点でも注目されており、エコでクリーンな発電ができるものとして、研究や技術開発が進んでいます。

発電に用いられる「バイオマス」とは

バイオマス発電はどのようにエネルギーを得る発電なのか、その仕組みを知る前に、まず「バイオマス」について知る必要があります。

バイオマスとはバイオ（bio：生物）とマス（mass：量）から作られた合成語であり、素は生物資源量という意味の生態学用語です。
現在は再生可能な生物資源をバイオマスと称し、木材や植物の残さなどから得られる資源を加工し、発電を行う技術がバイオマス発電となります。

このバイオマスの一部は、発電として使われるようになってからまだ歴史は浅いですが、燃料としては古くから利用されています。
それが木材や炭です。これらは焚き火やバーベキューなど様々な場面で今でも用いられており、熱をエネルギーとして用いていた時代から利用されてきたエネルギー源でした。

しかし産業革命を経て、石炭や石油、天然ガスなどの化石燃料が大量に消費されるようになり、木材や炭の使用量は減っています。しかし、化石燃料の二酸化炭素排出量が大きな問題となったため、再び木材や炭を含むバイオマスにも注目が集まったのです。

ただ木材や炭を含むバイオマスの排出量は化石燃料用より少ないこと、そしてバイオマスの元になる植物はその二酸化炭素を吸収して成長し、バイオマスを再生産することから、総合的にみると二酸化炭素が循環し、大気中の量は増加しないとみなすことができます。
これをカーボンニュートラルと言い、このような観点から、バイオマスを原料にして発電することで、二酸化炭素の排出削減を行えるのではないかと期待されています。

（出典：九州農政局「バイオマスとは？」）
（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」再生可能エネルギーとは　バイオマス発電）
（出典：経済産業省「知っておきたいエネルギーの基礎用語～地域のさまざまなモノが資源になる「バイオマス・エネルギー」,2017）

バイオマス発電の仕組み

バイオマス発電はバイオマスを原料として発電を行いますが、バイオマスを燃焼させれば良いというわけではありません。
バイオマスにはいくつかの種類があり、それに伴って直接燃焼したりガス化したりと適切な方法でエネルギーに変換する必要があります。
バイオマスの系統は3種類あり、それに伴ってエネルギーに変換する方法も大まかに分けられています。エネルギーの変換方法に沿った分け方で、その仕組みを見ていきましょう。

（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」再生可能エネルギーとは　バイオマス発電）
（出典：経済産業省「なっとく！再生可能エネルギー」再生可能エネルギーとは　バイオマス燃料製造）

直接燃焼による発電

古くからある木材や炭などを利用する方法で発電するのがこの直接燃焼です。
乾燥系のバイオマスを利用するのですが、木質系では林地残材や製材破材、農業・畜産・水産系では稲わらやもみ殻、トウモロコシ残滓などの農業残滓、鶏ふんといった家畜排泄物、建築廃材系がバイオマス資源となります。

これらを細かく砕いてチップ化やペレット化（小粒の棒状に圧縮成型した固形燃料）し、焼却炉を用いて燃焼させる技術です。
この方法では得られる熱で発電するだけでなく、直接熱源として利用することもできます。

生物化学的変換による発電

生物化学的変換にはエタノール発酵とメタン発酵などがあります。
基本的には湿潤系のバイオマスを用いますが、食品作業系では食品加工廃棄物や水産加工残滓、農業・畜産・水産系では牛豚ふん尿といった家畜排泄物、生活系からも下水汚泥やし尿などが用いられ、これらを微生物の働きによる発酵技術によってバイオマス資源とし、エネルギーに変換します。
世界的には、ブラジルでの大規模栽培・大規模生産によるバイオエタノールの生産が活用事例として注目されています。

エタノール発酵

糖分やデンプン、またはセルロースなどの原料に酵母菌などの微生物が作用して、エタノールを発生させるものであり、原料はすべて植物系で行われます。
これをバイオエタノールと言いますが、アルコールの一種であることから燃焼できるため、エタノールに変換して燃焼し、エネルギーを得ます。
海外ではすでに自動車燃料としても利用されている実績があることから、日本でも産業用燃料などの可能性が注目されているのです。

メタン発酵

火力発電にも使われる天然ガスですが、この成分にはメタンが含まれています。このメタンを、バイオマスを微生物によって発酵させることで生み出す技術です。
これはメタン発酵と呼ばれており、有機物がアルコールや低分子脂肪酸などに分解される過程と、アルコールなどがメタンに変換される2段階の過程を経て生成されます。
メタン発酵は従来、し尿（汚泥）処理で用いられていましたが、近年は食品廃棄物の処理にも利用されています。

熱化学的変換による発電

バイオマスには乾燥系にも湿潤系にも分類できない「その他」と振り分けがなされるものがあります。
それが製紙工場系に当たる黒液・廃材、古紙などのセルロース、農業・畜産・水産系である糖・デンプン、甘藷、菜種、パーム油、生活系の産業食用油です。
これらは熱化学的変換を行い、バイオエネルギーとして発電に利用します。

ガス化

ガス燃料としてエンジンなどに供給して、発電及び熱供給を行うものを言います。
目的に応じた適切なガス形成となるように、ガス化炉が選択されます。
直接燃焼と比較すると仕組みは複雑ですが、発電効率などが有利です。小規模でもある程度の発電効率を得ることができるため、製材所や少量発生の地域で期待されているのです。

（出典：農林水産省「第3部　資料編」）
（出典：環境省「熱利用エコ燃料の普及拡大について　参考資料」）

バイオマス発電の仕組みは使用する資源で変わる

バイオマス発電は、使用する資源に合わせて発電方法が変わります。
そのため建設する発電所も集まる廃棄物に合わせて作る必要はありますが、どれも廃棄物の処理問題を解決できるという意味でも期待が持てます。

必要なくなったものを再利用することでエネルギーを得つつ、二酸化炭素も削減できるとなれば、これほど優秀な発電はありません。
改善点はあるものの、未来のエネルギーとして今後の発展を注視していきましょう。