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第二世代バイオ燃料（先進バイオ燃料とも呼ばれる）は、様々な種類の非食用バイオマスから製造できる燃料である。この文脈におけるバイオマスとは、特に燃料源として使用される植物材料および動物性廃棄物を意味する。[ 1 ]
第一世代バイオ燃料は、糖類デンプン原料（サトウキビやトウモロコシなど）と食用油原料（菜種油や大豆油など）から作られ、それぞれバイオエタノールとバイオディーゼルに変換されるのが一般的である。[ 2 ]
第二世代バイオ燃料は異なる原料から作られるため、そこから有用なエネルギーを抽出するには異なる技術が必要になる場合があります。第二世代の原料には、リグノセルロース系バイオマスや木質作物、農業残渣や廃棄物、食料生産に適さない限界地で栽培される専用の非食料エネルギー作物などが含まれます。[ 3 ]
第二世代バイオ燃料という用語は、原料をバイオ燃料に加工するために使用される「先進的な」技術と、適切な場合には「標準的な」バイオ燃料加工技術で非食用作物、バイオマス、廃棄物を原料として使用することの両方を指すために広く使用されています。[ 4 ]これにより、かなりの混乱が生じています。したがって、第二世代原料と第二世代バイオ燃料加工技術を区別することが重要です。
第二世代バイオ燃料の開発は、食料供給を損なう形で農地や作物をバイオ燃料生産に転用するリスクに関する食料と燃料のジレンマをきっかけに、促進されてきた。バイオ燃料と食料価格をめぐる議論は多岐にわたり、文献においても長年にわたり論争の的となっている。
第2世代バイオ燃料技術は、第1世代バイオ燃料の生産に食用作物を使用することで生じる食糧安全保障への懸念から、非食用バイオ燃料原料の使用を可能にするために開発されました。[ 5 ]食用バイオマスをバイオ燃料の生産に転用すると、理論的には食糧や食用作物の土地利用との競合が生じる可能性があります。
第一世代バイオエタノールは、ビールやワインの製造と同様のプロセスを用いて、植物由来の糖をエタノールに発酵させることで生産されます（エタノール発酵を参照）。これには、サトウキビ、トウモロコシ、小麦、テンサイなどの食用作物や飼料作物の使用が必要です。懸念されるのは、これらの食用作物がバイオ燃料の生産に使用されると、食料価格が上昇し、一部の国で不足が生じる可能性があることです。トウモロコシ、小麦、テンサイは、肥料の形で大量の農業投入を必要とする場合もあり、達成できる温室効果ガス削減を制限します。菜種油、パーム油、またはその他の植物油からのエステル交換反応によって生産されるバイオディーゼルも、第一世代バイオ燃料とみなされます。
第二世代バイオ燃料プロセスの目標は、食料作物を収穫した後に残る茎、葉、殻などの現在の作物の残余非食料部分、およびスイッチグラス、イネ科植物、ジャトロファ、全作物トウモロコシ、ミスカンサス、穀物の少ない穀物などの食料目的に使用されないその他の作物（非食料作物）、さらに木材チップ、果物の圧搾による皮や果肉などの産業廃棄物からなるバイオマスを使用して、持続可能な方法で生産できるバイオ燃料の量を増やすことです。[ 6 ]しかし、その生産は費用対効果が低いと見なされ、また、継続的な生産には現代の技術が不十分であるため、障害となる可能性があります。[ 7 ]
第二世代バイオ燃料製造プロセスが取り組む課題は、主に植物細胞壁で構成される木質または繊維質のバイオマスから有用な原料を抽出することです。すべての維管束植物において、細胞壁の有用な糖は、ヘミセルロースとセルロースという複雑な炭水化物（糖分子のポリマー）の中に結合していますが、フェノールポリマーであるリグニンによって直接利用できないようになっています。リグノセルロース系エタノールは、酵素、蒸気加熱、またはその他の前処理を用いて炭水化物から糖分子を抽出することによって製造されます。これらの糖は、第一世代バイオエタノール製造と同様の方法で発酵させてエタノールを生産することができます。このプロセスの副産物はリグニンです。リグニンは、カーボンニュートラルな燃料として燃焼させ、処理工場、そして場合によっては周辺の家庭や企業に熱と電力を供給することができます。水熱媒体における熱化学プロセス（液化）は、幅広い原料から液体の油状製品を生成することができ[ 8 ]、これは燃料の代替または補完となる可能性を秘めている。しかし、これらの液体製品はディーゼル燃料やバイオディーゼル燃料の基準を満たしていない。液化生成物を1つまたは複数の物理的または化学的プロセスによって高度化することで、燃料としての使用に適した特性を向上させることができる[ 9 ] 。
以下の各項では、現在開発中の主要な第2世代ルートについて説明します。
炭素系材料は、酸素、空気、および／または水蒸気の存在しない状態（熱分解）または存在する状態（ガス化）で高温に加熱することができる。
これらの熱化学プロセスでは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、その他の炭化水素、水などのガスの混合物が生成されます。熱分解では固体の炭化物も生成されます。このガスは発酵または化学合成によって、エタノール、合成ディーゼル、合成ガソリン、ジェット燃料など、さまざまな燃料に変換できます。[ 10 ]
また、150～374 ℃の低温域では、添加物の有無にかかわらず、水中でバイオマスを分解して糖を生成するプロセスも存在する。
ガス化技術は、石炭や原油などの従来型の原料に対しては十分に確立されています。第2世代のガス化技術には、森林や農業残渣、廃木材、エネルギー作物、黒液のガス化が含まれます。[ 11 ]出力は通常、ディーゼル燃料、バイオメタノール、BioDME（ジメチルエーテル）、ジメチルエーテルの触媒変換によるガソリン、またはバイオメタン（合成天然ガス）などのフィッシャー・トロプシュ製品へのさらなる合成のための合成ガスです。[ 12 ]合成ガスは、ガスモーターやガスタービンを介して熱生産や機械的および電気的な動力の生成にも使用できます。
熱分解は、酸素のない状態で高温下で有機物を分解する確立された技術です。第二世代バイオ燃料の用途では、森林や農業残渣、木材廃棄物、エネルギー作物などを原料として、例えば燃料油用途向けのバイオオイルを生産することができます。バイオオイルは通常、原油の代替となる製油所の原料として適したものにするために、大幅な追加処理が必要です。
焙焼は、通常200～320℃の温度範囲で行われる熱分解の一種です。原料と生成物は熱分解 と同じです。
水熱液化は、湿潤材料を処理できる熱分解に似たプロセスです。このプロセスは通常、400 ℃までの比較的低い温度と大気圧以上の圧力で行われます。幅広い材料を処理できるため、水熱液化は燃料や化学製品の原料製造に有効な手段となります。
現在他の用途で使用されている化学的および生物学的プロセスが、第二世代バイオ燃料向けに改良されている。生化学的プロセスでは、通常、加水分解プロセスを促進するために前処理が行われ、リグニン、ヘミセルロース、セルロースが分離される。これらの成分が分離された後、セルロース画分は発酵させてアルコールにすることができる。[ 10 ]
原料は、エネルギー作物、農業および林業残渣、食品産業および都市のバイオ廃棄物、その他糖類を含むバイオマスである。製品には、輸送用途のアルコール類（エタノールやブタノールなど）およびその他の炭化水素が含まれる。
以下に挙げる第二世代バイオ燃料は開発段階にあるが、これらのバイオ燃料のほとんど、あるいはすべては、合成ガスなどの中間生成物から合成される。その合成方法は、従来型の原料を用いる第一世代および第二世代バイオ燃料の製造プロセスとほぼ同一である。両者の違いは、最終的な利用目的ではなく、中間生成物の製造に関わる技術にある。
ガス（通常は合成ガス）から液体燃料を生成するプロセスは、ガス・ツー・リキッド（GtL）プロセスと呼ばれます。[ 13 ]バイオマスがガス生成の源である場合、このプロセスはバイオマス・ツー・リキッド（BTL）とも呼ばれます。
フィッシャー・トロプシュ（FT）プロセスは、ガス・ツー・リキッド（GtL）プロセスです。[ 13 ]バイオマスがガス生成の源である場合、このプロセスはバイオマス・ツー・リキッド（BTL）とも呼ばれます。[ 24 ] [ 25 ] このプロセスの欠点は、FT合成に高いエネルギー投資が必要となるため、まだ経済的ではないことです。
第二世代の原料として認められるには、その原料は人間の食用に適さないものでなければなりません。第二世代のバイオ燃料原料には、特別に栽培された食用に適さないエネルギー作物、栽培された食用に適さない油、農業廃棄物や都市廃棄物、廃油、藻類などが含まれます。[ 29 ]ただし、穀物や砂糖作物も第二世代の処理技術の原料として使用されています。バイオマスをエネルギー原料として開発するのに適しているかどうかを評価する際には、土地利用、既存のバイオマス産業、関連する変換技術を考慮する必要があります。[ 30 ]
植物はリグニン、ヘミセルロース、セルロースからできており、第二世代の技術ではこれらの成分のうち1つ、2つ、またはすべてを使用します。一般的なリグノセルロース系エネルギー作物には、小麦わら、アオアシ、ススキ属、短伐期の萌芽更新ポプラ、ヤナギなどがあります。しかし、それぞれ異なる機会があり、どの作物も「最高」または「最悪」とは言えません。[ 31 ]
エネルギー作物を選ぶ際には、その全体的な環境影響を考慮することが重要です。例えば、北米では特定のバイオ燃料用イネ科植物が侵略的外来種となっているため、これらは避ける必要があります。[ 32 ]在来種または非侵略性が証明されている植物が好まれます。特に在来植物はより多くの生態系サービスを提供する傾向があるためです。[ 33 ]さらに、複数の作物の選択肢の総炭素排出量を比較するためのライフサイクル分析も検討する必要があります。ライフサイクル分析には、周辺地域の土壌や水への影響も含まれる場合があります。[ 34 ]
都市固形廃棄物は非常に多種多様な物質から構成されており、廃棄物の総発生量は増加傾向にあります。英国では、リサイクル活動により直接処分される廃棄物の割合が減少し、リサイクル率は年々上昇しています。しかしながら、この廃棄物をガス化または熱分解によって燃料に変換する大きな機会が残されています。[ 35 ]
家庭や商業の食品廃棄物は、バイオエタノール[ 36 ] [ 37 ]やバイオメタン[ 38 ]に変換できる。バイオエタノールは車両の燃料として使用できる[ 39 ]一方、バイオメタンは化石燃料である天然ガスの代替として使用できる[ 40 ] 。
森林残渣や庭や公園の廃棄物などの緑色廃棄物[ 41 ]は、さまざまな経路でバイオ燃料の生産に利用できます。例としては、生分解性緑色廃棄物からバイオガスを回収し、ガス化または加水分解して合成ガスを生成し、触媒プロセスを介してバイオ燃料にさらに加工する方法などがあります。
濃縮されたリグニンとヘミセルロースを含むクラフトプロセスで使用済みの黒液は、非常に高い変換効率と温室効果ガス削減の可能性[ 42 ]でガス化され、バイオメタノールやバイオDMEなどの合成のための合成ガスを生成することができます。
処理による粗トール油の収率は、パルプ1トンあたり30～50kgの範囲である。 [ 43 ]
リグノセルロース系バイオ燃料は、化石石油と比較して温室効果ガス排出量を60～90%削減します（Börjesson.P. et al. 2013. Dagens och framtidens hållbara biodrivmedel）。これは、現在主流の第一世代バイオ燃料の最良の値である60～80%に匹敵します。2010年には、EU内で使用されたバイオ燃料の平均削減率は60%でした（Hamelinck.C. et al. 2013 Renewable energy progress and biofuels sustainability, Report for the European Commission）。2013年には、スウェーデンで使用されたバイオ燃料の70%が排出量を66%以上削減しました（Energimyndigheten 2014. Hållbara biodrivmedel och flytande biobränslen 2013）。
カナダには、 Iogen Corporationが運営するリグノセルロース系エタノール生産プラントが稼働している。[ 44 ]実証プラントでは、年間約70万リットルのバイオエタノールが生産されている。商業プラントは建設中である。北米および世界中で、さらに多くのリグノセルロース系エタノールプラントが提案されている。
スウェーデンのエルンシェルツビクにあるスウェーデンの特殊セルロース工場、ドムショー・ファブリケルは、ケムレックの黒液ガス化技術を使用したバイオリファイナリーを開発している。[ 45 ] 2015年に稼働開始すると、このバイオリファイナリーは年間14万トンのバイオメタノールまたは10万トンのバイオDMEを生産し、輸送用ディーゼル燃料のスウェーデン輸入量の2%を代替することになる。2012年5月、ドムショーがこのプロジェクトから撤退したことが明らかになり、この取り組みは事実上頓挫した。
英国では、イネオス・バイオやブリティッシュ・エアウェイズなどの企業が先進バイオ燃料精製所を開発しており、それぞれ2013年と2014年までに建設される予定です。NNFCCの予測では、好調な経済状況と政策支援の大幅な改善により、先進バイオ燃料は2020年までに英国の輸送燃料の最大4.3％を賄い、年間320万トンのCO2を削減できるとされています。これは、約100万台の自動車を道路からなくすことに相当します。[ 31 ]
フィンランド、ヘルシンキ、2012年2月1日 – UPMは、フィンランドのラッペーンランタに、トール油原油からバイオ燃料を生産するバイオ精製所に投資する予定です。この産業規模の投資は、世界初となります。このバイオ精製所は、輸送用の高度な第2世代バイオディーゼルを年間約10万トン生産する予定です。バイオ精製所の建設は、UPMのカウカス工場敷地内で2012年夏に開始され、2014年に完了する予定です。UPMの総投資額は約1億5000万ユーロになります。[ 46 ]
アルバータ州カルガリー、2012年4月30日 – Iogen Energy Corporationは、共同所有者であるRoyal Dutch ShellおよびIogen Corporationと、戦略と活動を再集中させるための新たな計画に合意した。Shellは、工業規模での先進バイオ燃料の生産のための商業的解決策を見つけるために複数の道を模索し続けているが、同社はマニトバ州南部で大規模なセルロース系エタノール施設を建設するために開発を進めてきたプロジェクトは追求しない。[ 47 ]
インドでは、インド石油会社が全国に7つの第2世代製油所を建設することに合意した。2Gバイオ燃料プラントの建設に参加する企業は、インド石油公社（IOCL）、HPCL、BPCLである。[ 48 ] 2018年5月、インド政府はバイオ燃料政策を発表し、2Gバイオ精製所の設置に5,000億インドルピーを割り当てた。インドの石油販売会社は、10,000億インドルピーの設備投資で12の製油所を建設する過程にあった。[ 49 ]
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