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バイオディーゼルは再生可能な バイオ燃料であり、ディーゼル燃料の一種で、植物油、動物性脂肪、リサイクルグリースなどの生物由来で、長鎖脂肪酸エステルで構成されています。通常は脂肪から作られています。[1] [2] [3]
燃料源としてのバイオディーゼルの起源は、ルドルフ・ディーゼルによるディーゼルエンジンの開発に先立つ1853年に、J・パトリックとE・ダフィーが初めて植物油のエステル交換反応を行ったときに遡ります。 [4]ディーゼルのエンジンは当初鉱油用に設計されていましたが、1900年のパリ万博ではピーナッツ油で作動することに成功しました。この画期的な出来事は、代替燃料源としての植物油の可能性を浮き彫りにしました。植物油を燃料として使用することへの関心は、特に第二次世界大戦などの資源が限られていた時期に定期的に再浮上しました。しかし、高粘度やその結果生じるエンジン堆積物などの課題が大きな障害でした。現代のバイオディーゼルは、植物油を燃料用に変換する方法が発見された1930年代に登場し、現代のバイオディーゼル生産の基礎を築きました。
バイオディーゼルの物理的および化学的特性は、その供給源と製造方法によって異なります。米国バイオディーゼル委員会は、「バイオディーゼル」をモノアルキルエステルと定義しています。[5]鉄道機関車や発電機で実験されています。一般に、沸点と引火点が石油ディーゼルよりも高いという特徴を持つバイオディーゼルは、わずかに水と混ざり、独特の潤滑特性を持っています。その発熱量は標準的なディーゼルよりも約9％低く、燃料効率に影響を与えます。バイオディーゼルの生産は大幅に進化しており、初期の方法では植物油を直接使用していましたが、より高度なプロセスであるエステル交換反応では粘度が低下し、燃焼特性が向上しています。特に、バイオディーゼルの生産では副産物としてグリセロールが生成され、これには独自の商業用途があります。
バイオディーゼルの主な用途は輸送です。バイオディーゼルを既存のディーゼルエンジンや流通インフラと互換性のあるドロップインバイオ燃料にする取り組みが行われてきました。しかし、ほとんどのエンジンは純粋なバイオディーゼルでは改造せずには動かないため、通常は石油ディーゼルと混合され、通常は10％未満です。[6] [7]バイオディーゼルの混合率は「B」係数で示されます。B100は純粋なバイオディーゼルを表し、B20などのブレンドは20％のバイオディーゼルを含み、残りは従来の石油ディーゼルです。これらのブレンドは、バイオディーゼルの環境上の利点と標準的なディーゼル燃料の性能特性の間の妥協点を提供します。バイオディーゼルブレンドは暖房用オイルとして使用できます。
バイオディーゼルの環境への影響は複雑で、原料の種類、土地利用の変化、生産方法などの要因によって異なります。バイオディーゼルは化石燃料に比べて温室効果ガスの排出を削減できる可能性がありますが、土地利用の変化、森林破壊、食料対燃料論争などの懸念があります。論争の中心は、バイオディーゼル生産が食料の価格と入手可能性に与える影響、および全体的な炭素排出量です。これらの課題にもかかわらず、バイオディーゼルは化石燃料への依存を減らし、気候変動の影響を緩和するための世界戦略の重要な要素であり続けています。
ブレンド
バイオディーゼルと従来の炭化水素ベースのディーゼルの混合物は、小売ディーゼル燃料市場で使用するために最も一般的に流通しています。世界の多くの国では、燃料混合物中のバイオディーゼルの量を示すために「B」係数と呼ばれるシステムを使用しています。[8]
- 100%バイオディーゼルはB100と呼ばれる
- 20%バイオディーゼル、80%石油ディーゼルはB20と表示される[6]
- 10%バイオディーゼル、90%石油ディーゼルはB10と表示される
- 7%バイオディーゼル、93%石油ディーゼルはB7と表示されています
- 5%バイオディーゼル、95%石油ディーゼルはB5と表示されています
- 2%バイオディーゼル、98%石油ディーゼルはB2と表示されています
20%以下のバイオディーゼルの混合物は、ディーゼル機器にまったく改造を加えずに、またはわずかな改造のみで使用できますが、[9]一部のメーカーは、これらの混合物によって機器が損傷した場合の保証範囲を延長していません。B6からB20の混合物は、ASTM D7467仕様でカバーされています。[10]バイオディーゼルは純粋な形（B100）でも使用できますが、メンテナンスとパフォーマンスの問題を回避するために、特定のエンジン改造が必要になる場合があります。[11] B100と石油ディーゼルの混合は、次の方法で行うことができます。
- タンクローリーに配送する前に製造地点でタンク内で混合する
- タンクローリーでのスプラッシュミキシング（バイオディーゼルと石油ディーゼルを特定の割合で追加）
- インライン混合では、2 つのコンポーネントが同時にタンクローリーに到着します。
- 定量ポンプ混合、石油ディーゼルおよびバイオディーゼルメーターは、X 総量に設定されています。
技術基準
バイオディーゼルには、欧州規格EN 14214、ASTM International D6751、カナダ国家規格 CAN/CGSB-3.524 など、品質に関する数多くの規格があります。
ASTM D6751（米国材料試験協会）は、中間留分燃料を混合したバイオディーゼルの規格と仕様を詳細に規定しています。この規格では、バイオディーゼル混合物の特定の特性を決定するために使用されるさまざまな試験方法を規定しています。言及されている試験には、引火点や動粘度などがあります。[2]
歴史的背景
植物油のエステル交換は、ディーゼルエンジンが初めて機能する40年前の1853年にパトリック・ダフィーによって行われました。 [12] [13]ランプオイルを製造する以前のプロセスは特許を取得しましたが（1810年、プラハ）、査読付きの出版物には掲載されませんでした。ルドルフ・ディーゼルの主力モデルは、底部にフライホイールを備えた単一の10フィート（3.05メートル）の鉄製シリンダーで、1893年8月10日にドイツのアウクスブルクで初めて自力で走行し、ピーナッツ油のみを使用しました。この出来事を記念して、8月10日は「国際バイオディーゼルの日」と宣言されています。[14]
ディーゼルはピーナッツ油で動くエンジンを設計したとよく言われるが、これは事実ではない。ディーゼルは発表した論文の中で、「1900年のパリ万国博覧会（Exposion Universelle）で、オットー社が小型ディーゼルエンジンを展示した。フランス政府の要請で、アラキド（アースナッツまたはピーナッツ）油（バイオディーゼルを参照）で動いたが、非常にスムーズに動いたため、それに気付いた人はわずかだった。エンジンは鉱油を使用するように作られ、その後、何の改造も加えずに植物油で動いた。当時のフランス政府は、アフリカの植民地で大量に生育し、そこで簡単に栽培できるアラキドまたはアースナッツの発電への適用性をテストすることを考えていた」と述べている。ディーゼル自身も後に関連テストを実施し、このアイデアを支持しているように見えた。[15] 1912年の演説でディーゼルは「エンジン燃料としての植物油の使用は今日では重要ではないと思われるかもしれないが、そのような油は時が経つにつれて、現在の 石油やコールタール製品と同じくらい重要になるかもしれない」と述べた。
石油由来のディーゼル燃料が広く使用されているにもかかわらず、1920年代から30年代、そして第二次世界大戦中には、いくつかの国で内燃機関の燃料としての植物油への関心が報告されました。ベルギー、フランス、イタリア、イギリス、ポルトガル、ドイツ、ブラジル、アルゼンチン、日本、中国では、この時期に植物油をディーゼル燃料としてテストし、使用したと報告されています。植物油は石油由来のディーゼル燃料に比べて粘度が高いため、燃料スプレー内での燃料の霧化が悪く、インジェクター、燃焼室、バルブに堆積物やコークス化が生じることが多く、運用上の問題が報告されています。これらの問題を克服する試みには、植物油の加熱、石油由来のディーゼル燃料やエタノールとの混合、油の 熱分解やクラッキングなどがありました。
1937 年 8 月 31 日、ブリュッセル大学 (ベルギー) のジョルジュ シャヴァンヌは、「燃料として使用するために植物油を変換する手順」(フランス語: Procédé de Transformation d'Huiles Végétales en Vue de Leur Utilisation comme Carburants ) の特許 (ベルギー特許 422,877) を取得しました。この特許では、エタノール (メタノールにも言及) を使用した植物油のアルコール分解 (多くの場合、エステル交換と呼ばれる) について説明されており、グリセロールを短い直鎖アルコールに置き換えることで、グリセロールから脂肪酸を分離します。これは、今日「バイオディーゼル」として知られているものの製造に関する最初の説明であると思われます。[16]これは、18 世紀にランプ油を製造するために使用された特許取得済みの方法に似ており (コピー)、いくつかの場所では、古い歴史的な石油ランプからヒントを得た可能性があります。
最近では、1977年にブラジルの科学者エクスペディト・パレンテがバイオディーゼル生産のための最初の工業プロセスを発明し、特許を申請した。[17]このプロセスは国際基準によりバイオディーゼルとして分類され、「標準化されたアイデンティティと品質」を付与している。提案されている他のバイオ燃料は自動車業界では検証されていない。[18] 2010年現在、パレンテの会社TecbioはボーイングおよびNASAと協力して、ブラジルの科学者が生産し特許を取得した別の製品であるバイオケロシン（バイオ灯油）の認証に取り組んでいる。[19]
エステル交換されたヒマワリ油の使用とそれをディーゼル燃料基準に精製する研究は、1979年に南アフリカで開始されました。1983年までに、燃料品質でエンジンテスト済みのバイオディーゼルを製造するプロセスが完成し、国際的に公開されました。[20]オーストリアの会社であるガスコックスが南アフリカ農業技術者から技術を取得し、1987年11月に最初のバイオディーゼルパイロットプラントを建設し、1989年4月に最初の産業規模のプラント（年間 3万トンの菜種の生産能力）を建設しました。
1990年代を通じて、チェコ共和国、ドイツ、スウェーデンを含む多くのヨーロッパ諸国で工場が開設されました。フランスは、菜種油からバイオディーゼル燃料（ジエステルと呼ばれる）の現地生産を開始しました。これは、通常のディーゼル燃料に5％のレベルで混合され、一部の自家用車（公共交通機関など）が使用するディーゼル燃料に30％のレベルで混合されます。ルノー、プジョー、その他のメーカーは、そのレベルまでの部分バイオディーゼルでの使用をトラックエンジンに認定しており、50％のバイオディーゼルの実験が進行中です。同じ時期に、世界の他の地域の国々でもバイオディーゼルの現地生産が開始されました。1998年までに、オーストリアバイオ燃料研究所は、商業用バイオディーゼルプロジェクトを実施している国を21か国特定しました。現在、100％バイオディーゼルは、ヨーロッパ中の多くの通常のサービスステーションで入手できます。
プロパティ
バイオディーゼルの色は、製造方法と燃料の製造に使用される原料に応じて、透明から金色、暗褐色までさまざまです。これにより、結果として得られる燃料の特性も変わります。[21]一般的に、バイオディーゼルは水とわずかに混和し、沸点が高く、蒸気圧が低いです。バイオディーゼルの引火点は130 °C (266 °F) を超えることがあり、[22] 52 °C (126 °F) 程度しかない石油ディーゼルの引火点よりも大幅に高くなります。[23] [24]バイオディーゼルの密度は約 0.88 g/cm 3で、石油ディーゼル (約 0.85 g/cm 3 )よりも高くなります。[23] [24]
バイオディーゼルの発熱量は約37.27 MJ/kgです。[25]これは通常の2番石油ディーゼルより9%低いです。バイオディーゼルのエネルギー密度の変動は、製造プロセスよりも使用される原料に依存します。それでも、これらの変動は石油ディーゼルよりも小さいです。[26]バイオディーゼルは潤滑性が向上し、より完全な燃焼が得られるため、エンジンのエネルギー出力が増加し、石油ディーゼルのより高いエネルギー密度を部分的に補うと言われています。[27]
バイオディーゼルには硫黄もほとんど含まれておらず[28]、石油ディーゼルで潤滑性の多くを提供する硫黄化合物が欠けているにもかかわらず、低硫黄ディーゼル燃料と比較して潤滑特性とセタン価が期待でき、潤滑を助けるために超低硫黄ディーゼル（ULSD）燃料の添加剤として使用されることがよくあります。 [29]潤滑性が高いバイオディーゼル燃料は、潤滑のために燃料に依存する高圧燃料噴射装置の耐用年数を延ばす可能性があります。エンジンに応じて、これには高圧噴射ポンプ、ポンプインジェクター（ユニットインジェクターとも呼ばれる）、燃料インジェクターが含まれます。
アプリケーション
バイオディーゼルは、純粋な形（B100）で使用できますが、ほとんどの噴射ポンプディーゼルエンジンで任意の濃度で石油ディーゼルと混合することもできます。新しい超高圧（29,000 psi）コモンレールエンジンには、メーカーによって異なりますが、B5またはB20の厳格な工場制限があります。[30]バイオディーゼルは石油ディーゼルとは異なる溶媒特性を持ち、車両（主に1992年以前に製造された車両）の天然ゴム製ガスケットとホースを劣化させますが、これらは自然に摩耗する傾向があり、バイオディーゼルに反応しないFKMにすでに交換されている可能性が高いです。バイオディーゼルは、石油ディーゼルが使用された燃料ラインの残留物の堆積物を分解することが知られています。[31]その結果、純粋なバイオディーゼルに急速に移行すると、燃料フィルターが粒子で詰まる可能性があります。したがって、バイオディーゼルブレンドに最初に切り替えた後は、エンジンとヒーターの燃料フィルターをすぐに交換することをお勧めします。[32]
分布
2005年のエネルギー政策法の成立以来、米国ではバイオディーゼルの使用が増加しています。[33]英国では、再生可能輸送燃料義務により、サプライヤーは2010年までに英国で販売されるすべての輸送燃料に5%の再生可能燃料を含めることが義務付けられています。道路用ディーゼルの場合、これは実質的に5%のバイオディーゼル（B5）を意味します。
車両の使用とメーカーの承認
2005年、クライスラー（当時はダイムラークライスラーの一部門）は、ジープ・リバティCRDディーゼルを5%のバイオディーゼル混合燃料で欧州市場に投入し、バイオディーゼルがディーゼル燃料添加剤として少なくとも部分的に受け入れられたことを示した。[34] 2007年、ダイムラークライスラーは、米国のバイオ燃料の品質が標準化されれば、保証範囲を20%のバイオディーゼル混合燃料にまで拡大する意向を示した。[35]
フォルクスワーゲングループは、同社の車両のいくつかが菜種油から作られたB5およびB100と互換性があり、 EN14214規格に適合していることを示す声明を発表しました。同社の車両に指定されたバイオディーゼルタイプを使用することで保証が無効になることはありません。[36]
メルセデス・ベンツは、「製造上の欠陥」を懸念して、バイオディーゼル（B5）を5％以上含むディーゼル燃料の使用を許可していません。[37]このような非承認燃料の使用によって生じた損害は、メルセデス・ベンツの限定保証の対象外となります。
2004年から、ノバスコシア州ハリファックス市はバスシステムを更新し、市営バスの車両群を魚油ベースのバイオディーゼルで完全に走行できるようにしました。これにより、当初はいくつかの機械的な問題が発生しましたが、数年にわたる改良の後、車両群全体がうまく変換されました。[38] [39] [40]
2007年、イギリスのマクドナルドは、店舗から出る廃油の副産物からバイオディーゼルの生産を開始すると発表しました。この燃料は、店舗の車両を動かすために使用されます。[41]
2014年型シボレークルーズクリーンターボディーゼルは、工場出荷時に、最大B20（バイオディーゼル20％、レギュラーディーゼル80％の混合）のバイオディーゼル適合性評価を受ける予定である[42]
鉄道の利用
英国の鉄道運行会社 ヴァージン・トレインズ・ウェストコーストは、クラス220を80%の石油ディーゼルと20%のバイオディーゼルで走行するように改造し、英国初の「バイオディーゼル列車」を運行したと主張した。[43] [44]
2007年9月15日、英国王室列車は、グリーンフューエルズ社が供給した100%バイオディーゼル燃料で運行された初の旅程を完了した。チャールズ皇太子とグリーンフューエルズ社のマネージングディレクター、ジェームズ・ハイゲートは、バイオディーゼル燃料のみで運行された列車に乗った最初の乗客であった。2007年以来、ロイヤルトレインはB100（100%バイオディーゼル）で運行されている。[45]政府の白書では、英国鉄道の大部分をバイオディーゼルに転換することも提案されたが、この提案はその後、さらなる電化のために取り下げられた。[46]
同様に、ワシントン州東部の州営短距離鉄道は、2008年の夏に、線路沿いのバイオディーゼル生産者から燃料を購入し、25%のバイオディーゼルと75%の石油ディーゼルの混合燃料のテストを実施しました。[47]この列車は、短距離鉄道が通る農業地域で栽培されたキャノーラから部分的に作られたバイオディーゼルで駆動されます。
また、2007年にディズニーランドはパークトレインをB98（98%バイオディーゼル）で運行し始めました。このプログラムは保管の問題により2008年に中止されましたが、2009年1月に、パークはすべての列車を独自の使用済み食用油から製造したバイオディーゼルで運行すると発表しました。これは、列車を大豆ベースのバイオディーゼルで運行することからの変更です。[48]
2007年、歴史あるワシントン山鉄道は、全蒸気機関車群に初のバイオディーゼル機関車を追加しました。この機関車群は1868年以来、ニューハンプシャー州のワシントン山の西斜面を登っており、最高標高は37.4度です。[49]
2009年、グランドキャニオン鉄道は使用済み食用油を使用して機関車4960号を運行し始めました。
2014年7月8日[50] 、当時のインド鉄道大臣DVサダナンダ・ゴウダは鉄道予算の中で、インド鉄道のディーゼルエンジンに5%のバイオディーゼルが使用されることを発表しました。[51]
暖房用オイルとして
バイオディーゼルは家庭用や業務用のボイラーの暖房燃料としても使用可能で、暖房用オイルとバイオ燃料の混合物で、輸送用ディーゼル燃料とは若干異なる方法で標準化および課税されています。バイオヒート燃料は、バイオディーゼルと従来の暖房用オイルの独自のブレンドです。バイオヒートは、米国のNational Biodiesel Board [NBB] と National Oilheat Research Alliance [NORA]、およびカナダの Columbia Fuels の登録商標です。 [52]暖房用バイオディーゼルは、さまざまなブレンドで入手できます。ASTM 396 では、最大 5 パーセントのバイオディーゼルのブレンドが純粋な石油暖房用オイルと同等であると認められています。多くの消費者は、最大 20 パーセントのバイオ燃料のより高いレベルのブレンドを使用しています。このようなブレンドがパフォーマンスに影響するかどうかを調べる研究が進行中です。
古い炉には、バイオディーゼルの溶剤特性の影響を受けるゴム部品が含まれている場合がありますが、それ以外は変換を必要とせずにバイオディーゼルを燃焼できます。石油ディーゼルによって残されたワニスが放出され、パイプを詰まらせる可能性があるため、注意が必要です。燃料のろ過と迅速なフィルター交換が必要です。別のアプローチは、バイオディーゼルをブレンドとして使用し、時間の経過とともに石油の割合を減らすことで、ワニスがより徐々に剥がれ、詰まりにくくなることです。バイオディーゼルの強力な溶剤特性により、炉は洗浄され、一般的に効率が向上します。[53]
マサチューセッツ州知事デヴァル・パトリックの下で可決された法律では、同州内のすべての家庭用暖房用ディーゼル燃料を2010年7月1日までに2%、2013年までに5%のバイオ燃料にすることを義務付けている。[54]ニューヨーク市も同様の法律を可決している。
油流出の清掃
油流出コストの80～90%が海岸の清掃に費やされているため、海岸から油流出を取り除くより効率的で費用対効果の高い方法が模索されている。[55]バイオディーゼルは、脂肪酸の供給源によっては、原油を大幅に溶解する能力があることが示されている。実験室環境では、汚染された海岸を模した油まみれの堆積物にバイオディーゼルを1回噴霧し、模擬潮にさらした。[56]バイオディーゼルはメチルエステル成分を含んでいるため、油を効果的に溶解し、原油の粘度を大幅に下げる。さらに、バイオディーゼルは原油よりも浮力が高いため、後で原油を除去するのに役立つ。その結果、玉石や細砂から80%、粗い砂から50%、砂利から30%の油が除去された。海岸から油が除去されると、油とバイオディーゼルの混合物はスキマーを使用して水面から手作業で除去される。バイオディーゼルの生分解性が高く、混合物の表面積が広く露出している ため、残った混合物は簡単に分解されます。
発電機のバイオディーゼル
2001年、カリフォルニア大学リバーサイド校は、完全にバイオディーゼル燃料で稼働する6メガワットのバックアップ電源システムを導入しました。バックアップ用ディーゼル燃料発電機により、企業は、高い汚染と排出率を犠牲にして、重要な業務の停電による損害を回避することができます。B100を使用することで、これらの発電機は、スモッグ、オゾン、硫黄の排出につながる副産物を実質的に排除することができました。[57]学校、病院、一般市民の周囲の住宅地域でこれらの発電機を使用すると、有毒な一酸化炭素と粒子状物質が大幅に削減されます。[58]
効果
燃費効率
バイオディーゼルの出力は、そのブレンド、品質、および燃料が燃焼される負荷条件によって異なります。たとえば、B100 と B20 の熱効率は、さまざまなブレンドのエネルギー含有量が異なるため異なります。燃料の熱効率は、粘度、比重、引火点などの燃料特性に一部基づいています。これらの特性は、ブレンドやバイオディーゼルの品質が変わると変化します。米国材料試験協会は、特定の燃料サンプルの品質を判断するための基準を設定しています。[59]
ある研究では、B40 のブレーキ熱効率は、高圧縮比では従来の石油燃料よりも優れていることがわかった (この高いブレーキ熱効率は、圧縮比 21:1 で記録された)。圧縮比が増加すると、すべての燃料タイプ (およびテストされたブレンド) の効率が向上したが、B40 のブレンドは、圧縮比 21:1 で他のすべてのブレンドよりも最も経済的であることが判明した。この研究では、この効率の向上は燃料の密度、粘度、および発熱量によるものであることが示唆された。[60]
燃焼
現代のディーゼルエンジンの燃料システムはバイオディーゼルに対応するように設計されていないものもありますが、多くの大型エンジンはB20までのバイオディーゼルブレンドで作動できます。[6]従来の直接噴射燃料システムはインジェクターの先端でおよそ3,000 psiで作動しますが、現代のコモンレール燃料システムはインジェクターの先端で30,000 PSI以上で作動します。部品は、氷点下から1,000 °F（560 °C）を超えるまで、広い温度範囲で作動するように設計されています。ディーゼル燃料は効率的に燃焼し、可能な限り排出量が少ないことが期待されています。ディーゼルエンジンに排出基準が導入されるにつれて、有害な排出物を制御する必要性がディーゼルエンジン燃料システムのパラメータに組み込まれています。従来のインライン噴射システムは、コモンレール燃料システムとは対照的に、低品質の燃料に対してより寛容です。コモンレールシステムの高圧とより厳しい許容範囲により、霧化と噴射タイミングをより細かく制御できます。燃焼だけでなく霧化も制御できるため、現代のディーゼルエンジンの効率が向上し、排出ガスもより適切に制御できます。ディーゼル燃料システム内のコンポーネントは、燃料システムとエンジンの効率的な動作を保証する方法で燃料と相互作用します。特定の動作パラメータを持つシステムに規格外の燃料が導入されると、燃料システム全体の整合性が損なわれる可能性があります。スプレーパターンや霧化などのパラメータの一部は、噴射タイミングに直接関係しています。[61]
ある研究では、噴霧中にバイオディーゼルとその混合物は、従来の石油ディーゼルによって生成される液滴よりも直径の大きい液滴を生成することがわかった。液滴が小さくなったのは、従来のディーゼル燃料の粘度と表面張力が低いためである。噴霧パターンの周辺の液滴は、中心の液滴よりも直径が大きいことがわかった。これは、噴霧パターンの端で圧力降下が速いためであり、液滴サイズとインジェクターの先端からの距離には比例関係があった。B100の噴霧浸透が最も大きいことがわかったが、これはB100の密度が高いためである。[62]液滴サイズが大きいと、燃焼の非効率性、排出量の増加、馬力の低下につながる可能性がある。別の研究では、バイオディーゼルを噴射すると短い噴射遅延があることが判明した。この噴射遅延は、バイオディーゼルの粘度が高いためである。バイオディーゼルは従来の石油ディーゼルよりも粘度が高く、セタン価も高いため、点火遅延期間中に混合気の空気浸透が悪くなり、霧化が悪くなることが指摘されている。[63]別の研究では、この点火遅延がNOx排出量の減少に役立つ可能性があることが指摘されている。[64]
排出量
ディーゼル燃料の燃焼には排出ガスがつきもので、米国環境保護庁（EPA）によって規制されている。これらの排出ガスは燃焼プロセスの副産物であるため、EPAの規制を遵守するには、燃料システムが燃料の燃焼を制御するだけでなく、排出ガスの緩和もできる必要がある。ディーゼル排出ガスの生成を制御するために、いくつかの新しい技術が段階的に導入されている。排気ガス再循環システム（EGR）とディーゼル微粒子フィルター（DPF）は、どちらも有害な排出ガスの生成を軽減するように設計されています。[65]
バイオディーゼル燃料の製造に使用される原料は、市販のディーゼル燃料と混合した場合でも、結果として生じる排気ガスと粒子状物質の排出量を大幅に変えることができます。 [66] [67]全北国立大学が実施した調査では、B30バイオディーゼル混合物により、一酸化炭素排出量が約83％、粒子状物質排出量が約33％削減されたと結論付けられました。ただし、EGRシステムを適用しないと、NO x排出量が増加することがわかりました。この研究では、EGRを使用すると、B20バイオディーゼル混合物によりエンジンの排出量が大幅に削減されることも結論付けられました。 [69]さらに、カリフォルニア大気資源局の分析では、テストされた燃料（超低硫黄ディーゼル、ガソリン、トウモロコシベースのエタノール、圧縮天然ガス、およびさまざまな原料からの5種類のバイオディーゼル）の中で、バイオディーゼルが最も低い炭素排出量を示しました。大豆、獣脂、キャノーラ、トウモロコシ、使用済み食用油のうち、大豆の炭素排出量が最も高く、使用済み食用油の炭素排出量が最も低かった。[70]
バイオディーゼルがディーゼル微粒子フィルターに及ぼす影響を研究したところ、炭酸ナトリウムと炭酸カリウムの存在が灰の触媒的変換を助けるものの、ディーゼル微粒子が触媒されるとDPF内に集まり、フィルターのクリアランスを妨げる可能性があることが判明しました。[説明が必要]これにより、フィルターが詰まり、再生プロセスが妨げられる可能性があります。[71]ジャトロパバイオディーゼルのブレンドによるEGR率の影響に関する研究では、EGRシステムを使用して設計されたディーゼルエンジンでバイオディーゼルを使用したため、燃費とトルク出力が低下することが示されました。排気ガス再循環の増加に伴ってCOとCO 2の排出量が増加しましたが、 NO xレベルは低下することがわかりました。ジャトロパブレンドの不透明度レベルは許容範囲内でしたが、従来のディーゼルは許容基準外でした。EGRシステムによりNOx排出量の減少が得られることが示されました。この研究では、EGRシステムの特定の動作範囲内で従来のディーゼルよりも優れていることが示されました。[72]
2017年現在、混合バイオディーゼル燃料（特にB5、B8、B20）は、米国の都市の路線バスを中心に多くの大型車両で定期的に使用されています。排気ガスの特性評価では、通常のディーゼル燃料と比較して排出量が大幅に削減されていることが示されました。[6]
材料の適合性
- プラスチック：高密度ポリエチレン（HDPE）は適合性がありますが、ポリ塩化ビニル（PVC）はゆっくりと分解します。[8]ポリスチレンはバイオディーゼルと接触すると溶解します。
- 金属：バイオディーゼル（メタノールなど）は銅ベースの材料（真鍮など）に影響を与え、亜鉛、スズ、鉛、鋳鉄にも影響を与えます。[8]ステンレス鋼（316および304）とアルミニウムは影響を受けません。
- ゴム：バイオディーゼルは、古いエンジン部品に使用されている天然ゴムにも影響を与えます。また、研究により、過酸化物と卑金属酸化物で硬化したフッ素化エラストマー（FKM）は、バイオディーゼルが酸化によって安定性を失うと劣化する可能性があることも判明しています。現代の車両によく使用されている合成ゴムFKM-GBL-SとFKM-GF-Sは、あらゆる状況でバイオディーゼルに対応できることがわかりました。[73]
生産
バイオディーゼルは、一般的に植物油や動物性脂肪原料と、揚げ油などの他の非食用原料とのエステル交換によって生産されます。このエステル交換反応を行うには、一般的なバッチプロセス、不均一触媒、 [74]超臨界プロセス、超音波法、さらにはマイクロ波法など、いくつかの方法があります。
化学的には、エステル交換バイオディーゼルは、長鎖脂肪酸のモノアルキルエステルの混合物で構成されています。最も一般的な形式では、メタノール（メトキシドナトリウムに変換）を使用してメチルエステル（一般に脂肪酸メチルエステル（FAME）と呼ばれる）を生成します。これは、メタノールが入手可能なアルコールの中で最も安価であるためです。ただし、エタノールを使用してエチルエステル（一般に脂肪酸エチルエステル（FAEE）と呼ばれる）バイオディーゼルを生成することもできますし、イソプロパノールやブタノールなどの高級アルコールも使用されています。分子量の大きいアルコールを使用すると、結果として得られるエステルの低温流動性が向上しますが、エステル交換反応の効率が低下します。脂質エステル交換製造プロセスを使用して、ベースオイルを目的のエステルに変換します。ベースオイル内の遊離脂肪酸（FFA）は、石鹸に変換されてプロセスから除去されるか、酸性触媒を使用してエステル化されます（バイオディーゼルの生成量が増えます）。この処理を経たバイオディーゼルは、純粋な植物油とは異なり、石油ディーゼルと非常によく似た燃焼特性を持ち、現在のほとんどの用途で石油ディーゼルを置き換えることができます。
ほとんどのバイオディーゼル生産プロセスで使用されるメタノールは、化石燃料を投入して作られています。しかし、二酸化炭素やバイオマスを原料として再生可能なメタノールを生産するソースもあり、その生産プロセスは化石燃料を使わないものとなっています。[75]
エステル交換プロセスの副産物としてグリセロールが生成される。バイオディーゼル1トンを製造するごとに、100kgのグリセロールが生成される。もともと、グリセロールには価値ある市場があり、プロセス全体の経済性を高めていた。しかし、バイオディーゼルの生産量が世界的に増加するにつれ、この粗グリセロール（20%の水分と触媒残留物を含む）の市場価格は暴落した。このグリセロールを化学構成要素として使用する研究が世界中で行われている（Wikipediaの記事「グリセロール」の化学中間体を参照）。英国での取り組みの1つは、グリセロールチャレンジである。[76]
通常、この粗グリセロールは、典型的には真空蒸留によって精製されなければならない。これはかなりエネルギー集約的である。精製されたグリセロール（純度98％以上）は、その後、直接利用することも、他の製品に変換することもできる。2007年には以下の発表があった。アッシュランド社とカーギル社の合弁会社は、ヨーロッパでグリセロールからプロピレングリコールを製造する計画を発表した[77] 。また、ダウケミカル社は北米で同様の計画を発表した[78] 。ダウ社はまた、中国にグリセロールからエピクロルヒドリンを製造する工場を建設する計画である[79] 。 エピクロルヒドリンはエポキシ樹脂の原料である。
2005年の世界バイオディーゼル生産量は380万トンに達した。バイオディーゼル生産量の約85%は欧州連合からのものである。[要出典] [80]
生産レベル
2007年、バイオディーゼルの生産能力は急速に成長し、2002年から2006年までの平均年間成長率は40％を超えました。[81]実際の生産数値が入手できる最新の年である2006年では、世界のバイオディーゼルの総生産量は約500万〜600万トンで、490万トンがヨーロッパで処理され（そのうち270万トンはドイツ製）、残りの大部分は米国で処理されました。2008年には、ヨーロッパだけで生産量が780万トンに増加しました。[82] 2009年7月、ヨーロッパ、特にドイツの生産者との競争のバランスを取るために、欧州連合における米国からの輸入バイオディーゼルに関税が追加されました。[83] [84] 2008年のヨーロッパの生産能力は合計1600万トンでした。これは、米国とヨーロッパのディーゼルの総需要が約4億9000万トン（1470億ガロン）であることと比較されます。[85] 2005～2006年の世界全体の植物油生産量は約1億1000万トンで、パーム油と大豆油がそれぞれ約3400万トンでした。[86] 2018年現在、インドネシアは年間350万トンを生産するパーム油ベースのバイオ燃料の世界最大の供給国であり、[87] [88]約100万トンのバイオディーゼルを輸出すると予想されています。[89]
2011年の米国のバイオディーゼル生産は、業界に新たな節目をもたらした。EPA再生可能燃料基準に基づき、バイオディーゼル生産工場に対して目標が設定され、総需要と比較して生産レベルを監視および記録するようになった。EPAが発表した年末データによると、2011年のバイオディーゼル生産量は10億ガロンを超えた。この生産量はEPAが設定した8億ガロンの目標をはるかに上回った。2020年の生産量は約120億ガロンと予測されている。[90]
バイオディーゼル原料
バイオディーゼルの製造には、さまざまなオイルを使用できます。これには次のものが含まれます。
- バージンオイル原料 –最も一般的に使用されているのは菜種油と大豆油で、大豆油[6]は米国の生産量の約半分を占めています。[91]また、ポンガミア、フィールドペニークレス、ジャトロファ、マスタード、ホホバ、亜麻、ヒマワリ、パーム油、ココナッツ、麻などの作物からも得られます（詳細についてはバイオ燃料用植物油のリストを参照してください）。
- 廃植物油（WVO）
- 動物性脂肪には、牛脂、ラード、黄色い脂肪、鶏脂、[92]および魚油からオメガ3脂肪酸を生成する際に生成される副産物が含まれます。
- 藻類は、下水などの廃棄物を利用して栽培することができ[93]、現在食料生産に使用されている土地を移転させる必要もありません。
- Salicornia bigeloviiなどの塩生植物から得られる油は、従来の作物が栽培できない沿岸地域でも塩水を利用して栽培でき、淡水灌漑で栽培された大豆やその他の油糧種子と同等の収量が得られる[94]
- 下水汚泥 – 下水からバイオ燃料を作る分野は、Waste Managementのような大手企業やInfoSpiのような新興企業から注目を集めており、再生可能な下水バイオディーゼルが価格面で石油ディーゼルと競争できるようになると期待している。[95]
多くの支持者は、廃棄植物油がバイオディーゼルを生産するための最良の油源であると主張しているが、利用可能な供給量は、世界中で輸送や家庭暖房のために燃やされる石油ベースの燃料の量よりも大幅に少ないため、このローカルな解決策は現在の消費率まで拡張できない。
動物性脂肪は、肉の生産と調理の副産物です。脂肪だけのために動物を飼育（または魚を捕獲）するのは効率的ではありませんが、副産物を利用することで畜産業（豚、牛、鶏）に付加価値をもたらします。今日、マルチ原料バイオディーゼル施設では、高品質の動物性脂肪ベースのバイオディーゼルを生産しています。[96] [97]現在、米国では500万ドルの工場が建設されており、地元のタイソン養鶏場で年間生産される推定10億kg（22億ポンド）の鶏脂肪[98]の一部から1140万リットル（300万ガロン）のバイオディーゼルを生産する予定です。[92]同様に、いくつかの小規模バイオディーゼル工場では、廃棄魚油を原料として使用しています。[99] [100] EUが資金提供しているプロジェクト（ENERFISH）では、ベトナムのナマズ（バサ、別名パンガシウス）からバイオディーゼルを生産する工場では、81トンの魚廃棄物（130トンの魚から生じる）から1日あたり13トンのバイオディーゼルを生産できると示唆している。このプロジェクトでは、バイオディーゼルを魚加工工場のCHPユニットの燃料として利用し、主に魚冷凍工場に電力を供給している。[101]
必要な原料の量
現在、世界中で生産されている植物油と動物性脂肪は、液体化石燃料の使用を置き換えるには不十分である。さらに、植物油を追加生産するためには、膨大な量の農業とそれに伴う施肥、農薬の使用、土地利用の転換が必要になることに反対する人もいる。[102]藻類の利点は、砂漠や海洋環境などの耕作不可能な土地でも栽培でき、植物よりもはるかに高い油の収量が得られることである。
収率
単位面積あたりの原料収率効率は、かなりの割合の車両に動力を供給するために必要な膨大な産業レベルまで生産を拡大できるかどうかに影響します。
藻類燃料の収量はまだ正確には決定されていないが、DOEは藻類は大豆などの陸上作物よりも1エーカーあたり30倍のエネルギーを産出すると述べていると報告されている。[104] 20年以上商業的に藻類を栽培しているハイファ海洋研究所のアミ・ベン・アモッツは、1ヘクタールあたり36トンの収量が現実的であると考えている。 [105]
ジャトロファはバイオディーゼルの高収量源として挙げられているが、収量は気候や土壌条件に大きく左右される。低い推定では、1回の収穫で約200米ガロン/エーカー（1ヘクタールあたり1.5～2トン）の収穫となるが、より好ましい気候の場合には、1年に2回以上の収穫が達成されている。[106]ジャトロファはフィリピン、マリ、インドで栽培されており、干ばつに強く、コーヒー、砂糖、果物、野菜などの他の換金作物とスペースを共有できる。 [107]ジャトロファの支持者によると、半乾燥地帯に適しており、砂漠化の減速に貢献できるという。[108]
効率性と経済性の議論
バイオ燃料への完全移行には、従来の食用作物を使用する場合、広大な土地が必要になる可能性がある（ただし、非食用作物は利用できる）。エネルギー消費は経済生産高に比例するため、この問題は特に経済規模の大きい国にとって深刻となるだろう。[109]
第三世界の国々にとっては、限界地を利用したバイオディーゼル源の方が理にかなっているかもしれない。例えば、道路沿いで栽培されるポンガム油木の実や、鉄道沿線で栽培されるジャトロファなどである。 [110]
マレーシアやインドネシアなどの熱帯地域では、ヨーロッパやその他の市場で高まるバイオディーゼルの需要を満たすために、パーム油を生産する植物が急速に植えられている。科学者は、油ヤシ農園の拡大が自然の熱帯雨林と生物多様性に脅威を与えるため、パーム油農園のために熱帯雨林を伐採することは生態学的に健全ではないことを示している。[111]
ドイツでは、パーム油ディーゼルの生産コストは菜種バイオディーゼルの3分の1以下であると推定されている。 [112]
米国では、2018年にバイオディーゼルの生産が64,000人以上の雇用を支えたと報告されています。[90]バイオディーゼルの成長はGDPの大幅な増加にも貢献しています。2011年には、バイオディーゼルは30億ドル以上のGDPを生み出しました。[113]
エネルギー安全保障
バイオディーゼル導入の主な原動力の 1 つはエネルギー安全保障です。これは、国の石油への依存度が下がり、石炭、ガス、再生可能な資源など、地元で入手可能な資源の使用に置き換えられることを意味します。したがって、国は温室効果ガスの排出を削減することなく、バイオ燃料の導入から利益を得ることができます。総エネルギー収支は議論されていますが、石油への依存度が下がることは明らかです。1 つの例は、肥料の製造に使用されるエネルギーで、これは石油以外のさまざまな資源から得ることができます。米国国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) は、エネルギー安全保障が米国のバイオ燃料プログラムの最大の原動力であると述べており、[114]ホワイトハウスの「21 世紀のエネルギー安全保障」という論文では、エネルギー安全保障がバイオディーゼルを推進する主な理由であることを明確にしています。[115]元EU委員会委員長のホセ・マヌエル・バローゾ氏は、最近のEUバイオ燃料会議で、適切に管理されたバイオ燃料はエネルギー源の多様化を通じてEUの供給安全保障を強化する可能性があると強調した。[116]
世界のバイオ燃料政策
世界中の多くの国々では、化石燃料や石油に代わるエネルギー源として、バイオディーゼルなどのバイオ燃料の使用と生産が増加しています。バイオ燃料産業を育成するために、政府は石油への依存を減らし、再生可能エネルギーの使用を増やすためのインセンティブとして法律や立法を実施してきました。[117]多くの国では、バイオディーゼルの使用、輸入、生産に対する課税と還付に関して独自の政策を持っています。
カナダ
カナダ環境保護法案C-33では、2010年までにガソリンに再生可能原料を5%、2013年までにディーゼルと暖房用オイルに再生可能原料を2%含めることが義務付けられている。[117]バイオ燃料のためのEcoENERGYプログラムは、2008年から2010年まで、1リットルあたり0.20カナダドルのインセンティブ率で、バイオディーゼルなどのバイオ燃料の生産を補助した。その後は毎年0.04ドルずつ減額され、2016年にはインセンティブ率が0.06ドルに達する。各州もバイオ燃料の使用と生産に関する具体的な立法措置を講じている。[118]
アメリカ合衆国
容積測定エタノール物品税控除（VEETC）はバイオ燃料の主な財政支援源であったが、2010年に期限切れとなる予定であった。この法律により、バイオディーゼル生産はバージンオイルから生産された1ガロンあたり1ドル、リサイクルオイルから生産された1ガロンあたり0.50ドルの税額控除を保証された。[119] 現在、大豆油は輸送部門の燃料混合など、多くの商業目的で大豆バイオディーゼルを生産するために使用されている。[6]
欧州連合
欧州連合はバイオディーゼルの最大の生産国であり、フランスとドイツがトップの生産国である。バイオディーゼルの使用を増やすために、燃料にバイオディーゼルを混合することを義務付ける政策があり、その割合が達成されない場合は罰金が科される。フランスでは、10%の統合を目標としていたが、その計画は2010年に中止された。[117]欧州連合諸国がバイオ燃料の生産を継続するためのインセンティブとして、生産されたバイオ燃料の特定の割り当てに対して税の払い戻しがある。ドイツでは、輸送用ディーゼルにおけるバイオディーゼルの最小割合が7%に設定されており、いわゆる「B7」と呼ばれている。
マレーシア
マレーシアは、2022年末までにB20パーム油バイオ燃料プログラムを全国的に導入する計画だ。輸送部門向けにパーム油成分20％のバイオ燃料（B20）を製造する義務は、2020年1月に初めて導入されたが、コロナウイルスの発生を抑えるために課された移動制限により遅延に直面した。[120]
問題点と懸念
食料、土地、水対燃料
米国で生産されるトウモロコシの最大40％はエタノールの製造に使用され、[121]世界全体では穀物の10％がバイオ燃料に転換されている。[122]米国とヨーロッパでバイオ燃料に使用される穀物を50％削減すれば、ウクライナの穀物輸出のすべてを賄うことができる。 [123]
一部の貧しい国では、植物油の価格高騰が問題を引き起こしています。[124] [125]燃料は、多くの樹木や作物が育たないか、収穫量が少ない限界農地でも育つカメリナ、ジャトロファ、アオイ科の植物油などの非食用植物油からのみ作ることを提案する人もいます。[ 126]
問題はもっと根本的だと主張する人もいる。農家は、たとえ新しい作物が食べられないとしても、より多くのお金を稼ぐために食用作物の生産からバイオ燃料作物の生産に切り替えるかもしれない。[127] [128]需要と供給の法則によれば、食料を生産する農家が減れば、食料価格は上昇するだろう。農家が栽培する作物を変えるのには時間がかかるため、時間がかかるかもしれないが、第一世代バイオ燃料の需要増加は、多くの種類の食料の価格上昇につながる可能性が高い。植物油の価格上昇により、貧しい農家や貧しい国がより多くのお金を稼いでいると指摘する人もいる。[129]
海藻から作られるバイオディーゼルは、必ずしも現在食料生産に使用されている陸地を置き換えるものではなく、新たな藻類養殖の雇用を生み出す可能性がある。
比較すると、バイオガスの生産では、農業廃棄物を利用してバイオガスと呼ばれるバイオ燃料を生成し、堆肥も生産するため、農業、持続可能性、食糧生産が向上することに言及する必要があります。
バイオディーゼルの環境への影響
バイオディーゼルへの関心の高まりにより、その使用に伴う多くの環境影響が注目されています。これには、温室効果ガスの排出量の削減、[130] 森林破壊、汚染、生分解速度の削減などが含まれます。
2010 年 2 月に米国環境保護庁(EPA)が発表した再生可能燃料基準プログラム規制影響分析によると、大豆油から製造したバイオディーゼルは、石油ディーゼルに比べて温室効果ガスを平均 57% 削減し、廃油から製造したバイオディーゼルは 86% 削減します。詳細については、EPA レポートの第 2.6 章を参照してください。
しかし、環境保護団体、例えばレインフォレスト・レスキュー[131]やグリーンピース[132]は、バイオディーゼル生産に使用される植物、例えばアブラヤシ、大豆、サトウキビの栽培を批判している。熱帯雨林の森林破壊は気候変動を悪化させ、アブラヤシ、大豆、サトウキビのプランテーションのために土地を開拓するために敏感な生態系が破壊される。さらに、バイオ燃料は耕作地が食料の栽培に使用されなくなるため、世界の飢餓の一因となっている。環境保護庁は2012年1月にデータを発表し、パーム油から作られたバイオ燃料は気候に優しくないため、米国の再生可能燃料義務化の対象にはならないとしている。[133]環境保護論者は、アブラヤシプランテーションの成長がインドネシアやマレーシアなどの熱帯林破壊を引き起こしてきたため、この結論を歓迎している。[133] [134]
インドネシアは主にパーム油からバイオディーゼルを生産している。農地が限られているため、アブラヤシの単一栽培を行うには、他の栽培に使用されている土地や熱帯林を伐採する必要がある。そのため、インドネシアの熱帯雨林の破壊が大きな環境脅威となっている。[135]
バイオディーゼルの環境への影響は多様で、一概には言えません。バイオディーゼルを使用する動機としてよく挙げられるのは、化石燃料に比べて温室効果ガスの排出量を削減できるという点です。これが真実かどうかは、多くの要因によって決まります。
温室効果ガスの排出
バイオディーゼルに対する一般的な批判は、土地利用の変化であり、化石燃料のみを使用した場合よりもさらに多くの排出を引き起こす可能性がある。[138]しかし、この問題は、農業に適さない土地を利用できる 藻類バイオ燃料によって解決されるだろう。
二酸化炭素は主要な温室効果ガスの 1 つです。バイオディーゼルの燃焼により、通常の化石燃料と同様の二酸化炭素が排出されますが、生産に使用される植物原料は、成長時に大気中の二酸化炭素を吸収します。植物は光合成と呼ばれるプロセスを通じて二酸化炭素を吸収し、糖やデンプンの形で太陽光からのエネルギーを蓄えます。バイオマスがバイオディーゼルに変換され、燃料として燃焼されると、エネルギーと炭素が再び放出されます。そのエネルギーの一部はエンジンの動力として使用され、二酸化炭素は大気中に再び放出されます。
したがって、温室効果ガスの総排出量を考慮する場合、生産プロセス全体と、そのような生産がどのような間接的な影響を引き起こす可能性があるかを考慮することが重要です。二酸化炭素排出量への影響は、生産方法と使用される原料の種類に大きく依存します。バイオ燃料の炭素強度の計算は複雑で不正確なプロセスであり、計算で行われた仮定に大きく依存します。計算には通常、次のものが含まれます。
- 原料の栽培による排出（例：肥料に使用される石油化学製品）
- 原料を工場に輸送する際の排出
- 原料をバイオディーゼルに加工する際の排出物
- 原料の栽培によるCO2排出の吸収
その他の要因も非常に重要ですが、考慮されない場合があります。これには次のものが含まれます。
- 燃料原料が栽培される地域の土地利用の変化による排出。
- バイオディーゼルを工場から使用場所まで輸送する際の排出物
- 標準的なディーゼル燃料と比較したバイオディーゼル燃料の効率
- 排気管から排出される二酸化炭素の量。（バイオディーゼルは4.7%多く排出可能）[要出典]
- 牛の飼料やグリセリンなどの有用な副産物の生産による利益
土地利用の変化を考慮せず、今日の製造方法を想定すると、菜種油とひまわり油からのバイオディーゼルは、石油ディーゼルよりも温室効果ガスの排出量が45％～65％少なくなります。[139] [140] [141] [142]しかし、生産プロセスの効率を改善するための研究が進行中です。[139] [141]使用済みの食用油やその他の廃棄脂肪から生産されたバイオディーゼルは、 CO2排出量を85％も削減できます。 [136]原料が既存の農地で栽培されている限り、土地利用の変化は温室効果ガスの排出にほとんどまたはまったく影響しません。 しかし、原料の生産の増加が森林破壊の速度に直接影響を与えるという懸念があります。 このような皆伐は、森林、土壌、泥炭層に蓄積された炭素を放出します。 森林破壊による温室効果ガス排出量は非常に大きいため、排出量の削減（バイオディーゼルの使用のみによる）による利点は数百年にわたって無視できるほど小さいでしょう。[136] [138]そのため、パーム油などの原料から生産されるバイオ燃料は、ある種の化石燃料よりもはるかに高い二酸化炭素排出量を引き起こす可能性がある。[143]
汚染
米国では、バイオディーゼルは、大気浄化法（1990 年）の健康影響試験要件（Tier I および Tier II）を正常に完了した唯一の代替燃料です。
バイオディーゼルは、低硫黄（< 50 ppm）ディーゼルと比較して、粒子状物質フィルターを備えた車両で、固体燃焼生成物の小さな粒子である粒子の直接排気管からの排出を最大20％削減できます。生産の結果としての粒子状物質の排出量は、化石由来のディーゼルと比較して約50％削減されます。[144]
生分解
アイダホ大学の研究では、バイオディーゼル、純粋な植物油、バイオディーゼルと石油ディーゼルの混合物、および純粋な2-Dディーゼル燃料の生分解速度を比較しました。栄養溶液と下水汚泥改良溶液で分解対象物の低濃度（10 ppm）を使用して、バイオディーゼルは28日間でデキストロース対照と同じ速度で、石油ディーゼルの5倍の速さで分解し、バイオディーゼル混合物は共代謝によって石油ディーゼルの分解速度を2倍にすることを実証しました。[145] 同じ研究では、10000 ppmのバイオディーゼルと石油ディーゼルを使用して土壌分解を調査したところ、土壌中のバイオディーゼルは石油ディーゼルの2倍の速度で分解することがわかりました。すべてのケースで、バイオディーゼルは石油ディーゼルよりも完全に分解し、分解の難しい未確認中間体を生成することが判明しました。同プロジェクトの毒性研究では、ラットとウサギに5000 mg/kgまでのバイオディーゼルを投与しても死亡例はなく、毒性影響もほとんど見られなかった。石油ディーゼルも同じ濃度で死亡例は見られなかったが、ウサギでは2000 mg/Lを超える濃度で脱毛や尿の変色などの毒性影響が認められた。[146]
水生環境において
バイオディーゼルの使用が広まるにつれ、その消費が水質や水生生態系にどのような影響を与えるかを考慮することが重要になります。さまざまなバイオディーゼル燃料の生分解性を調べた研究では、研究対象となったバイオ燃料（純粋な菜種油、純粋な大豆油、およびそれらの変性エステル製品を含む）はすべて「容易に生分解される」化合物であり、水中での生分解率が比較的高いことがわかりました。[147]さらに、バイオディーゼルが存在すると、共代謝によってディーゼルの生分解率が上昇する可能性があります。バイオディーゼル/ディーゼル混合物中のバイオディーゼルの比率が増加すると、ディーゼルの分解速度が速くなります。制御された実験条件を使用した別の研究では、バイオディーゼルの主要分子である脂肪酸メチルエステルが海水中で石油ディーゼルよりもはるかに速く分解することも示されました。[148]
カルボニル放出
化石燃料やバイオ燃料の使用による排出を考慮する場合、研究は通常、炭化水素などの主要な汚染物質に焦点を当てています。ディーゼルの代わりにバイオディーゼルを使用すると、規制対象のガス排出量が大幅に削減されることは一般的に認識されていますが、大気汚染にも関与する規制対象外の化合物については、研究文献に情報が不足しています。[149]ある研究では、大型ディーゼルエンジンで純粋なディーゼルとバイオディーゼルの混合物を燃焼させたときに排出される基準外のカルボニル化合物に焦点を当てました。その結果、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アクロレイン、アセトン、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒドのカルボニル排出量は、純粋なディーゼルからの排出量よりもバイオディーゼル混合物の方が高いことがわかりました。バイオディーゼルを使用するとカルボニル排出量は高くなりますが、総炭化水素排出量は少なくなるため、代替燃料源としてはより適している可能性があります。これらの結果と矛盾する他の研究も行われていますが、研究間で異なるさまざまな要因（使用する燃料の種類やエンジンなど）のため、比較は困難です。バイオディーゼル燃料の使用によるカルボニル排出量に関する12の研究論文を比較した論文では、8つの論文がカルボニル化合物の排出量の増加を報告し、4つの論文はその逆を示していることがわかった。[149]これは、これらの化合物についてはまだ多くの研究が必要であることの証拠である。
機械的な懸念
エンジンの摩耗
燃料の潤滑性は、エンジン内で発生する摩耗に重要な役割を果たします。ディーゼルエンジンは、常に互いに接触している金属部品の潤滑性を燃料に依存しています。[150]バイオディーゼルは、エステルの存在により、化石石油ディーゼルに比べてはるかに優れた潤滑剤です。テストでは、少量のバイオディーゼルをディーゼルに加えると、短期的には燃料の潤滑性が大幅に向上することが示されています。[151]しかし、長期間[説明が必要]（2〜4年）では、バイオディーゼルは潤滑性を失うことが研究で示されています。[152] [検証に失敗]これは、不飽和分子の酸化による時間の経過による腐食の強化、または吸湿によるバイオディーゼルの水分含有量の増加が原因である可能性があります。[58]
燃料粘度
バイオディーゼルに関する主な懸念の 1 つは、その粘度です。ディーゼルの粘度は 40 °C で 2.5～3.2 cSt ですが、大豆油から作られたバイオディーゼルの粘度は 4.2～4.6 cSt です[153]ディーゼルの粘度は、エンジン部品に十分な潤滑を提供できるほど高くなければなりませんが、動作温度で流動できるほど低くなければなりません。粘度が高いと、エンジンの燃料フィルターや噴射システムが詰まる可能性があります。[153]植物油は、炭化水素の長い鎖を持つ脂質で構成されており、粘度を下げるために、脂質はエステルの小さな分子に分解されます。これは、植物油と動物性脂肪をエステル交換反応を使用してアルキルエステルに変換することで粘度を下げることによって行われます[154]それでも、バイオディーゼルの粘度はディーゼルよりも高く、燃料フィルターを通る流れが遅いため、エンジンは低温で燃料を使用できない可能性があります。[155]
エンジン性能
バイオディーゼルはディーゼルに比べてブレーキ固有の燃料消費量が高く、同じトルクを得るためにはより多くのバイオディーゼル燃料消費量が必要になります。しかし、B20バイオディーゼルブレンドは、熱効率の最大の増加、ブレーキ固有のエネルギー消費の最小化、有害排出物の低減を実現することがわかっています。[6] [58] [150]エンジン性能は、燃料の特性だけでなく、燃焼、インジェクター圧力、その他多くの要因によって異なります。[156]バイオディーゼルにはさまざまなブレンドがあるため、エンジン性能に関する矛盾した報告がある可能性があります。
排気ガス
バイオディーゼルの製造に使用される原料は、脂肪酸メチルエステル中に存在する平均炭素鎖長と二重結合の数を変化させることによって燃料の特性を変化させます。[157]
低温ゲル化
バイオディーゼルをある温度以下に冷却すると、分子の一部が凝集して結晶を形成する。結晶が可視光の波長の 4 分の 1 よりも大きくなると、燃料は曇って見え始める。これが曇点(CP) である。燃料がさらに冷却されると、これらの結晶は大きくなる。燃料が 45 マイクロメートルのフィルターを通過できる最低温度は、冷フィルター目詰まり点(CFPP) である。[158]バイオディーゼルをさらに冷却すると、ゲル化し、その後固化する。欧州では、国によって CFPP 要件が異なっており、これは各国の異なる国家基準に反映されている。純粋な (B100) バイオディーゼルがゲル化し始める温度は大きく異なり、エステルの混合、つまりバイオディーゼルの製造に使用される原料油によって決まる。たとえば、キャノーラ種子の低エルカ酸品種 (RME) から製造されたバイオディーゼルは、約 -10 °C (14 °F) でゲル化し始める。牛脂とパーム油から製造されたバイオディーゼルは、それぞれ約16℃（61℉）と13℃（55℉）でゲル化する傾向がある。[159]純粋なバイオディーゼルの流動点と低温フィルターの目詰まり点を大幅に下げる市販の添加剤が多数ある。バイオディーゼルを#2低硫黄ディーゼル燃料や#1ディーゼル/灯油などの他の燃料油と混合することで、冬季運転も可能である。
寒冷地でバイオディーゼル燃料の使用を容易にするもう 1 つの方法は、標準のディーゼル燃料タンクに加えて、バイオディーゼル燃料用の 2 番目の燃料タンクを使用することです。2 番目の燃料タンクは断熱することができ、エンジン冷却剤を使用する加熱コイルがタンク内を通ります。燃料が十分に温まったら、燃料タンクを切り替えることができます。同様の方法を使用して、純粋な植物油を使用してディーゼル車を運転できます。
水による汚染
バイオディーゼルには、少量ではあるが問題となる量の水が含まれている可能性がある。水と混ざり合うのはわずかだが、吸湿性がある。[160]バイオディーゼルが水を吸収する理由の1つは、不完全な反応で残ったモノグリセリドとジグリセリドが残留するためである。これらの分子は乳化剤として作用し、水がバイオディーゼルと混ざる可能性がある。[要出典]さらに、処理中に残った水や貯蔵タンクの凝縮によって生じた水が存在する可能性がある。水の存在が問題となるのは以下の理由による。
- 水は燃料の燃焼熱を低下させ、煙、始動困難、 出力低下の原因となります。
- 水は燃料システム部品（ポンプ、燃料ラインなど）の腐食を引き起こします。
- 水中の微生物により、システム内の紙エレメントフィルターが腐敗して故障し、大きな粒子が飲み込まれることで燃料ポンプが故障します。
- 水が凍結して氷の結晶を形成し、核形成の場所を提供し、燃料のゲル化を促進します。
- 水はピストンにピットを引き起こします。
これまでは、水と油が分離するため、サンプルを採取してバイオディーゼルに含まれる水分量を測定することは困難でした。しかし、現在では油中水センサーを使用して水分含有量を測定することが可能です。[161]
生産プロセスに関与する特定の化学触媒を使用する場合、水による汚染も潜在的な問題となり、水酸化カリウムなどの塩基（高pH）触媒の触媒効率が大幅に低下します。しかし、石油原料とメタノールのエステル交換プロセスを高温高圧下で実行する超臨界メタノール生産方法は、生産段階での水による汚染の影響をほとんど受けないことが示されています。
研究
より適した作物を見つけ、油の収量を増やすための研究が行われた。人間の排泄物を含む他の供給源も可能であり、ガーナでは初の「排泄物汚泥を燃料とするバイオディーゼル工場」が建設された。[162]
特別に育成されたマスタードの品種は、かなり高い油収量を生み出すことができ、穀物との輪作に非常に有用であり、油を搾り取った後に残った粉末が効果的で生分解性の殺虫剤として機能するという追加の利点がある。[163]
NFESCはサンタバーバラに拠点を置くバイオディーゼル産業と協力し、世界最大のディーゼル燃料使用国の一つである米国海軍と軍隊向けにバイオディーゼル技術の開発に取り組んでいる。[164]
Ecofasaという会社で働くスペインの開発業者のグループは、ゴミから作られた新しいバイオ燃料を発表しました。この燃料は、一般的な都市廃棄物から作られ、バクテリアによって脂肪酸が生成され、バイオディーゼルの製造に使用できます。[165]
生産に化学物質の使用を必要としないもう一つのアプローチは、遺伝子組み換え微生物の使用である。[166] [167]
藻類バイオディーゼル
1978年から1996年まで、米国NRELは「水生生物プログラム」で藻類をバイオディーゼル源として使用する実験を行った。 [114]ニューハンプシャー大学バイオディーゼルグループ のマイケル・ブリッグスが自費出版した記事では、 50%以上の天然油分を含む藻類を利用することで、すべての車両燃料をバイオディーゼルに現実的に置き換えることができると推定している。ブリッグスは、藻類は廃水処理場の藻類池で育てることができると示唆している。 [168]この油分を多く含む藻類はシステムから抽出され、バイオディーゼルに加工され、乾燥した残りはさらに再加工されてエタノールが生成される。
バイオディーゼル用の油を採取するための藻類の生産はまだ商業規模では行われていないが、上記の収量推定値に到達するために実行可能性調査が実施されている。藻類養殖は、予測される高い収量に加えて、農作物ベースのバイオ燃料とは異なり、農地も淡水も必要としないため、食糧生産の減少を伴わない。多くの企業が、バイオディーゼル生産を商業レベルに拡大することを含むさまざまな目的で藻類バイオリアクターを追求している。[169] [170]バイオディーゼル脂質は、イオン液体 中の単純で経済的な反応を使用して湿った藻類から抽出することができる。[171]
ポンガミア
ミレッティア・ピナタは、ポンガム・オイルツリーまたはポンガミアとも呼ばれ、非食用植物油の生産候補として特定されているマメ科の油糧種子樹です。
バイオディーゼル生産のためのポンガミア農園には、環境面で二重の利点がある。この木は炭素を貯蔵し、燃料油を生産する。ポンガミアは食用作物に適さない限界地でも育ち、硝酸塩肥料も必要としない。この油を生産する木は、塩分濃度の高い栄養失調の土壌でも育ちながら、油を生産する植物の中で最も収量が高い（種子の重量の約40%が油である）。多くのバイオディーゼル研究機関で主要な焦点になりつつある。[172]ポンガミアの主な利点は、他の作物よりも油の回収率と品質が高く、食用作物と直接競合しないことである。しかし、限界地での栽培は油の収量低下につながる可能性があり、より良い土壌を求めて食用作物と競合する可能性がある。
ジャトロファ
様々な分野のいくつかのグループが、ジャトロファ・クルカスに関する研究を行っています。ジャトロファ・クルカスは、バイオディーゼルの原料油の有望な供給源であると多くの人に考えられている種子を生産する有毒な低木のような木です。[173]この研究の多くは、遺伝学、土壌科学、園芸慣行の進歩を通じて、ジャトロファの1エーカーあたりの総油収量を向上させることに焦点を当てています。
サンディエゴに拠点を置くジャトロファ開発業者SGバイオフューエルズは、分子育種とバイオテクノロジーを利用して、第一世代品種に比べて収穫量が大幅に向上したジャトロファの優れたハイブリッド種子を生産した。 [174] SGバイオフューエルズは、このような品種から、開花の同期性の向上、害虫や病気に対する耐性の向上、耐寒性の向上など、さらなる利点も生まれたと主張している。[175]
オランダのワーゲニンゲン大学研究センターの一部門であるPlant Research Internationalは、野外実験と実験室実験を通じて大規模なジャトロファ栽培の実現可能性を調査するジャトロファ評価プロジェクト（JEP）を継続的に実施している。 [176]
持続可能なエネルギー農業センター（CfSEF）は、ロサンゼルスを拠点とする非営利の研究機関で、植物科学、農学、園芸の分野でジャトロファの研究を行っています。これらの分野の研究が成功すれば、今後10年間でジャトロファ農場の生産量が200～300％増加すると予測されています。[177]
下水からのFOG
下水から回収されたいわゆる脂肪、油、グリース（FOG）もバイオディーゼルに変換することができます。[178]
菌類
モスクワのロシア科学アカデミーのグループは2008年に論文を発表し、単細胞菌類から大量の脂質を分離し、それを経済的に効率的な方法でバイオディーゼルに変換したと述べた。[179]
最近発見されたグリオクラディウム・ロゼウム菌の変種は、セルロースからいわゆるマイコディーゼルを生産することを示しています。この生物は最近パタゴニア北部の熱帯雨林で発見され、セルロースをディーゼル燃料に典型的に見られる中鎖炭化水素に変換するユニークな能力を持っています。[180]
使用済みのコーヒーかすからバイオディーゼルを作る
ネバダ大学リノ校の研究者らは、使用済みのコーヒーかすから抽出した油からバイオディーゼルを製造することに成功した。使用済みのコーヒーかすを分析したところ、油分は 10% から 15% (重量比) 含まれていた。油を抽出した後、従来の方法でバイオディーゼルに加工した。完成したバイオディーゼルは 1 ガロンあたり約 1 ドルで製造できると推定されている。さらに、「この技術は難しくない」ことや、「コーヒーは豊富にあるため、年間数億ガロンのバイオディーゼルを製造できる可能性がある」ことが報告されている。しかし、世界中のコーヒーかすをすべて燃料製造に使用したとしても、その量は米国で年間使用されるディーゼルの 1% 未満にしかならない。「これで世界のエネルギー問題が解決するわけではない」とミスラ博士は自身の研究について述べた。[181]
バイオディーゼルから水素電池発電へ
バイオディーゼルを水素蒸気に変換し、燃料電池に電力を供給するためのマイクロリアクターが開発されました。[182]
蒸気改質は化石燃料改質とも呼ばれ、炭化水素燃料、特にその効率性からバイオディーゼルから水素ガスを生成するプロセスです。**マイクロリアクター**、または改質器は、高温高圧下で水蒸気が液体燃料と反応する処理装置です。700〜1100℃の温度範囲で、ニッケルベースの触媒により一酸化炭素と水素が生成されます。[183]
炭化水素 + H
2O ⇌ CO + 3 H
2（吸熱性が高い）
さらに、一酸化炭素をさらに酸化してより多くの水素と二酸化炭素を生成することで、より高い収量の水素ガスを得ることができます。
CO + H
2O → CO 2 + H
2（軽度の発熱）
ベニバナ油
2020年現在[update]、オーストラリアのCSIROの研究者らは、特別に育成された品種のベニバナ油をエンジン潤滑剤として研究しており、また米国のモンタナ州立大学先進燃料センターの研究者らは、大型ディーゼルエンジンにおけるこの油の性能を研究しており、その結果は「ゲームチェンジャー」と評されている。[184]
参照
- 公共施設、 WVOの収集場所
- エコジェットコンセプトカー
- 2008年食糧・保全・エネルギー法
- 燃料（フィルム）
- ガソリンガロン換算
- バイオ燃料による間接的な土地利用変化の影響
- MY アディ・ギル
- 持続可能なバイオ燃料
- バイオディーゼル作物の収穫量表
- 石油換算トン
- アメリカ対インペリアル・ペトロリアム
- 代替エネルギーとしての植物油
- 植物油燃料
- バイオ燃料に関する問題
- 低炭素経済
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズにはバイオディーゼルに関連するメディアがあります。
ウィキブックスには「DIY」に関する本があります。
- バイオディーゼルの利点
- 欧州バイオディーゼル委員会のウェブサイト – 欧州バイオディーゼル産業。
- 持続可能なバイオディーゼル同盟
- 国際エネルギー機関: 輸送用バイオ燃料 - 国際的な視点 ( Wayback Machineより) (2011 年 1 月 4 日アーカイブ)
- アイダホ大学の全国バイオディーゼル教育プログラム - バイオディーゼルの生産者や販売業者、車両オペレーター、農家や原料生産者、政策立案者、消費者向けの、バイオディーゼルに関する公平で科学に基づいた情報。
- 持続可能な資源の生産と利用に向けて：バイオ燃料の評価、国連環境計画、2009 年 10 月。
- eXtension のバイオディーゼルに関する記事 - eXtension (発音は「E-Extension」) は、米国全土の普及教授およびエージェント向けのウィキです。Farm Energy セクションには、基礎からより技術的な情報まで、バイオディーゼルに関する 30 を超える記事が掲載されています。
- 小規模非商業的使用および生産におけるバイオディーゼルの安全性とベストマネジメントプラクティス 2014-02-11 にWayback Machineでアーカイブ
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