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再生可能天然ガス（RNG）、別名バイオメタンは、化石天然ガスと同等の品質にアップグレードされたバイオガスから作られる再生可能燃料で、メタン濃度は90%以上です。[ 1 ]バイオガスから二酸化炭素やその他の不純物を取り除くことで、メタン濃度が十分に高くなり、既存のガスパイプラインインフラを介してRNGを供給できるようになります。RNGは、天然ガス燃焼エンジンを搭載した車両（天然ガス自動車）を含む既存の機器で使用できます。
バイオメタンを生成するためのバイオガスを収集する最も一般的な方法は、嫌気性消化プロセスです。嫌気性消化施設は、家畜糞尿、家庭の有機性廃棄物、または廃水処理施設など、専用に建設された施設です。バイオガスは、埋立地における有機物の分解の副産物としても発生します。
RNGは、バイオメタン化、サバティエ法、または燃料電池に似た電気化学セルを使用して二酸化炭素/一酸化炭素と水素をメタン化することによっても製造できます。[ 2 ]これらのアプローチは、炭素回収施設からの二酸化炭素、または木材やその他のリグノセルロース材料のガス化によって生成された合成ガス（シンガス）をメタン化するために使用できます。RNGを製造するこれらのアプローチはまだ開発段階にあり、世界の生産量のごく一部を占めるにすぎません。
ほとんどの再生可能天然ガス（RNG）は、有機廃棄物の嫌気性消化によって生成されるバイオガスから作られています。バイオガスは、埋め立てや廃水処理の副産物として生成されます。埋め立て地では、埋められた有機廃棄物が嫌気性消化を受け、埋め立て地に設置された一連の井戸を通して収集できるバイオガスが生成されます。[ 3 ]廃水処理施設では、沈殿槽からの汚泥を分解するために嫌気性消化槽がよく使用されます。[ 4 ]嫌気性消化槽を備えた廃水処理プラントでは、プロセス熱としてバイオガスを使用し、余剰のバイオガスを燃焼させることがよくあります。一部の管轄区域では、大気へのメタン漏洩を最小限に抑えるために、埋め立て地でバイオガスを回収することが義務付けられており、回収されたガスは、燃焼させるか、発電するために燃焼させるか、RNGにアップグレードされます。[ 5 ]
嫌気性消化槽は、再生可能天然ガス（RNG）を生産するために特別に建設された施設である場合もある。嫌気性消化槽は通常、農業および都市からの廃棄物バイオマスを処理する。農業廃棄物には、糞尿、腐敗した製品、動物の敷料などがある。都市廃棄物には、分別された有機廃棄物、脂肪、油、グリース（FOG）、および工業副産物などがある。[ 6 ]一部の地域では、廃棄物以外の原料も使用される。これらの原料は、トウモロコシや大麦などのエネルギー作物、または土壌の質を改善するために生育期以外に栽培される被覆作物である。 [ 7 ]フランスでは、バイオガス生産に使用できるエネルギー作物の量が規制によって制限されているため、被覆作物の使用が奨励されている。[ 8 ]バイオマス原料の入手可能性に応じて、原料は専用施設で処理されるか、他の種類の原料と共同処理される。
商業用嫌気性消化施設は通常、再生可能天然ガス（RNG）の販売、消化液の販売、廃棄物処理のための処理手数料の徴収を組み合わせることで収益を上げています。[ 6 ]生産規模を最大化し、選択したバイオマス源の輸送リンク（港や高速道路など）の近くに嫌気性消化プラントを設置することでコストを最小限に抑えます。相互接続コストを削減するためには、ガス送配電網に近い場所を選択することも重要です。地域によっては、夏季のガス需要が低い期間に対応するためにガス貯蔵が必要になることがよくあります。[ 9 ]
RNGは、二酸化炭素または熱ガス化によって生成された合成ガスのメタン化によっても製造できます。[ 10 ]どちらの方法もまだ商業化前の段階であり、世界的に見てRNG生産の主要な供給源ではありません。
未処理のバイオガスは、主にメタンと二酸化炭素が約60:40の比率で混合したものです。バイオガスには、空気から取り込まれた少量の酸素と窒素も含まれる場合があり、通常は水で飽和しています。すべてのバイオガス源には硫化水素が含まれており、廃水処理や埋立地から生成されるバイオガスには、シロキサンやその他の揮発性有機成分が含まれていることがよくあります。[ 11 ]
バイオガス精製とは、バイオガスから微量の汚染物質、水、およびメタン以外のガスを除去して、天然ガスと互換性のある製品を生成することを指します。バイオガス精製には、汚染物質と水の除去、それに続くガス分離という2つの一般的なステップがあります。汚染物質と水は通常、活性炭、活性アルミナ、および酸化鉄を含む犠牲媒体ベッドを使用して除去されます。[ 12 ]汚染物質は、硫黄酸化細菌を使用した生物学的スクラビング、アンモニアを使用した化学的スクラビング、または温度スイング吸着などの再生プロセスを使用して除去することもできます。
汚染物質と水分が除去された後、バイオガスはガス分離処理を経てメタンが濃縮されます。バイオガス精製には、複数のガス分離方法が用いられています。
RNGは一般的に天然ガスと互換性があると考えられています。多くの地域では、地域の天然ガスインフラに許容されるRNG品質の最低仕様が定められています。[ 15 ] RNGと天然ガスの主な違いは、RNGにはメタン以外の炭化水素（プロパンなど）が含まれていないことです。このため、RNGは天然ガスよりも発熱量 とウォッベ指数が低くなります。
2023年現在、北米では300以上のRNG施設が稼働しており[ 19 ]、供給の70%以上が都市固形廃棄物および埋立地部門から得られていると、米国の業界団体RNG連合は述べている[ 20 ] 。
北米では、RNG開発の大部分は歴史的に埋立地ガス利用の形態として発展してきた。[ 21 ]最初の商業用RNG施設は、1982年にニューヨーク市近郊のフレッシュキルズ埋立地で稼働を開始した。埋立地ガスプロジェクトは、2021年まで米国におけるRNGプロジェクトの主流であったが、その後、農業プロジェクトがRNG生産の主流となった。2023年現在、米国には102の埋立地RNGプロジェクトが存在する。[ 22 ]
廃水処理中に沈殿した汚泥は、嫌気性消化槽で分解することができます。嫌気性消化槽は、廃水処理施設の熱源として使用できるバイオガスを生成するため、汚泥処理の一般的な方法となっています。[ 23 ]多くの廃水処理施設では、施設が消費するよりも多くのバイオガスが生成されます。このガスは、メタンを破壊するために燃焼されるか、熱電併給エンジンで使用されるか、RNGにアップグレードされます。
嫌気性消化槽は農業経営に組み込むことができます。一般的に、農業用嫌気性消化槽の基本原料は糞尿です。糞尿は嫌気性消化のための微生物群と、液体原料スラリーの定期的な供給源となります。[ 24 ]農場では、腐った農産物や動物の敷料などの他の廃棄物を加えることもよくあります。地域によっては、農業プロジェクトで農場外の原料を受け入れる場合もあります。[ 25 ]農場の嫌気性消化槽は廃棄物を処理し、肥料として使用できる液体消化液を生成し、農家にとって追加の収入源となります。
自治体の嫌気性消化槽とは、生ごみ収集プログラムを通じて収集された分別有機物（SSO）を主原料とする施設を指します。これらの消化槽は、SSO原料が家畜糞尿よりも固形分含有量が高い傾向があるため、農業用消化槽とは異なります。自治体の嫌気性消化槽では、プラスチックやガラス容器などの汚染物質を除去するために前処理が必要になることがよくあります。[ 26 ]自治体は、メタン排出量を削減するために、有機廃棄物を埋立地から転用する形態として嫌気性消化槽を運営しています。
合成ガスは、主にメタン、水素、二酸化炭素、一酸化炭素の混合物です。バイオガスと同様に、合成ガスは直接燃焼させるか、RNGまたは水素に改質することができます。プロセスは、ガス化または熱分解によって、通常は木質バイオマスである合成ガスを生成することから始まります。次に、合成ガスから硫化水素やタールなどの汚染物質が除去されます。[ 27 ]合成ガスをアップグレードするには、水性ガスシフト反応を使用して水素と一酸化炭素の比率を高めます。[ 28 ]化学量論比に近い状態で、合成ガスはサバティエ反応を使用してメタンに改質され、その後、バイオガスのアップグレードと同様の技術を使用して二酸化炭素が除去されます。
木材を原料とする再生可能天然ガスプラントは、主に2つのカテゴリーに分類できます。1つは外部熱源からエネルギーが供給されるアロサーマル方式です。例としては、燃焼室とガス化室が別々になっている二室式流動床ガス化炉が挙げられます。オートサーマル方式はガス化炉内で熱を発生させますが、窒素希釈を避けるために純酸素を使用する必要があります。[ 29 ]
木材廃棄物から再生可能天然ガスを生産する主な利点は、フィッシャー・トロプシュ法に基づく液体燃料生産よりも効率が高く、他の第2世代バイオ燃料生産システムよりも生産規模が小さいことです。[ 30 ]オランダのエネルギー研究センターは、海外からの原料輸入に基づき、木質バイオマスからの大規模な再生可能天然ガス生産に関する広範な研究を実施しました。[ 31 ]
再生可能天然ガスは既存のガス網を通じて生産・供給できるため、既存の建物に再生可能熱と再生可能ガスエネルギーを供給する魅力的な手段となります。また、再生可能天然ガスは液化天然ガス（LNG）または圧縮天然ガス（CNG）に変換して、輸送部門の燃料として直接利用することも可能です。
米国では、RNGの最終的な供給ポテンシャルの予測は様々である。ガス技術研究所が2011年に実施した分析では、農業廃棄物を含む廃棄バイオマスからの再生可能ガスは年間最大2.5兆Btuの供給が可能であり、これは米国の家庭の50%の天然ガス需要を満たすのに十分であると結論付けた。[ 32 ] [ 33 ]環境エネルギー研究機関は、再生可能天然ガスが米国で使用される天然ガス全体の最大10%を代替できると推定し、[ 34 ]全米浄水機関協会と水環境連盟による調査では、廃水から除去されたバイオソリッドの量が、米国の全国電力需要の最大12%を満たすのに十分なバイオガスに変換できる可能性があることが判明した。[ 35 ]
さらに最近では、アメリカガス財団が委託し、ICFが2019年に実施した調査で、2030年までに米国でパイプライン注入用に年間1.6～3.78兆立方フィートのRNGが生産される可能性があると予測された。[ 36 ]
バイオガスの二酸化炭素と一酸化炭素成分を電気分解水素を用いてメタンに変換するパワー・トゥ・ガスと組み合わせることで、未処理バイオガスの再生可能ガスとしての可能性は約2倍になる。[ 37 ]
英国では、再生可能なバイオガスを生産する手段として嫌気性消化の利用が拡大しており、国内に約90か所のバイオメタン注入サイトが建設されている。[ 38 ] Ecotricityは、英国の消費者に国家送電網を通じてグリーンガスを供給する計画を発表した。[ 39 ] Centricaも、下水から製造したガスをガス網に注入し始めると発表した。[ 40 ]
カナダでは、ブリティッシュコロンビア州のガス供給会社であるFortisBCが、再生可能な天然ガスを既存のガス配給システムに注入している。[ 41 ]
食品廃棄物を寄付によって削減するDivertという会社も、カナダのパイプライン運営会社Enbridgeからの10億ドルの投資を利用して、既存の食品廃棄物嫌気性消化槽ネットワークを北米の主要市場すべてをカバーするように拡大すると述べている。[ 42 ] [ 43 ]
スウェーデンでは、Göteborg Energi がGoBiGasプロジェクトの一環として、スウェーデンのヨーテボリで森林残渣のガス化によるバイオ合成天然ガス (SNG) の大規模生産のための最初の実証プラントを開設しました。このプラントは、約 30 MW のバイオマスから 20 MW 相当のバイオ SNG を生産する能力があり、変換効率 65% を目指していました。2014 年 12 月以降、バイオ SNG プラントは完全に稼働し、スウェーデンの天然ガス網にガスを供給し、メタン含有量 95% 以上で品質要件を満たしました。[ 44 ]このプラントは、経済問題のため 2018 年 4 月に永久に閉鎖されました。Göteborg Energi はプラントに 1 億 7500 万ユーロを投資し、プラントを新たな投資家に売却するための 1 年間の集中的な試みは失敗に終わりました。[ 45 ]
バイオガスは、一酸化炭素、二酸化硫黄、窒素酸化物、硫化水素、粒子状物質など、通常の天然ガス燃料と同様の環境汚染物質を生成します。漏れ出した未燃焼ガスには、長寿命の温室効果ガスであるメタンが含まれています。化石天然ガスとの主な違いは、バイオマスに含まれる二酸化炭素が化石貯蔵庫から放出されて大気中の二酸化炭素を増加させるのではなく、植物の各世代で自然に再生されるため、バイオガスはしばしば部分的または完全にカーボンニュートラルであると考えられていることです[46] 。
大きな懸念は、バイオガスの潜在的な収量が、既存の化石ガス（天然ガスとも呼ばれる）の供給量のほんの一部に過ぎないということである。この事実により、既存の天然ガス供給業者は、エネルギー供給源として電力の使用を増やす措置、つまりガスの需要を減らす措置に反対している。この現実を受けて、サザン・カリフォルニア・ガス・カンパニー（SoCalGas）は、非営利団体「カリフォルニア・フォー・バランスド・エナジー・ソリューションズ（C4Bes）」の設立を密かに支援し、C4Besはガス部門のためにロビー活動を行い、電化を支持する動きに反対した。シエラクラブは、C4Besの設立におけるSoCalGasの関与（アストロターフィング）を暴露し、C4Besはロビー活動を縮小したが、ガスの需要促進は継続した。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]