第二世代バイオ燃料

第二世代バイオ燃料は先進バイオ燃料とも呼ばれ、さまざまな種類の非食用バイオマスから製造できる燃料です。ここでのバイオマスとは、特に燃料源として使用される植物材料や動物の廃棄物を意味します。

第一世代バイオ燃料は、糖デンプン原料（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ます。^[1]

第 2 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 2 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、および食糧生産に適さない限界地で栽培された専用の非食糧エネルギー作物が含まれます。

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「高度な」技術だけでなく、適切な場合には非食用作物、バイオマス、廃棄物を原料として「標準的な」バイオ燃料加工技術で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。これはかなりの混乱を引き起こします。したがって、第二世代の原料と第二世代のバイオ燃料加工技術を区別することが重要です。

農地や作物をバイオ燃料生産に転用すると食糧供給に悪影響を与えるというリスクに関する食糧対燃料のジレンマ以来、第二世代バイオ燃料の開発は刺激を受けています。バイオ燃料と食糧価格の議論には幅広い見解が含まれており、文献では長年にわたり議論を呼んでいます。

第二世代バイオ燃料技術は、第一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。^[2]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ため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に用いられる方法と同様の方法を用いて、植物由来の糖をエタノールに発酵させることによって生産される（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および飼料用作物の使用が必要である。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、食糧価格が上昇し、一部の国で不足が発生する可能性があることである。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、これにより、達成可能な温室効果ガスの削減が制限される。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によって生成されるバイオディーゼルも、第一世代バイオ燃料と見なされる。

第二世代バイオ燃料プロセスの目標は、現在の作物の残留非食用部分（食用作物を採取した後に残る茎、葉、殻など）や、スイッチグラス、牧草、ジャトロファ、ホールクロップトウモロコシ、ススキ、ほとんど実らない穀類など、食用には使用されないその他の作物（非食用作物）で構成されるバイオマスを使用することで、持続的に生産できるバイオ燃料の量を増やすことです。[ 3 ]しかし、その生産は費用対^効果が低く、現代の技術では継続的に生産するには不十分であると見なされているため、障害となる可能性があります。^[4]

第二世代バイオ燃料プロセスが取り組んでいる問題は、主に植物細胞壁で構成されるこの木質または繊維質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では、細胞壁の有用な糖は複合炭水化物（糖分子のポリマー）であるヘミセルロースとセルロース内に結合していますが、フェノールポリマーのリグニンによって直接使用することができません。リグノセルロースエタノールは、酵素、蒸気加熱、またはその他の前処理を使用し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じ方法で発酵させてエタノールを生産できます。このプロセスの副産物はリグニンです。リグニンは、処理工場、さらには周辺の家庭や企業のために熱と電力を生成するために、カーボンニュートラル燃料として燃焼させることができます。水熱媒体での熱化学プロセス（液化）は、幅広い原料から液体の油性製品を生産することができ^[5]、これは燃料を代替または増強する可能性があります。しかし、これらの液体製品はディーゼルまたはバイオディーゼルの基準を満たしていません。液化製品を1つまたは複数の物理的または化学的プロセスでアップグレードすると、燃料として使用するための特性が向上する可能性があります。^[6]

以下のサブセクションでは、現在開発中の主な第 2 世代ルートについて説明します。

炭素ベースの材料は、酸素、空気、および/または蒸気の不在下（熱分解）または存在下（ガス化）で高温に加熱することができます。

これらの熱化学プロセスにより、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、その他の炭化水素、水などのガス混合物が生成されます。熱分解により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され、エタノール、合成ディーゼル、合成ガソリン、ジェット燃料などのさまざまな燃料に加工されます。^[7]

150～374℃程度の低温プロセスもあり、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します。

ガス化技術は、石炭や原油などの従来の原料につい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。^[8]出力は通常、ディーゼル燃料、バイオメタノール、バイオDME（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・トロプシュ生成物へのさらなる合成のための合成ガスです。 ^{[9]合成ガスは、ガスモーターまたは}ガスタービンによる熱生成や機械的および電気的動力の生成にも使用できます。

熱分解は、酸素がない状態で高温で有機物を分解する確立された技術です。第 2 世代バイオ燃料の用途では、森林や農業の残渣、木材廃棄物、エネルギー作物を原料として使用し、燃料油用途のバイオオイルなどを生産できます。バイオオイルは、通常、原油に代わ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 °C の温度で行われる熱分解の一種です。原料と出力は熱分解の場合と同じです。

水熱液化は、湿った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、最高 400 °C の中温で、大気圧よりも高い圧力で行われます。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の製造に適しています。

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2世代バイオ燃料に採用されています。生化学的プロセスでは通常、加水分解プロセスを加速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ます。これらの成分が分離されると、セルロース画分はアルコールに発酵されます。^[7]

原料は、エネルギー作物、農業および森林の残渣、食品産業および都市のバイオ廃棄物、糖を含むその他のバイオマスです。製品には、アルコール（エタノールやブタノールなど）や輸送用のその他の炭化水素が含まれます。

以下の第 2 世代バイオ燃料は現在開発中ですが、これらのバイオ燃料のほとんどまたはすべては、従来の原料、第 1 世代および第 2 世代バイオ燃料を含むプロセスと同じ方法を使用して、合成ガスなどの中間製品から合成されます。際立った特徴は、最終的なオフテイクではなく、中間製品の製造に関係する技術です。

ガス（通常は合成ガス）から液体燃料を製造するプロセスは、ガス・トゥ・リキッド（GtL）プロセスと呼ばれます。^{[10]バイオマスがガス製造の源である場合、このプロセスは}バイオマス・トゥ・リキッド（BTL）とも呼ばれます。

• バイオメタノールは、インフラを変更することなく、メタノールエンジンに使用したり、ガソリンに10～20％混合したりすることができる。^[11]
• バイオDMEは、触媒脱水を使用してバイオメタノールから生成することも、直接DME合成を使用して合成ガスから直接生成することもできます。DMEは圧縮着火エンジンで使用できます。
• バイオ由来ガソリンは、高圧触媒縮合反応によってDMEから製造することができる。バイオ由来ガソリンは化学的に石油由来ガソリンと区別がつかないため、ガソリンプールに混合することができる。^[12]
• バイオ水素は燃料電池で電気を生成するために使用することができます。
• 混合アルコール（エタノール、プロパノール、ブタノールが主成分で、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノールが少し含まれたもの）。混合アルコールは、数種類の触媒を用いて合成ガスから製造されます。メタノールに使用されるものと同様の触媒を使用しているものもあります。 ^[13]硫化モリブデン触媒はダウケミカル社で発見され^[14]、大きな注目を集めています。^[15] 触媒配合物に硫化コバルトを添加すると、性能が向上することが示されました。^[14] 硫化モリブデン触媒は十分に研究されていますが^[16]、まだ広く使用されるには至っていません。これらの触媒は、米国エネルギー省の熱化学プラットフォームにおけるバイオマスプログラムの取り組みの焦点となっています。^[17] 貴金属触媒も混合アルコールを生成することが示されています。^[18] この分野の研究開発のほとんどは、主にエタノールの製造に集中しています。しかし、一部の燃料は混合アルコールとして販売されています（Ecalene ^[19]および E4 Envirolene を参照）^[20] 混合アルコールは、高級アルコールの方がエネルギー含有量が高いという点で、純粋なメタノールやエタノールよりも優れています。また、混合すると、高級アルコールはガソリンとエタノールの相溶性を高め、耐水性を高め、蒸発性排出量を減らします。さらに、高級アルコールはエタノールよりも気化熱が低く、これはコールドスタートに重要です。（バイオマスから混合アルコールを生成する別の方法については、バイオマスから混合アルコール燃料へのバイオ変換を参照）
• サバティエ反応によるバイオメタン（またはバイオSNG）

フィッシャー・トロプシュ（FT）プロセスはガス・トゥ・リキッド（GtL）プロセスです。^[10]バイオマスがガス生産の源である場合、このプロセスはバイオマス・トゥ・リキッド（BTL）とも呼ばれます。^{[21] [22]} 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であることであり、その結果、このプロセスはまだ経済的ではありません。

• FTディーゼルはインフラの変更を必要とせずに化石ディーゼルと任意の割合で混合することができ、さらに合成灯油を生産することができる^[3]

• バイオ水素は、特定の条件下で直接水素を生成するいくつかの生物によって実現される可能性があります。バイオ水素は燃料電池で電気を生成するために使用できます。
• ブタノールとイソブタノールは、大腸菌や酵母などの宿主で発現した組換え経路を介して、グルコースを炭素源およびエネルギー源として使用する発酵の重要な生成物である可能性がある。^[23]
• DMF (2,5-ジメチルフラン)。触媒バイオマスから液体へのプロセスを使用してフルクトースとグルコースから DMF を生成する最近の進歩により、その魅力が高まっています。

• HTU（水熱変換）ディーゼルは湿ったバイオマスから生産されます。インフラを必要とせず、化石ディーゼルと任意の割合で混合できます。^[24]
• 木質ディーゼル。ジョージア大学が木材チップから新しいバイオ燃料を開発しました。油を抽出し、改造されていないディーゼルエンジンに投入します。新しい植物を使用するか、古い植物の代わりに植えます。副産物の木炭は肥料として土に戻します。トム・アダムス所長によると、炭素が土に戻されるため、このバイオ燃料はカーボン ニュートラルだけでなく、実際にカーボン ネガティブになる可能性があります。カーボン ネガティブは空気中の二酸化炭素を減らし、温室効果を減らすだけでなく、逆転させます。^{[引用が必要]}

第二世代の原料として適格となるためには、その原料は人間の消費に適していないものでなければならない。第二世代バイオ燃料の原料には、特別に栽培された非食用エネルギー作物、栽培された非食用油、農業廃棄物や都市廃棄物、廃油、藻類などが含まれる。^[25]ただし、穀物や砂糖作物も第二世代の加工技術の原料として使用されている。開発中のバイオマスをエネルギー原料として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る。^[26]

植物はリグニン、ヘミセルロース、セルロースからできている。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する。一般的なリグノセルロース系エネルギー作物には、麦わら、アルンド・ドナックス、ススキ、短期伐採の雑木ポプラ、ヤナギなどがある。しかし、それぞれが異なる機会を提供しており、どの作物が「最良」または「最悪」であるとは言えない。^[27]

都市固形廃棄物は非常に幅広い物質から構成されており、廃棄物の総発生量は増加しています。英国では、リサイクルの取り組みにより、直接処分される廃棄物の割合が減少し、リサイクルのレベルは毎年増加しています。しかし、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まだ残っています。^[28]

森林残渣や庭や公園の廃棄物^[29]などの緑の廃棄物は、さまざまな方法でバイオ燃料を生産するために使用できます。例としては、生分解性の緑の廃棄物から回収されたバイオガス、および触媒プロセスによるバイオ燃料へのさらなる処理のための合成ガスへのガス化または加水分解が含まれます。

黒液はクラフトプロセスからの使用済み蒸解液で、濃縮されたリグニンとヘミセルロースを含み、非常に高い変換効率と温室効果ガス削減の可能性^[30]でガス化され、バイオメタノールやバイオDMEなどのさらなる合成のための合成ガスを生成することができる。

このプロセスから得られる粗トール油の収量はパルプ1トンあたり30～50kgの範囲である。^[31]

リグノセルロース系バイオ燃料は、化石燃料と比較して温室効果ガスの排出量を 60～90% 削減します (Börjesson.P. et al. 2013. Dagens och framtidens hållbara biodrivmedel)。これは、現在の第一世代バイオ燃料の優れた点と同等で、第一世代バイオ燃料の典型的な最高値は 60～80% です。2010 年には、EU 内で使用されたバイオ燃料の平均節約率は 60% でした (Hamelinck.C. et al. 2013 Renewable energy progress and biofuels survival、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工場が稼働している。^[32]実証規模の工場では、毎年約70万リットルのバイオエタノールを生産している。商業用工場は建設中である。北米や世界中で、さらに多くのリグノセルロース系エタノール工場の建設が提案されている。

スウェーデンのエルンシェルツヴィークにあるスウェーデンの特殊セルロース工場Domsjö Fabrikerは、Chemrecの黒液ガス化技術を使用してバイオ精製所を開発しています。 ^[33] 2015年に稼働すると、バイオ精製所は年間14万トンのバイオメタノールまたは10万トンのBioDMEを生産し、輸送目的のスウェーデンのディーゼル燃料輸入の2％を代替します。2012年5月、Domsjöがプロジェクトから撤退し、事実上取り組みが中止されたことが明らかになりました。

英国では、INEOS BioやBritish Airwaysなどの企業が先進的なバイオ燃料精製所を開発しており、それぞれ2013年と2014年に建設される予定である。NNFCCの予測では、好景気と政策支援の大幅な改善により、先進的なバイオ燃料は2020年までに英国の輸送燃料の最大4.3％を賄い、毎年320万トンのCO2を削減できるとされており_、これはほぼ100万台の自動車を道路から排除することに相当する。^[27]

ヘルシンキ、フィンランド、2012年2月1日 – UPMはフィンランドのラッペーンランタにある原油トール油からバイオ燃料を生産するバイオリファイナリーに投資します。この産業規模の投資は世界初です。バイオリファイナリーは年間約10万トンの輸送用先進第2世代バイオディーゼルを生産します。バイオリファイナリーの建設は2012年夏にUPMのカウカス工場で始まり、2014年に完成します。UPMの総投資額は約1億5000万ユーロになります。^[34]

アルバータ州カルガリー、2012年4月30日 – アイオジェン・エナジー・コーポレーションは、共同所有者であるロイヤル・ダッチ・シェルおよびアイオジェン・コーポレーションと、戦略と活動の焦点を再び合わせるための新しい計画に合意した。シェルは、先進バイオ燃料を工業規模で生産するための商業的解決策を見つけるために、複数の方法を模索し続けているが、同社は、マニトバ州南部に大規模なセルロースエタノール施設を建設する開発中のプロジェクトは進めない。^[35]

インドでは、インドの石油会社が全国に7つの第二世代製油所を建設することに合意した。2Gバイオ燃料工場の建設に参加する企業は、インド石油公社（IOCL）、HPCL、BPCLである。^[36] 2018年5月、インド政府はバイオ燃料政策を発表し、2Gバイオ製油所の設立に5,000クローレの予算を割り当てた。インドの石油販売会社は、10,000クローレの設備投資で12の製油所を建設中であった。^[37]

• 藻類燃料
• セルロースエタノールの商業化
• 食料対燃料
• IEAバイオエネルギー
• ジャトロファ
• 再生可能燃料基準

• 国立非食用作物センター