廃棄物エネルギー

廃棄物エネルギー (WtE)または廃棄物エネルギー (EfW) とは、廃棄物を使用可能なエネルギー (通常は電気または熱) に変換する一連のプロセスを指します。エネルギー回収の一形態として、WtE は埋立地の廃棄物の量を減らし、代替エネルギー源を提供することで、廃棄物管理と持続可能なエネルギー生産の両方において重要な役割を果たします。

WtE の最も一般的な方法は、廃棄物を直接燃焼させて熱を発生させ、その熱を蒸気タービンで発電に利用する方法です。この方法は多くの国で広く採用されており、廃棄物を処理しながらエネルギーを生成するという二重の利点があり、廃棄物の削減とエネルギー生産の両方に効率的なプロセスとなっています。

燃焼に加えて、他の WtE 技術は廃棄物を燃料源に変換することに重点を置いています。たとえば、ガス化と熱分解は、酸素がない状態で有機物を熱化学的に分解して、主に水素、一酸化炭素、少量の二酸化炭素で構成される合成ガスである合成ガスを生成するプロセスです。この合成ガスは、メタン、メタノール、エタノール、さらには合成燃料に変換でき、さまざまな工業プロセスや輸送の代替燃料として使用できます。

さらに、嫌気性消化という生物学的プロセスにより、微生物の働きで有機廃棄物がバイオガス（主にメタンと二酸化炭素）に変換されます。このバイオガスはエネルギー生産に利用したり、天然ガスの代替品として使用できるバイオメタンに加工したりできます。

WtE プロセスは、廃棄物を貴重な資源に変換し、化石燃料への依存を減らし、温室効果ガスの排出を軽減することで、循環型経済の原則に貢献します。ただし、特にダイオキシンやフランなどの WtE プラントからの排出を適切に管理して環境への影響を最小限に抑えるという課題が残っています。これらの懸念に対処し、WtE が実行可能で環境に優しいソリューションであり続けるためには、高度な汚染制御技術が不可欠です。

WtE 技術は、世界のエネルギー需要に貢献しながら、廃棄物を持続的に管理する大きな機会を提供します。これらは、統合廃棄物管理戦略と再生可能エネルギー システムへの移行に不可欠な要素です。技術が進歩するにつれて、WtE は、埋立地の使用を減らし、エネルギー セキュリティを強化する上で、ますます重要な役割を果たす可能性があります。

• 最初の焼却炉、いわゆる「デストラクタ」は、1874年にイギリスのノッティンガムで、アルフレッド・フライヤーの設計により、マンラブ・アリオット社によって建設されました。 ^[1]
• アメリカ初の焼却炉は1885年にニューヨーク州ニューヨーク市のガバナーズ島に建設された。^[2]
• デンマークで最初の廃棄物焼却炉は1903年にフレゼレクスベアに建設されました。^[3]
• チェコ共和国で最初の施設は1905年にブルノに建設されました。^[4]

  ガス化と熱分解のプロセスは何世紀にもわたって知られ、使用されており、石炭に関しては18世紀にはすでに使用されていました。…[残留固形混合廃棄物]を処理するための開発技術は、より効率的なエネルギー回収の探求に刺激されて、近年になってようやく注目を集めるようになりました。(2004) ^[5]

焼却は、廃棄物などの有機物を燃焼させてエネルギーを回収する処理であり、最も一般的な廃棄物エネルギー利用の実施方法です。OECD諸国における廃棄物（残留MSW、商業・工業・RDF）を焼却するすべての新しい廃棄物エネルギー利用施設は、窒素酸化物（NO x ）、二酸化硫黄（SO 2 ）、重金属、ダイオキシンなどに関する厳しい排出基準を満たす必要があります。 [ 6 ] [ 7 ]_そのため、現代_の焼却施設は、エネルギー^も物質も回収しない旧式の施設とは大きく異なります。現代の焼却炉は、灰からリサイクルするための金属などの物質の組成と回収度に応じて、元の廃棄物の容積を95～96パーセント削減します。^[3]

焼却炉は微粒子、重金属、微量ダイオキシン、酸性ガスを排出する可能性がありますが、これらの排出量は現代の焼却炉では比較的低いです^[8]。その他の懸念事項としては、残留物の適切な管理があります。有毒なフライアッシュは有害廃棄物処理施設で処理する必要があり、焼却炉底灰（IBA）は適切に再利用する必要があります^{[9] 。}

批評家は、焼却炉は貴重な資源を破壊し、リサイクルのインセンティブを減らす可能性があると主張している。 [9 ^{]しかし、最もリサイクル率が高い（最大70％）ヨーロッパ諸国も}埋め立てを避けるために焼却しているため、この問題は未解決のままである。^[10]

焼却炉の電気効率は14～28%です。^[9]残りのエネルギーを無駄にしないために、例えば地域暖房（コジェネレーション）に使用することができます。コジェネレーション焼却炉の総合効率は通常80%以上です（廃棄物の 低位発熱量に基づく）。

都市固形廃棄物（MSW）を焼却する方法は、WtE 生成の比較的古い方法です。焼却では通常、廃棄物（残留 MSW、商業、工業、RDF）を燃やして水を沸騰させ、その水で蒸気発生器を動かし、家庭、企業、公共施設、産業で使用する電気と熱を生成します。これに伴う問題の 1 つは、ボイラーの排気ガスとともに汚染物質が大気中に放出される可能性があることです。これらの汚染物質は酸性である場合があり、1980 年代には雨を酸性雨に変えて環境を悪化させると報告されました。現代の焼却炉には、慎重に設計された一次および二次燃焼室と、排出量を最小限に抑えて完全に燃焼するように設計された制御バーナーが組み込まれており、場合によっては煙突の石灰洗浄装置や静電集塵機が不要になります。

煙を基本的な石灰洗浄装置に通すことで、煙に含まれる酸が中和され、酸が大気中に放出されて環境を害するのを防ぐ。布製フィルター、反応装置、触媒など、他の多くの装置が、規制されている他の汚染物質を破壊または捕捉する。^[11]ニューヨークタイムズ紙によると、現代の焼却場は非常にクリーンであるため、「焼却によるダイオキシン放出よりも、家庭の暖炉や裏庭のバーベキューから放出されるダイオキシンの方が数倍多い」という。^[12]ドイツ環境省によると、「厳しい規制により、廃棄物焼却場はダイオキシン、粉塵、重金属の排出という点ではもはや重要ではない」という。^[13]

他の廃棄物エネルギー技術と比較すると、焼却は、発電効率が高く、投資コストが低く、排出率が低いため、最も魅力的であると思われます。さらに、焼却は直接燃焼により埋立地の廃棄物の山を減らす能力が最も高く、最も多くの電力を生み出します。^[14]

プラスチックを燃料に変換するために使用されるプロセスの一つは熱分解であり、これは不活性雰囲気中での高温での材料の熱分解である。これは化学組成の変化を伴い、主に有機材料の処理に使用されている。大規模生産では、プラスチック廃棄物は粉砕され、溶融され、その後熱分解される。触媒コンバーターがこのプロセスを支援する。蒸気は油または燃料と凝縮され、沈殿タンクに蓄積され、濾過される。均質化後に燃料が得られ、自動車や機械に使用できる。これは一般に熱燃料またはプラスチックからのエネルギーと呼ばれている。^[15]

新しいプロセスでは、コバルトとゼオライトの2つの触媒を使用してプラスチックをプロパンに変換します。このプロセスはポリエチレンとポリプロピレンに作用し、プロパンの収率は約80％です。^[16]

廃棄物やその他の燃料から直接燃焼せずにエネルギーを生産できる、他の新しい技術や新興技術が数多くあります。これらの技術の多くは、直接燃焼で可能な場合よりも多くの電力を同じ量の燃料から生産できる可能性があります。これは主に、変換された燃料から腐食性成分 (灰) を分離し、それによってボイラー、ガスタービン、内燃機関、燃料電池などでより高い燃焼温度を可能にするためです。一部の先進技術は、熱技術の組み合わせを使用して、酸素がない状態で熱を使用して、実際の燃焼を行わずに、原料のエネルギーを液体または気体燃料に効率的に変換できます。通常、原料は処理前に分離されて不要な成分が除去されるため、よりクリーンです。

熱処理技術には以下のものがあります。

• ガス化：可燃性ガス、水素、合成燃料を生産する
• 熱分解：合成原油を生成し、さらに精製することができる。
• 熱分解：可燃性のタール/バイオオイルと炭化物を生成する
• プラズマアークガス化またはプラズマガス化プロセス（PGP）：燃料電池に使用できる、またはプラズマアークを駆動するための電力を生成する水素と一酸化炭素を含む豊富な合成ガス、使用可能なガラス化ケイ酸塩と金属インゴット、塩と硫黄を生成します。

非熱技術:

• 嫌気性消化：メタンを多く含むバイオガス
• 発酵生産：例としてはエタノール、乳酸、水素など^[17]
• 機械的生物学的処理（MBT）
  • MBT +嫌気性消化
  • MBTから廃棄物由来燃料へ

2001 年から 2007 年にかけて、廃棄物エネルギー生産能力は年間約 400 万トン増加しました。

日本と中国はそれぞれ、固形廃棄物の直接製錬または流動床燃焼に基づく複数のプラントを建設しました。中国には、2016年初頭の時点で約434の廃棄物発電プラントがありました。日本は、4,000万トンの都市固形廃棄物の熱処理で世界最大のユーザーです。

最新の処理施設の中にはストーカー技術を採用しているものもあれば、高度な酸素濃縮技術を採用しているものもあります。直接製錬、荏原流動化法、サーモセレクトJFEガス化溶融技術プロセスなど、比較的新しいプロセスを採用した処理施設が世界中にいくつか存在します。^[18]

2014年6月現在、インドネシアの廃棄物発電の総設備容量は93.5MWで、さまざまな準備段階にある一連のプロジェクトを合わせるとさらに373MWの設備容量がある。^[19]

コロラド州デンバーのバイオフューエル・エナジー・コーポレーションは、 2008年7月にネブラスカ州ウッドリバーとミネソタ州フェアモントに2つの新しいバイオ燃料工場を開設した。これらの工場は、蒸留を利用して自動車やその他のエンジンで使用するエタノールを生産している。現在、両方の工場は90％以上の稼働率であると報告されている。カリフォルニア州プレザントンにあるフルクラム・バイオエナジーは、ネバダ州リノの近くに廃棄物処理工場を建設している。この工場は、シエラ・バイオフューエル工場という名前で2019年に開設される予定である。バイオエナジー・インコーポレイテッドは、この工場が年間約20万トンの都市廃棄物から年間約1,050万ガロンのエタノールを生産すると予測している。^[20]

廃棄物エネルギー技術には発酵が含まれており、廃棄物のセルロースや有機物を使用してバイオマスからエタノールを生成できます。 ^[17]発酵プロセスでは、廃棄物中の糖が二酸化炭素とアルコールに変換されますが、これはワインを作るのと同じ一般的なプロセスです。通常、発酵は空気が存在しない状態で行われます。

エステル化は廃棄物エネルギー技術を使用して行うこともできます。このプロセスの結果はバイオディーゼルです。エステル化の費用対効果は、使用される原料、輸送距離、原料に含まれる油の量など、他のすべての関連要因によって異なります。^[21] ガス化と熱分解は現在、最大75％の総熱変換効率（燃料からガス）に到達できますが、燃料変換効率の点では完全燃焼が優れています。^[5]一部の熱分解プロセスでは、ガス化プロセスによって供給される可能性のある外部熱源が必要であり、これにより複合プロセスが自立的になります。

熱 WtE 技術では、廃棄物に含まれる炭素のほぼすべてが二酸化炭素(CO ₂ ) として大気中に放出されます (熱分解およびガス化による生成物の最終燃焼を含む場合。肥料用のバイオ炭を製造する場合を除く)。都市固形廃棄物(MSW) には、CO ₂自体とほぼ同じ質量分率の炭素(27%) が含まれているため、1 メートル トン (1.1 ショート トン) の MSW を処理すると、約 1 メートル トン (1.1 ショート トン) の CO ₂が発生します。

廃棄物が埋め立てられた場合、廃棄物1トン（1.1ショートトン）から、生分解性廃棄物の嫌気性分解により約62立方メートル（2,200立方フィート）のメタンが生成される。この量のメタンは、燃焼によって生成される1トン（1.1ショートトン）のCO ₂の2倍以上の地球温暖化係数を持つ。一部の国では、大量の埋立地ガスが収集されている。しかし、大気中に放出される埋立地ガスの地球温暖化係数は依然として存在する。例えば、1999年の米国では、埋立地ガス排出量は、燃焼によって放出されるCO ₂の量より約32％高かった。 ^[22]

さらに、生分解性廃棄物のほぼすべてはバイオマスです。つまり、生物由来です。この物質は、通常、前期生育期に大気中の CO2 を使用して植物によって生成されます_。これらの植物が再び生育すると、燃焼によって排出された CO2 が_再び大気から除去されます。

このような考慮は、いくつかの国が廃棄物のバイオマス部分のWtEを再生可能エネルギーとして管理している主な理由です。^{[23]残り、主にプラスチックやその他の石油・ガス由来の製品は、一般的に}非再生可能資源として扱われます。

プラスチック廃棄物発電システムからのCO2排出量は_、炭素回収・貯留の貢献を考慮しても、単位発電量あたりの現在の化石燃料ベースの発電システムからの排出量よりも高い。プラスチック廃棄物を使用した発電は2050年までに大幅に増加するだろう。エネルギー回収プロセス中に炭素を分離する必要がある。そうでなければ、プラスチック廃棄物のせいで地球温暖化との戦いは失敗するだろう。^[24]

MSWの大部分は、紙、段ボール、木材、布、食品廃棄物などの生物由来（生物起源）です。通常、MSWのエネルギー含有量の半分は生物起源物質に由来します。 [25]その結果、このエネルギーは廃棄物の投入量に応じて再生可能エネルギーとして認識されることがよくあります。 [ ^{26 ]}

欧州CEN 343ワーキンググループでは、廃棄物燃料（廃棄物固形燃料/回収固形燃料など）のバイオマス分率を決定するためのいくつかの方法が開発されています。最初に開発された2つの方法（CEN / TS 15440）は、手動選別法と選択溶解法でした。これら2つの方法の詳細な体系的な比較は2010年に発表されました。^[27]各方法はバイオマス分率を適切に特徴付ける上で限界があったため、2つの代替方法が開発されました。

最初の方法は、放射性炭素年代測定の原理を使用します。炭素 14 法の概要を説明した技術レビュー (CEN/TR 15591:2007) は 2007 年に発行されました。炭素年代測定法の技術標準 (CEN/TS 15747:2008) は 2008 年に発行されました。^{[更新が必要]}米国では、標準方法 ASTM D6866 に基づく同等の炭素 14 法が既に存在します。

2番目の方法（いわゆるバランス法）は、廃棄物発電プラントの材料組成と運転条件に関する既存のデータを使用し、数学的統計モデルに基づいて最も可能性の高い結果を計算します。^[28]現在、バランス法はオーストリアの3つの焼却炉とデンマークの8つの焼却炉に設置されています。

スイスの3つの本格的な焼却炉で行われた両方法の比較では、両方法が同じ結果になったことが示された。^[29]

炭素14年代測定は、廃棄物のバイオマス分率を正確に判定できるだけでなく、バ​​イオマス発熱量も判定できる。発熱量の判定は、英国の再生可能エネルギー義務証明書プログラムなどのグリーン証明書プログラムにとって重要である。これらのプログラムは、バイオマスから生産されたエネルギーに基づいて証明書を授与する。英国の再生可能エネルギー協会が委託したものを含むいくつかの研究論文が発表されており、炭素14の結果を使用してバイオマス発熱量を計算する方法が示されている。英国のガスおよび電力市場当局であるOfgemは、再生可能エネルギー義務の管理下で廃棄物原料のバイオマスエネルギー含有量を判定する方法として炭素14の使用を認める声明を2011年に発表した。^[30]彼らの燃料測定およびサンプリング（FMS）質問票には、そのような提案を検討する際に彼らが求める情報が説明されている。^[31]

ニュースクール大学のティシュマン環境デザインセンターが2019年に作成した、世界焼却炉代替案同盟（GAIA）の委託を受けた報告書によると、当時米国で稼働していた廃棄物発電施設73か所のうち79％が、低所得者層や「有色人種のコミュニティ」に位置していた。その理由は、「歴史的な居住、人種差別、および白人や裕福なコミュニティが産業用途や有色人種をその境界から排除することを可能にした排斥的なゾーニング法」のためだった。 ^[32]ペンシルベニア州チェスターでは、コミュニティグループが地元の廃棄物発電施設に積極的に反対しているが、カリフォルニア州ハンボルト州立大学環境資源工学部の助教授であるシンタナ・ベルガラ氏は、コミュニティの抵抗は、汚染と、これらの施設の多くがコミュニティの意見を一切反映せず、コミュニティに何の利益ももたらさないままコミュニティに設置されているという事実の両方に基づいているとコメントした。^[33]

2019年の国連環境計画の報告書によると、ヨーロッパには589の廃棄物発電プラントがあり、米国には82のプラントがある。^[34]

以下は WtE プラントの例です。

• エセックス郡資源回収施設、ニューアーク、ニュージャージー州
• ハリスバーグ焼却炉、ペンシルベニア州ハリスバーグ
• リー郡固形廃棄物資源回収施設、フロリダ州フォートマイヤーズ、米国（1994年）^[35]
• 米国メリーランド州ディッカーソンのモンゴメリー郡資源回収施設(1995)
• シュピッテラウ (1971 年) およびフレッツェルシュタイク (1963 年)、オーストリア、ウィーン (Wien Energie)
• スウェーデン、マルメのSYSAV廃棄物発電プラント（2003年と2008年）
• アルゴンキン・パワー、カナダ、オンタリオ州ブランプトン^[36]
• ストーク焼却炉、ストーク・オン・トレント、イギリス (1989)
• デラウェアバレー資源回収施設、チェスター、アメリカ合衆国
• イングランド北東部ミドルスブラ近郊のティーズサイド廃棄物発電プラント(1998 年)
• イギリス、グレーター・ロンドンのエドモントン焼却炉（1974年）
• バーナビー廃棄物発電施設、メトロバンクーバー、カナダ(1988)
• ティマルプル・オクラ廃棄物発電プラント、ニューデリー、インド
• イーストデリー廃棄物処理会社、ニューデリー、インド
• セルチプ、イギリス、グレーター・ロンドンのサウス・バーモンジー（1994年）

現在、1 つのプラントが建設中です。

• エネルケム廃棄物からバイオ燃料と化学品を製造する施設は、カナダのアルバータ州エドモントンにあり、エネルケムプロセスに基づいており、^{[37] [38]} MSWを燃料としています。^[37]

アメリカ空軍はかつてフロリダ州ハールバートフィールドで可搬型プラズマ廃棄物エネルギーシステム（TPWES）施設（パイロジェネシス技術）を試験したことがある。^[39]建設費740万ドルのこの施設は^[40]閉鎖され、稼働開始から3年も経たないうちに2013年5月に政府の清算オークションで売却された。^{[41] [42]}開始価格は25ドルだった。落札価格は封印された。

大規模な施設の他に、家庭用の廃棄物焼却炉も存在する。例えば、サレンヌ避難所には家庭用廃棄物焼却炉がある。これは、木材燃焼ガス化ボイラーとスターリングモーターを組み合わせて作られている。^{[43] [44]}

レナージは、西オーストラリア州コリーで熱処理プロセスを使用して廃棄有機物を液体燃料に変換するシステムを拡張します。このシステムは、1時間あたり1.5トンの有機物を処理します。この施設は、年間4000トンの都市廃棄物を埋め立て地から転用し、さらに農業および林業事業から8000トンの有機廃棄物を調達します。レナージの特許取得済みの「粉砕熱分解」プロセスは、酸素が限られた環境で熱を加えることで、有機物をバイオ炭、バイオガス、バイオオイルに変換することを目的としています。^[45]

パースから南に約45キロ離れたロッキンガム工業地帯の別のプロジェクトでは、年間30万トンの都市ごみ、産業廃棄物、商業廃棄物を原料として、4万世帯に電力を供給する能力を持つ29MWの発電所が建設される予定である。南西相互接続システムに電力を供給するだけでなく、発電所の出力の25MWはすでに電力購入契約に基づいて約束されている。^[46]

エチオピアのレピー廃棄物発電プラントはアフリカ初の廃棄物発電プラントであり、2018年に稼働を開始した。^[47]

• フィールド、クリストファー B.「排出経路、気候変動、および影響」PNAS 101.34 (2004): 12422–12427。
• Sudarsan, KG; Anupama, Mary P. (2009年10月). 「バイオ燃料の関連性」(PDF) . Current Science . 90 (6). 2015年9月24日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
• ティルマン、デイビッド。「環境、経済、エネルギーコスト」PNAS 103.30 (2006): 11206–11210。

ウィキメディア・コモンズには、廃棄物エネルギーに関連するメディアがあります。

• 廃棄物エネルギー研究技術評議会 2007-10-06ウェイバックマシンにアーカイブ
• 都市固形廃棄物の燃焼によるエネルギー回収 - 米国 EPA
• WtERT ドイツ
• ガス化技術協議会 2016-01-20ウェイバックマシンにアーカイブ