木材ガス発生器

木質ガス発生器は、木材または木炭を木質ガス に変換するガス化装置です。木質ガスは、大気中の窒素、一酸化炭素、水素、微量のメタン、およびその他のガスからなる発生ガスで、冷却および濾過後、内燃機関の動力源として、または他の目的に使用できます。歴史的には、木質ガス発生器は車両に搭載されることが多かったのですが、現在の研究と開発は、主に固定式プラントに集中しています。

ガス化は、19 世紀から 20 世紀初頭にかけて、重要かつ一般的な技術でした。石炭から生産される都市ガスは、主に照明用に広く使用されていました。1870年代にオットー サイクルに基づく定置型内燃機関が利用可能になると、定置型動力を必要とする多くの作業において、原動機として蒸気機関に取って代わるようになりました。オットー エンジンの特許が1886 年に失効すると、採用が加速しました。ガス化の内燃機関への潜在的かつ実用的な適用性は、開発の初期段階から十分に理解されていました。

1873 年、Thaddeus SC Lowe は、大量の水素ガスを生成して住宅や商業施設の暖房や照明に使用できる水性ガス プロセスを開発し、特許を取得しました。このガスは、公共サービスで使用されていた一般的な石炭ガスやコークス ガスとは異なり、より効率的な暖房燃料を提供しました。

19 世紀後半、内燃機関は一般に都市ガスを燃料としていましたが、20 世紀初頭には、多くの定置型エンジンが、より高価な石炭の蒸留 (熱分解) に基づく都市ガスよりも大幅に安価な コークスから生成される発生炉ガスを使用するように切り替えられました。

第二次世界大戦中、ガソリンは配給制で供給不足だった。石油由来のガソリンが不足していたため、年配の人々は木材と石炭の両方をガス化する装置や、内燃機関をガス燃料で動くように改造する方法を思い出し、木材ガス発生器が盛んに生産された。イギリス、フランス、アメリカ、ドイツでは、木材や石炭を車両燃料に変換するために、このような発電機が大量に製造または即席で作られた。特殊な状況や不況時に使用するために、戦前と戦後に商用発電機が生産された。第二次世界大戦時代の木材ガス発生器には、1920年頃にフランスの発明家ジョルジュ・アンベールが設計した「アンベール」ダウンドラフト型もあった。

ドイツは、燃料の限られた供給を節約するために、自動車、トラック、砲兵トラクター、さらには戦車を含む車両用のガゾゲンユニットを製造しました。^[1]スウェーデン、ブラジル、スペインなどの非戦闘国でも、石油の入手が困難になったため、ガゾゲンは人気がありました。ブラジルでは、1944年にチコ・ランディという名のレーサーが、木材ガスで動くアルファロメオを運転してサンパウロのインテルラゴスサーキットで優勝しました。 ^[2]

石炭ベースの都市ガス生産は、一般的に石油ベースのガスと天然ガスに取って代わられました。しかし、イギリスは1960 年代と 1970 年代に北海天然ガスが発見されるまで、石炭ベースの都市ガスを使用し続けました。

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  第二次世界大戦中のアドラー外交官と木質ガス発電機
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  トラクターに改造されたフォードトラックのインバート ガス化装置、ペル ラーソン アンティーク トラクター博物館、スウェーデン、2003 年
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  1956 年型シトロエン トラクション アバントに搭載された Gohin-Poulenc の「ガソゲン」システムの実演

石油価格が上昇すると、木材ガス発生装置への関心が再び高まりました。米国連邦緊急事態管理庁(FEMA) は、石油が手に入らない緊急事態に備えてガス発生装置を構築する方法を説明した本を 1989 年 3 月に出版しました。^[3]この本では、以前のタイプの欠点をいくつか解決する「層状ダウンドラフトガス化装置」と呼ばれる設計について説明しました。

欧州連合は、2005年にオーストリアの ギュッシングで木材ガスプロジェクトを後援しました。このプロジェクトは、木材ガスを2MWの電力と4.5MWの熱に変換する木材ガス発電機とガスエンジンを備えた発電所でした。フィッシャー・トロプシュ法を使用して木材ガスをディーゼルのような燃料に変換する実験装置もありました。2005年10月までに、5kgの木材を1リットルの燃料に変換できるようになりました。

朝鮮民主主義人民共和国（北朝鮮）も、木材ガス発生装置で動くトラックを所有していることが知られている。このトラックは平壌以外では一般的で、農村や小さな町で見られる。これらのトラックは、石油とガスの輸入に関して北朝鮮に課せられた制裁のために使用されている。^{[4] [5] [6] [7]}

ガス工場、都市ガス、ガス発電、木材ガス、ガス発生装置に関する豊富な文献がありますが、古いため現在は公開されています。^[8]

ヨーロッパや米国で使用されている最も成功した木材ガス発生器は、初期の Imbert 設計のバリエーションです。木材ガス発生器では木材が使用されることが多いですが、木炭も燃料として使用できます。木炭は密度が高く、タール状の揮発性物質や木材の過剰な水分を含まない、よりクリーンなガスを生成します。

FEMA の木材ガス発生器は (FEMA マニュアルの定義によれば) 緊急ガス化装置です。燃料危機の際に迅速に組み立てられるよう設​​計されています。この簡素化された設計は、燃料補給や組み立てが容易であるなど、以前のヨーロッパのユニットに比べて明らかな利点がありますが、固定酸化ゾーンがないため酸化ゾーンが広範囲に広がり、温度低下を引き起こすなど、重大な新たな問題があるため、以前の Imbert 設計ほど人気が​​ありません。動作温度が低いとタールが生成されますが、真の還元ゾーンがないため、この設計ではタール生成の傾向がさらに高まります。木材ガス流中のタールは汚れたガスとみなされ、タールはモーターをすぐに詰まらせ、バルブやリングの詰まりにつながる可能性があります。

キースガス化装置として知られる新しい設計は、FEMAユニットを改良したもので、広範囲の熱回収を組み込み、タールの問題を解消しています。オーバーン大学でのテストでは、ガソリンで運転するよりも37％効率的であることが示されました。^[9]このシステムは、バイオマス動力車の世界速度記録を樹立し^[10]、いくつかの国を横断するツアーを行っています。^{[11] [12]}

国連は、木材ガス発生器の設計と建設に関する詳細を記載したFOA 72文書^[13]を作成しており、世界銀行の技術文書296も同様である^[14]。

木材ガス発生器には、石油燃料を使用する場合に比べて多くの利点があります。

• これらは、再生可能な資源である木材を使用して、また、燃料不足時など石油や天然ガスがない場合でも、内燃機関（または効率を最大化するためにガスタービン）を稼働させるために使用できます。
• これらは炭素循環が閉じており、地球温暖化への影響が少なく、本質的に持続可能です。
• 緊急時には手元にある材料を使って比較的簡単に製作できます。
• これらは、薪の火やガソリンエンジン（排出ガス規制なし）よりもはるかにクリーンに燃焼し、煤をほとんど、あるいはまったく出しません。
• 固定式設計で使用すると、木材が十分に供給されれば、工業国でも、経済状況が良好なときでも、小規模な熱電併給シナリオ（木材ガス製造装置からの熱回収、および場合によってはエンジン/発電機による水加熱など）での使用が可能になるため、真の可能性を発揮します。より大規模な設備では、さらに高い効率が得られ、地域暖房にも役立ちます。

木材ガス発生器の欠点は次のとおりです。

• 大きな特定のサイズ
• 始動速度が比較的遅い。当初冷えていた木材を必要な温度まで加熱するのに、設計出力に達するまでに数分、大規模なプラントでは数時間かかることもあります。
• 一部の設計ではバッチ燃焼操作が採用されており、ガス生成プロセスを定期的に中断します。
• 高負荷レベルからの停止操作は困難です（例えば、ガスを使用するエンジンの停止）。残留熱によってガスが生成され、一定時間ガス化装置から制御不能のままになるか、バーナーで使用する必要があります。
• ガス化中に生成される主な可燃性燃料ガスは一酸化炭素です。これは意図的な燃料生成物であり、その後、他の燃料ガスとともにエンジン（またはその他の用途）で燃焼して安全な二酸化炭素になります。ただし、一酸化炭素に継続的にさらされると、低濃度から中程度の濃度であっても人間にとって致命的となる可能性があります。
• 木材の湿度（通常 15 ～ 20%）と乾燥木材自体の O 原子と H 原子によって生成される水蒸気（乾燥木材 1 kg あたり有機物を含む水約 0.4 リットル）は、ガス冷却および濾過プロセス中に凝縮して液体（木材タールも参照）を生成します。この液体には特別な廃水処理が必要です。この処理には、生成された木材ガスエネルギーの約 25 ～ 35% が必要です。

慎重に設計および使用しないと、有毒な一酸化炭素(CO) ガスを大量に含む木材ガスによって、傷害または死亡に至る可能性がかなりあります。実証済みの設計と徹底的にテストされた構造の木材ガス化装置は、屋外、または部分的に密閉された空間 (たとえば、2 面が空気に開放されたシェルターの下) で使用しても安全であると考えられています。また、睡眠に使用される屋内エリアに接続されていない、換気が非常によく (たとえば、負圧) された屋内エリアで使用しても比較的安全であると考えられ、冗長 (1 つ以上)、完全に独立した、バッテリー駆動の、定期的にテストされた一酸化炭素ガス検知器が装備されています。ただし、慎重に、あらゆる種類の実験的な木材ガス化装置の設計または新規構築は、屋外で徹底的にテストする必要があります。常に「仲間」と一緒に屋外でテストし、頭痛、眠気、または吐き気の兆候がないか常に警戒する必要があります。これらは一酸化炭素中毒の最初の症状です。

さらに、燃焼源が存在する場合、空気とガスの過剰混合は問題のガスの爆燃（爆発）につながる可能性があるため、避けるべきです。ガスホルダータイプの水置換装置を使用する場合を除き、木材ガスの長期貯蔵は試みるべきではありません。ガスには揮発性成分が含まれており、過剰に沈殿すると貯蔵容器内で凝縮します。いかなる状況でも、木材ガスは周囲より 1 bar (15 psi) 以上圧縮してはなりません。揮発性成分の凝縮を引き起こす可能性があり、容器が漏れたり破損したりした場合に一酸化炭素や爆燃による重傷や死亡につながる可能性があります。^{[引用が必要]}

2008年、ナショナルジオグラフィックチャンネルの『プラネット・メカニクス』第8話「Tree Powered Car」で、木材ガス発電機で動くトラックの設計と製作の例が紹介された。 ^{[15] [16]}

2009 年には、木材ガス動力発電エンジンの設計と構築のもう 1 つの例が、テレビ ドラマ「ザ コロニー」の第 1 シーズンの第 2 話「権力闘争」で紹介されました。また、第 10 話「脱出」では、脱出車両の動力源として使用されました。

2010年のマザーアースニュースの記事では、ピックアップトラックに搭載された木材ガス動力エンジンについて説明し、写真も掲載した。^[17] BBCの科学シリーズ「Bang Goes The Theory」の一環として、フォルクスワーゲン・シロッコがマーティン・ベーコンの設計に改造され、使用済みのコーヒー粉で走行できるようになり、2010年に製作された後、ロンドンからマンチェスターまでコーヒーのみで走行することに成功した。チームの一部は現在、航続距離ではなく最高速度を重視したより高度な設計に取り組んでいる。

2011年9月14日、ボンネビル・ソルトフラッツで、木材ガスエンジンを搭載した改造トラックが時速73マイルで木材ガス駆動車の世界新速度記録を樹立した。^[18]

米国の人気ラジオ番組「カー・トーク」の第1201話（2012年1月7日に放送され、後に「20マイル/ウッドチップ」と名付けられた）に出演したある人物が、第二次世界大戦中にドイツで少年時代に乗っていた木材ガス発生車について語った。司会者たちはこの技術に詳しくなかったが、それはおそらく米国で広く採用されることがなかったためだろう。

2012年3月12日、 Doomsday Preppersシーズン2のエピソードでは、サウスカロライナ州の数エーカーの森林地帯で、プレッパーのスコット・ハントが木材ガス発電機でフォードのトラックと家庭用発電機を稼働させている様子が映し出されました。

1983 年のセルビアのテレビコメディ「トラックドライバー 2」(「Kamiondzije II」)。ストーリーの一部として、トラックのシャーシに取り付けられたガス発生装置について語られています。

2012年4月、マザーアースニュースにキースガス化装置を特集した記事が掲載され、写真が掲載され、発明者のウェイン・キースとの対談も行われました。 ^[19]

BBCのドキュメンタリー「Wartime Farm」第5話（2012年10月放送）では、1943年のガソリン車の仕様に基づいて石炭ガス救急車を製作した。^[20]

ヒストリーチャンネルの マウンテンメンシーズン3では、ユースティス・コンウェイが木材ガス化したトヨタのピックアップトラックを運転して商品を運んでいる様子が映し出されている。

フィンランドの首相ユハ・シピラは、政治家になる前に趣味で作った薪ガス自動車でもメディアの注目を集めた。^[21] 1987年モデルのシボレー・エルカミーノ「エル・カミーナ」は、時速140km、87マイルで薪ガス自動車として最速である。^[22]

木材ガス化システムを商業的に生産している企業はわずかです。リストは以下にあります。木材ガス化システムは比較的大型になる傾向があるため、ほとんどは固定用途（発電）に重点を置いています。ただし、車両への組み込みに適したものもあります。^{[23] [24]}

• エンジン発電機; 木質ガスホースを介して木質ガス車のガス化装置に接続することができ、これにより車両のエンジンが作動していないときにも電力を生成することができ、実質的に車両からグリッドへのシステムを形成する。
• 排気熱交換器：木材ガス化装置の加熱に役立ち、木材ガス化装置のガス出力を増加させます。
• 熱風エンジン：スターリングエンジンと同様に、熱を直接利用し、木材で作動することができる^[29]
• スターリングエンジン：木材の熱をガスに変換する必要がなく、木材の熱を利用できる別のエンジン^[30]
• ゼータン

• 「ジョイワゴンを通じたホルツブレンナーの強さ」 (フォルクスワーゲン ビートル、1940 ～ 1945 年)

• 最も一般的なダウンドラフト発電システムの2つの概略図
• p93; フルダウンドラフト発電システム
• 米国の木材ガスを燃料とするトラックと自動車