バイオマス発電とは？基本的な仕組みと課題を解説

バイオマス（biomass）とは、直訳すると「生物資源（bio）の量（mass）」という意味です。
生物資源はわらや穀物、家畜糞尿、下水汚泥、廃食用油などがあてはまります。生物に由来する資源類を指す言葉です。

そして、バイオマス発電とは、生物資源を燃やして発電する方式のことです。燃焼方法の違いなどにより複数の発電方法が存在します。

では、その仕組みはどのようなものがあるのでしょうか。

バイオマスは有機性の動植物から構成される生物資源です。 化石燃料も有機性エネルギーですが、一般的にバイオマスには含まれないとされています。

つまり動植物からなる有機性の生物資源から化石燃料を除いたものが、バイオマスだと定義されています。「有機」とは有機化合物、有機化合物とは生物が生み出す炭化化合物の総称です。

バイオマス発電では、生物資源の燃焼によりエネルギーを生み出すことで発電を行います。具体的には生物資源を燃やし、水を沸騰させ、その蒸気でタービンを回すことで発電させます。

タービンを回した発電は、火力発電でも同様に行われています。そのためバイオマス発電の発電の仕組み自体は、従来の火力発電と変わりません。
バイオマス発電が注目されているのは、それがカーボンニュートラルであることに由来があります。

バイオマスによるエネルギー利用は、カーボンニュートラルと言われてきました。カーボンニュートラルは日本語で「炭素中立」を意味する言葉で、エネルギー生成の過程でCO₂の総量が増えないという意味です。

生物資源は有機化合物なので、燃やした際にCO₂が生じます。しかし、生物資源に含まれる有機物は、元々自然界から取り込んだものです。例えば、植物の場合は成長過程で光合成を行い、CO₂を吸収しています。このような場合、燃やした際に排出されるCO₂と、植物の成長過程で吸収されるCO₂は最終的に同量と考えることができ、CO₂は増えも減りもしない（ニュートラル）、と考えることができます。そのためバイオマス発電は、温室効果ガスを増やさないカーボンニュートラルの再生可能エネルギーと呼ばれているのです。
バイオマス発電は、地球温暖化防止のために国際的な取り決めを定めた「京都議定書」でもカーボンニュートラルとして正式に認定されています。

※出典：森林・林業白書平成23年版｜林野庁

日本におけるバイオマス発電の割合は、どれくらいでしょうか。

「エネルギー白書2021」によりますと、2019年度にはバイオマス発電で262億kWh発電しました。これは日本全体の発電電力量（１兆247億kWh）のうち2.6％を占めるもので、再生可能エネルギーのなかでは水力発電の7.8％（796億kWh）、太陽光発電の6.7％（690億kWh）に次ぐ３番目の発電量になります。

※出典：資源エネルギー庁　エネルギー白書2021

なお、バイオマスは電力以外にもエネルギーを生み出すことができます。バイオマス熱利用とバイオマス燃料製造の２つです。

バイオマス熱利用とは、燃焼時に生じる蒸気などを熱源として利用したり、生物資源が発酵して生じたガスを、都市ガスの代わりに燃焼して利用したりする方法です。
バイオマス発電で生じた熱をバイオマス熱として利用するなどの仕組みをつくることでエネルギーを効率よく使用できます。

その他、バイオマス燃料製造という活用方法もあります。
生物資源からつくられる燃料には、木質ペレット、バイオエタノール、バイオガス、バイオディーゼル燃料などが挙げられます。

木質ペレットは木材を細かく砕いた木くずであり、ストーブなどの燃料として使用されます。バイオエタノールは、生物資源を発酵させてつくられるエタノールです。エタノールは、アルコールの一種であり、無色透明の液体です。

また、バイオガスは微生物の力（メタン発酵）を使って生物資源を分解した際に生じるガスです。バイオディーゼル燃料とは、生物資源から製造されるディーゼルエンジン用のバイオ燃料になります。

※出典：資源エネルギー庁ウェブサイト

バイオマス発電はタービンを回すことで電力を生み出していますが、タービンを回す方法は１つではありません。方法の違いにより、バイオマス発電は３種類あり、直接燃焼方式・熱分解ガス化方式・生物化学的ガス化方式にわけられます。以下では、それぞれの特徴について解説します。

直接燃料方式とは、生物資源を文字通り直接燃やして電力を生み出す方法です。直接燃やすといっても、水分や異物を含んだ可燃ごみや木材といった生物資源は簡単には燃えてくれません。そのため、まず生物資源から異物などを除去することで、燃えやすいように加工します。

直接燃焼方式は、加工した生物資源を燃やしてボイラーを加熱し蒸気を生み出してタービンを回します。単純な仕組みなので簡単に導入できるようにも思えますが、ボイラー内を高温に維持しにくいという難点もあります。

熱分解ガス化方式は、生物資源を加熱して可燃性ガスを生じさせ、それを燃やしてガスタービンを回す方法です。

熱分解ガス化方式では、生物資源を燃やすことなく高温で熱処理します。加熱対象は可燃ごみや木材などの生物資源で、熱を加えることで加熱分解が起こり、可燃性のガスが生じます。そのガスを燃やしてガスタービンを回すことで電力を生み出します。ボイラー式のタービンは蒸気で回しますが、ガスタービンは燃焼させて生まれる高圧・高温のガス排気でタービンを回す点に特徴があります。

熱分解ガス化方式で使われる生物資源は、直接燃料方式でも使われる可燃ごみや木材に加えて、食品工場から出る野菜くずや茶殻といった食品の残りかすも使用されています。

生物化学的ガス化方式もバイオマスからガスを生成する方式ですが、熱分解ではなく発酵などの生物化学の仕組みを利用します。一例として、家畜糞尿、汚泥汚水といった生物資源に細菌や菌類などの微生物を用いて発酵を促し、発酵の際に生じたメタンガスなどのバイオガスを用いてガスタービンを回し、電力を発生させます。

生物発酵は水分を含んだままでも生じるため、直接燃やす場合と違って水分除去などの加工が不要です。つまり、化学的ガス化方式は短時間で電力を生み出すことができます。
発生するバイオガスの発熱量が多いため、効率よく電力を生み出せる点も生物化学的ガス化方式のメリットです。

バイオマス発電には、４つのメリットがあるとされています。

• 地球温暖化対策になる
• 循環型社会づくりに貢献できる
• 農山漁村の活性化につながる
• 焼却時の排熱を利用できる

以下では、バイオマス発電のそれぞれのメリットについて解説します。

先ほどもご説明したとおり、バイオマス発電はカーボンニュートラルとされているため、地球温暖化を防止する効果が期待できます。バイオマス発電で使われる生物資源は、成長の過程で自然界からCO₂を吸収しているはずなので、全体としてのCO₂の排出量はゼロと考えられます。

従来の火力発電では天然ガスや石炭を燃料とし、CO₂の排出が増える一方でした。CO₂の総量が増えないバイオマス発電は、地球温暖化を防止する点で優れているといえるでしょう。

循環型社会とは、社会全体で循環を目指すものであり、これまでの大量消費、大量廃棄社会に代わる概念として提示されました。
循環とは一言で説明すると、リサイクルです。一度使ったものを廃棄せず手を加えて、別の場所で使うサイクルになります。ペットボトルの再利用などが、わかりやすい循環の例です。
バイオマス発電は生物資源で発電しますが、生物資源として使われる木材・可燃ごみ・廃油などは一度別の場所で使用されたものを再利用するものです。本来ならごみとして廃棄されるはずの生物資源を無駄にしない点で、バイオマス発電は循環型社会に適した発電方法といえるでしょう。

※出典：環境省ホームページ

バイオマス発電を行う場合、発電のために大量の生物資源が必要になります。それも、電力の安定供給を考えるなら一時的ではなく恒常的な確保が求められます。そのため、バイオマス発電では生物資源をいかに効率よく確保できるかが重要になります。

この点、家畜、穀物、魚などが簡単に手に入る農山漁村は、バイオマス発電の需要とマッチした土地柄といえます。家畜の糞尿や死骸、稲、林地残材などバイオマス発電の燃料になる生物資源が豊富だからです。

また、本来なら廃棄される生物資源を燃料として売買すると、農山漁村もバイオマス発電による恩恵を受けられます。生物資源の移送のために、インフラが新たに整備されることもあります。バイオマス発電は、第一次産業とマッチした発電方法といえるでしょう。

※出典：野津 喬,農山漁村の活性化と再生可能エネルギー発電,2013,37（1） p. 32-35

直接燃料方式や熱分解ガス化方式では、高温の蒸気やガスでボイラーを加熱することでタービンを回し、電力を発生させます。この際の燃焼による排熱を、バイオマス発電以外に利用することが可能です。

排熱利用の具体例として、バイオマスコージェネレーション、バイナリーサイクル発電などがあります。バイオマスコージェネレーションとは、発電時の排熱を暖房や給湯など別の形で利用することです。

バイナリーサイクル発電とは、排熱で水より沸点の低い液体を加熱して、その蒸気で発電させる仕組みです。使用させる水より沸点の低い液体は、ペンタン、イソブタン、代替フロン、アンモニアなどが挙げられます。

ここまでバイオマス発電のメリットを解説してきましたが、バイオマス発電にはデメリットもあります。バイオマス発電のデメリットとして、以下の点が挙げられています。

• バイオマス発電がカーボンニュートラルであることへの疑問
• 燃料の調達に高いコストがかかる
• 大規模施設を設置することの難点

以下では、バイオマス発電における課題やデメリットについて解説します。

バイオマス発電は、森林などの植物が成長する際に光合成が行われ、CO₂を吸収してくれることから、カーボンニュートラルであることはすでに述べたとおりです。しかし近年バイオマス発電は、カーボンニュートラルではないと主張する反対説が展開されています。

反対説の根拠は、バイオマス発電に使用する生物資源を調達するにあたって、移送作業などで発生するCO₂がバイオマス発電で削減されるCO₂の量を上回っている可能性がある点です。

生物資源を発電所の近場でまかなえない場合は、比較的遠くからの移送が必要です。その移送には車や貨物船、航空機などを使うことになり、当然移送の際にCO₂が排出されます。その移送時に出るCO₂が、植物の光合成によるCO₂の削減の量を上回ってしまえば、CO₂の総量は増えることになってしまいます。
結果としてCO₂が増えるのであれば、バイオマス発電はカーボンニュートラルではないとするのが反対説の根拠です。

バイオマス発電では、燃料の移送距離を十分に考慮しないと、CO₂排出の削減効果は薄いものになってしまうのです。

※出典：地球環境研究センター　ココが知りたい地球温暖化｜国立環境研究所

バイオマス発電の燃料は可燃ごみや残材、廃油などさまざまな生物資源になります。そのなかでも木材の残材を燃料とする木材バイオマスは、特別なものとされています。環境性（Environment）、供給安定性（EnergySecurity）の面で、優れていると評価されているからです。

とはいえ、木材バイオマスをバイオマス発電の基本とするためには、大量の木材が必要になります。そして国内での調達には限りがあるため、どうしても海外からの輸入に頼らざるを得ません。しかし木材のような大型の資材を大量に輸入するとなると、当然輸送のコストもたくさんかかります。

幸い石油や石炭といった資源と違い、木材は世界各国から調達できるため、輸入にかかるコストを国ごとに比較することが可能です。木材バイオマスをバイオマス発電の根幹にするためには、コストの見極めが重要になるでしょう。

効率的に電力を供給するためには、大規模施設による発電が望ましいです。しかし現状の日本では、バイオマス発電のために大規模施設を新設することは難しいとされています。その一番の理由は、場所の問題です。

バイオマス発電の施設は、できるだけ臨海地域が望ましいとされています。木材バイオマスでは前述したとおり、資源である木材の多くを海外の輸入に頼っているため、臨海地域に施設があれば、貨物船に到着した木材をすぐに施設に運ぶことができます。つまり移送コストを抑えるため、臨海地域に施設があることが望ましいのです。

しかし臨海地域は国の貿易上起点となる場所であり、さまざまな重要施設がすでに設置されています。バイオマス発電の大規模施設を新たに設置するのは、ほかの施設と場所の取り合いになってしまうため建設が難しいという問題があるのです。

ここまで見てきたように、バイオマス発電には大きな可能性が見いだせる一方、乗りこえるべき課題もはっきりしています。地球温暖化防止のための対策が世界的に優先事項となっている現在、バイオマス発電を含めた再生可能エネルギーの普及・拡大が待ち望まれます。

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