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バイオマスの「熱分解」って、木を燃やしてるのとは違うんですか？煙が出るだけのような気もして…。
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よく聞かれる質問だよ。決定的な違いは「酸素を入れない」ことだ。普通の燃焼は O₂ と反応して CO₂ と H₂O になって熱だけ取り出すよね。熱分解(pyrolysis)は逆で、酸素を遮断したまま 350〜700°C に加熱して、バイオマスを「液体の bio-oil」「固体のチャー(炭)」「軽質ガス」の 3 つに分けるんだ。狙いは熱じゃなくて、燃料や化成品の原料になる「分子」を取り出すこと。だから煤煙ではなく、貴重な液体エネルギーキャリアが取れるんだよ。
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なるほど、燃やすんじゃなくて「分解する」んですね。でも、3 つに分かれるなら、どれが一番取れるんですか？
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それが運転条件でガラッと変わるのが面白いところ。スライダーで温度や昇温速度を動かすと、収率が大きく動くのが見えるはずだ。昔ながらの「炭焼き窯」は slow pyrolysis といって、ゆっくり時間をかけて加熱するからチャーが 30〜35% も取れる。一方で、今エネルギー業界が一番注目している Fast Pyrolysis は、500°C 前後でドカッと一気に加熱して、2 秒以内に蒸気を冷却凝縮させる。すると bio-oil が 70〜75% も取れるんだ。本ツールでは「昇温速度 100°C/s 以上 かつ 滞留時間 2 秒以下」を満たすと自動的に Fast pyrolysis 判定になって、収率に補正(×1.0)がかかるよ。試しに昇温速度を 50 にしてみると、警告が出て収率が落ちるはず。
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あ、本当に bio-oil が 75% から 52% に落ちました! でも、それだけ条件が厳しいなら、なんでみんなわざわざ Fast pyrolysis をやるんですか？
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理由は「液体」がほしいから。チャーは固体だし、ガスはタンクで貯められない。bio-oil は液体だから、ローリーで運べる、貯槽に貯められる、ボイラに噴霧できる、配管で送れる、と既存のインフラに乗りやすい。石油の代わりに「炭素中立な液体燃料」を地産地消したい、というのが本命のニーズなんだ。Ensyn の RFO(米)、BTG-BTL の Empyro(オランダ)、Fortum の Joensuu(フィンランド)あたりが商用で年産 5〜20 万トン規模を動かしていて、製紙工場の重油代替や地域熱供給に投入されているよ。
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原料を「藻類」に変えてみたら、bio-oil 収率は下がったのに LHV と CO₂ 削減量はけっこう違う数字が出ますね。どう読めばいいですか？
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するどい。藻類は含水率が 80% もあって、乾燥重量ベースで投入できる量が大きく減るんだ。だから 1000 kg/h 入れても実際に分解されるのは 200 kg/h 分しかない。一方で藻類は脂質を多く含むので LHV(乾燥)は 21 MJ/kg と高く、単位重量あたりのエネルギーは大きい。実プロジェクトでは「藻類 = 含水率を下げる前処理(脱水・乾燥)のエネルギーがネックで、まだ pilot 段階」というのが現状だね。木質はその点バランスが良くて、Fast Pyrolysis の標準フィードストックになっているよ。本ツールで原料を切り替えて、bio-oil 生産量 kg/h と効率を見比べると、その違いがよく分かるはずだ。
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最後にひとつ。bio-oil ってそのまま車のガソリンの代わりに使えるんですか？
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そのままは難しい。bio-oil は酸素含有量 35〜40%、pH 2〜3 の酸性、含水率 15〜30%、粘度が高くて貯蔵中に重合してドロドロになっていく。だから内燃機関に直接入れるとインジェクタや金属部品を腐食させるんだ。用途としてはまず工業ボイラ・キルン・地域熱供給での重油代替がメイン。ガソリン・ディーゼル相当品にするには HDO(水素化脱酸素)や FCC(接触改質)でアップグレードして酸素を抜く必要があって、そっちの研究も IEA Bioenergy Task 34 などで進んでいるよ。LHV 17 MJ/kg は石油の 4 割で頭打ちだから、容積効率で割り切る用途が現実解だね。
両者はバイオマスを無酸素で加熱して bio-oil・チャー・ガスに分解する点では同じですが、運転条件が大きく異なります。Slow pyrolysis は昇温率 1〜10 K/s・滞留時間 数分〜数時間で、チャー(炭)を 30〜35% 程度多く取るのに向きます(炭焼き窯はこの原理)。一方 Fast pyrolysis は昇温率 100 K/s 以上・蒸気滞留時間 2 秒以下・反応温度 450〜550°C で運転し、bio-oil(液体)の収率を 65〜75 wt% まで引き上げます。本ツールでは昇温率と滞留時間がこの閾値を満たすと自動的に Fast pyrolysis 判定となり、収率に補正が乗ります。
セルロース・ヘミセルロース・リグニンの解重合が活発化するのが 400°C 付近で、ここから 500°C 付近までは一次熱分解の蒸気(凝縮すれば bio-oil)が一気に放出されます。500°C を超えると今度は蒸気の二次分解(クラッキング)が進み、軽質ガス(CO・CO2・H2・CH4)が増えて bio-oil 分が減ります。さらに 700°C を超えるとほぼガス化に近づき bio-oil はほとんど得られません。本ツールでは Y = Y0 · exp(-((T-500)/100)^2) のガウス型温度依存性で近似しており、500°C で収率がピークになります。
そのままでは難しいです。Bio-oil は含水率 15〜30 wt%、酸素含有量 35〜40 wt%、酸性 (pH 2〜3)、粘度が高く貯蔵中に重合・分離するため、ディーゼル機関やガソリン車にそのまま入れることはできません。用途は工業ボイラ・キルン・スターリングエンジンなどの定置燃焼が中心で、ガソリン代替品にするには水素化脱酸素 (HDO) や接触改質で酸素を除去するアップグレード工程が必要です。一方で熱量 (LHV 17 MJ/kg) は石油 (42 MJ/kg) の 4 割程度あり、輸送容易な液体エネルギーキャリアとして木質バイオマス→液体への有力なルートです。
Fast pyrolysis では「100 K/s 以上の昇温率を粒子全体に与える」ことが核心です。流動床は砂などの熱媒体粒子をガスで沸騰状に流動化させ、その中に小粒径(<3 mm)のバイオマスを投入することで、粒子表面〜内部へ瞬時に熱を伝えられます。また熱媒体粒子はチャーや反応熱を逃がさず一定温度で運転できるため、商用機(Ensyn の RFO、BTG-BTL の Empyro、Fortum の Joensuu など)はほとんど流動床ベースです。本ツールでは反応器形式に流動床・オーガー(機械搬送)・回転コーン(コーンの遠心熱伝達)・アブレシブ(摩擦+伝熱)の 4 種を含めています。
製紙工場・地域熱供給での重油代替:フィンランドの Fortum Joensuu は CHP(熱電併給)発電所に併設した年産 5 万トンの Fast Pyrolysis プラントで bio-oil を製造し、地域熱供給用ボイラの重油を置き換えています。同様にオランダの Empyro プロジェクト、米国の Ensyn(RFO ブランド)が商用稼働中です。流動床型を採用し、bio-oil を地産地消することで物流コストと CO₂ を同時に削減しています。
炭素中立な液体燃料・SAF 原料:Bio-oil は水素化脱酸素(HDO)・流動接触分解(FCC)・水素化処理(HDT)などのアップグレード工程を経て、ガソリン・ディーゼル・ジェット燃料相当品に変換可能です。特に Sustainable Aviation Fuel(SAF)の原料としては、廃食用油や残渣脂質と並んで木質 bio-oil ルートが注目されており、Honeywell UOP・Topsoe・ExxonMobil 等が実証段階にあります。
農産廃棄物・MSW のエネルギー回収:稲わら・もみ殻・バガス・MSW のような分散型バイオマスは、燃焼すると灰分(Si, K, Cl)による腐食やスラッギングが問題になります。これらを Fast Pyrolysis で液体化すると輸送・貯蔵性が改善し、製油所での共処理(co-processing)や中央集約型のアップグレードに乗せやすくなります。本ツールで MSW や稲わらを選ぶと、灰分が多い分だけ bio-oil 収率が落ちる様子が確認できます。
BECCS(Bio-energy with CCS)とバイオチャー農業:Fast Pyrolysis では bio-oil とともに 10〜25 wt% のチャー(バイオチャー)が副生します。これを土壌に埋め込むと炭素を 100 年スケールで固定でき、Negative Emission Technology (NET) の一つに数えられます。IPCC AR6 でも農業土壌へのバイオチャー施用は重要な CDR(炭素除去)選択肢として挙げられており、bio-oil 燃焼の CO₂ 回収と組み合わせれば「BECCS + biochar」で正味マイナス排出が実現できます。
まず最大の誤解が、「bio-oil の LHV を石油と同じ感覚で扱う」こと。本ツールにもあるとおり、bio-oil の LHV は約 17.5 MJ/kg で、石油(42 MJ/kg)や軽油(43 MJ/kg)の 4 割しかありません。これは bio-oil に含まれる水分(15〜30 wt%)と酸素(35〜40 wt%)が「すでに燃えた状態」だからです。同じ熱量を取り出すには bio-oil を 2.5 倍の重量・容積で消費する必要があり、配管径・ポンプ容量・貯槽サイズの設計も石油基準のままでは足りません。「燃料代替」と謳う案件では、エネルギー等価量で経済性を検算してください。
次に、「ガス化(Gasification)と熱分解(Pyrolysis)を混同する」こと。両者は無酸素 or 部分酸化という違いがありますが、温度範囲も狙う製品も別物です。ガス化は 700〜1000°C で空気・酸素・水蒸気を入れて syngas(CO + H₂)を取るのが目的で、bio-oil はほとんど得られません。本ツールで温度を 800°C 以上にすると bio-oil 収率がガクッと落ちるのは、二次クラッキングでガス化に近づいているためです。狙う製品(液体 or ガス)で温度域とプロセスを使い分けるのが鉄則です。
最後に、「収率だけを見て原料を選ぶ」のは危険です。たとえば本ツールで藻類(LHV 21 MJ/kg、揮発分 70%)を選ぶと一見良さそうですが、含水率 80% の前処理(脱水・乾燥)で原料エネルギーの 30〜50% を消費するため、ライフサイクルのネット効率は木質より低くなりがちです。同様に MSW や稲わらは灰分が 18〜25% もあり、灰の処分・触媒被毒・チャー品質低下の問題があります。実プロジェクトでは「Tank-to-Wheel ではなく Cradle-to-Gate の LCA」で評価し、原料の入手性・前処理コスト・副生バイオチャーの用途まで含めて判断してください。