バイオガス

家庭用バイオガスプラントの簡単なスケッチ

バイオガスは、農業廃棄物、堆肥、都市廃棄物、植物性廃棄物、下水、緑の廃棄物、廃水、食品廃棄物などの原料から生成される気体状の再生可能エネルギー源です[ 1 ] 。バイオガスは、嫌気性消化槽、バイオ消化槽、またはバイオリアクター内で嫌気性生物またはメタン生成菌による嫌気性消化によって生成されます[ 2 ]。ガスの成分は主にメタン（CH4）と二酸化炭素（CO2）および少量の硫化水素（H2S）、水分、シロキサンなどから構成されています。メタンは燃焼または酸素酸化によって生成されます。このエネルギー放出により、バイオガスは燃料として利用することができます。燃料電池や調理などの暖房用途に利用できます。また、ガスエンジンに使用して、ガスのエネルギーを電気と熱に変換することもできます。[ 3 ]

バイオガスは、二酸化炭素やその他の汚染物質を除去することで、天然ガス品質の規格に適合させることができます。天然ガスとの互換性を持つように適合化されたバイオガスは、再生可能天然ガス（RNG）と呼ばれます。RNGは、ガス供給網へのドロップイン燃料として、または車両燃料としての圧縮天然ガスの製造に使用することができます。 [ 4 ]

バイオガスは再生可能な資源と考えられています。バイオガスは、燃焼によって排出される二酸化炭素が、バイオマス生産のために大気から取り込まれる二酸化炭素と同量である限り、高レベルでカーボンニュートラルな燃料です。 [ 5 ]実際には、バイオガスの炭素強度は、バイオマス生産時の排出量や、バイオガス生産・精製プロセスによって異なります。[ 4 ]用途によっては、バイオガスを回収することでメタン排出を回避し、全体的な排出量を削減することができます。[ 6 ]

生産

バイオガスは、メタン生成菌や硫酸還元菌などの微生物が嫌気呼吸を行うことで生成されます。バイオガスとは、自然発生的に生成されるガスと工業的に生成されるガスの両方を指します。

自然

土壌中では、メタンは嫌気性環境下でメタン生成菌によって生成されますが、好気性環境下では主にメタン酸化細菌によって消費されます。メタンの排出は、メタン生成菌が優勢な場合に発生します。湿地土壌はメタンの主な自然発生源です。その他の発生源としては、海洋、森林土壌、シロアリ、野生反芻動物などがあります。[ 7 ]

産業

嫌気性消化は、微生物が酸素のない状態で生分解性物質を分解する一連のプロセスです。[ 8 ]このプロセスにより、燃料として利用可能なバイオガスが生成されます。産業用バイオガス生産は、家畜糞尿や有機廃棄物を処理するために建設された嫌気性消化槽などの専用設備から、あるいは埋立地や下水処理場から副産物として発生するバイオガスを採取することで実現できます。 [ 9 ]

バイオガスプラント

バイオガスプラントとは、農業廃棄物、都市有機廃棄物、および/またはエネルギー作物を処理する嫌気性消化槽を指すことが多い。 [ 9 ]産業用バイオガスプラントは、気密タンク内で有機物を処理して嫌気性条件を作り出す。処理物は中温（約38 ℃）または高温（>55 ℃）に加熱され、通常2～30日間保持される。[ 10 ]

これらのプラントには、トウモロコシサイレージなどのエネルギー作物や、下水汚泥や食品廃棄物などの生分解性廃棄物を供給できます。この過程で、微生物がバイオマス廃棄物をバイオガスと消化液に変換します。廃水を乳業、製糖業、醸造業などの他の残留物と共消化することで、より多くのバイオガスを生産できます。例えば、ビール工場の廃水の90%に牛乳のホエー10%を混合すると、醸造所の廃水のみから生産されたバイオガスと比較して、バイオガスの生産量が2.5倍に増加しました。[ 11 ]

埋立地ガス

インドネシアのコミュニティが有機廃棄物をエネルギーに変換するために円筒形のプラスチック製バイオガス反応器を設置している（2007年）

埋立地ガスは、バイオガスと同様に、嫌気性条件下で湿った有機廃棄物が分解することによって生成されます。[ 12 ] [ 13 ]廃棄物は、上部に堆積された物質の重量によって覆われ、機械的に圧縮されます。この物質は酸素への曝露を防ぎ、嫌気性微生物の繁殖を可能にします。バイオガスは蓄積され、その場所がガスを捕捉するための設計が施されていない場合、ゆっくりと大気中に放出されます。制御されていない方法で放出された埋立地ガスは、埋立地から漏れ出して酸素と混合すると爆発する可能性があるため、危険です。爆発下限はメタン5%、上限はメタン15%です。[ 14 ]

バイオガス中のメタンは、二酸化炭素の28倍[ 15 ]の温室効果ガスです。そのため、封じ込められずに大気中に放出される埋立地ガスは、地球温暖化の影響に大きく寄与する可能性があります。さらに、埋立地ガス中の揮発性有機化合物（VOC）は、光化学スモッグの形成に寄与します[ 16 ]。

危険

バイオガスによる大気汚染は、メタン（バイオガスの主成分）をエネルギー源として利用するために燃焼させた場合の天然ガスの大気汚染と類似しています。二酸化炭素は温室効果ガスです（式： CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O ）。有毒な硫化水素の含有量はさらなるリスクをもたらし、深刻な事故の原因となっています。[ 17 ]メタンは強力な温室効果ガスであるため、未燃焼のメタンの漏洩はさらなるリスクとなります。施設からメタンが2%漏洩する可能性があります。[ 18 ] [ 19 ]

バイオガスは、バイオガス1に対して空気8～20の割合で混合すると爆発する可能性があります。メンテナンス作業のために空のバイオガス消化槽に入る際は、特別な安全対策を講じる必要があります。バイオガスシステムは絶対に負圧にならないようにすることが重要です。負圧になると爆発の原因となる可能性があります。ガスが過剰に除去または漏洩すると負圧が発生する可能性があります。そのため、圧力計で測定した圧力が水柱インチ1インチ未満の状態でバイオガスを使用しないでください。バイオガスシステムでは、頻繁に臭いのチェックを行う必要があります。バイオガスの臭いがする場合は、すぐに窓やドアを開けてください。火災が発生した場合は、バイオガスシステムのゲートバルブでガスを遮断してください。[ 20 ]

構成

バイオガスの典型的な構成
化合物式体積比
メタンCH450～80
二酸化炭素二酸化炭素215～50歳
窒素北20～10
水素H20対1
硫化水素 H2S0～0.5
酸素お20～2.5
出典: www.kolumbus.fi, 2007 [ 21 ]

バイオガスの組成は、基質の組成だけでなく、嫌気性リアクター内の状態（温度、pH、基質濃度）によっても異なります。[ 22 ]埋立地ガスのメタン濃度は通常約50％です。高度な廃棄物処理技術では、メタン55～75％のバイオガスを生成でき、[ 23 ]自由液体のあるリアクターでは、現場ガス精製技術を使用してメタンを80～90％に増やすことができます。 [ 24 ]生成されたバイオガスには水蒸気が含まれています。水蒸気の分画容積はバイオガスの温度の関数です。測定されたガス容積を水蒸気含有量と熱膨張に対して補正することは、簡単な数学的方法で簡単に行うことができます[ 25 ]。これにより、乾燥バイオガスの標準化された容積が得られます。

典型的なバイオ消化槽への投入量1,000 kg（湿重量）の場合、全固形分は湿重量の30%、揮発性懸濁物質は全固形分の90%を占めます。タンパク質は揮発性固形分の20%、炭水化物は揮発性固形分の70%、そして脂質は揮発性固形分の10%を占めます。生化学的酸素要求量（BOD）は、バイオ消化槽で使用されるサンプル中の有機物を好気性微生物が分解するために必要な酸素量を示す指標であり、排出液のBODからバイオ消化槽からの1日のエネルギー出力を計算することができます。

汚染物質

硫黄化合物

有毒、腐食性、悪臭のある硫化水素（H2S）はバイオガス中の最も一般的な汚染物質です。分離されない場合、燃焼により二酸化硫黄（SO2）および硫酸（H2それで4）は腐食性があり、環境に有害である。[ 26 ]チオールなどの他の硫黄含有化合物も存在する可能性がある。

アンモニア

アンモニア（NH3）は、タンパク質中のアミノ酸などの窒素を含む有機化合物から生成される。バイオガスから分離されない場合、燃焼によりNOが生成される。×排出量。[ 26 ]

シロキサン

バイオガスにはシロキサンが含まれる場合があります。シロキサンは、石鹸や洗剤によく含まれる物質の嫌気性分解によって生成されます。シロキサンを含むバイオガスの燃焼中にシリコンが放出され、燃焼ガス中の遊離酸素や他の元素と結合する可能性があります。堆積物は主にシリカ（SiO）を含有して形成されます。2）またはケイ酸塩（Si×おy）であり、カルシウム、硫黄、亜鉛、リンを含むことがあります。このような白い鉱物質の堆積物は表面に数ミリメートルの厚さまで蓄積し、化学的または機械的な手段で除去する必要があります。

議論

賛成の論拠

肥料を嫌気条件下で貯蔵すると、高濃度のメタンが発生します。貯蔵中および肥料を土壌に施用すると、脱窒プロセスの副産物として亜酸化窒素も生成されます。亜酸化窒素（ N2O ) は温室効果ガスとして二酸化炭素の 273 倍、メタンは二酸化炭素の 27 倍の毒性があります。[ 15 ]牛の糞尿を嫌気性消化 でメタンバイオガスに変換することで、米国の何百万頭もの牛が 1000 億キロワット時の電力を生産することができ、これは米国中の何百万もの家庭に電力を供給するのに十分な量です。1 頭の牛は 1 日で 3 キロワット時の電力を生産するのに十分な糞尿を生産できます。[ 27 ]さらに、牛の糞尿を分解させるのではなくメタンバイオガスに変換することで、地球温暖化ガスを 9900 万トン、つまり 4% 削減することができます。[ 28 ]

反対意見

他の環境団体は、堆肥由来のバイオガスはグリーンウォッシングの一種であると主張している。彼らは、それが集中的な畜産飼育施設の利用を奨励・補助し、硫化水素などの汚染物質を排出すると主張している。[ 29 ] 2022年には、バーニー・サンダース氏やエリザベス・ウォーレン氏を含む6人の米国上院議員が、納税者の​​資金なしではバイオガスは成功せず、その資金は他の方法に使う方がよいと主張した。彼らはまた、業界の統合を加速させ、農場がバイオガス補助金を受けられる規模にまで規模を拡大する可能性があると主張した。彼らは、カリフォルニア州がバイオガス優遇プログラムを導入した後、農家が実際にそうした証拠を指摘している。[ 30 ]

バイオガスへの資金提供額は既に異常に高額であると主張する者もいる。例えばウィスコンシン州では、わずか2年間（2022～2023年）のバイオガスへの支出が、太陽光発電への12年間の支出額を上回っている。[ 31 ]意図的に植えられたトウモロコシからのバイオガス製造は、これらのプランテーションの非常に集中的で激しい土壌侵食特性のために、持続不可能で有害であるとされている。[ 32 ]

アプリケーション

スウェーデン、リンシェーピングのバイオガスバス

バイオガスは、下水処理場での発電に利用することができます[ 33 ]。また、CHP ガスエンジンによる発電では、エンジンの廃熱を消化槽の加熱、調理、暖房、給湯、プロセス加熱などに有効利用することができます。圧縮すれば、車両用圧縮天然ガスの代替として利用でき、内燃機関や燃料電池の燃料として利用することができます。これは、通常のオンサイトCHPプラントでの使用よりもはるかに効果的な二酸化炭素置換剤となります[ 33 ] 。

バイオガスのアップグレード

消化から生成される生のバイオガスは、およそ60％がメタン、39％がCOである。2微量元素Hを含む2S ：機械への使用には不適切。Hの腐食性2Sだけでもメカニズムを破壊するのに十分である。[ 26 ]バイオガス中のメタンは、バイオガスアップグレーダーによって化石天然ガスと同じ基準まで濃縮することができる。化石天然ガス自体も浄化プロセスを経てバイオメタンとなる。地域のガス供給網が許可している場合、バイオガス生産者はその配給網を利用できる。ガスはパイプライン品質に達するために非常に清浄でなければならず、配給網が受け入れ可能な適切な組成でなければならない。二酸化炭素、水、硫化水素、微粒子が存在する場合は除去する必要がある。[ 26 ]

アップグレードには主に4つの方法がある。水洗浄、圧力スイング吸収、セレクソル吸収、アミンガス処理である。[ 34 ]これらに加えて、バイオガスアップグレードのための膜分離技術の使用が増加しており、すでにヨーロッパと米国でいくつかのプラントが稼働している。[ 26 ] [ 35 ]最も一般的な方法は水洗浄であり、高圧ガスがカラムに流れ込み、そこでガスと反対方向に流れるカスケード水によって二酸化炭素とその他の微量元素が洗浄される。この配置では98%のメタンを供給でき、メーカーはシステム内でのメタン損失を最大2%と保証している。バイオガスアップグレードシステムを稼働させるには、ガスの総エネルギー出力のおよそ3%から6%が必要である。

バイオガスのガスグリッド注入

ガスグリッド注入とは、バイオガスをバイオメタンにアップグレードすれば、メタングリッド（天然ガスグリッド）にバイオガスを注入することである。マイクロ熱電併給発電のブレークスルーが起こるまでは、バイオガス発電所で生産されるエネルギーの3分の2が（熱として）失われていた。グリッドを使ってガスを消費者に輸送することで、そのエネルギーをオンサイト発電に利用することができ、[ 36 ]エネルギー輸送における損失が削減される。天然ガス輸送システムにおける典型的なエネルギー損失は1％から2％の範囲であり、電力輸送では5％から8％の範囲である。[ 37 ]バイオガスは、ガスグリッドに注入される前に洗浄プロセスを通過し、その過程で天然ガス品質にアップグレードされる。洗浄プロセスでは、ガスグリッドと最終ユーザーに有害な微量成分が除去される。[ 38 ]

輸送におけるバイオガス

スウェーデン、リンシェーピング駅近くの列車「Biogaståget Amanda」（「バイオガス列車アマンダ」）

濃縮・圧縮すれば、車両輸送に利用できる。圧縮バイオガスは、スウェーデン、スイス、ドイツで広く利用されつつある。バイオガスを動力源とする列車「Biogaståget Amanda（バイオガス列車アマンダ）」は、2005年からスウェーデンで運行されている。[ 39 ] [ 40 ]バイオガスは自動車の燃料となる。1974年には、英国のドキュメンタリー映画「Sweet as a Nut」で、豚の糞尿からバイオガスを生成するプロセスが詳しく描かれ、特別に改造された燃焼エンジンに燃料を供給する様子が紹介された。[ 41 ] [ 42 ] 2007年には、世界中で推定1万2000台の車両が、主にヨーロッパで、改良されたバイオガスで燃料を供給されていた。[ 43 ]

バイオガスは、ガス流にミストや霧を含む湿性ガスおよび凝縮ガス（または空気）のカテゴリに属します。ミストや霧は主に水蒸気で、ガス流全体のパイプの側面やスタックに凝結します。バイオガス環境には、廃水消化槽、埋立地、動物飼育施設（屋根付き家畜ラグーン）などがあります。超音波流量計は、バイオガス雰囲気中で測定できる数少ない装置の 1 つです。ほとんどの熱式流量計は、水分によって一定して高い流量測定値と継続的な流量スパイクが発生するため、信頼性の高いデータを提供できません。ただし、圧力降下を最小限に抑えてバイオガスの流れを正確に監視できる単一点挿入型熱式質量流量計もあります。これらの装置は、日々の温度変動や季節による温度変動によって流体に生じる水分の変化に対応でき、流体内の水分を考慮して乾きガス値を生成します。

バイオガス発電による熱・電気

バイオガスは、イェンバッハやキャタピラーのガスエンジンなど、さまざまなタイプの内燃機関で使用できます。 [ 44 ]ガスタービンなどの他の内燃機関は、バイオガスを電気と熱の両方に変換するのに適しています。消化残渣は、バイオガスに変換されなかった残りの無機物です。農業用肥料として使用できます。バイオガスは、農業廃棄物からバイオガスを製造し、熱電併給発電 ( CHP ) プラントで熱と電気を共同発電するシステムの燃料として使用できます。風力や太陽光などの他のグリーンエネルギーとは異なり、バイオガスは需要に応じてすぐに利用できます。化石燃料の代わりにバイオガスを燃料として使用すると、地球温暖化係数も大幅に削減できます。[ 45 ]しかし、バイオガスによって発生する酸性化と富栄養化の可能性は、化石燃料の代替品よりもそれぞれ25倍と12倍高くなります。この影響は、適切な原料の組み合わせ、消化槽の密閉式貯蔵、そして漏出物の回収技術の改善によって軽減できます。全体として、バイオガスの利用は、化石燃料の代替手段と比較して、ほとんどの影響を大幅に軽減できることが示唆されています。システムを導入する際には、環境への悪影響と温室効果ガスの排出とのバランスを考慮する必要があります。[ 46 ]

技術の進歩

NANOCLEANなどのプロジェクトでは、現在、有機廃棄物処理プロセスにおいて酸化鉄ナノ粒子を用いることで、バイオガスをより効率的に生産する新たな方法を開発しています。このプロセスにより、バイオガスの生産量を3倍に増やすことができます。[ 47 ]

廃水処理

糞便汚泥は、オンサイト衛生システムの産物です。収集および輸送後、糞便汚泥は従来の処理施設で下水と一緒に処理することも、糞便汚泥処理施設で単独で処理することもできます。糞便汚泥は、堆肥化または嫌気性消化システムで有機固形廃棄物と一緒に処理することもできます。[ 48 ]糞便汚泥の処理における嫌気性消化によりバイオガスを発生させることができます。排泄物の適切な管理と、糞便汚泥からのバイオガス生産によるその価値向上は、水系媒介性疾患、水質汚染、環境汚染など、管理が不十分な排泄物の影響を緩和するのに役立ちます。[ 49 ]資源回収・再利用は、CGIAR水・土地・生態系研究プログラムのサブプログラムであり、家庭および農業産業廃棄物から水、栄養素、エネルギーを安全に回収するための応用研究を行っています。[ 50 ]彼らは、廃棄物をエネルギーとして利用することは経済的に良いことであり、衛生、健康、環境の問題に取り組むことになると信じている。

立法

欧州連合

欧州連合（EU）には、廃棄物管理と埋立地に関する「埋立地指令」という法律がある。英国やドイツなどの国では現在、農家に長期的な収入とエネルギーの安全保障を提供する法律が施行されている。[ 51 ] EUは、バイオガスを利用する内燃機関は燃焼を最適化するために十分なガス圧が必要であることを義務付けており、欧州連合内では、欧州指令2014–34/EU （旧94/9/EG）に従って製造されたATEX遠心ファンユニットの使用が義務付けられている。これらの遠心ファンユニット、例えばCombimac 、Meidinger AG、Witt & Sohn AGなどは、ゾーン1および2での使用に適している。

アメリカ合衆国

米国では、埋立地ガスにはVOCが含まれているため、埋立地ガスの使用を禁止する法律が制定されている。米国大気浄化法および連邦規則集（CFR）第40編では、埋立地所有者に非メタン有機化合物（NMOC）の排出量を推定することを義務付けている。推定NMOC排出量が年間50トンを超える場合、埋立地所有者はガスを回収し、同伴するNMOCを除去する処理を義務付けられる。これは通常、ガスを焼却することを意味する。埋立地が遠隔地にあるため、ガスから発電することが経済的に実現不可能な場合がある。[ 52 ]嫌気性消化システムの開発を支援するさまざまな助成金や融資がある。「Rural Energy for American Program」は、環境品質インセンティブプログラム、「Conservation Stewardship Program」、および「Conservation Loan Program」と同様に、バイオガスシステムへの融資と助成金を提供している。[ 53 ]

世界的な動向

アメリカ合衆国

バイオガスは多くの利点を有することから、エネルギー源として人気が高まりつつあり、米国でも利用が拡大し始めています。[ 54 ] 2003年、米国は「埋立地ガス」から43TWh（147兆BTU）のエネルギーを消費しました。これは米国の天然ガス消費量全体の約0.6%に相当します。[ 43 ]牛糞由来のメタンバイオガスが米国で試験されています。『サイエンス・アンド・チルドレン』誌がまとめた2008年の調査によると、牛糞由来のメタンバイオガスは、全米数百万世帯に電力を供給するのに十分な1000億キロワット時の電力を生産できるとのことです。さらに、メタンバイオガスは、米国で排出される温室効果ガスの約4%に相当する9900万トンの温室効果ガス排出量を削減できることが試験で証明されています。[ 55 ]

アメリカバイオガス協議会によると、農場に設置された消化装置の数は2021年に21％増加した。[ 56 ]バーモント州では、酪農場で生成されたバイオガスがCVPS Cow Powerプログラムに含まれていた。このプログラムはもともと、セントラル・バーモント公共サービス株式会社が自主的な料金として提供していたが、最近グリーン・マウンテン・パワーと合併し、現在はGMP Cow Powerプログラムとなっている。顧客は電気料金にプレミアムを支払うことを選択でき、そのプレミアムはプログラムに参加している農場に直接渡される。バーモント州シェルドンでは、グリーン・マウンテン・デイリーがCow Powerプログラムの一環として再生可能エネルギーを提供している。これは、農場を所有する兄弟、ビル・ローウェルとブライアン・ローウェルが、酪農場が直面している糞尿の悪臭や、動物の餌となる作物の栄養素の利用可能性など、糞尿管理の課題の一部に対処したいと考えたことがきっかけだった。彼らは嫌気性消化槽を設置し、950頭の牛から出る牛と搾乳センターの廃棄物を処理して再生可能エネルギー、おがくずの代替となる敷料、そして植物に優しい肥料を生産しています。このエネルギーと環境特性は、GMP Cow Powerプログラムに販売されています。ローウェル夫妻が運営するシステムは、平均して300～350世帯に電力を供給できる電力を生産しています。発電機の容量は約300キロワットです。[ 57 ]

テキサス州ヘレフォードでは、牛の糞尿がエタノール発電所の動力源として使われている。メタンバイオガスに切り替えることで、このエタノール発電所は1日あたり1000バレルの石油を節約した。全体として、この発電所は輸送コストを削減し、バイオガスを利用する将来の発電所でより多くの雇用を生み出すことになるだろう。[ 58 ]カンザス州オークリーでは、北米最大級のバイオガス施設の一つとされるエタノール工場が、飼料ロットの堆肥、自治体の有機物、エタノール工場の廃棄物を利用してボイラーの熱を生成する統合堆肥利用システムを使用している。この工場がフル稼働すれば、エタノールとメタノールの製造工程で使用される化石燃料の90％を代替すると期待されている。[ 59 ] [ 60 ]カリフォルニア州では、サザンカリフォルニアガスカンパニーが既存の天然ガスパイプラインにバイオガスを混合することを提唱している。しかし、カリフォルニア州当局はバイオガスは「航空、重工業、長距離トラック輸送など、電化が難しい経済分野で利用した方がよい」との立場を取っている。[ 61 ]

ヨーロッパ

フィンランド、ミッケリのバイオガス燃料ステーション

ヨーロッパでは開発レベルに大きなばらつきがあります。ドイツ、オーストリア、スウェーデン、イタリアといった国ではバイオガスの利用がかなり進んでいますが、ヨーロッパ大陸の他の地域、特に東ヨーロッパでは、この再生可能エネルギー源には大きな可能性があります。MT -Energieは、再生可能エネルギー分野で事業を展開するドイツのバイオガス技術企業です。[ 62 ]法制度、教育制度、そして技術の可用性の違いが、この潜在能力が未活用である主な理由です。[ 63 ]バイオガスのさらなる発展を阻むもう一つの課題は、国民の否定的な認識です。[ 64 ]

2009年2月、欧州バイオガス協会（EBA）は、欧州における持続可能なバイオガスの生産と利用の普及を促進する非営利団体としてブリュッセルに設立されました。EBAの戦略は、バイオガスを欧州のエネルギーミックスの重要な一部として確立すること、家庭ごみの分別を促進してバイオガスの潜在的利用を高めること、そして自動車燃料としてのバイオメタン生産を支援することという3つの優先事項を定めています。2013年7月時点で、EBAには欧州24カ国から60の会員が参加しています。[ 65 ]

英国

2013年9月現在、英国には約130の非下水バイオガスプラントがある。そのほとんどは農場内にあるが、農場外にも食品廃棄物や消費者廃棄物を扱う大規模な施設が存在する。[ 66 ] 2010年10月5日、バイオガスが初めて英国のガス供給網に注入された。オックスフォードシャーの3万世帯以上の下水はディドコット下水処理場に送られ、嫌気性消化槽で処理されてバイオガスが生成され、その後浄化されて約200世帯にガスが供給される。[ 67 ] 2015年、グリーンエネルギー企業エコトリシティは、ガス供給網に注入する消化槽を3基建設する計画を発表した。[ 68 ]

イタリア

イタリアでは、2008年に導入された飼料価格優遇制度のおかげでバイオガス産業が誕生しました。その後、固定価格買い取り制度は固定価格買い取り制度に置き換えられ、副産物や農業廃棄物の利用が優先されるようになりました。その結果、2012年以降、バイオガス生産とそこから得られる熱電併給は停滞しました。[ 69 ] 2018年9月現在、イタリアには200以上のバイオガスプラントがあり、約1.2GWの発電量となっています。[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]

ドイツ

ドイツはヨーロッパ最大のバイオガス生産国であり[ 73 ]、バイオガス技術のマーケットリーダーでもある[ 74 ] 。 2010年には、ニーダーザクセン州、バイエルン州、東部の連邦州を中心に、全国で5,905のバイオガスプラントが稼働していた。[ 75 ]これらのプラントのほとんどは発電所として利用されている。通常、バイオガスプラントは、バイオメタンを燃焼させて電力を生産するコージェネレーションシステム（CHP）に直接接続される。その後、電力は公共の電力網に送られる。[ 76 ] 2010年には、これらの発電所の総設備容量は2,291MWだった[ 75 ]電力供給は約12.8TWhで、これは再生可能電力の総発電量の12.6%に相当する。[ 77 ]ドイツにおけるバイオガスは、主にエネルギー作物（「ナヴァロ」と呼ばれる。これはドイツ語で再生可能資源を意味するnachwachsende Rohstoffeの略語である）と堆肥を混合して発酵させることによって抽出される。主な作物はトウモロコシである。有機廃棄物や、食品産業からの廃棄物などの産業廃棄物や農業残渣もバイオガス生成に利用されている。[ 78 ]この点で、ドイツのバイオガス生産は、埋立地からのバイオガス生成が最も一般的である英国とは大きく異なる。[ 73 ]

ドイツにおけるバイオガス生産は、過去20年間で急速に発展しました。その主な理由は、法的に整備された枠組みです。再生可能エネルギーに対する政府の支援は、1991年に電力固定価格買い取り法（StrEG）の制定によって始まりました。この法律は、再生可能エネルギー源からのエネルギー生産者に公共電力網への供給を保証し、電力会社はグリーンエネルギーの独立した民間生産者から生産されたエネルギーのすべてを強制的に引き取ることを余儀なくされました。[ 79 ] 2000年に電力固定価格買い取り法は再生可能エネルギー源法（EEG）に置き換えられました。この法律は、生産された電力に対して20年間にわたって固定の補償を保証することさえしました。約8セント/kWhという金額は、 農家にエネルギー供給者となり、さらなる収入源を得る機会を与えました。[ 78 ]

ドイツの農業バイオガス生産は、2004年にいわゆるNawaRoボーナスの導入によりさらに推進された。これは、再生可能資源、すなわちエネルギー作物の使用に対して支払われる特別支払いである。[ 80 ] 2007年にドイツ政府は、統合気候・エネルギープログラムによって、深刻化する気候問題と高騰する石油価格への答えを提供するために、再生可能エネルギー供給の改善にさらなる努力と支援を投入する意向を強調した。 再生可能エネルギー推進のこの継続的な傾向は、再生可能エネルギー供給の管理と組織化に直面する多くの課題を引き起こし、バイオガス生産にもいくつかの影響を及ぼしている。[ 81 ]注目すべき最初の課題は、バイオガス電力供給の面積消費量が大きいことである。2011年、ドイツではバイオガス生産用のエネルギー作物が約80万ヘクタールの面積を消費した。[ 82 ]さらに、主に農村地域において新たな産業と市場が創出され、経済、政治、そして市民社会の様々な背景を持つ新たなプレーヤーが参入しました。この新たなエネルギー源がもたらすあらゆるメリットを享受するためには、彼らの影響力と行動を統制する必要があります。そして最後に、バイオガスは、適切なガバナンスが重視されれば、ドイツの再生可能エネルギー供給において重要な役割を果たすでしょう。[ 81 ]

発展途上国

家庭用バイオガスプラントは、家畜の排泄物と下水をバイオガスとスラリー（発酵肥料）に変換します。この技術は、1日に50kg（豚6頭または牛3頭分）の排泄物を生産する小規模農家にとって実現可能です。この排泄物は、水と混合してプラントに投入するために収集可能である必要があります。トイレも接続可能です。もう一つの前提条件は、発酵プロセスに影響を与える温度です。最適な温度は36℃であるため、この技術は特に熱帯（亜）気候の地域に住む人々に適しています。そのため、この技術は開発途上国の小規模農家にとって最適なものとなることが多いです。[ 83 ]

規模と場所によりますが、典型的なレンガ造りの固定ドーム型バイオガスプラントは、アジア諸国では300～500米ドル、アフリカでは最大1400米ドルの投資で、農村部の家庭の庭に設置できます。[ 84 ]高品質のバイオガスプラントはメンテナンスコストが最小限で、大きな問題や再投資なしに少なくとも15～20年間ガスを生産できます。ユーザーにとって、バイオガスはクリーンな調理エネルギーを提供し、室内の空気汚染を軽減し、特に女性や子供にとって従来のバイオマス収集に必要な時間を短縮します。スラリーはクリーンな有機肥料であり、農業の生産性を向上させる可能性があります。[ 83 ]発展途上国では、バイオガスの使用により、薪による温室効果ガス排出量と比較して20％の温室効果ガス排出量が削減されることも判明しました。さらに、動物1頭あたり年間384.1kg CO2相当の温室効果ガス排出量を削減できます。 [ 85 ]

エネルギーは現代社会において重要な要素であり、社会経済発展の最も重要な指標の一つとなり得ます。技術が進歩したにもかかわらず、発展途上国の農村部を中心に約30億人が、薪、作物残渣、動物の糞などのバイオマス資源を粗末な伝統的なストーブで燃やすという伝統的な方法で、調理に必要なエネルギーを確保し続けています。[ 86 ]

2012年、ドロキアのSüdzuckerバイオガスプラントの開設とオクタヴィアン・アルマシュのインタビュー。

家庭用バイオガス技術は、特にアジアをはじめとする世界の多くの地域で実証済みで確立された技術である。[ 87 ]この地域のいくつかの国は、中国[ 88 ]やインドなど、家庭用バイオガスに関する大規模なプログラムに着手している。オランダ開発機構（SNV）[ 89 ]は、商業的に実現可能な家庭用バイオガス部門を確立することを目指した家庭用バイオガスに関する国家プログラムを支援しており、地元企業が家庭用バイオガスプラントの販売、設置、サービスを行っている。アジアでは、SNVはネパール[ 90 ] 、 [ベトナム]、 [ 91 ] 、 [ 92 ] 、[ブータン] 、カンボジア[ 93]、[ラオス人民民主共和国]、[94 ] 、 [パキスタン]、[ 95 ]、[インドネシア]、[ 96 ]、およびアフリカで活動している。ルワンダ[ 97 ]、セネガル、ブルキナファソ、エチオピア[ 98 ] 、タンザニア[ 99 ] 、ウガンダ、ケニア[ 100 ] 、ベナン、カメルーン。南アフリカでは、既製のバイオガスシステムが製造・販売されている。その主な特徴の一つは、消化槽が既製のプラスチック製であるため、設置に熟練を必要とせず、より迅速に設置できることである。[ 101 ]

インド

インドにおけるバイオガス[ 102 ]は、伝統的に酪農堆肥を原料としており、これらの「ゴバール」ガスプラントは、特にインドの農村部で長年にわたり稼働してきました。過去2～30年の間に、農村部のエネルギー安全保障に重点を置く研究機関は、システムの設計を改良し、ディーナバンドゥモデルのような、より効率的で低コストな新しい設計を生み出しました。ディーナバンドゥモデルは、インドで人気のある新しいバイオガス生産モデルです。（ディーナバンドゥとは「困っている人の友」を意味します。）このユニットは通常、2～3立方メートルの容量を持ちます。レンガまたはフェロセメント混合物を使用して建設されます。インドでは、レンガモデルはフェロセメントモデルよりもわずかに高価ですが、インドの新再生可能エネルギー省は、建設されたモデルごとに一定の補助金を提供しています。

メタン/天然ガスを主成分とするバイオガスは、メチロコッカス・カプスラタス菌を培養することで、村々でタンパク質を豊富に含む牛、鶏、魚の飼料を経済的に生産するために使うこともできる。土地や水資源をほとんど必要としない。 [ 103 ] [ 104 ] [ 105 ]これらの工場から副産物として生産される二酸化炭素ガスは、特にインドのような熱帯の国で藻類養殖から藻類油やスピルリナをより安く生産するために使うことができ、近い将来、原油が主流の地位を奪う可能性がある。[ 106 ] [ 107 ]インド連邦政府は、農村部の農業廃棄物やバイオマスを生産的に利用して農村経済と雇用の可能性を高めるための多くの計画を実施している。[ 108 ] [ 109 ]これらの工場では、非食用バイオマスや食用バイオマスの廃棄物が水質汚染や温室効果ガス（GHG）排出なしに高価値製品に変換される。[ 110 ]

LPG（液化石油ガス）はインドの都市部で主要な調理燃料源であり、その価格は世界の燃料価格とともに上昇している。また、歴代政府が家庭用調理燃料としてLPGを推進するために提供してきた多額の補助金が財政的負担となり、都市部の施設では調理燃料の代替としてバイオガスに再び注目が集まっている。このことが、建設に長い時間を要するRCCやセメント構造物に比べて、モジュール式の導入が可能なプレハブ式消化槽の開発につながった。Biourjaプロセスモデル[ 111 ]のようなプロセス技術への新たな注目により、インドでは中規模および大規模嫌気性消化槽が主要な調理燃料としてのLPGの潜在的な代替として位置づけられている。

インド、ネパール、パキスタン、バングラデシュでは、小規模消化施設で家畜の嫌気性消化によって生成されるバイオガスは、ゴバーガスと呼ばれています。インドでは200万世帯以上、バングラデシュでは5万世帯以上、パキスタン、特に北パンジャブでは畜産業の盛んなことから数千世帯にこのような施設が存在すると推定されています。消化槽は、パイプ接続されたコンクリート製の気密円形ピットです。通常、家畜小屋から直接、家畜糞尿がピットに送られます。ピットには必要な量の廃水が満たされます。ガス管は、制御弁を介して台所の暖炉に接続されます。このバイオガスの燃焼では、臭いや煙がほとんど発生しません。導入が簡単で、村落で安価な原材料を使用できることから、農村部のニーズに対応する最も環境に優しいエネルギー源の1つです。こうしたシステムの1つに、Sintex Digesterがあります。いくつかの設計では、バイオガスプラントで生成されたスラリーをさらに強化し、堆肥として利用するために、ミミズ耕作が用いられています。 [ 112 ]パキスタンでは、農村支援プログラムネットワークがパキスタン国内バイオガスプログラム[ 113 ]を実施しており、5,360基のバイオガスプラント[ 114 ]を設置し、200人以上の石工に技術研修を行い、パキスタンのバイオガス部門の発展を目指しています。ネパールでは、政府が国内バイオガスプラントの建設に補助金を支給しています。

中国

少なくとも2023年時点で、中国は家庭用バイオガスの世界最大の生産国であり、最大の消費国でもある。[ 115 ] : 172 中国は1958年からバイオガスの利用実験を行ってきた。1970年頃には、農業の効率化を目指して600万基の消化槽が設置された。近年、技術は高い成長率を達成している。これは、農業廃棄物からバイオガスを生成する技術開発の最も初期の段階と考えられる。[ 116 ]

中国における農村バイオガス建設は、開発傾向が高まっている。急速な経済発展と中国の深刻な煙霧状態によるエネルギー供給の急増により、バイオガスは農村部にとってより環境に優しいエネルギーとなった。河北省青県では現在、作物のわらを主な原料としてバイオガスを生成する技術が開発されている。 [ 117 ]中国には2007年まで2650万のバイオガスプラントがあり、105億立方メートルのバイオガスを生産していた。2010年には年間バイオガス生産量は2480億立方メートルに増加した。[ 118 ]中国政府は農村バイオガスプロジェクトを支援し、資金を提供してきた。[ 119 ] 2023年現在、3000万以上の中国農村世帯がバイオガス消化装置を使用している。[ 115 ] : 172 冬の間、中国北部のバイオガス生産量は低下する。これは、消化槽の熱制御技術の欠如が原因で、寒冷環境では異なる原料の共消化が完了しなかったためです。[ 120 ]

ザンビア

ザンビアの首都ルサカには200万人の住民がおり、その半数以上が都市周辺地域に居住しています。住民の大部分は便所として汲み取り式トイレを使用しており、年間約22,680トンの糞便汚泥が発生しています。この汚泥は適切に管理されておらず、発生した糞便汚泥の60%以上が住宅地に残留し、環境と公衆衛生の両方に悪影響を及ぼしています。[ 121 ]

ザンビアは1980年代初頭からバイオガスの研究と導入が始まっているにもかかわらず、サハラ以南のアフリカ諸国の中でバイオガスの導入と利用において遅れをとっています。調理や照明用のエネルギー供給には、動物の糞尿や作物の残渣が必要です。資金不足、バイオガスに関する政策・規制枠組み・戦略の欠如、投資家にとって不利な金融政策、専門知識の不足、指導者、金融機関、地元住民におけるバイオガス技術の利点に対する認識不足、地元住民の文化や伝統による変化への抵抗、バイオガス発酵槽の設置・維持費の高さ、研究開発の不足、設置済み発酵槽の不適切な管理と監視の欠如、炭素市場の複雑さ、インセンティブと社会的公平性の欠如などが、ザンビアにおける国内バイオガス生産の獲得と持続可能な実施を妨げている課題の一部です。[ 122 ]

協会

社会と文化

1985年のオーストラリア映画『マッドマックス サンダードーム』では、終末後の集落バータータウンは、養豚場を基盤とした中央バイオガスシステムによって電力を供給されています。メタンガスは電力供給だけでなく、バ​​ーターの車両の燃料としても使用されています。1940年代初頭に執筆された「カウタウン」は、牛の糞尿で大きく発展した都市の苦難と、その結果生じるメタンバイオガスがもたらす苦難を描いています。郊外の町から来たエンジニア、カーター・マコーミックは、このガスを都市のエネルギー源としてではなく、電力供給の補助として活用する方法を見つけるために派遣されます。現代のバイオガス生産は、新技術の開発を活用し、熟練労働者に新たな雇用機会を提供しています。[ 126 ]

参照

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