バイオエネルギー

ルドルフ・ディーゼルは1890年代に圧縮着火エンジンを開発し、最初の成功モデルは1897年に完成した。1900年のパリ万国博覧会では、フランス政府の依頼で、フランスのオットー社が製造した小型ディーゼルエンジンがピーナッツ油で動く実演を行った。このエンジンは普通の油用に設計されていたが、改造なしで植物油でも動いた。

バイオマスとバイオ燃料は長期間貯蔵でき、エネルギーが必要なときにいつでも使えるため、各国の年間を通じたエネルギー安全保障につながる。 ただし、これはバイオ燃料の種類によって左右され、例外もある。 貯蔵できる期間は燃料、配合、貯蔵条件によって大きく異なり、ほかよりずっと安定性の低いバイオ燃料もある ^{[58-64,66,68]}。

たとえば、木質ペレットなどの固形バイオマスは、水分、温度、換気、取り扱いの影響を特に受けやすい。 条件が悪いと生物学的な劣化、エネルギー含有量の低下、自己発熱が起こる一方、乾燥させて適切に換気した状態で保管すれば品質を保てる ^[60,61]。

HVO（水素化処理植物油）のような長期保存向けバイオ燃料は酸化に強く、適切な貯蔵条件が維持されれば、供給業者によると劣化するまで約10年もつとされている ^A。 独立した研究でも、バイオディーゼル - ディーゼル混合燃料に使われた場合を含め、HVOの比較的高い安定性が裏づけられている ^[64]。 FAME（脂肪酸メチルエステル）バイオディーゼルの安定性は脂肪酸組成に大きく左右される：飽和FAMEは一般に不飽和FAMEより安定して長もちするが、これは製造に使う廃棄物によっても異なる。 したがって、バイオ燃料の製造に使う元の原料は、貯蔵期間に大きく影響しうる ^[62,63]。

バイオディーゼルは生分解されやすいが、貯蔵中の劣化は生分解性そのものより、主に酸化と汚染によって起こる。 熱や空気、光、水、特定の金属への接触は劣化を早めるが、酸化防止剤と適切な貯蔵条件はこれを遅らせることができる ^[58,62,63]。 ある研究では、バイオディーゼルは劣化が始まるまで6か月貯蔵でき、1年後にはエンジンでそのまま使えなくなる可能性があると報告されている ^[58,59]。

バイオ燃料を混合すること（例：FAMEバイオディーゼルを石油由来ディーゼルまたはHVOと混ぜること）で安定性を高め、貯蔵期間を延ばし、標準的なエンジン用のドロップイン燃料としての性能も保てるが、結果は使う燃料と混合比によって変わる ^{[58,59,62,64]}。

特別に配合されたナノバイオディーゼルには、酸化されやすさを下げるナノ粒子が加えられており、より長く安定した状態を保てる ^[59]。 また、燃料の燃焼とエネルギー効率を改善し、一部の汚染物質を減らすこともできる。 ただし、その効果は材料、濃度、燃料、エンジンによって異なり、配合によっては窒素酸化物の排出を増やすこともある ^B。

バイオ燃料は通常の化石燃料より保存期間が短い（ただしHVOは注目すべき例外である）。 それでも、風力・太陽光エネルギーによる変動性の問題への対応に役立つ：十分な備蓄と設備があれば、年単位でなく数か月保管したバイオ燃料でも、風力や太陽光の発電量が少ない時期にすぐ出力できる予備電力とエネルギー安全保障を提供できる ^[23,66,68]。 原料とサプライチェーンが持続可能な形で管理されている場合、炭素中立とより広い排出削減の取り組みに貢献できる ^{[19-22,72-76]}。

^A HVO燃料を長もちさせ安全に保管する方法 | Vectec

^B バイオディーゼルの燃焼・燃焼後段階におけるナノテクノロジーの応用 | Renewable and Sustainable Energy Reviews

バイオエネルギーが自動的にカーボンニュートラルになるわけではない。気候への影響は、原料、再生長、土地や資材が他にどう使われたか、サプライチェーンからの排出、放出されたCO₂を再吸収するまでにかかる時間によって決まる。廃棄物や残さを使う方法は比較的排出が少ない場合がある一方、土地利用の変化や再生長の遅い森林の伐採は、何年も何十年も続く炭素負債を生むことがある。

参照: 持続可能なバイオ燃料の炭素会計 - 分析 | IEA

ブラジルでは、大豆やサトウキビの生産を含む農業のために、数百万ヘクタールの熱帯雨林、サバンナ、その他の在来生態系が切り開かれてきた。

Traseは、ブラジルの2020年の大豆収穫を、最近の森林破壊と在来植生の転換による56万2000ヘクタール - 5620平方キロメートル - の土地転換と結びつけた。これにはアマゾンの約7万6400ヘクタールと大西洋岸森林の2万3600ヘクタールが含まれるが、大半はセラードとパンパで起きた。大豆とサトウキビの重要な生産地であるセラード・バイオームでは、特に大規模な土地転換が起きている ^[82,83]。これらの数字は、ブラジルの大豆生産が、かなりの熱帯雨林を含む数千平方キロメートル規模の土地転換と結びついていることを示している。

大豆とサトウキビはどちらも、ブラジルのバイオ燃料産業と関係している ^[78,80,81]。ブラジルのサトウキビの約半分は、エタノールに加工される ^C。大豆は主に家畜飼料用に栽培されるが、副産物として大豆油も生まれ、国内のバイオディーゼルの約70%を供給している ^D。南米全体では、大豆の作付面積は2000年の2640万ヘクタールから2019年には5510万ヘクタールへと2倍以上に増えた ^[82]。これらの作物の拡大は、作物が在来植生に取って代わる場合には直接的に、既存の農地への拡大が牛の放牧やほかの活動を新たに切り開かれた地域へ追いやる場合には間接的に、森林破壊を進めることがある ^[78-82,84]。

ブラジルで大豆に関連する森林破壊は、サトウキビのための直接的な開墾よりかなり大きい ^[80-83]。2009年以降、サトウキビ農業生態学的ゾーニング（ZAE Cana）政策は、アマゾンやパンタナールのような重要なバイオームでのサトウキビ拡大を制限した（ただしこの政策は2019年に廃止され、森林破壊への懸念が高まった） ^[81]。そのためサトウキビ栽培は歴史的に、アマゾン外の中部・南部地域に集中し、既存の農地、劣化した牧草地、またはセラードで行われることが多かった。したがって、アマゾンの熱帯雨林減少への直接的な寄与は、牛や大豆よりはるかに小さい。それでも、セラードや牧草地への拡大は在来植生に取って代わったり、ほかの農業活動を押し出したりして、より広い森林破壊圧力につながることがある ^[78,80,81]。実際、2010年のあるモデル研究は、サトウキビ由来エタノールの拡大が、主に牛の牧草地を森林地域へ押しやることで、2020年までに約5万km²（500万ヘクタール）の森林破壊に間接的に寄与した可能性があると予測した ^[85]。

そのためバイオ燃料需要は、サトウキビ由来エタノールとバイオディーゼル用大豆油の需要を増やすことで、森林破壊につながることがある。ただし、影響を受けた地域すべてをバイオ燃料だけのせいにはできない: 大豆は家畜飼料や食品にも使われ、サトウキビは砂糖にも使われ、転換された植生の多くは熱帯雨林ではなくサバンナや草原だからだ。それでも、大豆に関連する転換の規模と両作物に伴う直接・間接の影響を考えると、正確にバイオ燃料だけの合計ではないにせよ、ブラジルの熱帯雨林の数千平方キロメートルが一部はバイオ燃料作物の供給のために切り開かれた、というのは規模感として妥当な推計である ^[78-84]。

^C ブラジルのサトウキビが砂糖とエタノールに回る割合 | Reuters

^D ブラジルのバイオディーゼルの約70%は大豆由来 | Reuters

追加の読み物:

ブラジルでのサトウキビ急増がアマゾン熱帯雨林に新たな脅威 | Sierra Club

ブラジルのサトウキビ増産はバイオ燃料需要を満たし、森林破壊を進めずに済む: 研究 | Mongabay

訂正：欧州の航空会社が公表したSAFの導入目標と供給契約の約55%は、動物性脂肪、使用済み食用油、その他の廃油を含む使用済み油脂由来になる見込みだ。これは、動画で述べたすでに使われている燃料ではなく、契約や予定されている契約についての説明である。

BECCSが正味マイナス排出を実現できるのは、バイオマスの再成長が大気中のCO₂を本当に吸収し、そのCO₂のうち恒久的に貯蔵される量が、プロセス全体で放出される量を上回る場合だけである。実際には、これはバイオエネルギー施設で出る排出だけで決まるわけではない。供給網や土地利用による排出、長期的な炭素収支も関わる。これには植生や土壌から失われる炭素; バイオマスが再成長するまでの時間; 栽培と肥料、収穫、加工、輸送による排出; CO₂の回収、圧縮、圧入に使うエネルギー、そして回収システムが集められないCO₂も含まれる。メタンや一酸化二窒素など、ほかの温室効果ガスも含めなければならない。したがって最終的な収支は、原料、土地管理、回収率、エネルギー源、対象とする期間によって決まる ^{[72-76,97-102,118-121]}。

長期貯蔵では、回収したCO₂を通常は圧縮し、塩水層や枯渇した石油・ガス貯留層など、地下深部の多孔質な岩石層へ圧入する。実際には、CO₂は大きな地下洞窟や坑道を単に満たすのではなく、岩石の中にある小さなすき間を占める。閉じ込めを維持するには、慎重な場所選び、安全な井戸、圧力管理、監視、長期的な管理が欠かせない ^{[118,127,128]}。

主な漏出の懸念は、回収したCO₂が輸送中や圧入中に逃げること、または後に断層、亀裂、損傷した井戸や密閉が不十分な井戸を通って漏れることである。[125-128]の根拠は主に、起こりうる漏出経路、管理された実験、モデル化、リスク評価に関するものであり; 適切に管理された商用貯蔵地点で漏出が一般的だとは示していない。適切に選ばれ監視された地質層は、圧入されたCO₂のほぼすべてを非常に長い期間にわたって保持すると見込まれるが、リスクをゼロとして扱うことはできない。逃げたCO₂は、大気から除去したとされる総量から差し引き、継続的な監視と対策で対応しなければならない。

微細藻類は、農地ではない土地、劣化地、塩害地、またはほかに価値の低い土地の開放池や密閉型フォトバイオリアクターで育てられるため、普通の食用作物と直接競合しない。適した場所でも十分な光、水、栄養分、CO₂が必要で、必要な土地の広さは藻類の種類、地域の気候、栽培システムによって変わる。藻類は成長が速く、従来のバイオ燃料作物より土地あたり多くの燃料を生産できるため、全体として必要な土地はかなり少なくできる ^[129-134]。

海藻には農地も淡水も必要ない。海藻養殖場は魚や無脊椎動物の一時的な生息地をつくり、余分な栄養分を吸収し、地域の酸素濃度とpHを上げ、波のエネルギーを弱めることができる。生物多様性への効果は、育てる種、養殖場の規模と配置、水の流れ、場所、収穫方法によって決まる。海草藻場など既存の生息地を傷つけたり、外来種を持ち込んだりせずに、慎重に場所を選べばこうした効果を最大化できる ^[135-140]。

微生物燃料電池は、細菌を使って排水中の有機物を分解し、放出された電子を電極へ移して電流を生み出す。有機物を取り除くことは排水の浄化に役立つが、MFCだけで通常は処理のすべての段階を担えるわけではない：残った有機物、栄養塩、病原体を除くため、追加処理が必要になることもある ^[141-144]。

実際には、主な経済的メリットは、ほかで使える大量の余剰電力を生むことよりも、処理に必要な電力を減らすことにあるかもしれない。従来の排水処理では、水に酸素を送り込むためにかなりのエネルギーを使う。MFCは、この曝気の一部を減らしつつ、排水の化学エネルギーの一部を電力として回収できるため、処理施設全体のエネルギー需要を下げられる可能性がある。これらを合わせれば、最終的に排水処理を安くできるかもしれない。しかし今のところ、建設費と材料費が高いため、商用規模でこれが一貫して実証されたわけではない ^[141-143]。

そこに達するには、MFCが発電量を最大化する必要はないかもしれない。つまり、最も多く発電するシステムが、必ずしも最も経済的な処理システムとは限らない。あるテクノ-経済研究では、より安価な電極材料でも、発電量は少ないながら、より費用-効果の高い排水処理を実現できることが分かった ^E。これは、実用的なMFC開発では、最大の発電量より手頃な処理を優先するほうが有利かもしれないことを示している。

ただし、発電量は依然として少なく、特に排水がきれいになり、細菌が消費できる有機物が減るほど低くなる。より大きなシステムでは、電極と膜のコスト、汚れの付着、不均一な性能、長期-信頼性も乗り越えなければならない。1,000-リットルのパイロット研究では、この技術が実際の都市排水で動かせることが示されたが、処理は一部にとどまり、発電量も控えめだった。したがって今のところ、MFCは大きな電力源というより、排水処理と小-規模なエネルギー回収を組み合わせる実験的な方法である ^[141-144]。

^E より費用-効果の高い処理のために発電を犠牲にする：微生物燃料電池を設計するためのテクノ-経済的アプローチ | Chemosphere