バイオディーゼル

バイオディーゼル燃料を使用するフランスの実験的なレジョリス級列車
大豆油またはキャノーラ油とエタノールから生成されるエチルエステルであるステアリン酸エチルエステルの空間充填モデル
脂肪からバイオディーゼルを生成するための一般的な2つの経路。プロセスは主鎖の二重結合の水素化から始まります。その後、エステル交換反応によって脂肪酸メチルエステルが生成されます。C16およびC18のディーゼル燃料は、飽和脂肪の水素化分解によって生成されます。

バイオディーゼルは、再生可能なバイオ燃料であり、ディーゼル燃料の一種で、植物油、動物性脂肪、リサイクルグリースなどの生物由来の長鎖脂肪酸エステルから作られています。通常は脂肪から作られています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

燃料源としてのバイオディーゼルの起源は、ルドルフ・ディーゼルによるディーゼルエンジンの開発に先立つ1853年、J・パトリックとE・ダフィーが初めて植物油のエステル交換反応を行ったことに遡ります。 [ 4 ]ディーゼルのエンジンは当初鉱油用に設計されていましたが、1900年のパリ万博でピーナッツ油で動作することに成功しました。この画期的な出来事は、代替燃料源としての植物油の可能性に光を当てました。植物油を燃料として使用することへの関心は、特に第二次世界大戦などの資源が制限された時期に、定期的に再浮上しました。しかし、高粘度やその結果生じるエンジン堆積物などの課題が大きな障害でした。現代のバイオディーゼルは、植物油を燃料用に変換する方法が発見された1930年代に登場し、現代のバイオディーゼル生産の基礎が築かれました。

バイオディーゼルの物理的および化学的特性は、その原料と製造方法によって異なります。業界団体である全米バイオディーゼル委員会は、「バイオディーゼル」をモノアルキルエステルと定義しています。[ 5 ]バイオディーゼルは、鉄道機関車や発電機で実験的に使用されています。一般的に、石油ディーゼルよりも沸点と引火点が高いという特徴を持つバイオディーゼルは、わずかに水と混和し、独特の潤滑特性を持っています。発熱量は標準的なディーゼルよりも約9%低く、燃費に影響を与えます。バイオディーゼルの生産は大きく進化しており、初期の方法では植物油を直接使用していましたが、より高度な方法ではエステル交換反応により粘度を下げ、燃焼特性を改善しています。特に、バイオディーゼル生産では副産物としてグリセロールが生成されますが、これは独自の商業用途があります。

バイオディーゼルの主な用途は輸送分野です。既存のディーゼルエンジンや流通インフラと互換性のある、ドロップインバイオ燃料にするための取り組みが進められてきました。しかし、多くのエンジンは純粋なバイオディーゼルのままでは作動しないため、通常は石油ディーゼルと混合され、その割合は典型的には10%未満です。[ 6 ] [ 7 ]バイオディーゼルの混合率は「B」という係数で示されます。B100は純粋なバイオディーゼルを表し、B20のような混合燃料は20%のバイオディーゼルを含み、残りは従来の石油ディーゼルです。これらの混合燃料は、バイオディーゼルの環境的利点と標準的なディーゼル燃料の性能特性のバランスをとっています。バイオディーゼル混合燃料は暖房用燃料として使用できます。

バイオディーゼルの環境への影響は複雑であり、原料の種類、土地利用の変化、生産方法などの要因によって異なります。バイオディーゼルは化石燃料と比較して温室効果ガスの排出量を削減できる可能性がありますが、土地利用の変化、森林破壊、そして食料と燃料のどちらを選ぶかという議論など、懸念事項も存在します。この議論は、バイオディーゼル生産が食料価格と供給に与える影響、そして全体的な炭素排出量に焦点を当てています。これらの課題にもかかわらず、バイオディーゼルは化石燃料への依存を減らし、気候変動の影響を緩和するための世界戦略において、依然として重要な要素となっています。

ブレンド

バイオディーゼルサンプル

バイオディーゼルと従来の炭化水素系ディーゼルの混合燃料は、小売ディーゼル燃料市場で最も一般的に流通しています。世界の多くの国では、燃料混合物中のバイオディーゼル含有量を示すために「Bファクター」と呼ばれるシステムが使用されています。[ 8 ]

  • 100%バイオディーゼルはB100と呼ばれます
  • 20%バイオディーゼル、80%石油ディーゼルはB20と表示される[ 6 ]
  • 10%バイオディーゼル、90%石油ディーゼルはB10と表示される
  • 7%バイオディーゼル、93%石油ディーゼルはB7と表示される
  • 5%バイオディーゼル、95%石油ディーゼルはB5と表示される
  • 2%バイオディーゼル、98%石油ディーゼルはB2と表示される

バイオディーゼル20%以下の混合物は、ディーゼル機器に全く、あるいはわずかな改造のみで使用できますが[ 9 ]、一部のメーカーは、これらの混合物によって機器が損傷した場合の保証期間を延長していません。B6からB20までの混合物は、ASTM D7467規格でカバーされています。[ 10 ]バイオディーゼルは純粋な形（B100）でも使用できますが、メンテナンスや性能の問題を回避するために、エンジンに一定の改造が必要になる場合があります。[ 11 ] B100と石油系ディーゼルの混合は、以下の方法で行うことができます。

  • タンクローリーに搬送する前に製造拠点でタンク内で混合する
  • タンクローリー内でのスプラッシュミキシング（バイオディーゼルと石油ディーゼルを一定の割合で添加）
  • インライン混合では、2 つのコンポーネントが同時にタンクローリーに到着します。
  • 定量ポンプ混合、石油ディーゼルおよびバイオディーゼルメーターは、X 総量に設定されています。

技術基準

バイオディーゼルには、欧州規格EN 14214、ASTM International D6751、カナダ国家規格 CAN/CGSB-3.524 など、品質に関するさまざまな規格があります。

ASTM D6751（米国材料試験協会）は、中間留分燃料を混合したバイオディーゼルに関する規格と仕様を詳述しています。この規格では、バイオディーゼル混合物の特定の特性を測定するために用いられる様々な試験方法が規定されています。記載されている試験には、引火点や動粘度などが含まれます。[2]

歴史的背景

ルドルフ・ディーゼル

植物油のエステル交換反応は、最初のディーゼルエンジンが実用化される40年前の1853年にパトリック・ダフィーによって既に行われていました。 [ 12 ] [ 13 ]ランプ油を製造する初期のプロセスは特許を取得していましたが（1810年、プラハ）、査読付きの出版物には掲載されていませんでした。ルドルフ・ディーゼルの主力モデルは、底部にフライホイールを備えた10フィート（3.05メートル）の鉄製シリンダー1本で、1893年8月10日にドイツのアウクスブルクで初めて自走し、ピーナッツ油のみを燃料としました。この出来事を記念して、8月10日は「国際バイオディーゼルの日」と定められています。[ 14 ]

ディーゼルはピーナッツ油で動くエンジンを設計したとよく言われるが、これは事実ではない。ディーゼルは発表した論文の中で、「1900年のパリ万国博覧会（Exposion Universelle）で、オットー社が小型ディーゼルエンジンを展示した。フランス政府の要請により、このエンジンはアラキド（ピーナッツ油、バイオディーゼル参照）で作動し、非常にスムーズに作動したため、その存在に気づいた人はほとんどいなかった。このエンジンは鉱油で作動するように設計されていたが、その後、一切の改造を加えずに植物油で作動させた。当時のフランス政府は、アフリカの植民地で大量に生育し、容易に栽培できるアラキド（ピーナッツ油）の発電への応用可能性を試験することを考えていた」と述べている。ディーゼル自身も後に関連試験を行い、このアイデアを支持したようだ。[ 15 ] 1912年の演説でディーゼルは「エンジン燃料としての植物油の使用は今日では重要ではないと思われるかもしれないが、そのような油は、時間の経過とともに、現在の 石油やコールタール製品と同じくらい重要になるかもしれない」と述べた。

石油由来のディーゼル燃料が広く使用されているにもかかわらず、1920年代から30年代、そして第二次世界大戦後には、多くの国で内燃機関の燃料として植物油への関心が報告されています。ベルギー、フランス、イタリア、英国、ポルトガル、ドイツ、ブラジル、アルゼンチン、日本、中国では、この時期に植物油をディーゼル燃料としてテストし、使用したと報告されています。石油由来のディーゼル燃料と比較して植物油の粘度が高いために、燃料スプレー内の燃料の霧化が悪く、インジェクター、燃焼室、バルブに堆積物やコークス化が発生することが多く、いくつかの操作上の問題が報告されています。これらの問題を克服する試みには、植物油の加熱、石油由来のディーゼル燃料またはエタノールとの混合、油の 熱分解およびクラッキングが含まれていました。

1937年8月31日、ブリュッセル大学（ベルギー）のジョルジュ・シャヴァンヌは、「燃料用植物油の変換方法」（フランス語：Procédé de Transformation d'Huiles Végétales en Vue de Leur Utilisation comme Carburants）に関する特許（ベルギー特許第422,877号）を取得しました。この特許は、エタノール（メタノールにも言及）を用いた植物油のアルコール分解（しばしばエステル交換反応とも呼ばれる）によってグリセロールから脂肪酸を分離し、グリセロールを短鎖直鎖アルコールに置換する方法を規定しています。これは、今日「バイオディーゼル」として知られるものの製造に関する最初の記述であると考えられます。[ 16 ]これは、18世紀にランプ油を製造するために使用された特許取得済みの方法に類似（模倣）しており、一部は古い歴史的な石油ランプにヒントを得たものと考えられます。

より近年では、1977年にブラジルの科学者エクスペディト・パレンテがバイオディーゼル生産のための最初の工業プロセスを発明し、特許を申請しました。[ 17 ]このプロセスは国際基準でバイオディーゼルに分類され、「標準化されたアイデンティティと品質」を付与します。他のバイオ燃料の提案は自動車業界で検証されていません。[ 18 ] 2010年現在、パレンテの会社Tecbioは、ボーイング社およびNASAと協力して、ブラジルの科学者が製造し特許を取得した別の製品であるバイオケロシン（バイオ灯油）の認証に取り組んでいます。[ 19 ]

エステル交換されたひまわり油の利用とそれをディーゼル燃料基準に精製する研究は、1979年に南アフリカで開始されました。1983年までに、燃料品質でエンジンテスト済みのバイオディーゼルを製造するプロセスが完成し、国際的に発表されました。[ 20 ]オーストリアの会社であるガスコックスが南アフリカ農業技術者から技術を取得し、1987年11月に最初のバイオディーゼルパイロットプラントを建設し、1989年4月には最初の産業規模のプラント（年間 菜種3万トンの生産能力）を建設しました。

1990年代を通じて、チェコ共和国、ドイツ、スウェーデンなど、多くのヨーロッパ諸国で工場が開設されました。フランスは、菜種油からバイオディーゼル燃料（ジエステルと呼ばれる）の現地生産を開始しました。これは、通常のディーゼル燃料に5%、一部の自家用車（公共交通機関など）が使用するディーゼル燃料に30%混合されます。ルノー、プジョー、その他のメーカーは、そのレベルまでの部分バイオディーゼルでの使用をトラックエンジンに認定しており、50%のバイオディーゼルの実験が進行中です。同時期に、世界の他の地域の国々でもバイオディーゼルの現地生産が開始されました。1998年までに、オーストリアバイオ燃料研究所は、商業バイオディーゼルプロジェクトを実施している国を21か国特定しました。現在、ヨーロッパ各地の多くの一般的なサービスステーションで100%バイオディーゼルが購入できます。

プロパティ

バイオディーゼルの色は、製造方法や燃料の製造に使用される原料によって、透明から金色、濃い茶色まで様々です。これにより、得られる燃料の特性も変化します。[ 21 ]一般的に、バイオディーゼルは水とわずかに混和し、沸点が高く、蒸気圧が低いです。バイオディーゼルの引火点は130℃（266°F）を超えることもあり、[ 22 ]石油ディーゼルの引火点は52℃（126°F）程度と低い場合があり、それよりも大幅に高くなります。[ 23 ] [ 24 ]バイオディーゼルの密度は約0.88 g/cm 3で、石油ディーゼル（約0.85 g/cm 3 ）よりも高くなります。[ 23 ] [ 24 ]

バイオディーゼルの発熱量は約37.27 MJ/kgです。[ 25 ]これは通常の2号石油ディーゼルよりも9%低い値です。バイオディーゼルのエネルギー密度の変動は、製造プロセスよりも原料の種類に大きく依存します。それでも、これらの変動は石油ディーゼルよりも小さいです。[ 26 ]バイオディーゼルは潤滑性が高く、完全燃焼性が高いため、エンジンのエネルギー出力が向上し、石油ディーゼルの高いエネルギー密度を部分的に補うと言われています。[ 27 ]

バイオディーゼルには硫黄がほとんど含まれておらず[ 28 ]、石油ディーゼルで潤滑性の多くを担う硫黄化合物が含まれていないにもかかわらず、低硫黄ディーゼル燃料に比べて潤滑性とセタン価が高く、潤滑を助ける超低硫黄ディーゼル（ULSD）燃料の添加剤として使用されることが多い。 [ 29 ]潤滑性が高いバイオディーゼル燃料は、潤滑のために燃料を必要とする高圧燃料噴射装置の耐用年数を延ばす可能性がある。エンジンによっては、高圧噴射ポンプ、ポンプインジェクター（ユニットインジェクターとも呼ばれる）、燃料インジェクターなどが含まれる場合がある。

古いディーゼル メルセデスはバイオディーゼルで走行することで人気があります。

アプリケーション

バイオディーゼルを輸送する Targray Biofuels の鉄道車両。

バイオディーゼルは純粋な形（B100）で使用できますが、ほとんどの噴射ポンプ式ディーゼルエンジンでは、任意の濃度で石油ディーゼルと混合できます。新しい超高圧（29,000 psi）コモンレールエンジンには、メーカーによってB5またはB20という厳格な工場制限があります。[ 30 ]バイオディーゼルは石油ディーゼルとは異なる溶剤特性があり、車両（主に1992年以前に製造された車両）の天然ゴム製ガスケットとホースを劣化させますが、これらは自然に摩耗する傾向があり、バイオディーゼルと反応しないFKMに既に交換されている可能性が高いです。バイオディーゼルは、石油ディーゼルが使用された燃料ラインの残留物の堆積を分解することが知られています。[ 31 ]その結果、純粋なバイオディーゼルに急速に移行すると、燃料フィルターが粒子で詰まる可能性があります。したがって、バイオディーゼル混合物に初めて切り替えた後は、エンジンとヒーターの燃料フィルターをすぐに交換することをお勧めします。[ 32 ]

分布

2005年のエネルギー政策法の成立以来、米国ではバイオディーゼルの使用が増加している。[ 33 ]英国では、再生可能輸送燃料義務により、供給業者は2010年までに英国で販売されるすべての輸送燃料に5%の再生可能燃料を含めることが義務付けられている。道路用ディーゼルの場合、これは実質的に5%のバイオディーゼル（B5）を意味する。

車両の使用とメーカーの承認

2005年、クライスラー（当時はダイムラークライスラーの一部門）は、ジープ・リバティCRDディーゼルを5%のバイオディーゼル混合燃料で欧州市場に投入した。これは、バイオディーゼルがディーゼル燃料添加剤として少なくとも部分的に受け入れられていることを示している。[ 34 ] 2007年、ダイムラークライスラーは、米国のバイオ燃料の品質が標準化されれば、保証範囲を20%のバイオディーゼル混合燃料にまで拡大する意向を示した。[ 35 ]

フォルクスワーゲングループは、同社の複数の車両が菜種油由来のB5およびB100燃料に対応しており、 EN 14214規格にも適合していることを示す声明を発表しました。指定されたバイオディーゼル燃料を同社の車両に使用しても、保証は無効になりません。[ 36 ]

メルセデス・ベンツは、「製造上の欠陥」を懸念し、バイオディーゼル（B5）を5%以上含むディーゼル燃料の使用を禁止しています。[ 37 ]このような非承認燃料の使用によって生じた損害は、メルセデス・ベンツの限定保証の対象外となります。

2004年、ノバスコシア州ハリファックス市はバスシステムを更新し、市営バスの全車両を魚油由来のバイオディーゼル燃料で運行することを決定しました。当初は機械的な問題が発生しましたが、数年にわたる改良を経て、全車両をバイオディーゼル燃料に切り替えました。[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]

2007年、英国マクドナルドは、店舗から排出される廃油からバイオディーゼル燃料を生産し、車両の燃料として使用すると発表しました。[ 41 ]

2014年式シボレークルーズクリーンターボディーゼルは、工場出荷時に最大B20（バイオディーゼル20％と通常のディーゼル80％の混合）のバイオディーゼル適合性評価を受ける予定である[ 42 ]。

鉄道の利用

マウント・ワシントン鉄道のバイオディーゼル機関車とその外部燃料タンク

英国の鉄道運行会社ヴァージン・トレインズ・ウェストコーストは、クラス220を80%の石油ディーゼルと20%のバイオディーゼルで走行するように改造し、英国初の「バイオディーゼル列車」を運行したと主張した。[ 43 ] [ 44 ]

2007年9月15日、英国ロイヤルトレインは、グリーン・フューエルズ社が供給した100%バイオディーゼル燃料で運行された初の旅を完遂しました。チャールズ皇太子とグリーン・フューエルズ社のマネージング・ディレクター、ジェームズ・ハイゲート氏は、バイオディーゼル燃料のみで運行された列車に初めて乗車した乗客でした。2007年以来、ロイヤルトレインはB100（100%バイオディーゼル燃料）で運行を続けています。[ 45 ]政府の白書では、英国鉄道の大部分をバイオディーゼル燃料に転換することが提案されましたが、その後、さらなる電化が優先され、この提案は撤回されました。[ 46 ]

同様に、ワシントン州東部の州営短距離鉄道は、2008年の夏に線路沿いのバイオディーゼル生産者から燃料を購入し、バイオディーゼル25%と石油ディーゼル75%の混合燃料の試験運行を行った。[ 47 ]この列車は、短距離鉄道が通っている農業地域で栽培された キャノーラから一部作られたバイオディーゼルで動く。

2007年、ディズニーランドはパーク内の列車をB98（98%バイオディーゼル燃料）で運行し始めました。このプログラムは保管上の問題により2008年に中止されましたが、2009年1月には、パーク内で回収した使用済み食用油から製造したバイオディーゼル燃料ですべての列車を運行すると発表されました。これは、それまで大豆由来のバイオディーゼル燃料を使用していた列車の運行からの転換です。[ 48 ]

2007年、歴史あるワシントン山鉄道は、全蒸気機関車群にバイオディーゼル機関車を導入しました。この機関車群は1868年以来、ニューハンプシャー州ワシントン山の西斜面を登り続け、最高標高差は37.4度に達しています。[ 49 ]

2009年、グランドキャニオン鉄道は使用済み食用油を使用して機関車4960号を運行し始めました。

2014年7月8日[ 50 ] 、当時のインド鉄道大臣DVサダナンダ・ゴウダは鉄道予算の中で、インド鉄道のディーゼルエンジンに5%のバイオディーゼルを使用すると発表した。[ 51 ]

暖房用オイルとして

バイオディーゼルは家庭用や業務用のボイラーの暖房燃料としても使用可能で、暖房用オイルとバイオ燃料の混合物として標準化されており、輸送用ディーゼル燃料とは若干異なる課税がなされている。バイオヒート燃料は、バイオディーゼルと従来の暖房用オイルを独自にブレンドしたものである。バイオヒートは、米国ではNational Biodiesel Board [NBB] とNational Oilheat Research Alliance [NORA]、カナダではColumbia Fuelsの登録商標である。 [ 52 ]暖房用バイオディーゼルは様々なブレンドで入手可能である。ASTM 396は、最大5%のバイオディーゼルのブレンドを純粋な石油暖房用オイルと同等と認めている。多くの消費者は、最大20%のバイオ燃料をブレンドした燃料を使用している。このようなブレンドが性能に影響するかどうかを調べる研究が進行中である。

古い燃焼炉には、バイオディーゼルの溶剤特性の影響を受けるゴム部品が含まれている場合がありますが、それ以外はバイオディーゼルを燃焼させることができ、変換は必要ありません。ただし、石油ディーゼル燃料が残したワニスが放出され、パイプを詰まらせる可能性があるため、注意が必要です。燃料のろ過と迅速なフィルター交換が必要です。もう一つの方法は、バイオディーゼルを混合燃料として使い始めることです。石油の割合を徐々に減らしていくことで、ワニスが徐々に剥がれ落ち、詰まりにくくなります。バイオディーゼルの強力な溶剤特性により、燃焼炉は洗浄され、一般的に効率が向上します。[ 53 ]

マサチューセッツ州知事デヴァル・パトリックの下で可決された法律では、同州内のすべての家庭用暖房ディーゼル燃料を2010年7月1日までに2%、2013年までに5%のバイオ燃料にすることを義務付けている。[ 54 ]ニューヨーク市も同様の法律を可決している。

油流出の清掃

油流出コストの 80～90% が海岸の浄化に投入されているため、海岸から油流出を除去するためのより効率的で費用対効果の高い方法が模索されています。[ 55 ]バイオディーゼルは、脂肪酸の供給源に応じて、原油を大幅に溶解する能力があることがわかっています。実験室環境では、汚染された海岸を模擬した油で覆われた堆積物にバイオディーゼルを 1 回噴霧し、模擬潮にさらしました。[ 56 ]バイオディーゼルはメチルエステル成分を含んでいるため、原油の粘度を大幅に下げ、油を効果的に溶解します。また、原油よりも浮力が高いため、後で除去しやすくなります。その結果、玉石や細砂から 80%、粗い砂から 50%、砂利から 30% の油が除去されました。バイオディーゼルは生分解性が高く、混合物の表面積が広く露出している ため、残った混合物も簡単に分解されます。

発電機のバイオディーゼル

バイオディーゼルはレンタル発電機にも使用されている

2001年、カリフォルニア大学リバーサイド校は、バイオディーゼル燃料のみで稼働する6メガワットのバックアップ電源システムを導入しました。ディーゼル燃料を燃料とするバックアップ発電機は、企業が重要な業務の停止による損害を回避するのに役立ちますが、その代償として、高い汚染と排出ガスの増加を招く可能性があります。B100を使用することで、これらの発電機はスモッグ、オゾン、硫黄の排出につながる副産物を実質的に排除することができました。[ 57 ]学校、病院、そして一般市民の周囲の住宅地でこれらの発電機を使用することで、有毒な一酸化炭素と粒子状物質の排出量が大幅に削減されます。[ 58 ]

効果

燃費効率

バイオディーゼルの出力は、その混合比、品質、そして燃料が燃焼される負荷条件によって異なります。例えば、B100とB20の熱効率は、混合比の違いによってエネルギー含有量が異なるため異なります。燃料の熱効率は、粘度、比重、引火点といった燃料特性に一部依存しており、これらの特性は混合比やバイオディーゼルの品質によって変化します。米国材料試験協会（ASTS）は、特定の燃料サンプルの品質を判断するための基準を定めています。[ 59 ]

ある研究では、B40のブレーキ熱効率は、高圧縮比において従来の石油燃料よりも優れていることが示されました（この高いブレーキ熱効率は、圧縮比21:1で記録されました）。圧縮比が上昇するにつれて、試験されたすべての燃料タイプ（および混合燃料）の効率が向上しましたが、圧縮比21:1において、B40の混合燃料が他のすべての混合燃料よりも最も経済的であることが判明しました。この研究では、この効率の向上は、燃料の密度、粘度、および発熱量によるものであると示唆されています。[ 60 ]

燃焼

最近のディーゼルエンジンの燃料システムはバイオディーゼルに対応するように設計されていないものもありますが、多くの大型エンジンは B20 までのバイオディーゼルブレンドで作動できます。[ 6 ]従来の直接噴射燃料システムはインジェクターの先端でおよそ 3,000 psi で作動しますが、現代のコモンレール燃料システムはインジェクターの先端で 30,000 PSI 以上で作動します。部品は氷点下から 1,000 °F (560 °C) 以上までの広い温度範囲で作動するように設計されています。ディーゼル燃料は効率的に燃焼し、できるだけ排出物を少なくすることが期待されています。排出基準がディーゼルエンジンに導入されるにつれて、有害な排出物を制御する必要性がディーゼルエンジン燃料システムのパラメータに設計に組み込まれています。従来のインライン噴射システムは、コモンレール燃料システムとは対照的に、低品質の燃料に対してより寛容です。コモンレールシステムの高圧と厳しい許容誤差により、霧化と噴射タイミングをより細かく制御できます。燃焼だけでなく霧化の制御も、現代のディーゼルエンジンの効率向上と排出ガス規制の強化に寄与しています。ディーゼル燃料システム内のコンポーネントは、燃料と相互作用することで、燃料システムひいてはエンジンの効率的な動作を確保しています。特定の動作パラメータを持つシステムに規格外の燃料が導入されると、燃料システム全体の健全性が損なわれる可能性があります。噴霧パターンや霧化などのパラメータは、噴射タイミングに直接関連しています。[ 61 ]

ある研究によると、バイオディーゼルとその混合物は、霧化の過程で、従来の石油ディーゼルによって生成される液滴よりも直径の大きい液滴を生成することがわかった。液滴が小さくなったのは、従来のディーゼル燃料の粘度と表面張力が低いためである。噴霧パターンの周辺の液滴は、中央の液滴よりも直径が大きいことがわかった。これは、噴霧パターンの端で圧力降下が速いためであり、液滴サイズとインジェクターの先端からの距離には比例関係があった。B100の噴霧浸透が最も大きかったのは、B100の密度が高いためであることが判明した。[ 62 ]液滴サイズが大きいと、燃焼の非効率性、排出量の増加、馬力の低下につながる可能性がある。別の研究では、バイオディーゼルを噴射する際に短い噴射遅延があることが判明した。この噴射遅延は、バイオディーゼルの粘度が高いことに起因していた。バイオディーゼルは従来の石油ディーゼルに比べて粘度が高くセタン価も高いため、点火遅延期間中に混合気の霧化が悪く、空気が浸透しにくいことが指摘されている。 [ 63 ]別の研究では、この点火遅延がNOx排出量の減少に役立つ可能性があることが指摘されている。[ 64 ]

排出量

ディーゼル燃料の燃焼には、米国環境保護庁（EPA）によって規制されている排出ガスが伴います。これらの排出ガスは燃焼プロセスの副産物であるため、EPAの規制を遵守するためには、燃料システムは燃料の燃焼を制御するだけでなく、排出ガスの緩和も可能でなければなりません。ディーゼル排出ガスの生成を抑制するために、いくつかの新しい技術が段階的に導入されています。排気ガス再循環システム（EGR）とディーゼル微粒子除去装置（DPF）は、どちらも有害な排出ガスの生成を軽減するように設計されています。[ 65 ]

バイオディーゼル燃料の製造に用いられる原料は、市販のディーゼル燃料と混合した場合でも、結果として生じる排気ガスおよび粒子状物質の排出量を大幅に変える可能性がある。[ 66 ] [ 67 ] 。 [ 68 ]全北国立大学が実施した調査では、B30バイオディーゼル混合物は、一酸化炭素排出量を約83％、粒子状物質排出量を約33％削減したという結論に達した。しかし、EGRシステムを適用しないとNO x排出量が増加することが判明した。また、この調査では、EGRを使用すると、B20バイオディーゼル混合物によりエンジンの排出量が大幅に削減されると結論付けている。[ 69 ]さらに、カリフォルニア大気資源局の分析によると、試験された燃料（超低硫黄ディーゼル、ガソリン、トウモロコシ由来のエタノール、圧縮天然ガス、および様々な原料からの5種類のバイオディーゼル）の中で、バイオディーゼルの炭素排出量が最も低いことが判明した。大豆、獣脂、キャノーラ油、トウモロコシ、使用済み食用油のうち、大豆の二酸化炭素排出量が最も高く、使用済み食用油の二酸化炭素排出量が最も低かった。[ 70 ]

バイオディーゼルがディーゼル粒子フィルターに及ぼす影響を研究した結果、炭酸ナトリウムと炭酸カリウムの存在が灰の触媒的転換を促進するものの、ディーゼル粒子が触媒されるとDPF内に集まり、フィルターのクリアランスを妨げる可能性があることがわかった。これによりフィルターが詰まり、再生プロセスが妨げられる可能性がある。[ 71 ]ジャトロパバイオディーゼルの混合物によるEGR率の影響に関する研究では、EGRシステム搭載のディーゼルエンジンでバイオディーゼルを使用すると、燃費とトルク出力が低下することが示された。排気ガス再循環の増加に伴いCOとCO2排出量は増加するが、 NOxレベルは低下することが判明した。ジャトロパ混合物の不透明度レベルは許容範囲内であったが、従来のディーゼルは許容基準外であった。EGRシステムによりNOx排出量の減少が得られることが示された。この研究では、EGRシステムの特定の動作範囲内で従来のディーゼルよりも優れていることが示されました。[ 72 ]

2017年現在、混合バイオディーゼル燃料（特にB5、B8、B20）は、多くの大型車両、特に米国の都市の路線バスで定期的に使用されています。排出ガス特性評価では、通常のディーゼル燃料と比較して排出量が大幅に削減されていることが示されています。[ 6 ]

材料の適合性

  • プラスチック：高密度ポリエチレン（HDPE）は適合性があるが、ポリ塩化ビニル（PVC）はゆっくりと分解し[ 8 ]、ポリスチレンは接触すると溶解する。
  • 金属：バイオディーゼル（メタノールなど）は銅ベースの材料（例：真鍮）に影響を与え、亜鉛、スズ、鉛、鋳鉄にも影響を与えます。[ 8 ]ステンレス鋼（316と304）とアルミニウムは影響を受けません。
  • ゴム：バイオディーゼルは、一部の古いエンジン部品に使用されている天然ゴムにも影響を与えます。また、過酸化物と卑金属酸化物で硬化したフッ素化エラストマー（FKM）は、バイオディーゼルが酸化によって安定性を失うと劣化する可能性があることも研究で明らかになっています。現代の車両に一般的に使用されている合成ゴムであるFKM-GBL-SとFKM-GF-Sは、あらゆる条件下でバイオディーゼルに耐えることが確認されています。[ 73 ]

生産

大豆から作られた純粋なバイオディーゼル（B-100）

バイオディーゼルは、一般的に植物油や動物性脂肪原料と、揚げ油などの他の非食用原料とのエステル交換によって生産されます。このエステル交換反応を行うには、一般的なバッチプロセス、不均一触媒、 [ 74 ]超臨界プロセス、超音波法、さらにはマイクロ波法など、いくつかの方法があります。

化学的には、エステル交換バイオディーゼルは、長鎖脂肪酸のモノアルキルエステルの混合物で構成されています。最も一般的な形式では、入手可能なアルコールの中で最も安価なメタノール（メトキシドナトリウムに変換）を使用してメチルエステル（一般に脂肪酸メチルエステル（FAME）と呼ばれる）を生成しますが、エタノールを使用してエチルエステル（一般に脂肪酸エチルエステル（FAEE）と呼ばれる）バイオディーゼルを生成することもできます。また、イソプロパノールやブタノールなどの高級アルコールも使用されています。分子量の大きいアルコールを使用すると、結果として得られるエステルの低温流動性が向上しますが、エステル交換反応の効率は低下します。脂質エステル交換製造プロセスを使用して、ベースオイルを目的のエステルに変換します。ベースオイル内の遊離脂肪酸（FFA）は、石鹸に変換されてプロセスから除去されるか、酸性触媒を使用してエステル化されます（より多くのバイオディーゼルが生成されます）。この処理により、バイオディーゼルは純粋な植物油とは異なり、石油ディーゼルと非常によく似た燃焼特性を持つようになり、現在のほとんどの用途において石油ディーゼルの代替として使用することができます。

ほとんどのバイオディーゼル生産プロセスで使用されるメタノールは、化石燃料を原料として製造されています。しかし、二酸化炭素やバイオマスを原料として製造される再生可能メタノールもあり、それらの生産プロセスは化石燃料を使用しません。[ 75 ]

エステル交換プロセスの副産物としてグリセロールが生成されます。バイオディーゼル1トン製造されるごとに、100kgのグリセロールが生成されます。当初、グリセロールには貴重な市場があり、プロセス全体の経済性を支えていました。しかし、世界的なバイオディーゼル生産の増加に伴い、この粗グリセロール（20%の水分と触媒残留物を含む）の市場価格は暴落しました。このグリセロールを化学構成要素として利用する研究が世界中で行われています（Wikipediaの「グリセロール」の化学中間体を参照）。英国では、グリセロールチャレンジという取り組みが進められています。[ 76 ]

通常、この粗グリセロールは、典型的には真空蒸留によって精製する必要があります。これはかなりのエネルギーを消費します。精製されたグリセロール（純度98%以上）は、そのまま利用することも、他の製品に転換することもできます。2007年には、以下の発表がありました。アッシュランド社とカーギル社の合弁会社は、ヨーロッパでグリセロールからプロピレングリコールを製造する計画を発表しました[ 77 ]。また、ダウ・ケミカル社も北米で同様の計画を発表しました[ 78 ] 。ダウ社はまた、中国にグリセロールからエピクロロヒドリンを製造する工場を建設する計画です[ 79 ] 。エピクロロヒドリンはエポキシ樹脂の原料です。

2005年の世界バイオディーゼル生産量は380万トンに達した。バイオディーゼル生産量の約85%は欧州連合（EU）からのものである。[ 80 ]

生産レベル

実際の生産量が入手可能な最新の年である2006年の世界全体のバイオディーゼル生産量は約500万～600万トンで、そのうち490万トンがヨーロッパで生産され（うち270万トンはドイツ産）、残りの大部分は米国で生産された。2007年にはバイオディーゼル生産能力が急速に増加し、2002年から2006年までの平均年成長率は40%を超えた。[ 81 ]

2008年には、ヨーロッパだけで780万トンの生産量に増加しました。[ 82 ] 2008年のヨーロッパの生産能力は合計1600万トンでした。これは、米国とヨーロッパのディーゼル需要が約4億9000万トン（1470億ガロン）であるのとほぼ同等です。[ 83 ]

2009年7月、ヨーロッパ、特にドイツの生産者との競争のバランスを取るために、欧州連合（EU）におけるアメリカの輸入バイオディーゼルに関税が追加された。[ 84 ] [ 85 ] 2005～2006年の世界の全用途植物油生産量は約1億1000万トンで、パーム油と大豆油 はそれぞれ約3400万トンであった。[ 86 ]

2011年の米国のバイオディーゼル生産は、業界に新たな節目をもたらしました。EPA再生可能燃料基準に基づき、バイオディーゼル生産工場には目標が設定され、総需要に対する生産量を監視・記録するようになりました。EPAが発表した年末データによると、2011年のバイオディーゼル生産量は10億ガロンを超え、EPAが設定した目標値8億ガロンを大きく上回りました。

2018年現在、インドネシアは年間350万トンのパーム油由来のバイオ燃料を生産する世界最大の供給国であり、[ 87 ] [ 88 ]、約100万トンのバイオディーゼルを輸出すると予想されています。[ 89 ] 2020年の生産量は約120億ガロンになると予想されています。[ 90 ]

バイオディーゼル原料

バイオディーゼルの製造には、様々な油が使用できます。以下に挙げるものが含まれます。

多くの支持者は、廃棄植物油がバイオディーゼルを生産するための最良の油源であると主張しているが、利用可能な供給量は世界中で輸送や家庭暖房に燃やされる石油ベースの燃料の量よりも大幅に少ないため、このローカルな解決策は現在の消費速度に対応できない可能性がある。

動物性脂肪は、肉の生産と調理の副産物です。脂肪だけを目的として動物を飼育（または魚を捕獲）するのは効率的ではありませんが、副産物の利用は畜産業（豚、牛、鶏）に付加価値をもたらします。今日では、多様な原料を原料とするバイオディーゼル施設で、高品質の動物性脂肪ベースのバイオディーゼルが生産されています。[ 96 ] [ 97 ]現在、米国では500万ドル規模の工場が建設中で、地元のタイソン養鶏場で年間生産される推定10億kg（22億ポンド）の鶏脂の一部から、1140万リットル（300万ガロン）のバイオディーゼルを生産する予定です。[ 98 ]同様に、いくつかの小規模バイオディーゼル工場では、廃棄魚油を原料として利用しています。[ 99 ] [ 100 ] EU資金提供プロジェクト（ENERFISH）によると、ベトナムのナマズ（バサ、パンガシウスとも呼ばれる）からバイオディーゼルを生産する工場では、81トンの魚廃棄物（130トンの魚由来）から1日13トンのバイオディーゼルを生産できる可能性がある。このプロジェクトでは、バイオディーゼルを水産加工工場の熱電併給発電ユニットの燃料として利用し、主に魚の冷凍工場の電力として利用している。[ 101 ]

必要な原料の量

現在、世界全体で生産されている植物油と動物性脂肪は、液体化石燃料の使用を代替するには不十分です。さらに、植物油を生産するためには、膨大な量の農業、それに伴う施肥、農薬の使用、そして土地利用の転換が必要となるため、反対する声もあります。[ 102 ]藻類の利点は、砂漠などの耕作不可能な土地や海洋環境でも栽培できること、そして植物油よりもはるかに高い油収量が得られることです。

収率

単位面積あたりの原料収率効率は、かなりの割合の車両に動力を供給するために必要な膨大な産業レベルまで生産を増強できるかどうかに影響します。

典型的な利回り
作物 収率
リットル/ヘクタール 米ガロン/エーカー
パーム油[ n 1 ]4752 508
ココナッツ2151 230
Cyperus esculentus [ n 2 ]1628 174
菜種[ n 1 ]954 102
大豆（インディアナ州）[ 103 ]554-922 59.2～98.6
中国産獣脂[ n 3 ] [ n 4 ]907 97
ピーナッツ[ n 1 ]842 90
ひまわり[ n 1 ]767 82
麻242 26
  1. ^ a b c d「バイオ燃料：いくつかの数字」 Grist.org. 2006年2月8日。2010年3月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年3月15日閲覧。
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  4. ^木谷修、「第5巻：エネルギーとバイオマス工学、CIGR農業工学ハンドブック」、アメリカ農業協会、1999年。

藻類燃料の収量はまだ正確には決定されていないが、DOEは藻類は大豆などの陸上作物に比べて1エーカーあたり30倍のエネルギーを産出すると報告されている。[ 104 ] 20年以上商業的に藻類を養殖しているハイファ海洋研究所のアミ・ベン・アモッツは、1ヘクタールあたり36トンの収量が現実的であると考えている。[ 105 ]

ジャトロファは高収量のバイオディーゼル源として挙げられていますが、収量は気候や土壌条件に大きく左右されます。低い推定値では、1回の収穫あたり約200米ガロン/エーカー（1ヘクタールあたり1.5～2トン）の収穫が見込まれます。より良好な気候条件では、年間2回以上の収穫も可能です。[ 106 ]ジャトロファはフィリピン、マリ、インドで栽培されており、干ばつに強く、コーヒー、砂糖、果物、野菜などの他の換金作物と栽培場所を共有できます。 [ 107 ]半乾燥地帯に適しており、支持者によると砂漠化の抑制に貢献できるとのことです。 [ 108 ]

効率性と経済性の議論

一部の国ではバイオディーゼルは従来のディーゼルよりも安価である

バイオ燃料への完全移行には、従来の食用作物を使用する場合、広大な土地が必要になる可能性があります（ただし、非食用作物の利用は可能です）。エネルギー消費量は経済生産量に比例するため、この問題は特に経済規模の大きい国にとって深刻となるでしょう。[ 109 ]

第三世界の国々では、限界地を利用したバイオディーゼル源の方が理にかなっているかもしれない。例えば、道路沿いで栽培されるポンガムオイルツリーの実や、鉄道沿いで栽培されるジャトロファなどである。[ 110 ]

マレーシアやインドネシアなどの熱帯地域では、ヨーロッパなどの市場で増加するバイオディーゼル需要を満たすため、パーム油を生産する植物の植栽が急速に進められています。科学者たちは、パーム油プランテーションの拡大が天然の熱帯雨林と生物多様性に脅威を与えるため、パーム油プランテーションのために熱帯雨林を伐採することは生態学的に健全ではないことを示しています。[ 111 ]

ドイツでは、パーム油ディーゼルの生産コストは菜種バイオディーゼルの3分の1以下であると推定されている。[ 112 ]

米国では、2018年にバイオディーゼルの生産が64,000人以上の雇用を支えたと報告されています。[ 90 ]バイオディーゼルの成長はGDPの大幅な増加にも貢献しています。2011年には、バイオディーゼルは30億ドル以上のGDPを生み出しました。[ 113 ]

エネルギー安全保障

バイオディーゼル導入の主な推進力の一つはエネルギー安全保障です。これは、国の石油依存度を低減し、石炭、ガス、再生可能エネルギーなどの地元産資源の利用に置き換えることを意味します。したがって、温室効果ガス排出量を削減することなく、バイオ燃料の導入によって国は利益を得ることができます。総エネルギーバランスについては議論がありますが、石油への依存度が低減していることは明らかです。一例として、肥料製造に使用されるエネルギーは、石油以外の様々な資源から供給可能です。米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）は、エネルギー安全保障が米国のバイオ燃料プログラムの最大の原動力であると述べており[ 114 ]、ホワイトハウスの「21世紀のエネルギー安全保障」に関する文書でも、エネルギー安全保障がバイオディーゼル推進の主要な理由であることが明確に示されています。[ 115 ]元EU委員会委員長のホセ・マヌエル・バローゾ氏は、最近のEUバイ​​オ燃料会議で講演し、適切に管理されたバイオ燃料はエネルギー源の多様化を通じてEUの供給安全保障を強化する可能性があると強調した。[ 116 ]

世界のバイオ燃料政策

世界中の多くの国々では、化石燃料や石油に代わるエネルギー源として、バイオディーゼルなどのバイオ燃料の利用と生産が拡大しています。バイオ燃料産業を促進するため、各国政府は石油への依存を減らし、再生可能エネルギーの利用を増やすためのインセンティブとなる法律や制度を整備してきました。[ 117 ]多くの国では、バイオディーゼルの使用、輸入、生産に対する課税や還付について独自の政策を策定しています。

カナダ

カナダ環境保護法案C-33では、2010年までにガソリンに再生可能原料を5%、2013年までにディーゼルと暖房用オイルに再生可能原料を2%含めることが義務付けられました。[ 117 ]バイオ燃料のためのEcoENERGYプログラムは、2008年から2010年まで、1リットルあたり0.20カナダドルのインセンティブ率で、バイオディーゼルなどのバイオ燃料の生産を補助しました。その後は毎年0.04カナダドルずつ減額され、2016年にはインセンティブ率が0.06カナダドルに達します。各州もバイオ燃料の使用と生産に関する具体的な立法措置を講じています。[ 118 ]

アメリカ合衆国

容積測定エタノール物品税控除（VEETC）はバイオ燃料の主な財政支援源であったが、2010年に期限切れとなる予定だった。この法律により、バイオディーゼル生産には、バージンオイルから生産された1ガロンあたり1米ドル、リサイクルオイルから生産された1ガロンあたり0.50米ドルの税額控除が保証された。[ 119 ] 現在、大豆油は輸送部門の燃料混合など、多くの商業目的で大豆バイオディーゼルを生産するために使用されている。[ 6 ]

欧州連合

欧州連合（EU）はバイオディーゼルの最大の生産国であり、特にフランスとドイツが上位を占めています。バイオディーゼルの利用を促進するため、燃料へのバイオディーゼルの混合を義務付ける政策が設けられており、混合率が達成されない場合には罰金が科せられます。フランスでは、10%の混合率達成を目標としていましたが、2010年に計画は中止されました。[ 117 ] EU諸国がバイオ燃料の生産を継続するためのインセンティブとして、一定量のバイオ燃料生産に対して税額控除が設けられています。ドイツでは、輸送用ディーゼル燃料におけるバイオディーゼルの最低混合率は7%に設定されており、いわゆる「B7」と呼ばれています。

イギリス

英国の再生可能輸送燃料義務（RTFO）では、燃料供給業者に対し、供給する燃料に一定の割合の再生可能燃料を混合することを義務付けており、2032年までに12.4%を目標としています。[ 120 ]英国では、B7ディーゼル（バイオディーゼル7%）とE10ガソリン（バイオエタノール10%）の使用も義務付けられています。税制優遇措置やバス事業者補助金（BSOG）などの助成金も、バイオディーゼルの使用をさらに促進しています。

マレーシア

マレーシアは、2022年末までにB20パーム油バイオ燃料プログラムを全国的に導入する計画である。輸送部門向けにパーム油成分20%のバイオ燃料（B20として知られる）の製造を義務付けるこの制度は、2020年1月に初めて導入されたが、コロナウイルスの発生を抑えるために課された移動制限のために遅延に直面した。[ 121 ]

問題点と懸念事項

食料、土地、水 vs. 燃料

米国で生産されるトウモロコシの最大40％はエタノールの製造に使用されており[ 122 ]、世界全体では穀物の10％がバイオ燃料に変換されています[ 123 ] 。米国とヨーロッパでバイオ燃料に使用される穀物を50％削減すると、ウクライナの穀物輸出のすべてを置き換えることができます[ 124 ] 。

一部の貧しい国では、植物油の価格高騰が問題を引き起こしている。[ 125 ] [ 126 ]燃料を、多くの樹木や作物が育たない、または収穫量が少ない限界農地でも生育できる カメリナ、ジャトロファ、海岸アオイなどの非食用植物油からのみ作ることを提案する人もいる。 [ 127 ]

問題はもっと根本的だと主張する人もいる。農家は、たとえ新しい作物が食用でなくても、より多くの収入を得るために食用作物の生産からバイオ燃料作物の生産に切り替えるかもしれない。[ 128 ] [ 129 ]需要と供給の法則によれば、食料を生産する農家が減れば食料価格は上昇する。農家が栽培する作物を変えるのには時間がかかるため、時間がかかるかもしれないが、第一世代バイオ燃料の需要増加は多くの種類の食料の価格上昇につながる可能性が高い。植物油価格の上昇によって、貧しい農家や貧しい国々がより多くの収入を得ていると主張する人もいる。[ 130 ]

海藻由来のバイオディーゼルは、必ずしも現在食糧生産に使用されている陸地を置き換えるものではなく、新たな藻類養殖の雇用を生み出す可能性がある。

比較すると、バイオガスの生産では、農業廃棄物を利用してバイオガスと呼ばれるバイオ燃料を生成し、堆肥も生産することで、農業、持続可能性、食糧生産を強化することに言及する必要があります。

バイオディーゼルの環境への影響

インドネシアでは、油ヤシ農園を作るために森林伐採が行われている。

バイオディーゼルへの関心の高まりは、その使用に伴う多くの環境影響を浮き彫りにしています。これらの影響には、温室効果ガス排出量の削減、[ 131 ] 、森林伐採、汚染、生分解速度の低減などが含まれます。

米国環境保護庁（EPA）が2010年2月に発表した再生可能燃料基準プログラム規制影響分析によると、大豆油由来のバイオディーゼルは、石油由来のディーゼルと比較して温室効果ガスを平均57%削減し、廃油由来のバイオディーゼルは86%削減します。詳細については、 EPA報告書の2.6章をご覧ください。

しかし、レインフォレスト・レスキュー[ 132 ]やグリーンピース[ 133 ]などの環境団体は、バイオディーゼル生産に用いられる植物、例えばアブラヤシ、大豆、サトウキビの栽培を批判している。熱帯雨林の森林破壊は気候変動を悪化させ、アブラヤシ、大豆、サトウキビのプランテーションのために敏感な生態系が破壊される。さらに、バイオ燃料は耕作地が食料生産に使われなくなるため、世界の飢餓の一因にもなっている。環境保護庁は2012年1月に、パーム油から作られたバイオ燃料は気候に優しくないため、米国の再生可能燃料義務化の対象にはならないというデータを公表した。[ 134 ]環境保護論者は、アブラヤシプランテーションの拡大がインドネシアやマレーシアなどの熱帯林破壊を促進してきたため、この結論を歓迎している。[ 134 ] [ 135 ]

インドネシアは主にパーム油からバイオディーゼルを生産しています。農地が限られているため、アブラヤシの単一栽培を行うには、他の栽培地や熱帯林を伐採する必要があります。そのため、インドネシアの熱帯雨林の破壊は大きな環境脅威となっています。[ 136 ]

バイオディーゼルの環境への影響は多様であり、一概には言えません。バイオディーゼルを使用するメリットとしてよく挙げられるのは、化石燃料に比べて温室効果ガスの排出量を削減できるという点です。しかし、これが真実かどうかは多くの要因に左右されます。

温室効果ガスの排出

再生可能輸送燃料義務のために英国政府が計算した数値を使用して、米国で栽培され英国で燃焼された大豆バイオディーゼルの炭素強度の計算。[ 137 ]
英国のバイオディーゼルと化石燃料の炭素強度に関する数値のグラフ。このグラフは、すべてのバイオディーゼルが原産国で使用されることを前提としています。また、ディーゼルは土地利用の変更ではなく、既存の耕作地から生産されることを前提としています[ 138 ]

バイオディーゼルに対する一般的な批判は、土地利用の変化であり、化石燃料のみを使用した場合よりもさらに多くの排出を引き起こす可能性がある。[ 139 ]しかし、この問題は、農業に適さない土地を利用できる 藻類バイオ燃料によって解決されるだろう。

二酸化炭素は主要な温室効果ガスの一つです。バイオディーゼルの燃焼は、通常の化石燃料と同様の二酸化炭素排出量を排出しますが、製造に使用される植物原料は成長過程で大気中の二酸化炭素を吸収します。植物は光合成と呼ばれるプロセスを通じて二酸化炭素を吸収し、太陽光エネルギーを糖やデンプンの形で蓄えます。バイオマスがバイオディーゼルに変換され、燃料として燃焼されると、エネルギーと炭素が再び放出されます。そのエネルギーの一部はエンジンの動力源として利用され、二酸化炭素は大気中に放出されます。

したがって、温室効果ガスの総排出量を検討する際には、生産プロセス全体と、その生産がどのような間接的な影響をもたらすかを考慮することが重要です。二酸化炭素排出量への影響は、生産方法と使用する原料の種類に大きく依存します。バイオ燃料の炭素強度の計算は複雑で不正確なプロセスであり、計算における仮定に大きく依存します。計算には通常、以下の要素が含まれます。

  • 原料の栽培に伴う排出（例：肥料に使用される石油化学製品）
  • 原料を工場に輸送する際の排出
  • 原料をバイオディーゼルに加工する際に発生する排出物
  • 原料の栽培に伴うCO2排出の吸収

他にも非常に重要な要因があるにもかかわらず、考慮されないことがあります。具体的には以下のようなものがあります。

  • 燃料原料が栽培される地域の土地利用の変化による排出。
  • バイオディーゼルを工場から使用場所まで輸送する際の排出物
  • 標準的なディーゼル燃料と比較したバイオディーゼル燃料の効率
  • 排気管から排出される二酸化炭素の量。（バイオディーゼルは4.7%多く排出可能）
  • 牛の飼料やグリセリンなどの有用な副産物の生産による利益

土地利用の変化を考慮せず、今日の製造方法を想定すると、菜種油とひまわり油からのバイオディーゼルは、石油ディーゼルよりも温室効果ガスの排出量が45%～65%少なくなります。[ 140 ] [ 141 ] [ 142 ] [ 143 ]しかし、生産プロセスの効率を改善するための研究が進行中です。[ 140 ] [ 142 ]使用済みの食用油やその他の廃棄脂肪から生産されたバイオディーゼルは、 CO2排出量を85%も削減できます。 [ 137 ]原料が既存の農地で栽培されている限り、土地利用の変化は温室効果ガスの排出にほとんどまたは全く影響を与えません。 しかし、原料の生産の増加は森林破壊の速度に直接影響を与えるという懸念があります。このような皆伐は、森林、土壌、泥炭層に蓄積された炭素を放出します。森林破壊による温室効果ガス排出量は非常に大きいため、排出量の削減（バイオディーゼルの使用のみによる）による利益は数百年間は無視できるほど小さいものとなるでしょう。[ 137 ] [ 139 ]そのため、パーム油などの原料から生産されるバイオ燃料は、一部の化石燃料よりもはるかに高い二酸化炭素排出量を引き起こす可能性があります。[ 144 ]

汚染

米国では、バイオディーゼルは、大気浄化法（1990 年）の健康影響試験要件（Tier I および Tier II）に合格した唯一の代替燃料です。

バイオディーゼルは、低硫黄（50ppm未満）ディーゼルと比較して、微粒子フィルターを備えた車両において、排気管からの微粒子（固体燃焼生成物の微粒子）の直接排出を最大20%削減できます。生産に伴う微粒子排出量は、化石燃料由来のディーゼルと比較して約50%削減されます。[ 145 ]

生分解

アイダホ大学の研究では、バイオディーゼル、植物油のみ、バイオディーゼルと石油ディーゼルの混合物、および2-Dディーゼル燃料のみの生分解速度を比較しました。分解対象物質の低濃度（10 ppm）を栄養塩および下水汚泥添加溶液に使用したところ、バイオディーゼルは28日間でデキストロース対照と同じ速度で、石油ディーゼルの5倍の速さで分解し、バイオディーゼル混合物は共代謝により石油ディーゼルの分解速度を2倍に高めることが実証されました。[ 146 ] 同じ研究では、10 000 ppmのバイオディーゼルと石油ディーゼルを使用して土壌分解を調べ、土壌中でバイオディーゼルが石油ディーゼルの2倍の速度で分解することがわかりました。すべてのケースにおいて、バイオディーゼルは、分解の難しい未確認中間体を生成する石油ディーゼルよりも完全に分解することも判明しました。同プロジェクトの毒性試験では、ラットとウサギにおいて、バイオディーゼル5000 mg/kgまで死亡例はなく、毒性影響もほとんど見られなかったことが示された。石油系ディーゼルでも同じ濃度で死亡例は見られなかったが、ウサギでは2000 mg/Lを超える濃度で脱毛や尿の変色などの毒性影響が認められた。[ 147 ]

水生環境において

バイオディーゼルの利用が拡大するにつれ、その消費が水質や水生生態系にどのような影響を与えるかを考慮することが重要になります。様々なバイオディーゼル燃料の生分解性を調べた研究では、研究対象となった全てのバイオ燃料（菜種油、大豆油、およびそれらの変性エステル製品を含む）が「容易に生分解する」化合物であり、水中での生分解速度が比較的高いことが分かりました。[ 148 ]さらに、バイオディーゼルの存在は、共代謝を介してディーゼルの生分解速度を高める可能性があります。バイオディーゼル/ディーゼル混合物中のバイオディーゼルの比率が増加するほど、ディーゼルの分解速度は速くなります。制御された実験条件を用いた別の研究では、バイオディーゼルの主要分子である脂肪酸メチルエステルが、海水中で石油ディーゼルよりもはるかに速く分解することが示されました。[ 149 ]

カルボニル排出

化石燃料やバイオ燃料の使用による排出量を検討する場合、研究は通常、炭化水素などの主要な汚染物質に焦点を当てています。ディーゼル燃料の代わりにバイオディーゼル燃料を使用すると、規制対象のガス排出量が大幅に削減されることは一般的に認識されていますが、大気汚染の一因となっている規制対象外の化合物に関する情報は、研究文献において不足しています。[ 150 ]ある研究は、大型ディーゼルエンジンにおける純ディーゼル燃料とバイオディーゼル燃料の混合燃料の燃焼から排出される基準外のカルボニル化合物に焦点を当てています。その結果、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アクロレイン、アセトン、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒドといったカルボニル化合物の排出量は、バイオディーゼル燃料混合燃料の方が純ディーゼル燃料よりも高いことがわかりました。バイオディーゼル燃料の使用はカルボニル排出量を増加させますが、総炭化水素排出量は減少するため、代替燃料源としてより適している可能性があります。これらの結果と矛盾する他の研究も行われていますが、研究間で異なる様々な要因（燃料の種類やエンジンなど）により比較が困難です。バイオディーゼル燃料の使用によるカルボニル排出量に関する12の研究論文を比較した論文では、8つの論文がカルボニル化合物の排出量の増加を報告し、4つの論文はその逆の結果を示した。[ 150 ]これは、これらの化合物についてはまだ多くの研究が必要であることの証拠である。

機械的な懸念

エンジンの摩耗

燃料の潤滑性は、エンジン内で発生する摩耗に重要な役割を果たします。ディーゼルエンジンは、常に互いに接触している金属部品の潤滑性を燃料に依存しています。[ 151 ]バイオディーゼルは、エステルの存在により、化石石油ディーゼルに比べてはるかに優れた潤滑剤です。試験では、少量のバイオディーゼルをディーゼルに添加すると、短期的には燃料の潤滑性が大幅に向上することが示されています。[ 152 ]しかし、長期間（2～4年）使用すると、バイオディーゼルは潤滑性を失うことが研究で示されています。[ 153 ]これは、不飽和分子の酸化による経時的な腐食の促進、または吸湿によるバイオディーゼル中の水分含有量の増加が原因である可能性があります。[ 58 ]

燃料粘度

バイオディーゼルに関する主な懸念事項の一つは、その粘度です。軽油の粘度は40℃で2.5～3.2 cStですが、大豆油から作られたバイオディーゼルの粘度は4.2～4.6 cStです[ 154 ]。軽油の粘度は、エンジン部品に十分な潤滑性を提供できるほど高く、かつ作動温度で流動できるほど低くなければなりません。粘度が高いと、エンジンの燃料フィルターや噴射システムが詰まる可能性があります[ 154 ] 。植物油は長鎖炭化水素を含む脂質で構成されており、粘度を下げるために、脂質はより小さなエステル分子に分解されます。これは、植物油と動物性脂肪をエステル交換反応によってアルキルエステルに変換することで粘度を下げることで行われます[ 155 ]。しかしながら、バイオディーゼルの粘度は軽油よりも高く、燃料フィルターの通過速度が遅いため、低温時にはエンジンが燃料を使用できない可能性があります[ 156 ] 。

エンジン性能

バイオディーゼルはディーゼルに比べてブレーキ比燃料消費率が高いため、同じトルクを得るにはより多くのバイオディーゼル燃料が必要になります。しかし、B20バイオディーゼルブレンドは、熱効率の最大向上、ブレーキ比エネルギー消費量の最小化、そして有害排出物の低減を実現することが分かっています。[ 6 ] [ 58 ] [ 151 ]エンジン性能は、燃料の特性だけでなく、燃焼、インジェクター圧力、その他多くの要因に左右されます。[ 157 ]バイオディーゼルには様々なブレンドが存在するため、エンジン性能に関する報告が矛盾している可能性があります。

排気ガス

バイオディーゼルの製造に使用される原料は、脂肪酸メチルエステル中に存在する平均炭素鎖長と二重結合の数を変化させることによって燃料の特性を変化させます。[ 158 ]

低温ゲル化

バイオディーゼルをある温度以下に冷却すると、分子の一部が凝集して結晶を形成します。結晶が可視光の波長の4分の1よりも大きくなると、燃料は濁って見え始めます。これが曇点（CP）です。燃料がさらに冷却されると、これらの結晶は大きくなります。燃料が45マイクロメートルのフィルターを通過できる最低温度は、冷間フィルター目詰まり点（CFPP）です。[ 159 ]バイオディーゼルはさらに冷却されるとゲル化し、その後固化します。欧州では、CFPP要件が各国で異なっており、これは各国の異なる国家基準に反映されています。純粋な（B100）バイオディーゼルがゲル化し始める温度は大きく異なり、エステルの混合比、つまりバイオディーゼルの製造に使用される原料油に依存します。例えば、エルカ酸含有量の低いキャノーラ種子（RME）から製造されたバイオディーゼルは、約-10℃（14℉）でゲル化し始めます。牛脂とパーム油から製造されたバイオディーゼルは、それぞれ約16℃（61℉）と約13℃（55℉）でゲル化する傾向があります。[ 160 ]純粋なバイオディーゼルの流動点と低温フィルターの目詰まり点を大幅に下げる市販の添加剤が数多くあります。バイオディーゼルを低硫黄軽油（#2）や軽油／灯油（#1）などの他の燃料油と混合することで、冬季運転も可能です。

寒冷地でのバイオディーゼル燃料の使用を容易にするもう一つの方法は、標準のディーゼル燃料タンクに加えて、バイオディーゼル燃料用の第二燃料タンクを設けることです。この第二燃料タンクは断熱材で覆い、エンジン冷却水を利用した加熱コイルをタンク内に通します。燃料が十分に温まったら、燃料タンクを切り替えることができます。同様の方法で、純粋な植物油を使用するディーゼル車を運転することも可能です。

水による汚染

バイオディーゼルには、少量ではあるものの、問題となる水分が含まれている場合があります。水との混和性はわずかですが、吸湿性があります。[ 161 ]バイオディーゼルが水分を吸収する理由の一つは、不完全な反応によって残留したモノグリセリドとジグリセリドが残留していることです。これらの分子は乳化剤として作用し、水がバイオディーゼルと混ざり合うことを可能にします。さらに、処理過程で残留した水や貯蔵タンクの凝縮によって生じた水が存在する場合もあります。水分の存在が問題となるのは、以下の理由からです。

  • 水は燃料の燃焼熱を低下させ、煙、始動困難、出力低下の原因となります。
  • 水は燃料システムのコンポーネント（ポンプ、燃料ラインなど）の腐食を引き起こします。
  • 水中の微生物により、システム内の紙エレメントフィルターが腐敗して故障し、大きな粒子が飲み込まれることで燃料ポンプが故障します。
  • 水が凍って氷の結晶を形成し、それが核形成の場所となり、燃料のゲル化を促進します。
  • 水はピストンにピットを発生させます。

これまで、バイオディーゼルに含まれる水分量は、水と油が分離するため、サンプルを採取して測定することが困難でした。しかし、現在では油中水滴センサーを用いて水分含有量を測定できるようになりました。[ 162 ]

生産プロセスにおいて特定の化学触媒を使用する場合、水質汚染も潜在的な問題となり、水酸化カリウムなどの塩基性（高pH）触媒の触媒効率が大幅に低下します。しかし、石油原料とメタノールのエステル交換反応を高温高圧下で実施する超臨界メタノール製造法は、生産段階における水質汚染の影響をほとんど受けないことが示されています。

研究

より適した作物の発見と油脂収量の向上に関する研究が行われました。人間の排泄物もその一つであり、ガーナでは初の「排泄物汚泥を燃料とするバイオディーゼル工場」が建設されました。[ 163 ]

特別に育成されたマスタードの品種は、かなり高い油収量を生み出すことができ、穀物との輪作に非常に有用であり、油を搾り取った後に残った粕は効果的で生分解性の殺虫剤として機能するという利点もある。[ 164 ]

NFESCはサンタバーバラに拠点を置くバイオディーゼル産業と協力し、世界最大のディーゼル燃料ユーザーの一つであるアメリカ海軍と軍隊向けにバイオディーゼル技術の開発に取り組んでいます。[ 165 ]

Ecofasaという企業に所属するスペインの開発グループが、ゴミから作られる新しいバイオ燃料を発表しました。この燃料は、都市部の一般廃棄物をバクテリアで処理して脂肪酸を生成し、バイオディーゼル燃料の製造に利用されます。[ 166 ]

生産に化学物質の使用を必要としないもう一つのアプローチは、遺伝子組み換え微生物の使用である。[ 167 ] [ 168 ]

藻類バイオディーゼル

1978年から1996年まで、米国NRELは「水生生物プログラム」において藻類をバイオディーゼル源として使用する実験を行った。 [ 114 ]ニューハンプシャー大学バイオディーゼルグループ のマイケル・ブリッグスによる自費出版記事では、天然油分が50%を超える藻類を利用することで、すべての車両燃料をバイオディーゼルに現実的に置き換えることができると試算している。ブリッグスは、下水処理場の藻類池で藻類を栽培できると示唆している。[ 169 ]この油分を豊富に含む藻類はシステムから抽出してバイオディーゼルに加工し、乾燥した残りをさらに再加工してエタノールを生成することができる。

バイオディーゼル用の油を採取するための藻類生産は、まだ商業規模では行われていませんが、上記の収量推定値に到達するために実現可能性調査が行われています。藻類養殖は、高い収量が見込まれるだけでなく、作物由来のバイオ燃料とは異なり、農地や淡水を必要としないため、食糧生産の減少を伴いません。多くの企業が、バイオディーゼル生産の商業レベルへのスケールアップを含む、様々な目的で藻類バイオリアクターの開発を進めています。[ 170 ] [ 171 ]バイオディーゼル脂質は、イオン液体 中での単純かつ経済的な反応を用いて、湿った藻類から抽出することができます。[ 172 ]

ポンガミア

ミレッティア・ピナタは、ポンガム・オイルツリーまたはポンガミアとも呼ばれ、非食用植物油の生産候補として特定されているマメ科の油糧種子樹です。

バイオディーゼル生産のためのポンガミア農園には、環境面で二重の利点がある。木は炭素を貯蔵し、燃料油を生産する。ポンガミアは食用作物に適さない限界地で生育し、硝酸塩肥料を必要としない。この油を生産する木は、塩分濃度の高い栄養不良の土壌でも生育しながら、油を生産する植物の中で最も高い収量（種子の重量の約40％が油）を生育する。多くのバイオディーゼル研究機関の主要な焦点になりつつある。[ 173 ]ポンガミアの主な利点は、他の作物よりも油の回収量と品質が高く、食用作物と直接競合しないことである。しかし、限界地での栽培は油の収量の低下につながり、より良い土壌をめぐって食用作物との競合を引き起こす可能性がある。

ジャトロファ

インドのDRDOからのジャトロファ バイオディーゼル。

様々な分野の複数のグループが、ジャトロファ・クルカス（有毒な低木のような木）の研究を行っています。この木は、多くの人からバイオディーゼルの原料油の有望な供給源と考えられている種子を生成します。 [ 174 ]この研究の多くは、遺伝学、土壌科学、園芸慣行の進歩を通じて、ジャトロファの1エーカーあたりの総油収量を向上させることに焦点を当てています。

サンディエゴに拠点を置くジャトロファ開発業者SGバイオフューエルズは、分子育種とバイオテクノロジーを駆使し、第一世代品種に比べて収量が大幅に向上したジャトロファのエリートハイブリッド種子を生産した。 [ 175 ] SGバイオフューエルズはまた、このような品種から開花の同期性の向上、害虫や病気への耐性の向上、耐寒性の向上など、さらなる利点も生まれていると主張している。[ 176 ]

オランダのワーゲニンゲン大学研究センターの一部門であるPlant Research Internationalは、野外実験と実験室実験を通じて大規模なジャトロファ栽培の実現可能性を調査するジャトロファ評価プロジェクト（JEP）を継続的に実施している。 [ 177 ]

持続可能エネルギー農業センター（CfSEF）は、ロサンゼルスを拠点とする非営利研究機関で、植物科学、農学、園芸の分野におけるジャトロファ研究に特化しています。これらの分野の研究が成功すれば、今後10年間でジャトロファ農作物の収穫量が200～300%増加すると予測されています。[ 178 ]

下水からのFOG

下水から回収されたいわゆる脂肪、油、グリース（FOG）もバイオディーゼルに変換することができます。[ 179 ]

菌類

モスクワのロシア科学アカデミーの研究グループは2008年に論文を発表し、単細胞菌類から大量の脂質を分離し、それを経済的に効率的な方法でバイオディーゼルに変換したと述べた。[ 180 ]

最近発見されたグリオクラディウム・ロゼウム（Gliocladium roseum）という菌類の亜種は、セルロースからいわゆるマイコディーゼル（Myco-diesel）を生産できる可能性を示唆しています。この生物は最近、パタゴニア北部の熱帯雨林で発見され、セルロースをディーゼル燃料に典型的に含まれる中鎖炭化水素に変換する独自の能力を有しています。[ 181 ]

使用済みのコーヒーかすからバイオディーゼルを作る

ネバダ大学リノ校の研究者たちは、使用済みのコーヒーかすを原料とした油からバイオディーゼル燃料を製造することに成功しました。使用済みのコーヒーかすを分析した結果、油分含有量は10～15%（重量比）であることが分かりました。抽出された油は、従来の方法でバイオディーゼル燃料へと加工されました。完成したバイオディーゼル燃料は、1ガロンあたり約1米ドルで製造できると推定されています。さらに、「この技術は難しくない」と報告され、「コーヒーは豊富に存在するため、年間数億ガロンのバイオディーゼル燃料を製造できる可能性がある」とされています。しかし、たとえ世界中のコーヒーかすを燃料として利用したとしても、その量は米国で年間消費されるディーゼル燃料の1%にも満たない量にとどまります。「世界のエネルギー問題を解決することにはならないだろう」とミスラ博士は自身の研究について述べています。[ 182 ]

バイオディーゼルから水素電池発電へ

バイオディーゼルを水素蒸気に変換し、燃料電池に電力を供給するためのマイクロリアクターが開発されました。[ 183 ]

水蒸気改質法（化石燃料改質法とも呼ばれる）は、炭化水素燃料、特にその効率性からバイオディーゼルから水素ガスを生成するプロセスです。**マイクロリアクター**、または改質器は、高温高圧下で水蒸気と液体燃料を反応させる処理装置です。700～1100℃の温度範囲で、ニッケル系触媒を用いて一酸化炭素と水素を生成します。[ 184 ]

炭化水素 + H2O ⇌ CO + 3 H2（吸熱性が高い）

さらに、一酸化炭素をさらに酸化してより多くの水素と二酸化炭素を生成することで、より高い収率の水素ガスを得ることができます。

CO + H2O → CO 2 + H2（軽度の発熱）

紅花油

2020年現在、オーストラリアのCSIROの研究者は、特別に育成された品種のベニバナ油をエンジン潤滑剤として研究しており、米国のモンタナ州立大学先進燃料センターの研究者は、大型ディーゼルエンジンにおけるこの油の性能を研究しており、その結果は「ゲームチェンジャー」と評されている。[ 185 ]

参照

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