[資料３-２] バイオガス利用システムを軸としたバイオマス利活用地域モデル構築調査バイオガス精製圧縮充填装置性能調査（１）調査の目的「バイオマス・ニッポン総合戦略」（平成１８年３月３１日閣議決定）では、地球温暖化の防止、循環型社会の形成、競争力のある新たな戦略的産業の育成、農林漁業、農山漁村の活性化に寄与するため、バイオマスの利活用を推進することが必要とされており、特に廃棄物系バイオマスについては２０１０年を目途に炭素換算量で８０％以上の利用を目指している。この目標を達成する上で、北海道の廃棄物系バイオマスの約８割を占める「家畜排せつ物」の有効活用策の検討及び推進は喫緊の課題となっており、さらには、「家畜排せつ物の管理の適正化及び利用の促進に関する法律」（平成１１年７月２８日法律第１１２号）の施行により、家畜排せつ物の管理の適正化及び利用の促進も求められている。こうした状況を踏まえ、道内においても廃棄物系バイオマスの有効活用を図るため、家畜排せつ物をメタン発酵させてエネルギー（メタンガス）に変換する「バイオガスプラント」の普及が期待されているが、産出されたバイオガスの用途が発電や熱利用に限定されるといった課題があることから、さらに用途を拡大して活用の幅を広げる必要がある。その新たなバイオガスの利活用方策の一つとして、農家等においてエネルギー需要の大きい作業用車両（トラクタ）等の燃料利用が挙げられるが、安全性や実用性を確保する中で今後の普及拡大に向けた取り組みが求められる。このことから、本調査では、バイオガスプラントから産出されるバイオガスを精製・圧縮した後、バイオガストラクタに装着するガスボンベ等に充填可能な装置を用いて、装置の安全性、耐久性、ガスの成分、充填速度等の各種調査を行った。（２）調査の年度平成１８年度（３）調査の内容と結果ア計画準備 ⅰ バイオガスプラント及びバイオガスに関する調査原料バイオガスの仕様（供給量（発生量）・組成など）を決定するため、道内におけるバイオガスプラント及び原料バイオガスについて調査を実施した。道内では、発酵槽容量が200∼500ｍ 3、ガス発生量が100∼300ｍ 3のプラントが多く、平均的な発生ガスの組成は、メタン（ CH 4）濃度が約55∼60％であった。本調査では、搾乳牛100頭規模のバイオガスプラントを対象とし、季節変化や廃棄物投入からの経過時間などによるバイオガス発生量の変動を考慮して、原料バイオガスのメタン濃度を50∼60％と設定し、装置の設計を行った。 -1- ⅱ 使用条件の設定バイオガス精製圧縮充填装置は寒冷地である北海道での通年使用を前提としており、気象データより、-20∼+40℃の使用温度条件を基準として設計を行うこととした。 ⅲ バイオガスの精製方法の調査本調査では、バイオガス精製圧縮充填装置を運搬が可能な移動式設備とし、配管がより簡潔でメンテナンスの容易な設計を前提に、バイオガスの精製方法について検討を行った。今回の調査におけるバイオガス充填（精製）量は4Nm 3/h（原料ガス流量：∼ 15Nm 3 /h）であり、必要な精製ガスの純度は 93.0％（低純度）である。この規模・純度に適し、かつ比較的設置が容易な分離精製方法は、ＰＳＡ法又は膜分離法が挙げられる。ＰＳＡ法では、フローがやや複雑で数多くある弁類の定期的な交換及び吸着剤の劣化に伴う吸着剤の入替が必要となる。これに対し、膜分離法では、弁類がほとんどなくフローが単純で、膜寿命も長く（阻害物の除去により半永久的）、ランニングコストの低減が可能と考えられることから、本調査では膜分離法を採用する。 ⅳ 天然ガス自動車及びその燃料ガス等に関する調査本調査では、精製後のバイオガスが天然ガス自動車や家庭用・業務用への燃料にも適用できるか本ガスの品質について検討した。天然ガス自動車については、現在、ディーゼル車（トラックなど）の代替として普及中であり、その燃料となるガス規格（ガスグループ区分）は、「12A」又は「13A」に設定されている。さらに、国内の主要な都市ガスも熱量の高いガスへの統合が進められており、ガス規格も「 12A 」・「 13A」が主流となっていることから、精製後のバイオガスはプロパンガスを添加し熱量を上げ、天然ガス自動車などに使用する天然ガスの規格（熱量）と同等になるように調整した。ただし、プロパンガスは添加する容量により液化する可能性があることから、精製後のバイオガスのガス規格は「 12A」相当の熱量とし、ＣＮＧ車や家庭・業務用の燃料として適用できる品質とした。 ⅴ 高圧ガス保安法の整理ここでは、バイオガス利用に関わる関連法規である高圧ガス保安法の整理を行った。高圧ガス保安法では、「常用の温度において圧力が1MPa以上の圧縮ガス」は高圧ガスであると定めており、その製造、貯蔵、販売、移動その他の取扱及び消費などについて規制している。 -2- 本調査では、精製したバイオガスを24.5MPaに昇圧して、バイオガストラクタ用及び一般用途用ボンベに高圧充填する（それぞれ19.6MPa 、14.7MPa ）ため、同法の規制を受ける。バイオガス製造の場合、高圧ガス保安法では、1日当たりの製造量が 100Nm 3 以上の場合を「第一種製造者」、 100Nm 3 未満の場合を「第二種製造者」と定めている。本調査では、酪農家規模を 100頭規模と想定しており、この条件では、バイオガスプラントからのメタン発生量は、発酵方式にもよるが 130∼ 190Nm 3 ／日程度あり、冬季の場合にはその半分程度をプラント維持（保温）に使用し、少なくとも残りの約65 ∼ 95Nm 3／日が利用可能なメタン量である。本調査では、1日当たりの精製（充填）量を100Nm 3 未満として、高圧ガス保安法上の規制が少ない第二種製造者（100Nm 3／日未満）と設定した。【バイオガス精製圧縮充填装置の能力】 ⅵ 精製（充填）量９６Nm 3／日（ = ４Nm 3／h）充填能力（充填速度） ∼２０分／回貯蔵能力精製バイオガス２７４m 3 液化石油ガス(LNG) ２０kg 窒素１４m 3 バイオガス精製圧縮充填装置の概略 ⅰ∼ⅴを基に、装置の仕様等を決定した。以下に本調査で使用するバイオガス精製圧縮充填装置の概略を示す。【バイオガス精製圧縮充填装置の概略】 ① バイオガス圧縮機原料バイオガスを 0.6∼0.7 MPaまで昇圧する。 ② 除湿装置圧縮されたバイオガス中の水分を除去する。 ③ 膜分離・付臭装置バイオガスの精製及び付臭を行い、精製ガスとする。 ④ LPGミキシングユニット精製したバイオガスにLPGを添加し、熱量を調整する。 ⑤ バッファタンク精製バイオガスを貯蔵する。 ⑥ バイオガスブースタ精製バイオガスを最大 24.5 MPaまで昇圧する。 ⑦ 蓄ガス器ユニット 24.5 MPaの精製ガスを蓄積する。 ⑧ 充填ユニットトラクタ用ガスボンベに精製ガスを 19.6 MPaで充填する。 -3- ベントスタック安全弁・放出弁から分離膜バイオガスブースタ除湿装置バイオガスプラントフィルタ加熱器バイオガス圧縮機バイオガスバッファ流量計タンク THT 膜分離・付臭装置付臭装置充填ユニット蓄ガス器ユニットＬＰＧミキシングユニット T ＬＰガス流量計 T ＬＰＧボンベ 10 kg × 2本１２Ａバイオガスボンベ 47L × 2本（+2本可能）概略フロー図イバイオガス精製圧縮充填装置の基本性能に関する調査 ⅰ バイオガス精製圧縮充填装置の準備バイオガスプラントから産出されるバイオガスを精製し、天然ガス自動車などに使用するガスの熱量と同等に調整した後、圧縮して蓄ガス器に蓄えバイオガストラクタに装着予定のガスボンベに充填する装置の設計図を作成するとともに、本装置の開発過程で留意すべき点をとりまとめながら、装置を準備した。操作室操作室機械室機械室バイオガス精製圧縮充填装置 ⅱ 原料変動や性能変化の確認本装置を用いて、バイオガスプラントの発酵方式や季節等によってバイオガスの組成が変動した場合及び生物脱硫装置を導入した場合の精製後のバイオガスのメタン濃度、バイオガスの熱量調整、精製、付臭の性能変化について調査した結果、季節変動、バイオガスプラントの発酵方式やプラントの通常工程（廃棄物投入時、発酵槽温度変化など）により、原料バイオガスの組成が変動する -4- ことが判明した。これら原料バイオガスの組成変動が精製ガスのメタン濃度にどのような影響を与えるかについて試験を実施した。試験は、実証試験に使用する精製分離膜を使用し、バイオガスを模した混合ガス（メタンガス、二酸化炭素、窒素）を用いて行った。【原料バイオガスの組成変動による分離膜への影響】 No. 原料ガス精製ガス CH 4 （投入ガス）（非透過側）回収率 CH 4 流量圧力温度 CH 4 流量 (%) (%) (m 3/h) (MPa) (℃) (%) (m 3/h) P-① 59.9 6.21 0.60 29.7 81.4 3.50 80.7 P-② 59.9 6.18 0.60 30.2 92.8 2.39 63.1 P-③ 50.2 5.89 0.60 30.5 75.4 3.07 82.7 P-④ 50.2 5.88 0.60 30.6 87.5 2.14 67.0 これらの結果から、原料バイオガスのメタン濃度の変動により、精製ガスのメタン濃度は変動することが確認されたが、メタン回収率（精製ガス流量）を調節することによって、メタン濃度を一定に保ち、精製ガスを安定的に供給することが可能となる。しかし、精製ガス流量を下げることにより、充填時間が延長し、ランニングコストの増加につながることが予想される。これらを鑑み、実証試験では分離膜を２段で設計し、廃棄ガスの一部（２段目透過ガス）をリサイクルし、メタン精製度と回収率のバランスが取れる精製ガス流量を設定して、メタン濃度の向上と安定化を図ることとした。分離膜モジュール 2 段によるバイオガス精製の概略 2段目透過ガス（リサイクル） 1 段目透過ガス（廃棄）分離膜 1段目分離膜 2段目原料ガス 2段目非透過ガス（精製ガス） 1段目非透過ガス（粗精製ガス）分離膜モジュール２段によるバイオガス精製の概略 ⅲ バイオガスの精製試験製作したバイオガス精製圧縮充填装置を用いて、実用規模でのメタン精製を行い、原料バイオガスの投入流量、投入圧力とメタン精製度、メタン回収率の -5- 関係、脱硫効果、付臭、プロパンガス添加量と液化の関係について検証した。１）原料バイオガスの組成と日変動調査期間中の原料バイオガスの組成を示す。【試験期間中の原料バイオガスの組成（体積濃度）】成分メタン二酸化炭素硫化水素濃度 50.9∼56.3% 37.0∼44.0% 5ppm 以下２）メタン精製度とメタン回収率本装置は、これまでの結果を踏まえ、メタン製造量の確保とメタン回収率向上の観点から、分離膜モジュール2段として設計し、実用規模でのメタン精製における原料バイオガスの投入流量、投入圧力とメタン精製度、メタン回収率の関係について検証を行った。バイオガス圧縮機の設計吐出圧力範囲（0.6∼0.7MPa）に設定し、精製ガス流量を変化させて（4∼6m 3/hr ）、メタン精製度、メタン回収率について比較した。メタン精製度、メタン回収率の結果を示す。【メタン精製度】バイオガス圧縮機精製ガス流量（Nm 3/hr）吐出圧力（MPa） 4.0 5.0 6.0 0.60 92.4 % 91.4 % 90.6 % 0.65 93.7 % 92.6 % 91.4 % 0.70 94.5 % 93.4 % 92.5 % 【メタン回収率】バイオガス圧縮機精製ガス流量（Nm 3/hr）吐出圧力（MPa） 4.0 5.0 6.0 0.60 73.1 % 77.8 % 82.2 % 0.65 71.9 % 77.1 % 80.2 % 0.70 71.1 % 74.0 % 79.3 % 結果に示すとおり、精製ガス流量一定では、圧力が高いほどメタン濃度は高くなり、メタン回収率は低下することが確認され、圧力一定では、精製ガス流量が低いほどメタン濃度は高くなり、メタン回収率は低下することが確認された。本装置の設計条件「 1日の精製（充填）量を 96Nm 3 （ = 4Nm 3 /hr ）」では、原料バイオガスのメタン濃度（52.6∼56.1%）に対して、バイオガス圧縮機の設計吐出圧力範囲（0.6∼0.7MPa）の条件下でメタン濃度が92.4∼94.5％ -6- であり、想定したメタン濃度（ 93.0％）とほぼ同等となることが確認された。このメタン濃度では、0.5∼1.5％のLPG添加で12Aガスへ熱量調整可能である。また、メタン回収率は、71.1∼ 73.1％であり、 4Nm 3 /hr、0.6MPaにおける分離膜のシミュレーション結果（70.4％）と同等の結果が得られた。３）脱硫効果と付臭この期間中の原料バイオガスの硫化水素濃度は5ppm以下を維持しており、精製ガスの硫化水素濃度は生物脱硫の有無に関わらず、常に検出限界値（0. 3ppm）以下を記録していた。この結果から、装置設計の条件である「硫化水素濃度1ppm以下」を満たしていることを確認した。また、精製ガスの一部を付臭ラインに通して付臭剤（THT：テトラ･ヒドロ･チオフォン）を導入することにより、精製ガスにおいて、十分な付臭効果を確認した。また、付臭剤未添加の場合は、わずかなプロパンガス臭が感じられたが、薄い匂いであり、付臭剤添加の必要性が確認された。４）プロパンガス添加量と液化物性上、-20℃ 、24.5MPaでは、プロパンガスの体積濃度が1％を超えると、プロパンガスが液化する。しかし、天然ガスの組成と天然ガス自動車の実績から、メタンガス存在下では、プロパンの添加可能濃度が高い可能性がある。そこで、一般用途用ボンベを用いてプロパン液化確認試験を実施した。その結果、24.5MPａ（250kg/cm 2）充填では、実用上、プロパンガスを5∼ 6％まで添加することが可能であり、メタンガス中のプロパンガスは液化する濃度が高くなると考えられる。ウ精製バイオガスの充填調査精製されたバイオガスを昇圧し、蓄ガス器に貯蔵した後、バイオガストラクタに装着するガスボンベなどへの充填を行い、その操作性について確認するとともに充填時間を測定した。 ⅰ ボンベ充填の操作性蓄ガス器に貯蔵した精製バイオガスをバイオガストラクタ用ガスボンベに流し込み充填を行った。充填の操作性は以下のとおりであった。・充填ユニットとバイオガストラクタ用ガスボンベは、レセプタクルコネクタにより容易に接続可能であった。・バルブの開閉、圧力調整器の調節などの充填設定後は、操作室制御盤のタッチパネル上での操作となり、自動充填で入力した目標圧力まで充填されるため非常に容易であった。 -7- 充填ユニットとの接続充填ユニットとの接続バイオガストラクタ用ボンベバイオガストラクタ用ボンベ圧力調整器の操作圧力調整器の操作バイオガストラクタ用ガスボンベへの充填作業 ⅱ 充填時間精製バイオガスのバイオガストラクタ用ガスボンベへの充填は、ボンベ内圧力が3MPa以下の場合に急激に流し込むと、圧力調整器が冷えて動作不良を起こすため、ボンベ内圧力が3MPaに到達するまで、調整器出口バルブ全閉から微開にして流し込み充填する必要がある。バイオガストラクタ用ガスボンベ1本への充填では、ボンベ内圧力が3MPa以上の場合、自動充填により、35℃で19.6MPaに相当する圧力までの充填時間は約10分であった。同様に、一般用途用ガスボンベ1本への充填時間は約20分であった。エバイオガス精製圧縮充填装置の低コスト化に関する調査実運転結果を基に、制御の簡素化や機器の見直し等を行い、バイオガス精製圧縮充填装置のイニシャルコスト及びランニングコストの検討を行った。 ⅰ イニシャルコスト本装置を製造するためのイニシャルコストは以下のとおりである。【イニシャルコスト】（単位：千円（税込））購入部材 34,600 設計費 4,030 製作費 13,000 検査費 1,070 （計） 52,700 今回の試験で得られたデータを基に実用機では簡略化できる部分があることが分かった。例えば、ブースタ吸入クッションタンクと付臭タンクを小型化することにより、さらにコストが下がると思われる。また、今回は１台のみの製 -8- 作であったため、量産時には機器をロットで購入することにより仕入れコストが下がる可能性がある。また、複数台並行して製作する場合、検査も並行することができるため、検査費を低減できると考えられる。 ⅱ ランニングコスト設備を維持するための機器のメンテナンス費用と消耗品は表のとおりである。ただし、高圧ガス保安法上の義務は無く、設備をより安全に使用するために機器メーカーが推奨する内容を記載した。【設備の保守費用】（単位：円）分類項目オイルフィルター交換パーツバイオガス圧縮機点検費用金額 10,000 年１回（年間フル稼働の場合） 35,000 年１回程度オイルバイオガスブースタ 7,000 年間使用量（年間フル稼働の場合）交換パーツ 680,000 10,000時間運転毎に１回 100,000 ２年に１回程度点検費用オ備考バイオガス精製圧縮充填装置のエネルギー使用量の調査バイオガス精製圧縮充填装置を用いてバイオガスを精製してガスボンベに充填するまでのエネルギー使用量の調査を行い、設計値と実運転値について比較検討した。エネルギー使用量は、装置稼動中における各動力の電力量を電流計により測定したところであり、設計値に比べ実運転値では低い値を示したが、その要因は試験を冬期に実施したため、本装置内にある冷凍機の使用電力が抑えられた点が挙げられる。夏期に試験を実施した場合のエネルギー使用量は設計値と同等の値を示すことが予想される。エネルギーバランスについては、以下の表のとおりであり、本装置のエネルギー消費量の4.4倍以上のエネルギーを製造している。【エネルギーバランス】発生エネルギー 8,950 kcal/m 3 製品ガス熱量（12A下限値） 4.0 m 3/hr 製造（充填）量 1時間当たりの発生エネルギー量 35,800 kcal 消費エネルギー装置消費電力 9.4 kW 1時間あたりのエネルギー使用量 -9- 8,083 kcal