Flammable Gas

6.1 Introduction

古代ペルシャ人が生きていた時代から、腐った野菜から得られる引火性ガスの認識は理解されてきた。 その後、文明が近代に入ると、ヨーロッパでは集中排水システムが取り付けられ、嫌気性消化により下水中の固形物が減容化されるようになった。 一方、科学界では、増大する社会のエネルギー需要を満たすために、人口増加に比例した新たな代替燃料の発見に力を注いでいた。 廃棄物の発生量は常に人口に比例しており、中には再利用が困難な廃棄物もある。 これらのフラクションは、エネルギー用途としてさらに調査する必要があります（『世界エネルギー統計』2016年6月号）。 廃棄物には、主にバイオマス、食品廃棄物などの生分解性のものと、プラスチック、廃油、金属廃棄物などの非生分解性のものがあり、種類は多岐にわたります。 イギリスやドイツなど多くの国では、1900年代前半に下水を処理して街灯の照明用の可燃性ガスを製造するために、このアイデアが利用されていた。 最初の下水処理場は、1859年にインドのボンベイ（現ムンバイ）に建設された。 1930年代には、再びボンベイで可燃性ガスを発生させるためのグランジ廃棄物が開発された。 1960年代初頭には、KVIC（Khadi and Villages Industries Commission）がバイオガスプラントを開発し、インドの村人たちに利用されるようになった。 その直後、浮遊ドラムを使用した設計の成功は、インドの村人に調理用燃料を提供するインド政府の継続的な支援プログラムの基礎を形作った。

1630年代初頭、ベルギーの化学者であるジャン・バプティスタ・ファン・ヘルモントが、有機物を分解することで可燃性のガスが得られることを確立した。 1776年、アレッサンドロ・ボルタ伯爵の実験により、可燃性ガスの発生量が腐敗した有機物の量に正比例することが判明した。 1808年には、サー・ハンフリー・デイヴィーが牛糞の嫌気性消化でメタンガスが発生するかどうかを調査した。 1875年には、オランダの農夫Wouter Sluysがメタンを照明に利用した。 イギリスでは、1895年に「慎重に設計された」下水処理施設からバイオガスを回収し、エクセターで街灯の燃料として使用した。

中国は、1960年代初頭から1980年代にかけて同様の取り組みを行い、浄化槽の設計に基づいた500万基のプラントを設置しました。 ドーム型のデザインは、オリジナルの長方形のタンクに置き換えられました。 インドは同様の設計を開発し、ネパールで様々なグループの参加を得て活発なプログラムの基礎を形成した。このプログラムは、現在BSP（Biogas Sector Partnership）と呼ばれている。 中国、インド、ネパールはこのプログラムを着実に発展させてきた。 このプログラムは、最近、ヨーロッパと英国で関心が高まっている。 石油価格の高騰を受け、英国では一部のグループが代替エネルギーとしてバイオガスによる農場でのエネルギー生産を開始しましたが、これは1980年代初めのインドのプログラムがきっかけでした。 石油価格の高騰により、人々は代替エネルギーを求めるようになりました。 石油価格の下落、したがって電力の下落は、あまり収益性のないバイオガスの設備を農場に戻し、その時点で建設された200の設備が生き残ることができました。

嫌気性消化は最も広く適用される技術の一つですが、それは主に微生物の性能に依存し、消化プロセスが複雑であるのでまだ完全に理解されていない。 また、これらの微生物の性能は、それらが存在する環境に大きく依存する。 このプロセスの挙動を研究するために多くの数学モデルが開発され、新しいモデルの最適化が続けられている。 これらの数理モデルは、「生物学的要因」のために直接産業界に導入することができず、実現が容易でない嫌気性消化のプロセスを阻害し、非線形性の高いものにしている 。 同様に、1年間に世界中で1億3000万トン以上の食品が廃棄されており、膨大な量の生ゴミが発生している。 生ゴミは有機物の栄養分が多く、微生物の働きで急速に分解される。 そのため、悪臭や病気の原因となり、生ゴミの処理は世界中で深刻な問題になっています。 生ゴミはほとんどが有機物であるため、バイオガス生産の理想的な原料であり、バイオガス生産の基質としての食品および生ゴミの可能性が広く研究されている。 世界中の研究開発のほとんどは、優れた環境性能と高いバイオマス原料の柔軟性が確認されている、いわゆる第二世代バイオ燃料の生産方法に焦点を当てている。

ほとんどの第二世代バイオ燃料の製造において、バイオ廃棄物からの合成ガスの生産は重要なステップである。 経済協力開発機構（OECD）のいくつかの国は、地元で使用するために独自のバイオ燃料産業を確立している。 天然ガス、石油、石炭などの化石エネルギー源を主な原料とする合成ガスの世界的な年間生産量は約6 EJで、これは一次エネルギー消費総量の約2%に相当する … バイオエタノールの主な生産国と消費国（世界全体の約95％）はブラジルと米国であり、同様にバイオディーゼルの主な生産国はドイツ、オーストリア、フランスである。 バイオエタノールには、木質系、草質系、農業廃棄物、都市廃棄物、産業廃棄物などが含まれる。 水蒸気改質法で合成ガスに変換できるものとしては、Sasol（南アフリカ）やMobil（米国）が製造・実用化しているバイオメタノール、バイオエタノール、ジメチルエーテル（DME）、合成天然ガス、FT（Fischer-Tropsch）燃料、水素などの合成輸送燃料がある。 バイオガスから得られる合成ガスは、より高いアルコール生産に利用できるかもしれない。

世界各地のバイオガス開発を概観すると、西ヨーロッパからの推進力があるとしても、インドと中国が他の国に劣らない存在である。 インドは、1897年にムンバイのMatunga Leper Asylumで街路照明用のガスを生成するために屎尿を使用して、世界で初めて嫌気性消化槽を建設したことで世界中に知られている。 1950年代には集中的な研究が行われ、いくつかの設計のプラントが開発された。 その中で最も注目すべきは、ジョシュバイ・パテル（グジャラート出身のガンジー運動家）が開発した「グラマ・ラクシュミIII」である。 これは、後のKVIC（Khadi and Village Industry Commission）のフローティングドーム型モデルの原型となった。 その後、バイオガスへの関心は高まり、1960年にKVICが標準的なバイオガスプラントを設置・開発するようになりました。 こうして、5年間の第6次計画期間中に、家庭用サイズの100万台の設備と、政府の他の多くのコミュニティ設備を作ることが決定されたのです。 この計画は、現在に至るまで破綻することなく継続され、400万基のプラントに到達している（MNRE 2011）。 国家バイオガス・糞尿管理プログラムでは、2009年から2010年にかけて15万件の「家族型」バイオガスプラントの設置を計画していた。

バイオマスは、エネルギー需要だけでなく作物から生じる大量の残渣のために、インドの再生可能エネルギープログラムで最も注目される分野の1つである。 合計39の残渣作物の中から約26の作物がケーススタディとして考慮されています。 インドでは、年間 686 MT の作物残渣バイオマスが生産されており、このうち 234 MT（34%）はバイオエネル ギー生成のための余剰と推定される。 農村部では、作物と家畜廃棄物をエネルギー生産と調理用エネルギー需要に利用することが多い。 この2つが、家庭や住宅地から出る大量の生ゴミの主な原因となっている。 統計によると、人数の多い大世帯は、小世帯よりも多くのゴミを出す傾向があります。 しかし、一人暮らしの家庭は、一人当たりで見ると最も多くの食品を廃棄していると報告されています。 また、高齢者は若い人と同じだけ食品を廃棄しており（1人当たり1.2kg/週）、これは社会の常識と矛盾しています。 毎年多くの生ゴミが排出されていますが、環境を守るために処理する必要があるのです。 嫌気性消化は、生ゴミを組織的に生物学的に分解し、バイオガスを効率的に回収してエネルギー源として利用することができます。 このバイオガスは、約60％がメタン、約40％が二酸化炭素です。 農村部の人々は、家庭での調理や照明のニーズを満たすためにバイオガス技術を採用し、Khadi and Village Industries、Janata、Deenbandhuのバイオガスプラントを含んでいます。 これらのバイオマスは、バイオメタン化、バイオディーゼルや輸送油などの様々な液体燃料の製造に最適な資源です。 嫌気性消化は、バイオマスをバイオガスに変換する主なプロセスの1つです。 バイオガスは、部分酸化または水蒸気改質によって合成ガスに変換されます。 合成ガスはさらにフィッシャー・トロプシュ法などの様々な方法で液体燃料に変換され、メタン化によりメタノール、エタノール、様々なバイオ燃料に変換されます

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