JP2004113087A - 循環型バイオマスエネルギー回収システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】エネルギー回収効率を高めた循環型バイオマスエネルギー回収システムおよび方法を提供する。
【解決手段】バイオマス原料として植物プランクトンを培養する培養液が満たされた培養部１０と、培養部１０で培養されたバイオマス原料を回収するバイオマス原料回収部１１と、バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換するエネルギー源変換部１２と、エネルギー源変換部１２で変換されたエネルギー源からエネルギーを回収するエネルギー回収部１３と、エネルギー回収部１３において生成された二酸化炭素を前記培養部に戻すための二酸化炭素回収部１４とを有する構成とする。さらに、エネルギー源変換部から得られる栄養成分を培養部に戻す栄養成分回収部１５を有する構成とする。
【選択図】 図１
【解決手段】バイオマス原料として植物プランクトンを培養する培養液が満たされた培養部１０と、培養部１０で培養されたバイオマス原料を回収するバイオマス原料回収部１１と、バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換するエネルギー源変換部１２と、エネルギー源変換部１２で変換されたエネルギー源からエネルギーを回収するエネルギー回収部１３と、エネルギー回収部１３において生成された二酸化炭素を前記培養部に戻すための二酸化炭素回収部１４とを有する構成とする。さらに、エネルギー源変換部から得られる栄養成分を培養部に戻す栄養成分回収部１５を有する構成とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、循環型バイオマスエネルギー回収システムおよび方法に関し、特に単細胞藻類などの植物プランクトンをバイオマス原料として閉鎖型循環系を構成し、バイオマスエネルギーを回収する循環型バイオマスエネルギー回収システムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境問題が国際的に注目される中、自然環境の保全とエネルギー資源の有効活用、生態系の維持が人類共通の重要な課題となっている。エネルギーは、石炭や石油などの石化燃料を用いたもの、自然の風力や太陽光を利用したものや原子力発電などのエネルギー源が代表的なものとしてあげられる。
【０００３】
ここで、風力や太陽光などの自然のエネルギーと原子力エネルギー以外は、全て原料を燃焼させることからエネルギーを得ているために二酸化炭素を排出している。しかし、二酸化炭素は地球温暖化を促進するため、二酸化炭素を含めた地球温暖化ガスを排出しないエネルギー源が求められている。
一方、太陽電池による太陽光発電では、発電時には二酸化炭素の排出はないが、太陽電池である半導体シリコン製造プロセスに大きなエネルギーを消費することが問題となっている。また、原子力発電も原料の採掘・輸送・廃棄の各プロセスにおいてエネルギーを使用している。
【０００４】
上記のようなエネルギー問題を踏まえて、近年バイオマスエネルギーが注目されている。
バイオマスエネルギーとは、植物などの生物体（バイオマス）として蓄えられた有機物をエネルギー源として見なすことを指す。つまり、植物は光合成を行い、二酸化炭素（ＣＯ２ ）を吸収し、生物体へと変化させる。その生物体を燃焼させると熱エネルギーを回収することが可能となる。
生物体の燃焼時に排出される二酸化炭素は、光合成によって固定された量しか排出されないため、光合成による有機物の合成から燃焼までの全体の過程で二酸化炭素の排出がない。このためバイオマスエネルギーはクリーンなエネルギーとして注目されている。
【０００５】
バイオマスエネルギーは地球上に莫大なストックが存在すると同時に、太陽エネルギーによって陸上や海の光合成を行う生物によって常に生産されている。
試算によると、地球上に存在するバイオマスのストックは、人類が消費する一年分の商業エネルギーの１００倍量が存在し、毎年生産されるバイオマスフローは１０倍量にあたる。このようにバイオマスエネルギーはストックとフローの両面の性質をもち、その量は莫大であるという特徴を示す。
【０００６】
ここで、上記のバイオイマスエネルギーを使用したエネルギー回収システムについて説明する。
図４は上記のバイオイマスエネルギーを使用したエネルギー回収システムの工程を示す模式図である。
まず、バイオマスの生産を行い、必要に応じてバイオマスの採集を行う。バイオマスエネルギーの対象は、炭素を含んでいて燃焼時にエネルギーを発生できればよいため、その原料は多種多様である。ほとんど全ての有機物体がそれにあたり、マツ・スギ林などから採集される木材、トウモロコシやサトウキビ、ユーカリなどの植物、木材パルプの製造過程で発生する黒液、サトウキビの絞りかすであるバガスあるいは家畜糞などの農産廃棄物、食品廃棄物などの都市廃棄物があげられる。
【０００７】
次に、上記のように生産されたバイオマスをエネルギー変換して、メタンガス、エタノール、油、メタノールなどのエネルギーを得る。これには、生物化学的変換や、熱化学的変換がある。
エネルギー変換の結果生じる固形廃棄物は農地などで利用され、また、汚水は川や海へ廃棄される。
【０００８】
上記のバイオマスエネルギーには、地球上に散在するバイオマスエネルギーを一箇所に集めてエネルギーを回収する回収運搬型バイオマスエネルギーという利用形態と、ある耕地や海などのエリアで植物などの生物体を生産し、それをその場所でエネルギーに変換するプランテーション型バイオマスエネルギーの２つの利用形態が存在する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のバイオマスエネルギーについて、以下のような問題がある。
プランテーション型バイオマスエネルギーの場合、エネルギー作物を育てるために施肥などのプランテーション維持のエネルギーが必要である。また、エネルギー作物の採集（収穫）のエネルギーやエネルギー作物の運搬のエネルギーが必要である。
一方、回収運搬型バイオマスエネルギーの場合においても、バイオマスの採集や運搬のエネルギーが必要である。
また、エネルギー回収時に発生する廃棄物や汚水の運搬や処理にエネルギーを消費してしまう。
【００１０】
また、プランテーション型バイオマスエネルギーの場合、エネルギー作物を育てる土地の十分な確保が難しいという問題がある。
さらに、バイオマスを直接燃焼して利用する場合、図５に示すように、ウェットバイオマスなどのように含水率が高いと、気化するために高いエネルギーを要するため、もともと低い原料のエネルギー密度がさらに低くなり、有効発熱量が低下してしまう。有効発熱量を高めるためには、含水率が低いドライバイオマスを生産する必要がある。
【００１１】
上記のように、バイオマスエネルギーは、実際には移動させる運搬エネルギーだけでもそれが持っているエネルギー価値を上回ってしまうほど低いエネルギーといえる。つまり、移動や栽培後の収穫をエネルギーを消費しないで行わなければならないほどの低いエネルギーしかもたないということになる。
【００１２】
このような価値の低いエネルギーを利用するためには、（１）太陽エネルギーを効率よく生物体へ変換する植物種の選定、（２）農作物が育たない土地を利用した栽培が可能となること、（３）栽培時の施肥や栽培後の伐採、収穫などのエネルギーがかからないこと、（４）エネルギーを生産した後に廃棄物を生成しないことなどの条件を満たすことが望まれており、プランテーション全体の高効率化が重要な条件となる。
【００１３】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー回収効率を高めた循環型バイオマスエネルギー回収システムおよび方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、バイオマス原料として植物プランクトンを培養する培養液が満たされた培養部と、前記培養部で培養された前記バイオマス原料を回収するバイオマス原料回収部と、前記バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換するエネルギー源変換部と、前記エネルギー源変換部で変換された前記エネルギー源からエネルギーを回収するエネルギー回収部と、前記エネルギー回収部において生成された二酸化炭素を前記培養部に戻すための二酸化炭素回収部とを有する。
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、培養液が満たされた培養部においてバイオマス原料として植物プランクトンを培養し、バイオマス原料回収部において培養部で培養されたバイオマス原料を回収し、エネルギー源変換部においてバイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換し、エネルギー回収部においてエネルギー源変換部で変換されたエネルギー源からエネルギーを回収する。この後、二酸化炭素回収部により、エネルギー回収部において生成された二酸化炭素を培養部に戻す。
【００１５】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記エネルギー源変換部が前記バイオマス原料のメタン発酵を行うメタン発酵部であり、前記エネルギー回収部が前記メタン発酵部で生成されたメタンを燃焼して発電する発電部である。
【００１６】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記培養部の上面は紫外線を通さない透明の蓋材で覆われて外気が遮断され、前記培養液の表面のガス雰囲気が閉鎖系となっている。
【００１７】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記エネルギー源変換部から得られる栄養成分を前記培養部に戻すための栄養成分回収部をさらに有する。
【００１８】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記バイオマス原料回収部が前記バイオマス原料を濃縮して回収するバイオマス原料濃縮回収部であり、前記エネルギー源変換部においては前記バイオマス原料濃縮回収部において濃縮して回収されたバイオマス原料をエネルギー源に変換する。
【００１９】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記培養部が植物プランクトンを連続培養する連続培養部である。
【００２０】
また、上記目的を達成するため、本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、培養液が満たされた培養部においてバイオマス原料として植物プランクトンを培養する工程と、前記培養部で培養された前記バイオマス原料を回収する工程と、前記バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換するエネルギー源変換工程と、前記エネルギー源からエネルギーを回収するエネルギー回収工程と、前記エネルギー回収工程において発生する二酸化炭素を回収して前記培養部に戻す工程とを有する。
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、培養液が満たされた培養部においてバイオマス原料として植物プランクトンを培養し、培養部で培養されたバイオマス原料を回収し、バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換し、エネルギー源からエネルギーを回収する。この後、エネルギー回収工程において発生する二酸化炭素を回収して培養部に戻す。
【００２１】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記エネルギー源変換工程において前記バイオマス原料のメタン発酵によりメタンを生成し、前記エネルギー回収工程において前記メタンを燃焼して発電する。
【００２２】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記培養部の上面を紫外線を通さない透明の蓋材で覆って外気から遮断し、前記培養液の表面のガス雰囲気を閉鎖系とする。
【００２３】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記エネルギー回収工程の後に、前記エネルギー回収工程において発生する二酸化炭素を回収して前記培養部に戻す工程をさらに有する。
【００２４】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記エネルギー源変換工程の後に、前記エネルギー源変換工程において得られる栄養成分を回収して前記培養部に戻す工程をさらに有する。
【００２５】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記培養部から前記バイオマス原料を回収する工程においては、前記バイオマス原料を濃縮して回収し、前記エネルギー源変換工程においては濃縮して回収された前記バイオマス原料をエネルギー源に変換する。
【００２６】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記培養部において植物プランクトンを連続培養する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明はプランテーション型の循環型バイオマスエネルギー回収システムおよびそれを用いた循環型バイオマスエネルギー回収方法であり、本発明の実施の形態について、以下に図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態に係る循環型バイオマスエネルギー回収システムの模式構成図である。
本実施形態に係るバイオマスエネルギー回収システムは、培養部１０と、バイオマス原料回収部１１と、エネルギー源変換部１２と、エネルギー回収部１３と、二酸化炭素回収部１４を有する。
【００２９】
培養部１０は、例えば植物プランクトンを連続培養する連続培養部など、バイオマス原料となるエネルギー作物を培養する場所となっており、培養部１０においてバイオマス原料として水中で生育する植物プランクトンを培養する。
培養部１０は、例えば数１０００〜数１０万ｍ２ の面積で、深さが数１０ｃｍ〜数ｍ程度の水槽に培養液が満たされた構成となっており、培養部１０の上面は紫外線を通さない透明のガラスやアクリルなどの蓋材で覆われて外気が遮断され、培養液の表面のガス雰囲気が閉鎖系となっていて、エネルギー作物である植物プランクトンの成長に適した化学組成の雰囲気に制御されている。
【００３０】
培養部１０において、培養液は高い栄養塩濃度に維持され、植物プランクトンの成長速度は高い状態に維持される。
また、培養液中の植物プランクトンの収率を高めるため、細胞濃度は生理生態学的な限界値まで高めて培養が行われる。
また、培養液は細胞の成長速度が最大になるようなｐＨに調節される。
【００３１】
バイオマス原料回収部１１は、培養部１０で培養されたバイオマス原料を回収する。
例えば培養された植物プランクトンが培養液とともにバイオマス原料回収部１１に移液されることで容易に植物プランクトンが回収される構成であり、バイオマス原料を濃縮して回収するバイオマス原料濃縮回収部となっている。成長速度が最大にコントロールされた培養部で増殖した植物プランクトンが濃縮されて回収される。
【００３２】
エネルギー源変換部１２は、バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換する。
エネルギー源変換部１２は、例えばバイオマス原料のメタン発酵を行うメタン発酵部となっている。植物プランクトンというバイオマスエネルギーの原料からメタン発酵によってメタンガスが得られる。これには、例えば、バイオマスに含まれている多糖類を分解し、メタノコッカス属、メタノサルシナ属あるいはメタノバクテリア属などの代謝産物としてメタンを生成することで知られている種々のメタン細菌を加え、所定の温度に保つことなどによりメタン発酵を行う。
あるいは、エタノールやメタノールなどに変換するアルコール変換部などとすることもできる。これには、例えば、バイオマスに含まれている多糖類を分解し、サッカロマイセス属などに属する酵母を加え、所定の温度に保つことなどによりアルコール発酵を行う。
【００３３】
エネルギー回収部１３は、エネルギー源変換部１２で変換された有効なエネルギー源について、エネルギー源を用いた発電や燃料そのものとして貯蔵が行われ、バイオマスエネルギーとして回収される。
例えばエネルギー源変換部１２はメタン発酵部である場合には、エネルギー回収部１３としては、例えばメタンを燃焼して発電タービンを回して発電する発電部とすることができる。
【００３４】
二酸化炭素回収部１４は、エネルギー回収部において生成された二酸化炭素を培養部１０に戻す。
メタンガスの燃焼などにより、エネルギー回収部１３において発生する二酸化炭素は回収されてバイオマス原料の培養部１０へと送られ、植物プランクトン培養時の光合成に供せられる。
【００３５】
上記の循環型エネルギー回収システムにおいて、例えば上記のようにエネルギー源として生成されたメタンガス、エタノールあるいはメタノールなどの化学組成は、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）からなっている。
原料として利用される植物プランクトンは、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）はもちろんのこと、無機栄養塩類として入り込んでいる窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）などの微量元素をさらに含んでいる。
炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）の３元素はエネルギーとしてエネルギー変換部１２中の液相から回収されて取除かれるが、栄養塩類の元となる窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）およびその他の微量元素はエネルギー変換部中の液相にとどまった状態で存在している。
【００３６】
そこで、本実施形態に係る循環型バイオマスエネルギー回収システムは、さらにエネルギー源変換部１２中の液相にとどまった窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）およびその他の微量元素を栄養成分として回収し、必要に応じて植物プランクトンに再び吸収される形に変換する栄養成分回収変換部１５をさらに有する。
例えば、栄養成分は硝酸イオンやリン酸イオンなどを含む塩として回収され、培養部１０に戻されて植物プランクトン培養のために利用される。
また、エネルギー変換部１２でアンモニアが発生するような場合にもアンモニアを回収して、栄養成分回収変換部１５において培養部１０で植物プランクトンが利用できる栄養成分に変換され、培養部１０に戻される。
【００３７】
上記の循環型バイオマスエネルギー回収システムにおいては、太陽光である光エネルギーが培養部１０に照射されると、培養部１０の培養液内で、バイオマス原料となる植物プランクトンが培養される。
培養された植物プランクトンは、培養液とともにバイオマス原料回収部１１に移液され、植物プランクトンが回収され、植物プランクトンであるウェット状態のバイオマス原料が得られる。余分な培養液は培養部１０に戻される。
ウェット状態のバイオマス原料はエネルギー源変換部１２に投入され、メタンガスやアルコールなどのエネルギー源に変換される。
得られたエネルギー源から、エネルギー回収部１３においてバイオマスエネルギーとしてエネルギーが回収される。
【００３８】
ここで、メタンガスの燃焼などによりエネルギー回収部１３において発生する二酸化炭素ガスは、二酸化炭素回収部１４により回収され、植物プランクトンの光合成に供せられるように培養部１０へと送られる。
このように、エネルギー回収部１３から回収された二酸化炭素を培養部１０へ戻すことで、エネルギー回収システムが閉鎖型循環系となり、気体の組成を自由にコントロールすることができる。そのために、二酸化炭素分圧をあげることが可能となり、本実施形態に係る循環型エネルギー回収システム内では炭素固定速度と分解速度を定常状態にするため、それを維持することができる。
【００３９】
また、エネルギー源変換部１２において発生する窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）などを含む栄養成分は、栄養成分回収変換部１５において植物プランクトンに再び吸収される形である硝酸イオンやリン酸イオンなどを含む栄養塩の水溶液とされ、植物プランクトン培養に利用するために培養部１０に戻される。栄養成分を回収した余剰な固体成分は、栄養成分回収変換部１５からエネルギー源変換部１２に戻される。
このように、エネルギー源変換部１２から回収された栄養成分を培養部１０へ循環させることによって、施肥の必要がなくなる利点がある。
【００４０】
図２は、本実施形態においてより具体的な構成とした循環型バイオマスエネルギー回収システムの模式構成図である。
上記の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、植物プランクトンの連続培養部１０ａと、バイオマス原料濃縮回収部１１ａと、メタン発酵部１２ａと、発電部１３ａと、二酸化炭素回収部１４ａと、栄養成分回収変換部１５ａと、アンモニア回収部１６ａを有する。
【００４１】
植物プランクトンの連続培養部１０ａは、バイオマス原料となる植物プランクトンを連続的に培養する。
植物プランクトンは、特に限定されないが、例えばクロレラ、ドナリエラ、クラミドモナス、セネデスムス、スピルリーナなどを用いることができる。
バイオマス原料濃縮回収部１１ａは、植物プランクトンの連続培養部１０ａで培養されたバイオマス原料を濃縮して回収する。
メタン発酵部１２ａは、バイオマス原料のメタン発酵を行い、エネルギー源となるメタンに変換する。
アンモニア回収部１６ａは、メタン発酵部１２ａにおいて発生したメタンガスやアンモニアを含むガス成分を回収し、アンモニア成分を分離して栄養成分回収変換部１５ａへと送り、一方、メタンガス成分を発電部１３ａへと送る。
発電部１３ａは、エネルギー源であるメタンガスを燃焼して発電タービンを回して発電し、電気エネルギーを回収する。
尚、メタン発酵部１２ａと発電部１３ａは、メタン発酵発電部２０として一体となっているシステムを組み込むことが可能である。
【００４２】
さらに、発電部１３ａでメタンガスの燃焼により発生する二酸化炭素は二酸化炭素回収部１４ａにより回収され、植物プランクトンの光合成に供せられるように植物プランクトンの連続培養部１０ａに送られる。
【００４３】
また、栄養成分回収変換部１５ａは、メタン発酵部１２ａにおいて生成される活性汚泥から窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）などの栄養成分を回収してリン酸イオンや硝酸イオンなどの植物プランクトンに再び吸収される形に変換し、得られた栄養成分を植物プランクトンの連続培養部１０ａに戻す。窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）などの栄養成分を回収した残りの余剰汚泥はメタン発酵部１２ａに戻される。
アンモニア回収部１６ａから回収されたアンモニア成分は、同様に植物プランクトンに再び吸収される形に変換され、植物プランクトンの連続培養部１０ａに戻される。
【００４４】
（実施例１）
本実施例においては、上記の循環型バイオマスエネルギー回収システムにおけるエネルギー収支を算出するシミュレーションを行った。
バイオマス原料の培養部として、一辺が４００ｍの正方形である１６００００ｍ２ の面積の植物プランクトンの連続培養槽を想定する。
【００４５】
ここで、連続培養槽の培養液の条件を以下のようにする。単位Ｍはｍｏｌ／Ｌを示す。
（１）栄養塩濃度
ＮＯ３ 濃度：０．８８ｍＭ
ＰＯ４ 濃度：０．０４ｍＭ
Ｓｉ濃度 ：０．０５４ｍＭ
（２）ビタミン濃度
Ｃｙａｎｏｃｏｂａｌａｍｉｎ：０．５μｇ／Ｌ
Ｂｉｏｔｉｎ ：０．５μｇ／Ｌ
Ｔｉａｍｉｎｅ ＨＣｌ ：１００μｇ／Ｌ
（３）金属類濃度
Ｚｎ：０．０８μＭ
Ｍｇ：０．９μＭ
Ｍｏ：０．０３μＭ
Ｃｏ：０．０５μＭ
Ｃｕ：０．０４μＭ
Ｆｅ：１１．７μＭ
ＥＤＴＡ：１１．７μＭ
（４）培養液ｐＨ：約７〜８
（５）培養液中の植物プランクトン細胞濃度：
２×１０６ 〜２×１０７ ｃｅｌｌｓ／ｍＬ
【００４６】
植物プランクトンの生産速度としては、上記のように培養液の条件を整えると一日当たりドライバイオマスでの炭素の質量として１５ｇ−Ｃ／ｍ２ ／ｄａｙを達成できる。
この場合、上記面積の連続培養槽での植物プランクトンの生産速度は、ドライバイオマス量として、１５ｇ−Ｃ／ｍ２ ／ｄａｙ×１６００００ｍ２ ＝２．４ｔｏｎ−Ｃ／ｄａｙとなる。
ウェットバイオマス中で炭素の質量を８％として換算すると、ウェットバイオマスの生産速度は２．４ｔｏｎ／０．０８／ｄａｙ＝３０ｔｏｎ／ｄａｙとなる。
【００４７】
一方、メタン発酵発電部において、効率を４０％と想定すると、生ゴミなどのウェットバイオマス１０ｔｏｎに対して、例えば５８００ｋＷｈ／ｄａｙの発電量が得られる。
このときのシステム消費電力が１４００ｋＷｈ／ｄａｙ程度となり、発電量の収支は４４００ｋＷｈ／ｄａｙとなる。また、５７００ｋＷｈ／ｄａｙの発電機回収熱が得られる。
従って、一日あたり生産される３０ｔｏｎのウェットバイオマスに対しては、４４００ｋＷｈ／ｄａｙ×３＝１３２００ｋＷｈ／ｄａｙの発電量が得られることになる。
即ち、一年あたりでは４．８２×１０６ ｋＷｈもの電力を発電することが可能となっている。
【００４８】
（実施例２）
バイオマスプランテーションとして利用が検討されているサトウキビやポプラ、ユーカリの木などの陸上の作物や、本発明において用いている植物プランクトンなどの藻類は、光合成によって太陽エネルギーを利用して大気中の二酸化炭素を固定する。固定された炭素は有機物として燃焼エネルギーをもつ。
図３は、太陽の光エネルギー（Ａ）を１００％としたときの、固体された有機物の燃焼エネルギーの比率（エネルギー変換効率）を示しており、（Ｂ）は陸上の作物、（Ｃ）は本発明において用いている植物プランクトンである。
図３に示すように、陸上の作物（Ｂ）のエネルギー変換効率は良くても０．９％程度しかない。この燃焼エネルギーは発電に利用すると発電効率を高く見積もっても４０％程度なので、現実に電気として利用できるのは、０．４％程度しかないことになる。
一方、植物プランクトン（Ｃ）のエネルギー変換効率は３．３％程度に達し、陸上植物の３倍以上のエネルギー変換効率を得ることができる。
図３においては、参考までに太陽電池のエネルギー変換効率（Ｄ，１０％）も示している。
【００４９】
（実施例３）
上記のサトウキビやポプラ、ユーカリの木などの陸上の作物のプランテーションからバイオマス原料を得て発電するバイオマスエネルギー回収システムと、本発明の植物プランクトンをバイオマス原料として発電する循環型バイオマスエネルギー回収システムについて、プランテーションの面積を共通としたときのバイオマスの年間生産量と、メタン発酵を利用した発電プラントとして試算したときの発電電力量、およびその他の諸性能の比較を行った。
結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
本発明の植物プランクトンをバイオマス原料として発電する循環型バイオマスエネルギー回収システム（プランテーション）は、従来のバイオマスエネルギー回収システム（プランテーション）と比較すると１４．５倍の面積効率を得ることができた。
また、本発明の植物プランクトンをバイオマス原料として発電する循環型バイオマスエネルギー回収システムは、従来のバイオマスエネルギー回収システムと比較して２０倍の発電効率を得ることができた。
【００５２】
上記の本実施形態の循環型バイオマスエネルギー回収システムによれば、以下の利点を享受することができる。
（１）栄養塩を循環させることによって、肥料の施肥の必要がない。
（２）高濃度で植物プランクトンを培養し、陸上の植物と比較して高い収率を得ることができる。
（３）閉鎖型循環系を用いているために気体の組成を自由にコントロールすることができる。そのために、二酸化炭素分圧をあげることが可能となり、システム内では炭素固定速度と分解速度を定常状態にするため、それを維持することができる。
（４）水という媒体を利用しているため、栽培や伐採などのエネルギーを必要とせず、生産されたバイオマスを低エネルギーで回収することができる。
（５）従来のエネルギープラントのように原料を必要としない。
（６）従来のエネルギープラントのように廃棄物を排出しない。
（７）陸上植物の３倍以上のエネルギー変換効率を有する植物プランクトンをバイオマス原料とすることで、太陽エネルギーからエネルギーを回収する効率を向上することができる。
（８）従来のプランテーション型バイオマスエネルギー回収システムとの生物収穫量を比較すると面積効率を向上できる。
（９）メタン発酵を利用した発電プラントとして試算すると、従来のプランテーション型バイオマスエネルギー回収システムと比較して格段に発電効率を向上することができる。
【００５３】
本発明は上記の実施の形態に限定されない。
例えば、エネルギー源に変換する方法としてメタン発酵を示しているが、その他のエネルギー源に変換する方法でもよい。
エネルギー回収としては、エネルギー源を用いた発電の他、燃料そのものとして貯蔵してもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る循環型バイオマスエネルギー回収システムによれば、エネルギー回収効率を高めることができる。
【００５５】
また、本発明に係る循環型バイオマスエネルギー回収方法によれば、エネルギー回収効率を高めてバイオマスエネルギーを回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る循環型バイオマスエネルギー回収システムの模式構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態においてより具体的な構成とした循環型バイオマスエネルギー回収システムの模式構成図である。
【図３】図３は、実施例２において太陽の光エネルギーと陸上の作物および植物プランクトンにおいて固体された有機物の燃焼エネルギーの比率（エネルギー変換効率）を示す。
【図４】図４は従来例に係るバイオイマスエネルギーを使用したエネルギー回収システムの工程を示す模式図である。
【図５】図５はバイオマスの含水率と有効発熱量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…培養部、１１…バイオマス原料回収部、１２…エネルギー源変換部、１３…エネルギー回収部、１４…二酸化炭素回収部、１５…栄養成分回収変換部、１０ａ…植物プランクトンの連続培養部、１１ａ…バイオマス原料濃縮回収部、１２ａ…メタン発酵部、１３ａ…発電部、１４ａ…二酸化炭素回収部、１５ａ…栄養成分回収変換部、１６ａ…アンモニア回収部、２０…メタン発酵発電部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、循環型バイオマスエネルギー回収システムおよび方法に関し、特に単細胞藻類などの植物プランクトンをバイオマス原料として閉鎖型循環系を構成し、バイオマスエネルギーを回収する循環型バイオマスエネルギー回収システムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境問題が国際的に注目される中、自然環境の保全とエネルギー資源の有効活用、生態系の維持が人類共通の重要な課題となっている。エネルギーは、石炭や石油などの石化燃料を用いたもの、自然の風力や太陽光を利用したものや原子力発電などのエネルギー源が代表的なものとしてあげられる。
【０００３】
ここで、風力や太陽光などの自然のエネルギーと原子力エネルギー以外は、全て原料を燃焼させることからエネルギーを得ているために二酸化炭素を排出している。しかし、二酸化炭素は地球温暖化を促進するため、二酸化炭素を含めた地球温暖化ガスを排出しないエネルギー源が求められている。
一方、太陽電池による太陽光発電では、発電時には二酸化炭素の排出はないが、太陽電池である半導体シリコン製造プロセスに大きなエネルギーを消費することが問題となっている。また、原子力発電も原料の採掘・輸送・廃棄の各プロセスにおいてエネルギーを使用している。
【０００４】
上記のようなエネルギー問題を踏まえて、近年バイオマスエネルギーが注目されている。
バイオマスエネルギーとは、植物などの生物体（バイオマス）として蓄えられた有機物をエネルギー源として見なすことを指す。つまり、植物は光合成を行い、二酸化炭素（ＣＯ２ ）を吸収し、生物体へと変化させる。その生物体を燃焼させると熱エネルギーを回収することが可能となる。
生物体の燃焼時に排出される二酸化炭素は、光合成によって固定された量しか排出されないため、光合成による有機物の合成から燃焼までの全体の過程で二酸化炭素の排出がない。このためバイオマスエネルギーはクリーンなエネルギーとして注目されている。
【０００５】
バイオマスエネルギーは地球上に莫大なストックが存在すると同時に、太陽エネルギーによって陸上や海の光合成を行う生物によって常に生産されている。
試算によると、地球上に存在するバイオマスのストックは、人類が消費する一年分の商業エネルギーの１００倍量が存在し、毎年生産されるバイオマスフローは１０倍量にあたる。このようにバイオマスエネルギーはストックとフローの両面の性質をもち、その量は莫大であるという特徴を示す。
【０００６】
ここで、上記のバイオイマスエネルギーを使用したエネルギー回収システムについて説明する。
図４は上記のバイオイマスエネルギーを使用したエネルギー回収システムの工程を示す模式図である。
まず、バイオマスの生産を行い、必要に応じてバイオマスの採集を行う。バイオマスエネルギーの対象は、炭素を含んでいて燃焼時にエネルギーを発生できればよいため、その原料は多種多様である。ほとんど全ての有機物体がそれにあたり、マツ・スギ林などから採集される木材、トウモロコシやサトウキビ、ユーカリなどの植物、木材パルプの製造過程で発生する黒液、サトウキビの絞りかすであるバガスあるいは家畜糞などの農産廃棄物、食品廃棄物などの都市廃棄物があげられる。
【０００７】
次に、上記のように生産されたバイオマスをエネルギー変換して、メタンガス、エタノール、油、メタノールなどのエネルギーを得る。これには、生物化学的変換や、熱化学的変換がある。
エネルギー変換の結果生じる固形廃棄物は農地などで利用され、また、汚水は川や海へ廃棄される。
【０００８】
上記のバイオマスエネルギーには、地球上に散在するバイオマスエネルギーを一箇所に集めてエネルギーを回収する回収運搬型バイオマスエネルギーという利用形態と、ある耕地や海などのエリアで植物などの生物体を生産し、それをその場所でエネルギーに変換するプランテーション型バイオマスエネルギーの２つの利用形態が存在する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のバイオマスエネルギーについて、以下のような問題がある。
プランテーション型バイオマスエネルギーの場合、エネルギー作物を育てるために施肥などのプランテーション維持のエネルギーが必要である。また、エネルギー作物の採集（収穫）のエネルギーやエネルギー作物の運搬のエネルギーが必要である。
一方、回収運搬型バイオマスエネルギーの場合においても、バイオマスの採集や運搬のエネルギーが必要である。
また、エネルギー回収時に発生する廃棄物や汚水の運搬や処理にエネルギーを消費してしまう。
【００１０】
また、プランテーション型バイオマスエネルギーの場合、エネルギー作物を育てる土地の十分な確保が難しいという問題がある。
さらに、バイオマスを直接燃焼して利用する場合、図５に示すように、ウェットバイオマスなどのように含水率が高いと、気化するために高いエネルギーを要するため、もともと低い原料のエネルギー密度がさらに低くなり、有効発熱量が低下してしまう。有効発熱量を高めるためには、含水率が低いドライバイオマスを生産する必要がある。
【００１１】
上記のように、バイオマスエネルギーは、実際には移動させる運搬エネルギーだけでもそれが持っているエネルギー価値を上回ってしまうほど低いエネルギーといえる。つまり、移動や栽培後の収穫をエネルギーを消費しないで行わなければならないほどの低いエネルギーしかもたないということになる。
【００１２】
このような価値の低いエネルギーを利用するためには、（１）太陽エネルギーを効率よく生物体へ変換する植物種の選定、（２）農作物が育たない土地を利用した栽培が可能となること、（３）栽培時の施肥や栽培後の伐採、収穫などのエネルギーがかからないこと、（４）エネルギーを生産した後に廃棄物を生成しないことなどの条件を満たすことが望まれており、プランテーション全体の高効率化が重要な条件となる。
【００１３】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギー回収効率を高めた循環型バイオマスエネルギー回収システムおよび方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、バイオマス原料として植物プランクトンを培養する培養液が満たされた培養部と、前記培養部で培養された前記バイオマス原料を回収するバイオマス原料回収部と、前記バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換するエネルギー源変換部と、前記エネルギー源変換部で変換された前記エネルギー源からエネルギーを回収するエネルギー回収部と、前記エネルギー回収部において生成された二酸化炭素を前記培養部に戻すための二酸化炭素回収部とを有する。
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、培養液が満たされた培養部においてバイオマス原料として植物プランクトンを培養し、バイオマス原料回収部において培養部で培養されたバイオマス原料を回収し、エネルギー源変換部においてバイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換し、エネルギー回収部においてエネルギー源変換部で変換されたエネルギー源からエネルギーを回収する。この後、二酸化炭素回収部により、エネルギー回収部において生成された二酸化炭素を培養部に戻す。
【００１５】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記エネルギー源変換部が前記バイオマス原料のメタン発酵を行うメタン発酵部であり、前記エネルギー回収部が前記メタン発酵部で生成されたメタンを燃焼して発電する発電部である。
【００１６】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記培養部の上面は紫外線を通さない透明の蓋材で覆われて外気が遮断され、前記培養液の表面のガス雰囲気が閉鎖系となっている。
【００１７】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記エネルギー源変換部から得られる栄養成分を前記培養部に戻すための栄養成分回収部をさらに有する。
【００１８】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記バイオマス原料回収部が前記バイオマス原料を濃縮して回収するバイオマス原料濃縮回収部であり、前記エネルギー源変換部においては前記バイオマス原料濃縮回収部において濃縮して回収されたバイオマス原料をエネルギー源に変換する。
【００１９】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、好適には、前記培養部が植物プランクトンを連続培養する連続培養部である。
【００２０】
また、上記目的を達成するため、本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、培養液が満たされた培養部においてバイオマス原料として植物プランクトンを培養する工程と、前記培養部で培養された前記バイオマス原料を回収する工程と、前記バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換するエネルギー源変換工程と、前記エネルギー源からエネルギーを回収するエネルギー回収工程と、前記エネルギー回収工程において発生する二酸化炭素を回収して前記培養部に戻す工程とを有する。
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、培養液が満たされた培養部においてバイオマス原料として植物プランクトンを培養し、培養部で培養されたバイオマス原料を回収し、バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換し、エネルギー源からエネルギーを回収する。この後、エネルギー回収工程において発生する二酸化炭素を回収して培養部に戻す。
【００２１】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記エネルギー源変換工程において前記バイオマス原料のメタン発酵によりメタンを生成し、前記エネルギー回収工程において前記メタンを燃焼して発電する。
【００２２】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記培養部の上面を紫外線を通さない透明の蓋材で覆って外気から遮断し、前記培養液の表面のガス雰囲気を閉鎖系とする。
【００２３】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記エネルギー回収工程の後に、前記エネルギー回収工程において発生する二酸化炭素を回収して前記培養部に戻す工程をさらに有する。
【００２４】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記エネルギー源変換工程の後に、前記エネルギー源変換工程において得られる栄養成分を回収して前記培養部に戻す工程をさらに有する。
【００２５】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記培養部から前記バイオマス原料を回収する工程においては、前記バイオマス原料を濃縮して回収し、前記エネルギー源変換工程においては濃縮して回収された前記バイオマス原料をエネルギー源に変換する。
【００２６】
上記の本発明の循環型バイオマスエネルギー回収方法は、好適には、前記培養部において植物プランクトンを連続培養する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明はプランテーション型の循環型バイオマスエネルギー回収システムおよびそれを用いた循環型バイオマスエネルギー回収方法であり、本発明の実施の形態について、以下に図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本実施形態に係る循環型バイオマスエネルギー回収システムの模式構成図である。
本実施形態に係るバイオマスエネルギー回収システムは、培養部１０と、バイオマス原料回収部１１と、エネルギー源変換部１２と、エネルギー回収部１３と、二酸化炭素回収部１４を有する。
【００２９】
培養部１０は、例えば植物プランクトンを連続培養する連続培養部など、バイオマス原料となるエネルギー作物を培養する場所となっており、培養部１０においてバイオマス原料として水中で生育する植物プランクトンを培養する。
培養部１０は、例えば数１０００〜数１０万ｍ２ の面積で、深さが数１０ｃｍ〜数ｍ程度の水槽に培養液が満たされた構成となっており、培養部１０の上面は紫外線を通さない透明のガラスやアクリルなどの蓋材で覆われて外気が遮断され、培養液の表面のガス雰囲気が閉鎖系となっていて、エネルギー作物である植物プランクトンの成長に適した化学組成の雰囲気に制御されている。
【００３０】
培養部１０において、培養液は高い栄養塩濃度に維持され、植物プランクトンの成長速度は高い状態に維持される。
また、培養液中の植物プランクトンの収率を高めるため、細胞濃度は生理生態学的な限界値まで高めて培養が行われる。
また、培養液は細胞の成長速度が最大になるようなｐＨに調節される。
【００３１】
バイオマス原料回収部１１は、培養部１０で培養されたバイオマス原料を回収する。
例えば培養された植物プランクトンが培養液とともにバイオマス原料回収部１１に移液されることで容易に植物プランクトンが回収される構成であり、バイオマス原料を濃縮して回収するバイオマス原料濃縮回収部となっている。成長速度が最大にコントロールされた培養部で増殖した植物プランクトンが濃縮されて回収される。
【００３２】
エネルギー源変換部１２は、バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換する。
エネルギー源変換部１２は、例えばバイオマス原料のメタン発酵を行うメタン発酵部となっている。植物プランクトンというバイオマスエネルギーの原料からメタン発酵によってメタンガスが得られる。これには、例えば、バイオマスに含まれている多糖類を分解し、メタノコッカス属、メタノサルシナ属あるいはメタノバクテリア属などの代謝産物としてメタンを生成することで知られている種々のメタン細菌を加え、所定の温度に保つことなどによりメタン発酵を行う。
あるいは、エタノールやメタノールなどに変換するアルコール変換部などとすることもできる。これには、例えば、バイオマスに含まれている多糖類を分解し、サッカロマイセス属などに属する酵母を加え、所定の温度に保つことなどによりアルコール発酵を行う。
【００３３】
エネルギー回収部１３は、エネルギー源変換部１２で変換された有効なエネルギー源について、エネルギー源を用いた発電や燃料そのものとして貯蔵が行われ、バイオマスエネルギーとして回収される。
例えばエネルギー源変換部１２はメタン発酵部である場合には、エネルギー回収部１３としては、例えばメタンを燃焼して発電タービンを回して発電する発電部とすることができる。
【００３４】
二酸化炭素回収部１４は、エネルギー回収部において生成された二酸化炭素を培養部１０に戻す。
メタンガスの燃焼などにより、エネルギー回収部１３において発生する二酸化炭素は回収されてバイオマス原料の培養部１０へと送られ、植物プランクトン培養時の光合成に供せられる。
【００３５】
上記の循環型エネルギー回収システムにおいて、例えば上記のようにエネルギー源として生成されたメタンガス、エタノールあるいはメタノールなどの化学組成は、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）からなっている。
原料として利用される植物プランクトンは、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）はもちろんのこと、無機栄養塩類として入り込んでいる窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）などの微量元素をさらに含んでいる。
炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）の３元素はエネルギーとしてエネルギー変換部１２中の液相から回収されて取除かれるが、栄養塩類の元となる窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）およびその他の微量元素はエネルギー変換部中の液相にとどまった状態で存在している。
【００３６】
そこで、本実施形態に係る循環型バイオマスエネルギー回収システムは、さらにエネルギー源変換部１２中の液相にとどまった窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）およびその他の微量元素を栄養成分として回収し、必要に応じて植物プランクトンに再び吸収される形に変換する栄養成分回収変換部１５をさらに有する。
例えば、栄養成分は硝酸イオンやリン酸イオンなどを含む塩として回収され、培養部１０に戻されて植物プランクトン培養のために利用される。
また、エネルギー変換部１２でアンモニアが発生するような場合にもアンモニアを回収して、栄養成分回収変換部１５において培養部１０で植物プランクトンが利用できる栄養成分に変換され、培養部１０に戻される。
【００３７】
上記の循環型バイオマスエネルギー回収システムにおいては、太陽光である光エネルギーが培養部１０に照射されると、培養部１０の培養液内で、バイオマス原料となる植物プランクトンが培養される。
培養された植物プランクトンは、培養液とともにバイオマス原料回収部１１に移液され、植物プランクトンが回収され、植物プランクトンであるウェット状態のバイオマス原料が得られる。余分な培養液は培養部１０に戻される。
ウェット状態のバイオマス原料はエネルギー源変換部１２に投入され、メタンガスやアルコールなどのエネルギー源に変換される。
得られたエネルギー源から、エネルギー回収部１３においてバイオマスエネルギーとしてエネルギーが回収される。
【００３８】
ここで、メタンガスの燃焼などによりエネルギー回収部１３において発生する二酸化炭素ガスは、二酸化炭素回収部１４により回収され、植物プランクトンの光合成に供せられるように培養部１０へと送られる。
このように、エネルギー回収部１３から回収された二酸化炭素を培養部１０へ戻すことで、エネルギー回収システムが閉鎖型循環系となり、気体の組成を自由にコントロールすることができる。そのために、二酸化炭素分圧をあげることが可能となり、本実施形態に係る循環型エネルギー回収システム内では炭素固定速度と分解速度を定常状態にするため、それを維持することができる。
【００３９】
また、エネルギー源変換部１２において発生する窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）などを含む栄養成分は、栄養成分回収変換部１５において植物プランクトンに再び吸収される形である硝酸イオンやリン酸イオンなどを含む栄養塩の水溶液とされ、植物プランクトン培養に利用するために培養部１０に戻される。栄養成分を回収した余剰な固体成分は、栄養成分回収変換部１５からエネルギー源変換部１２に戻される。
このように、エネルギー源変換部１２から回収された栄養成分を培養部１０へ循環させることによって、施肥の必要がなくなる利点がある。
【００４０】
図２は、本実施形態においてより具体的な構成とした循環型バイオマスエネルギー回収システムの模式構成図である。
上記の循環型バイオマスエネルギー回収システムは、植物プランクトンの連続培養部１０ａと、バイオマス原料濃縮回収部１１ａと、メタン発酵部１２ａと、発電部１３ａと、二酸化炭素回収部１４ａと、栄養成分回収変換部１５ａと、アンモニア回収部１６ａを有する。
【００４１】
植物プランクトンの連続培養部１０ａは、バイオマス原料となる植物プランクトンを連続的に培養する。
植物プランクトンは、特に限定されないが、例えばクロレラ、ドナリエラ、クラミドモナス、セネデスムス、スピルリーナなどを用いることができる。
バイオマス原料濃縮回収部１１ａは、植物プランクトンの連続培養部１０ａで培養されたバイオマス原料を濃縮して回収する。
メタン発酵部１２ａは、バイオマス原料のメタン発酵を行い、エネルギー源となるメタンに変換する。
アンモニア回収部１６ａは、メタン発酵部１２ａにおいて発生したメタンガスやアンモニアを含むガス成分を回収し、アンモニア成分を分離して栄養成分回収変換部１５ａへと送り、一方、メタンガス成分を発電部１３ａへと送る。
発電部１３ａは、エネルギー源であるメタンガスを燃焼して発電タービンを回して発電し、電気エネルギーを回収する。
尚、メタン発酵部１２ａと発電部１３ａは、メタン発酵発電部２０として一体となっているシステムを組み込むことが可能である。
【００４２】
さらに、発電部１３ａでメタンガスの燃焼により発生する二酸化炭素は二酸化炭素回収部１４ａにより回収され、植物プランクトンの光合成に供せられるように植物プランクトンの連続培養部１０ａに送られる。
【００４３】
また、栄養成分回収変換部１５ａは、メタン発酵部１２ａにおいて生成される活性汚泥から窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）などの栄養成分を回収してリン酸イオンや硝酸イオンなどの植物プランクトンに再び吸収される形に変換し、得られた栄養成分を植物プランクトンの連続培養部１０ａに戻す。窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）などの栄養成分を回収した残りの余剰汚泥はメタン発酵部１２ａに戻される。
アンモニア回収部１６ａから回収されたアンモニア成分は、同様に植物プランクトンに再び吸収される形に変換され、植物プランクトンの連続培養部１０ａに戻される。
【００４４】
（実施例１）
本実施例においては、上記の循環型バイオマスエネルギー回収システムにおけるエネルギー収支を算出するシミュレーションを行った。
バイオマス原料の培養部として、一辺が４００ｍの正方形である１６００００ｍ２ の面積の植物プランクトンの連続培養槽を想定する。
【００４５】
ここで、連続培養槽の培養液の条件を以下のようにする。単位Ｍはｍｏｌ／Ｌを示す。
（１）栄養塩濃度
ＮＯ３ 濃度：０．８８ｍＭ
ＰＯ４ 濃度：０．０４ｍＭ
Ｓｉ濃度 ：０．０５４ｍＭ
（２）ビタミン濃度
Ｃｙａｎｏｃｏｂａｌａｍｉｎ：０．５μｇ／Ｌ
Ｂｉｏｔｉｎ ：０．５μｇ／Ｌ
Ｔｉａｍｉｎｅ ＨＣｌ ：１００μｇ／Ｌ
（３）金属類濃度
Ｚｎ：０．０８μＭ
Ｍｇ：０．９μＭ
Ｍｏ：０．０３μＭ
Ｃｏ：０．０５μＭ
Ｃｕ：０．０４μＭ
Ｆｅ：１１．７μＭ
ＥＤＴＡ：１１．７μＭ
（４）培養液ｐＨ：約７〜８
（５）培養液中の植物プランクトン細胞濃度：
２×１０６ 〜２×１０７ ｃｅｌｌｓ／ｍＬ
【００４６】
植物プランクトンの生産速度としては、上記のように培養液の条件を整えると一日当たりドライバイオマスでの炭素の質量として１５ｇ−Ｃ／ｍ２ ／ｄａｙを達成できる。
この場合、上記面積の連続培養槽での植物プランクトンの生産速度は、ドライバイオマス量として、１５ｇ−Ｃ／ｍ２ ／ｄａｙ×１６００００ｍ２ ＝２．４ｔｏｎ−Ｃ／ｄａｙとなる。
ウェットバイオマス中で炭素の質量を８％として換算すると、ウェットバイオマスの生産速度は２．４ｔｏｎ／０．０８／ｄａｙ＝３０ｔｏｎ／ｄａｙとなる。
【００４７】
一方、メタン発酵発電部において、効率を４０％と想定すると、生ゴミなどのウェットバイオマス１０ｔｏｎに対して、例えば５８００ｋＷｈ／ｄａｙの発電量が得られる。
このときのシステム消費電力が１４００ｋＷｈ／ｄａｙ程度となり、発電量の収支は４４００ｋＷｈ／ｄａｙとなる。また、５７００ｋＷｈ／ｄａｙの発電機回収熱が得られる。
従って、一日あたり生産される３０ｔｏｎのウェットバイオマスに対しては、４４００ｋＷｈ／ｄａｙ×３＝１３２００ｋＷｈ／ｄａｙの発電量が得られることになる。
即ち、一年あたりでは４．８２×１０６ ｋＷｈもの電力を発電することが可能となっている。
【００４８】
（実施例２）
バイオマスプランテーションとして利用が検討されているサトウキビやポプラ、ユーカリの木などの陸上の作物や、本発明において用いている植物プランクトンなどの藻類は、光合成によって太陽エネルギーを利用して大気中の二酸化炭素を固定する。固定された炭素は有機物として燃焼エネルギーをもつ。
図３は、太陽の光エネルギー（Ａ）を１００％としたときの、固体された有機物の燃焼エネルギーの比率（エネルギー変換効率）を示しており、（Ｂ）は陸上の作物、（Ｃ）は本発明において用いている植物プランクトンである。
図３に示すように、陸上の作物（Ｂ）のエネルギー変換効率は良くても０．９％程度しかない。この燃焼エネルギーは発電に利用すると発電効率を高く見積もっても４０％程度なので、現実に電気として利用できるのは、０．４％程度しかないことになる。
一方、植物プランクトン（Ｃ）のエネルギー変換効率は３．３％程度に達し、陸上植物の３倍以上のエネルギー変換効率を得ることができる。
図３においては、参考までに太陽電池のエネルギー変換効率（Ｄ，１０％）も示している。
【００４９】
（実施例３）
上記のサトウキビやポプラ、ユーカリの木などの陸上の作物のプランテーションからバイオマス原料を得て発電するバイオマスエネルギー回収システムと、本発明の植物プランクトンをバイオマス原料として発電する循環型バイオマスエネルギー回収システムについて、プランテーションの面積を共通としたときのバイオマスの年間生産量と、メタン発酵を利用した発電プラントとして試算したときの発電電力量、およびその他の諸性能の比較を行った。
結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
本発明の植物プランクトンをバイオマス原料として発電する循環型バイオマスエネルギー回収システム（プランテーション）は、従来のバイオマスエネルギー回収システム（プランテーション）と比較すると１４．５倍の面積効率を得ることができた。
また、本発明の植物プランクトンをバイオマス原料として発電する循環型バイオマスエネルギー回収システムは、従来のバイオマスエネルギー回収システムと比較して２０倍の発電効率を得ることができた。
【００５２】
上記の本実施形態の循環型バイオマスエネルギー回収システムによれば、以下の利点を享受することができる。
（１）栄養塩を循環させることによって、肥料の施肥の必要がない。
（２）高濃度で植物プランクトンを培養し、陸上の植物と比較して高い収率を得ることができる。
（３）閉鎖型循環系を用いているために気体の組成を自由にコントロールすることができる。そのために、二酸化炭素分圧をあげることが可能となり、システム内では炭素固定速度と分解速度を定常状態にするため、それを維持することができる。
（４）水という媒体を利用しているため、栽培や伐採などのエネルギーを必要とせず、生産されたバイオマスを低エネルギーで回収することができる。
（５）従来のエネルギープラントのように原料を必要としない。
（６）従来のエネルギープラントのように廃棄物を排出しない。
（７）陸上植物の３倍以上のエネルギー変換効率を有する植物プランクトンをバイオマス原料とすることで、太陽エネルギーからエネルギーを回収する効率を向上することができる。
（８）従来のプランテーション型バイオマスエネルギー回収システムとの生物収穫量を比較すると面積効率を向上できる。
（９）メタン発酵を利用した発電プラントとして試算すると、従来のプランテーション型バイオマスエネルギー回収システムと比較して格段に発電効率を向上することができる。
【００５３】
本発明は上記の実施の形態に限定されない。
例えば、エネルギー源に変換する方法としてメタン発酵を示しているが、その他のエネルギー源に変換する方法でもよい。
エネルギー回収としては、エネルギー源を用いた発電の他、燃料そのものとして貯蔵してもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る循環型バイオマスエネルギー回収システムによれば、エネルギー回収効率を高めることができる。
【００５５】
また、本発明に係る循環型バイオマスエネルギー回収方法によれば、エネルギー回収効率を高めてバイオマスエネルギーを回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る循環型バイオマスエネルギー回収システムの模式構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態においてより具体的な構成とした循環型バイオマスエネルギー回収システムの模式構成図である。
【図３】図３は、実施例２において太陽の光エネルギーと陸上の作物および植物プランクトンにおいて固体された有機物の燃焼エネルギーの比率（エネルギー変換効率）を示す。
【図４】図４は従来例に係るバイオイマスエネルギーを使用したエネルギー回収システムの工程を示す模式図である。
【図５】図５はバイオマスの含水率と有効発熱量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…培養部、１１…バイオマス原料回収部、１２…エネルギー源変換部、１３…エネルギー回収部、１４…二酸化炭素回収部、１５…栄養成分回収変換部、１０ａ…植物プランクトンの連続培養部、１１ａ…バイオマス原料濃縮回収部、１２ａ…メタン発酵部、１３ａ…発電部、１４ａ…二酸化炭素回収部、１５ａ…栄養成分回収変換部、１６ａ…アンモニア回収部、２０…メタン発酵発電部。
Claims (12)
- バイオマス原料として植物プランクトンを培養する培養液が満たされた培養部と、
前記培養部から前記バイオマス原料を回収するバイオマス原料回収部と、
前記バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換するエネルギー源変換部と、
前記エネルギー源変換部で変換された前記エネルギー源からエネルギーを回収するエネルギー回収部と、
前記エネルギー回収部において生成された二酸化炭素を前記培養部に戻すための二酸化炭素回収部と
を有する循環型バイオマスエネルギー回収システム。 - 前記エネルギー源変換部が前記バイオマス原料のメタン発酵を行うメタン発酵部であり、
前記エネルギー回収部が前記メタン発酵部で生成されたメタンを燃焼して発電する発電部である
請求項１に記載の循環型バイオマスエネルギー回収システム。 - 前記培養部の上面は紫外線を通さない透明の蓋材で覆われて外気が遮断され、前記培養液の表面のガス雰囲気が閉鎖系となっている
請求項１または２に記載の循環型バイオマスエネルギー回収システム。 - 前記エネルギー源変換部から得られる栄養成分を前記培養部に戻すための栄養成分回収部をさらに有する
請求項１〜３のいずれかに記載の循環型バイオマスエネルギー回収システム。 - 前記バイオマス原料回収部が前記バイオマス原料を濃縮して回収するバイオマス原料濃縮回収部であり、
前記エネルギー源変換部においては前記バイオマス原料濃縮回収部において濃縮して回収されたバイオマス原料をエネルギー源に変換する
請求項１〜４のいずれかに記載の循環型バイオマスエネルギー回収システム。 - 前記培養部が植物プランクトンを連続培養する連続培養部である
請求項１〜５のいずれかに記載の循環型バイオマスエネルギー回収システム。 - 培養液が満たされた培養部においてバイオマス原料として植物プランクトンを培養する工程と、
前記培養部から前記バイオマス原料を回収する工程と、
前記バイオマス原料をエネルギー回収可能なエネルギー源に変換するエネルギー源変換工程と、
前記エネルギー源からエネルギーを回収するエネルギー回収工程と、
前記エネルギー回収工程において発生する二酸化炭素を回収して前記培養部に戻す工程と
を有する循環型バイオマスエネルギー回収方法。 - 前記エネルギー源変換工程において前記バイオマス原料のメタン発酵によりメタンを生成し、
前記エネルギー回収工程において前記メタンを燃焼して発電する
請求項７に記載の循環型バイオマスエネルギー回収方法。 - 前記培養部の上面を紫外線を通さない透明の蓋材で覆って外気から遮断し、前記培養液の表面のガス雰囲気を閉鎖系とする
請求項７または８に記載の循環型バイオマスエネルギー回収方法。 - 前記エネルギー源変換工程の後に、前記エネルギー源変換工程において得られる栄養成分を回収して前記培養部に戻す工程をさらに有する
請求項７〜９のいずれかに記載の循環型バイオマスエネルギー回収方法。 - 前記培養部から前記バイオマス原料を回収する工程においては、前記バイオマス原料を濃縮して回収し、
前記エネルギー源変換工程においては濃縮して回収された前記バイオマス原料をエネルギー源に変換する
請求項７〜１０のいずれかに記載の循環型バイオマスエネルギー回収方法。 - 前記培養部において植物プランクトンを連続培養する
請求項７〜１１のいずれかに記載の循環型バイオマスエネルギー回収方法。
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