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バイオ燃料の現状分析と将来展望


中部交通研究所 主席研究員


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 運輸部門における温暖化対策として、バイオ燃料は、今後特に電動化が困難なセクター(トラック、航空、船舶)での役割が重要になってくると思われる。現在、乗用車での消費がほとんどであるが、運輸部門で消費されるエネルギーの3.5%を占めている。最近の動きとしては、食料と競合しない廃食油等を利用したHVO(水素化植物油)の製造が増加してきており、その一部は、航空機用として利用されている。バイオ燃料の生産、消費は、2020年にコロナの影響で減少したが、今後も増加傾向をたどると予想される。低炭素シナリオ(2、1.5℃シナリオ)における2050年のバイオ燃料消費は、現在の2-6.5倍に増加し、トラック、航空、船舶でも利用が拡大する。このような利用拡大を実現するには、低コスト化、原料選択の拡大、それに伴う製造技術の開発が重要となる。

1.はじめに

 運輸部門における温暖化対策には、効率改善による省エネ、行動変容による活動量削減、そして燃料の低炭素化がある。バイオ燃料は、自動車等の車両側の変更なく、すぐにでも対応可能な対策の1つで、燃料の低炭素化として、中期的には重要な役割を果たすと考えられる。 バイオ燃料としては、ガソリン、軽油に混合あるいは代替されるエタノール、バイオディーゼルが広く利用されている。バイオディーゼルには、油脂をメチルエステル化したFAME(脂肪酸メチルエステル:Fatty Acid Methyl Ester)と、水素処理した直鎖のdrop-in燃料(エンジン等を改修することなく、従来燃料の代替として利用できる燃料)であるHVO(Hydrotreated Vegetable Oil:水素化植物油)の2種類がある。HVOは、製造条件を調整して炭素数を制御すれば航空機用燃料にもなり、最近は、量的にはまだ少ないが、常時提供するエアポートもあり、試験飛行だけでなく、定期便での利用も増加している。ここでは取り上げないが、最近のウクライナ紛争で天然ガスの供給懸念から注目を集めているのが、バイオメタンで、産業廃棄物として捨てられてしまう食品残渣、家畜糞尿、農業残渣などから製造することができる。 乗用車でのバイオ燃料利用は、1970年代から急速に進められてきたが、他のセクターでの利用は限定的である。最近、電気自動車が乗用車部門で急速に販売を増加させており、中期的には、かなりシェアが増加すると予想されている。電動化が困難なトラックや、航空機、船舶では、将来的には、低炭素燃料であるバイオ燃料が重要な役割を果たすことになる。
 ここでは、バイオ燃料の現状として、世界での生産動向を概観し、課題である持続可能性、コストに関しても分析を行い、将来展望としてバイオ燃料に関するシナリオ分析の結果を紹介した。

2.バイオ燃料の現状

[概要]
 現在使用されているバイオ燃料(エタノールおよびバイオディーゼル)の世界全体での生産量の推移を図1に示した。これまで2000年から、ほぼ増加傾向を維持してきたのが、2020年には、コロナ感染の影響で、需要が減り、それに伴って生産も約6%の減産となっている。2021年の主要国の生産データを見るとほぼ2019年レベルに戻っており、今後はまた、増加傾向に戻ると予想される。
 伸び率をもう少し詳しく見ると、2000-2020年の平均伸び率はエタノール、FAME各々10、21%/年で、バイオディーゼルの本格的な導入が2000年頃から始まったことを反映して、その伸び率がかなり高くなっている。伸び率を2000-2010、2010-2020年に分けて見てみると、エタノールでは、各々17、2%、FAMEでは、各々37、8%、HVOは2013-2020年での平均は13%/年となっている。2010年頃を境に伸び率がかなり減速していることがわかる。これは、2005-2010年にエタノールでは、米国が、FAMEではEUが生産を大きく伸ばし、その後、共に伸びが減速したのを反映しているためである。
 図1に示すように、バイオ燃料の生産は大きく伸び、同様に消費も伸びてきた。一方で、運輸全体の消費エネルギーも中国をはじめとする途上国での急速なモータリゼーションで増加している。主要な消費部門である道路交通の中でみると、バイオ燃料のシェアは、2000年には0.7%であったのが、2010、2020年には、各々3.2、4.6%と全体の消費エネルギー以上にバイオ燃料は増加してきている。


図1.世界でのバイオ燃料の生産量推移[1]
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[国別の生産量]
 燃料種別に2020年の生産量比率を図2に示した。エタノールでは、米国とブラジルが大生産国で、両者を合わせると80%を越えている。それと対照的なのがFAMEで、広い地域に生産が分散している。インドネシア、米国、ブラジルを合わせるとほぼ50%で、EUを加えると80%となる。2018年までは米国が生産量トップであったが、最近、インドネシアでのFAME生産が、大きく伸び、トップになっている。2010-2020年間で、生産は約10倍(平均:28%/年)に、2015-2020年間では、約5倍(平均:36%/年)となっている。これは、政策として、B30(軽油に30%のFAMEを混合)を義務化しており、国内消費が大きく伸びているためである。
 drop-in燃料であるHVOは、未だ生産量は少なく、また生産している国も限られている。先行したEUでは2012年から生産が始まっている。先駆的なフィンランドのNeste社が、国内だけでなく、オランダ、シンガポールでも生産しており、ENI(伊)、Total(仏)などがEU域内で生産している。米国では、2010年頃から生産が始まり、ほぼ直線的に生産量が増加してきている。Diamond Green Diesel、Dakota Prairie Refining、Wyoming Renewable Diesel、REG-Geismar社などが主要な生産者である。


図2.バイオ燃料の主要な国(地域)別の生産:2020年[2]
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[バイオ燃料の原料]
 バイオ燃料の製造原料は、国、地域により異なっており、製造コストや、バイオディーゼルでは、性状にも影響を与えている。エタノールの場合(図3)、世界全体では、サトウキビ(67%)、トウモロコシ(27%)がほとんどを占めており、主生産国の米国、ブラジルの影響を大きく受けている。EUでは、砂糖大根(38%)、トウモロコシ(37%)、小麦(14%)と原料が分散している。小麦は独、仏、ベルギーなど、トウモロコシは、ハンガリーなどの中央ヨーロッパの主要な生産国で利用されているが、オランダ、スペインでは、ウクライナからの輸入トウモロコシも利用している。砂糖大根は、独、仏以外にもチェコ、オーストリア等でも利用されている。
 バイオディーゼルの原料は、植物油、動物油脂、廃食油などエタノールよりは多様である。インドネシアでの増産の影響で、パーム油の比率が高くなり、2020年には38%と最も多くなり、続いて大豆25%、菜種14%、廃食油11%と続く。EU全体では、菜種が38%と最も多く、廃食油23%、パーム油18%と続く。国として最も生産量の多いインドネシアでは、ほぼすべてがパーム油を原料としている。第2位の米国では、67%が大豆で、コーン油12%、廃食油10%、菜種10%となっている。第3位のブラジルでは、85%が大豆で、残りは牛脂となっている。最近の動きとしては、持続可能性への懸念もあり、特に欧米で廃食油の比率が増加傾向にある。


図3.バイオ燃料の製造原料の割合:2020年[3、4]
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3.バイオ燃料への懸念

[食料との競合]
 現在、バイオ燃料の製造に用いられる原料は、トウモロコシや小麦、大豆などの食料がほとんどで、食料との競合が懸念材料だと指摘する声がある。しかし、世界の耕地面積は、陸地の約10%で、そのうちわずか7%がバイオ燃料用の原料に用いられているにすぎない[4]。国ごとに見れば、比率がかなり高い国もあり、また、将来的にバイオ燃料の消費が後で述べるようなシナリオ通りに増加すれば、原料の見直しが必要になるであろう。
 バイオ燃料の影響を以下、もう少し詳しく分析する。原料をエタノール用の穀物、サトウキビ、そしてバイオディーゼル用の油糧種子および植物油に分けて、用途比率を図4に示した。穀物全体では、バイオ燃料用に重量比で8%が利用されている。穀物で最も収量の多いトウモロコシでは、30%と米国の影響が大きく出ている。トウモロコシからエタノールを製造する際に、約30%の重量の飼料に利用できる副産物(DDGS)が生成し、それを考慮するとバイオ燃料の比率は20%程度に低下する。2番目に収量の多い小麦では、3%と非常に低い比率になっている。
 サトウキビは、砂糖とエタノールが用途であり、80%程度が砂糖になっている。ただ、最大の利用国であるブラジルでは、年毎に変動はあるが、50-65%がバイオ燃料に利用されている。また、タイやインドでは、製糖時に発生する残渣(廃糖蜜:Molasses )を用いてエタノールを製造しており、サトウキビを直接的には利用していない。
 大豆、菜種、アブラヤシ(パーム油)などの油糧種子全体では、バイオ燃料に5%が利用されている、絞った植物油では、26%とやや高い比率になっている。これは、植物油の約40%を占めるパーム油が、主要生産国のインドネシア、マレーシアでバイオディーゼル用に多く利用されおり、生産量第2の大豆油が、米国、ブラジル、アルゼンチン等で比較的多く利用されていることを反映している。
 ここで、図4を見てわかるように主要な用途は、食料と飼料であり、食料との競合で懸念すべきは、バイオ燃料より先に飼料であることがわかる。経済成長とともに、食肉文化が普及し、食肉量が今後、まだまだ増加することが予想され、問題がより大きくなる可能性がある。


図4.各種原料におけるバイオ燃料用比率:2020年[4、5]
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[土地利用変化]
 食料との競合とも関連しているが、バイオ燃料生産拡大による森林伐採等による土地利用変化が持続可能性の視点で危惧されている。ブラジルや東南アジアの熱帯雨林が大きく減少していることの原因と指摘もされている。ブラジルのアマゾン熱帯雨林減退の直接的な主な原因は、木材利用のための違法伐採、放牧地拡大等で、サトウキビ生産拡大によるものではない。ただ、サトウキビ生産拡大で、大豆生産がより北へ追いやられ、森林伐採へ間接的に影響しているという指摘もある。ブラジル政府は、違法伐採監視を強化しており、2028年までに、違法伐採ゼロの目標を発表している。ここ30年間でブラジルの森林は約15%減少しているが、2010年以降は急激に減少率が下がっており[6]、監視強化の効果が出ている。
 東南アジアでの熱帯雨林減退は、パーム油の原料であるアブラヤシの農園拡大、材木、パルプ生産のための伐採が主原因と言われている。インドネシアの森林はここ30年間で、22%減少しているが、その65%は1990-2000年の間で生じており、最近は減少にブレーキがかかっている。これは、国自体の規制の強化とともに、国際的な枠組みの構築によるものである。国際的な枠組みであるRSPO(持続可能なパーム油のための円卓会議)では、「持続可能なパーム油」の生産と利用を促進し、認証したパーム油を購入してもらうよう消費者側に働きかけている。国主導で設立されたSVLKと称される木材合法性証明システムでは、サプライチェーン全体に渡って、木材流通の透明性、信頼性を高める役割を担っている。

[高コスト]
 バイオ燃料の普及が思ったように進展しない大きな原因が、製造コストが高いことである。石油系の燃料を含めて、原料コストが製造コストに占める割合は非常に高く、バイオ燃料の原料コストが原油に比較して高いということになる。図5に示すように、ガソリン、軽油でも、日米で大きな差があるように、バイオ燃料でも、地域により原料、エネルギーコスト、人件費等、異なるので、コストには幅があり、また、年毎に穀物等の収穫は変動し、価格変動は大きい。ブラジルでのサトウキビからのエタノール生産が、唯一ガソリンと競合できる価格で製造されていると言われており、他の地域では、補助金や混合義務化の後押しで、経営が成り立っていると考えられる。
 持続可能性の視点から、今後、原料を食料からセルロースや藻類へ変えていく必要があるが、現状では、この製造パスでのコストは非常に高い。例えば、セルロースエタノールの場合、図5に示すように、従来型のエタノールよりかなり高いコストになっている。これは、原料の前処理や、糖の発酵酵素などの技術開発が期待通りに進んでいないことによる。将来的に技術や経営改善(将来I)で25-50%程度は低減可能と分析されている。また、注目すべきは、将来IIで示したように、大きくコスト削減できるケースがあるとの指摘である。これは、トウモロコシからエタノールを製造する工場で、残渣のDDGSに含まれる繊維を利用してさらにエタノールを製造するパスであり、原料費がゼロで、残渣の繊維分が減少して、DDGSとしての価値も高まるために低コスト化が可能とされている。同様なケースとして、サトウキビからのエタノール製造でも残渣のバガスを有効利用することが考えられている。
 最近、注目され始めているバイオJetにおいて、HVOと同じ製法のHEFA(Hydroprocessed Esters and Fatty Acids)は比較的低コストで生産できるが、それ以外のバイオJetは、未だ技術開発段階で、コストは1.5-4倍と非常に高い。セルロース系のエタノールや、藻類からのバイオ燃料も含めて、バイオ燃料の技術革新のためのR&Dは重要であり、十分な投資が行われることが期待される。


図5.バイオ燃料の製造コスト[7、8]
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4.バイオ燃料の将来展望:シナリオ分析

 バイオ燃料の将来がシナリオでどのように描かれているか、IEAのシナリオを中心に見てみたい。IEAのETP2017[9] とWEO2021[10]のいくつかのシナリオにおける運輸部門でのバイオ燃料の比率の変化をごく最近発表されたIPCC-WG3の報告書[11]と比較して、図6に示した。2050年に世界全体でのCO2排出をゼロにするNZE(2100年での気温上昇:1.4℃)では、2050年に40%近くまで増加し、SDS(1.6℃)、B2DS(1.75℃)、2DS(2℃)では26-27%になっている(2020年:約4%)。低炭素シナリオでは、効率改善などで全体の消費エネルギーを削減する想定になっているので、バイオ燃料のエネルギー量では、2019年の4EJから、2DSで26EJに、B2DSで22EJ、SDSで17EJに増加と比率の伸び率より低くなっている。
 IPCCの報告書では、シナリオDBに登録された非常に多くのシナリオの5-95%、25-75%レンジおよび中央値(MED)を示している。同じ気温上昇値レベルで比較するとIEAのシナリオの方がより比率が高い傾向にある。これは、IEAのシナリオが、CO2回収・貯留(CCS)に対して、非常に保守的で、CO2の排出がゼロになった以降もほぼゼロ排出をキープし、ネガティブ排出にはならない想定になっている。一方、多くのIPCCのシナリオでは、ゼロ排出達成後もCCS等で大気中のCO2を減少させてゼロ排出までの累積排出量をかなりの量、キャンセルでき、2100年での気温上昇を抑えることができる想定になっている。この差がIEAのシナリオを相対的にCO2削減に対して厳しいシナリオにさせていることを反映している。


図6.運輸部門での消費エネルギーに占めるバイオ燃料比率[9-11]
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[バイオ燃料の配分]
 現在、バイオ燃料はほとんど道路交通、それも乗用車で消費されている。しかし、将来的には、CO2削減策が限られている部門へ優先的に配分する必要が出てくる。IEAのETP2020-SDSとETP2017-B2DSにおいて、どのように配分しているかを図7に示した。SDSでは、2030年から2050年にかけて消費量が約2倍になるが、乗用車での消費はほとんど横ばいで、増加分は特に航空部門へ、そしてトラック、船舶へと配分されている。一方、B2DSでは、4つの分野へほぼ同じ比率で配分しており、基本的な考えが異なっていると考えられる。CO2削減策として、より効率の良いセクターへのシフト、効率化による消費エネルギー自体の削減、そして燃料の低炭素化があり、一方で、消費エネルギーの予測もどの程度の活動量の増加を見込み、どのセクターへ割り振るかで異なってくる。


図7.バイオ燃料の配分[7、9]
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5.航空部門におけるバイオ燃料の現状と将来展望

 最近、バイオ燃料のニュースとしてよく出てくるのが、バイオJetの新規取引契約に関するものである。航空部門で消費されたバイオJet(SAF:Sustainable aviation fuel)は、2021年に100M-Lを越えたが、部門での全消費エネルギーの0.02%とまだまだ低いレベルである。ただ、進展のスピードは早く、年々消費量だけでなく、SAFを利用するフライト数、提供するエアポート数、長期取引契約量が増加している。これまでにSAFで飛行した商用フライトは2011年以来41万を越え、現在、常設設備でSAFを提供するエアポートが47、バッチで提供するエアポートが24ある。航空会社が燃料提供会社と締結した長期契約の量は、26B-Lを越える[12]
 現在、ASTM D5276として認証されたSAF製造パスは9パスであるが、現状提供されているSAFはほとんどがHEFAで、ATJ(alcohol to jet)、FT(Fischer-Tropsch)のパスの工場も稼働しているがその数はわずかである。バイオJetとしてのHEFAは、バイオディーゼルのHVOと基本的には同じ製法で製造される連産品で、炭素数をジェット燃料に合わせる必要があり、将来的には、バイオディーゼルの需要との関係で、生産比率が調整されることになり、生産コスト、CO2削減量も変化する。HEFA は、生産コストが他のバイオJetより低く、当面、供給の主流となるが、将来的に需要が急増すれば、自動車用のHVOと競合し、原料供給面で、必ずしもその座が保証されるものではない。
 航空部門で、将来、どの程度SAFの利用が拡大するのか、いくつかのシナリオから分析してみたい。2010年のICAO(国際民間航空機機関)の総会で、2020年比で2050年までCO2排出をゼロ成長にする目標を採択、民間航空会社の団体IATA(国際航空運送協会) は、2050年までに2005年比でCO2排出量50%削減の目標を、さらに、2021年の総会で、2050年に温暖化ガスの排出量を実質ゼロとする目標を採択している。このIATAのネットゼロシナリオでは、SAFを2030、2050年に各々23(0.8)、449(15.0EJ)B-L導入することになっている。IEAのNZE、SDSでは、2030/2050年にSAF消費は、各々、2.1/6.3、1.1/4.3EJと、IATA-NZEの2050年のデータは飛びぬけて高い。また航空部門でのCO2排出量は2050年に、NZE、SDS各々0.2、0.7Gt-CO2で、2019年比で80%、30%減になっている。このように、IATA-のNZEシナリオは、全体でなく、航空部門のGHG(CO2)をゼロにするもので、IEAのNZE以上に厳しいシナリオであることがわかる。
 航空部門のCO2を削減するに、電動化には大きくは依存できないので、効率改善や燃料の低炭素化が主役となる。燃料の低炭素化では、グリーン水素やそれから製造する合成燃料も期待できるが、バイオJetへの期待は大きい。IATAのシナリオほどでなくても、IEA-SDSでは、現在利用しているすべての量のバイオ燃料を、2050年には航空部門だけで消費するレベルの想定であり、持続可能な原料の確保が課題となる。現在主流の廃食油は、バイオディーゼルとも競合するし、量的には限度があるようで、原料および製造パスを広げる必要がある。将来的にもSAFを安定供給するためには、まだまだ製造技術のR&Dが必要で、今後の投資が重要である。

参考文献

[1]
REN21(2021):Renewables 2021 -Global Status Report.
[2]
IEA(2021):Renewables 2021
[3]
USDA:Foreign Agricultural Service-Biofuels Annual.
[4]
UFOP(2021):Global Market Supply 2020/2021.
[5]
FAO(2021):Agricultural Outlook 2021
[6]
FAO(2021):The State of the World’s Forests (SOFO) 2022.
[7]
IEA(2020):Energy Technology Perspectives 2020(ETP2020).
[8]
IEA(2020):Advanced Biofuels – Potential for Cost Reduction.
[9]
IEA(2017):Energy Technology Perspectives 2017(ETP2017).
[10]
IEA(2021):World Energy Outlook 2021.
[11]
IPCC(2022):6th Assessment Report-WG3.
[12]
ICAO:https://www.icao.int/environmental-protection/pages/SAF.aspx