バイオディーゼルと再生可能ディーゼル: 違いは何ですか?

バイオマスベースのディーゼルは、米国再生可能燃料 (RFS) 指令に準拠する上で長い間重要な役割を果たしてきました (例: farmdoc daily、2017 年 7 月 19 日)。 RFS 指令に準拠するために使用されるバイオマスベースのディーゼル燃料の主なタイプは、「バイオディーゼル」と「再生可能ディーゼル」の 2 つです。歴史的に、バイオディーゼルの生産は再生可能ディーゼルの生産を大幅に上回っています。この状況は、再生可能ディーゼルの生産能力の増強ブームにより、近年変わり始めました。このブームは、バイオマスベースのディーゼルの生産に使用される油脂原料の価格に大きな影響を与えるほどに大きかった。この記事は、再生可能ディーゼルブームとそれが米国の農業に与える影響を検証するシリーズの最初の記事です。

今日のシリーズは、バイオディーゼル燃料と再生可能ディーゼル燃料の違いについて説明することから始めます。現在、バイオマスベースのディーゼル燃料は、植物油、動物性脂肪、リサイクルグリースなどの遊離脂肪酸を含む有機脂質原料から生産されています (AFDC、2022a、b)。バイオディーゼルと再生可能ディーゼルは両方ともバイオマスベースのディーゼル燃料として分類され、同じ原料を使用して生産できますが、いくつかの重要な特性が異なる明らかに異なるタイプの燃料です。

バイオディーゼルは、しばしば FAME バイオディーゼルまたは単に FAME と呼ばれ、エステル交換として知られるプロセスによって製造されます (FAME は脂肪酸メチルエステルの略です)。エステル交換反応は、有機油脂をアルコールおよび触媒と反応させて脂肪酸アルキルエステルに変換します (AFDC、2022a)。通常、メタノールは反応剤として機能し、脂肪酸メチルエステルを生成します。エステル交換プロセスでは、通常、100 ポンドの植物油または脂肪が 10 ポンドのメタノールと反応して、約 100 ポンドのバイオディーゼルと 10 ポンドのグリセロールが生成されます。同様に、1 ガロンのバイオディーゼルと 0.9 ポンドのグリセリンを生産するには、約 7.5 ポンドの原料が必要です (farmdoc Daily、2022 年 2 月 15 日)。グリセロール含有量が約 80% の粗グリセロールと精製グリセロール (通常はグリセリンと呼ばれます) にはいくつかの用途があります。グリセロールは動物の飼料やさまざまな化学プロセスに使用できます。

FAME バイオディーゼル生産プロセスの概略図を図 1 に示します。この概略図は、いわゆる「連続」生産プロセスを表しています。バッチプロセスは、古くて小規模なバイオディーゼルプラントでも使用されています。生産プロセスのステップは、バッチプロセスではリアクター段階がはるかに長いことを除いて、どちらのタイプのプロセスでも同様です。

図 1 に示すように、原料はまず不純物を除去するために前処理されます。次に、処理された原料は華氏約 130 度まで予熱されます。原料の予熱中に、遊離脂肪酸含有量の品質が検査されます。温度を一定に保ちながら、原料がメタノールと塩基触媒、そして米国ではまれに酵素とともに反応器に投入されます。次に、化学反応が完了するまで、多くの場合 1 時間程度で混合物を撹拌します。反応が完了した後、反応混合物を数時間放置します。この間、グリセリンとバイオディーゼルは分離され、密度の違いによりグリセリンは反応器の底部に沈殿し、バイオディーゼルは上部に沈殿します。沈降時間が経過すると、反応器の底から排出されてグリセロールがメチルエステルから分離されます。グリセリンは余分なメタノールを除去して精製され、タンクに保管されます。メチルエステルは別のタンクに移され、水が透明になるまで何度も水で洗浄されます。洗浄により、残留触媒、石鹸、塩、メタノール、および残留グリセリンがメチルエステルから除去されます。洗浄後、残留水分が完全に除去されるまで、メチルエステルは広範な乾燥プロセスを経ます。最後に、脂肪酸メチルエステル (FAME) バイオディーゼルは、すぐに消費できるタンクに保管されます。

このプロセスで作成された純粋な FAME バイオディーゼルは、業界では B100 として知られています。 FAME は石油ディーゼルのような炭化水素燃料ではないため、いくつかの重要な点で石油ディーゼルとは異なることを強調することが重要です (Brown, 2020)。まず、FAME バイオディーゼルには酸素が含まれているため、FAME のエネルギーは体積で約 7 パーセント少なくなります。第二に、FAME の酸素含有量が高いと、腐食を引き起こす酸化により保存できる期間が制限される可能性があります。第三に、貯蔵タンクの管理が不十分な場合、FAME の化学組成により微生物による汚れが発生しやすくなり、貯蔵タンクの腐食や燃料ラインの詰まりが発生する可能性があります。第 4 に、FAME バイオディーゼルは比較的高温であり、凍結し始めて目に見える結晶が形成されます。これは専門用語では燃料の曇り点として知られています。たとえば、大豆油から作られた FAME バイオディーゼルの曇り点は華氏約 34 度であるのに対し、石油ディーゼルの曇り点は華氏約 16 度です。凍結プロセスが続くと、燃料は最終的に完全に固まり、「ゲル化」として知られる状態になります。ゲル化が発生すると、固化した燃料は燃料ラインを通らなくなります。これらの理由により、FAME バイオディーゼルは最終消費のために石油ディーゼルと混合されます。一般的なブレンドには、B5 (最大 5 パーセントのバイオディーゼル) と B20 (6 ～ 20 パーセントのバイオディーゼル) が含まれます。

バイオディーゼルの使用が直面するいくつかの課題に加えて、ユーザーにとっては他の利点も得られます。たとえば、バイオディーゼルは、その化学組成により望ましい潤滑特性を備えています。この機能は、エンジンの早期摩耗を防ぐのに役立ちます。

再生可能ディーゼルは、水素化処理植物油 (HVO) またはグリーンディーゼルとも呼ばれ、いくつかの製造プロセスを使用して製造されます。米国では、最も一般的なプロセスは水素化処理または水素化処理として知られています (AFDC、2022b)。水素化処理プロセスは、原油精製所で原油をガソリン、ディーゼル、その他の石油製品に「分解」するために使用されるプロセスと類似しています。その結果、再生可能ディーゼル生産施設は、原油精製所の一部を転換したり、精製所を完全に転換したりすることが増えています。一部はまったく新しい製油所施設です。経済状況に応じて、原油と有機油脂精製を切り替える可能性は、すべての技術に存在します。再生可能ディーゼルの生産には原油精製技術が使用されているため、再生可能ディーゼルの生産では FAME の生産に比べて資本コストが大幅に高くなります。

図 2 は、水素化処理を使用した再生可能ディーゼル生産の概略図を示しています。 FAMEの製造プロセスと同様に、精製プロセスを開始する前に不純物を除去する必要があります。次のステップは、処理された再生可能原料と水素を水素化処理反応器に導入し、そこで固体粒子触媒の床の上を流れます。この段階で、触媒は高温高圧下で水素と原料の反応を引き起こし、追加の処理を施して燃料として使用するのに適した主に水と液体炭化水素分子を形成します。水素化処理後、反応器生成混合物は分離ユニットに移動し、そこで蒸気およびその他の軽質生成ガスが蒸気として除去され、大部分が長鎖アルカンからなる水素化液体炭化水素がプロセスから出ます。次に、液体の流れは一連の蒸留塔を通過し、沸点によって生成物が分離されます。再生可能ディーゼルの生産に加えて、燃料ガス、LPG、ナフサなどの副産物も生成されます。再生可能ディーゼル生産の原料要件はバイオディーゼルよりも大きく、生産プロセスで望まれる副産物の最終比率によって異なります。原料の要件が高くなる理由は、再生可能ディーゼルの生産プロセス中に大量の材料が失われるためです。再生可能ディーゼル生産業界には大きなばらつきがありますが、合理的なベンチマークは、1 ガロンの再生可能ディーゼルと少量のナフサとプロパンを生産するために約 8 ポンドの原料が使用されるということです (Xu, et. al., 2022) ）。

再生可能ディーゼルは、水素と炭素のみを含み、石油ディーゼルと同様の炭化水素燃料であるという点で、FAME バイオディーゼルとは根本的に異なります。再生可能ディーゼルは石油ディーゼルと同一ではありませんが、石油ディーゼルの「ドロップイン」代替品と考えられるほど非常に近いものです。言い換えれば、再生可能ディーゼルを最新のディーゼルエンジンの「仕様」燃料として使用するために、石油ディーゼルと混合する必要はありません。再生可能ディーゼルのドロップインの性質は、FAME バイオディーゼルに比べて大きな利点です。再生可能ディーゼルは、石油ディーゼルと比較してエネルギー含有量が若干低い（体積で 4 パーセント少ない）が、これは再生可能ディーゼルの他の望ましい特性によって相殺される可能性があります (Brown, 2020)。

最後に、5 パーセントの再生可能ディーゼルと 95 パーセントの石油ディーゼル (R5)、20 パーセントの再生可能ディーゼルと 80 パーセントの石油 (R20) などの混合製品が存在することに注意してください (EIA、2020)。再生可能ディーゼルが混合されている場合、2 つの燃料は非常に似ているため、石油ディーゼルの化石炭素と再生可能ディーゼルの有機炭素を区別するには炭素年代測定が必要です (Brown, 2020)。潤滑性を目的として、少量のバイオディーゼルが再生可能ディーゼルと混合されることは珍しいことではないことにも注意してください。

再生可能ディーゼル生産のブームは、米国の農業への潜在的な影響について多くの疑問を引き起こしています。これらの質問に答えるためには、まず、再生可能ディーゼルが、歴史的に 2 つの再生可能燃料のうちでより重要である FAME バイオディーゼルとどのように異なるかを明確に理解することが重要です。どちらの燃料の製造にも同じ有機油脂原料が使用されますが、製造プロセスは根本的に異なります。バイオディーゼルは、比較的単純な化学反応生成プロセスを使用します。このため、バイオディーゼルは通常、最新のディーゼルエンジンで使用される石油ディーゼルと混合されます。対照的に、再生可能ディーゼルは、石油精製技術を使用して完全に精製および分解されます。これにより、石油ディーゼルと同じ技術仕様を満たす「ドロップイン」炭化水素燃料が得られ、石油ディーゼルの完全な代替品として使用できます。

このシリーズの次の記事では、バイオディーゼルおよび再生可能ディーゼル市場の基本的な経済枠組みと、この分野を支援する政策について検討します。

1 この研究は、米国農務省経済調査局によって[部分的に]支援されました。この出版物の調査結果と結論は著者によるものであり、農務省または米国政府の公式の決定や政策を表すものと解釈されるべきではありません。

米国エネルギー省代替燃料データセンター。バイオディーゼル燃料の事実、2022a。 https://afdc.energy.gov/fuels/biodiesel_basics.html

米国エネルギー省代替燃料データセンター。再生可能な炭化水素バイオ燃料、2022b。 https://afdc.energy.gov/fuels/emerging_hyderocarbon.html

ブラウン、TR「バイオマスベースのディーゼル: 市場とパフォーマンスの分析」。燃料研究所、2020 年 3 月。 https://www.fuelsinstitute.org/Research/Reports/Biomass-Based-Diesel-A-Market-and-Performance-Anal

アーウィン、S. 「2021 年はバイオディーゼル生産利益にとって壊滅的な年でした。」 farmdoc daily (12):21、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校農業消費経済学部、2022年2月16日。

アーウィン、S.、D. いいですね。「再生可能燃料基準のギャップをバイオディーゼルで埋める。」 farmdoc daily (7):130、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校農業消費経済学部、2017 年 7 月 19 日。

Xu、Hui、L. Ou、Y. Li、T. Hawkins、および M. Wang。「米国におけるバイオディーゼルおよび再生可能ディーゼル生産のライフサイクル温室効果ガス排出量」。環境科学技術、2022(56):7512-7521。 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.2c00289

免責事項: すべての読者、電子メディア、その他の皆様には、farmdoc の記事を毎日再投稿する際に引用ガイドラインに従っていただくようお願いします。ガイドラインはここから入手できます。 Farmdoc Daily Web サイトは、イリノイ大学の著作権および知的財産権に属します。詳細な声明については、イリノイ大学の著作権情報とポリシーをここで参照してください。