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2012 年度 実施状況報告書

国際供給を考慮したバイオマス利活用システムの最適設計

研究課題

研究課題/領域番号 23760841
研究機関東北大学

研究代表者

古林 敬顕  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40551528)

キーワードバイオマス / エネルギーシステム / 最適設計 / 低炭素社会
研究概要

本研究では、地域特性を考慮した多国間の国際供給によるバイオマス利活用システムを設計することを目的とする。複数のバイオマス資源とエネルギー変換技術を同時に扱い、安価で豊富なバイオマス資源の賦存量を持つ開発途上国から、需要量が多い日本に国際供給を行うことを想定し、温室効果ガス削減効果、エネルギー収支、コスト、マテリアルフローを定量的に評価する。
当該年度では、新たに栽培、伐採する一次資源と、副産物や廃棄物等の二次資源に分類し、それぞれに対するシステム境界を定めることで、様々な資源に応用可能な設計手法を構築した。様々な資源を対象とするシステムの設計研究では、システム境界の設定が重要となる。新たに栽培または伐採される資源と、他の産業から発生する副産物や廃棄物では、資源の収集までのプロセスが著しく異なる。しかし、国内のバイオマス利活用システムに関する研究の多くは、対象とする資源や技術ごとに境界を定めており、包括的な設計手法は構築されておらず、本研究の成果はバイオマスエネルギーシステムの設計研究として非常に重要な意義を持つ。
また、東北地方を対象地域、遊休農地で栽培される国内資源を対象資源として、バイオエタノールを製造することを想定したシステムを設計、解析した。ArcGISによる輸送経路の最適化及び混合整数計画法を用いた施設配置問題の最適化を行い、バイオエタノールの製造コスト、製造に伴う温室効果ガス排出量、エネルギー収支を定量的に評価した。さらに、国内資源だけではなく、海外資源を輸入、利用することを想定した解析を行い、国内資源のみを利用する場合に比べて、施設配置や規模、エネルギー収支、製造コスト、温室効果ガス排出量がどのように変化するのかを明らかにした。
得られた成果を、20th EU BC&Eや日本エネルギー学会バイオマス科学会議で発表し、日本エネルギー学会に投稿中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究は、次のように段階的に行う。(1)対象国のバイオマス資源の賦存量をデータベース化する。(2)対象国の道路状況や農地等に関する地理情報をデータベース化する。(3)加工工場の立地条件を考慮し、対象国における収集・運搬を最適化する。(4)複数の国、資源を対象としたバイオマス利活用システムの数理モデルを設計する。(5)線形計画法により、最適な供給国、資源、技術の組み合わせを明らかにする。(6)エネルギー経済モデルを用いたシナリオ解析により、長期的な需要と供給の動向を示す。
当該年度では、上記の(4)及び(5)を行った。
資源を発生プロセスごとに一次資源と二次資源に分類し、それぞれに対してシステム境界を定め、様々な資源を対象とするシステムを評価することができる設計手法を構築した。この手法を用いることで、これまで明確ではなかったシステム境界を客観的に定めることができるため、複数の資源を同一の評価基軸で扱うことができる。
東北地方を対象として、国内資源の栽培及び海外資源の輸入を考慮し、バイオエタノールを製造するために最適な作物種、施設配置及び規模、輸送経路等を明らかにした。得られた結果より、バイオエタノールの製造コスト、エネルギー収支、温室効果ガス排出量を定量的に評価した。
以上、当該年度の研究は、(5)の複数の技術を扱う段階には至っていないが、(4)の数理モデルの設計研究が当初の予定よりも進んでいるため、総合的にはおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

最終年度となる次年度は、データベースの作成を継続するとともに、エネルギー経済モデルを用いたシナリオ解析により、長期的な需要と供給の動向を示す。需要として電気、熱、自動車用燃料を想定し、供給として国内外の草本系及び木質系、廃棄物系の各種バイオマス資源を想定する。技術として、直接燃焼やガス化発電等のようなエネルギー変換技術と、ペレット化やバイオエタノール等の燃料を製造する前処理技術とに分類し、前処理技術はさらに様々なエネルギー変換技術と組み合わせる。おもな一次エネルギー供給が化石燃料である既存のエネルギーシステムに、国内外の種々のバイオマス資源及びバイオマス利用技術を組み合わせることで、2050年までの一次エネルギーの資源構成、エネルギー供給コスト、温室効果ガス排出量がどのように変化するのかを明らかにする。また、温室効果ガス排出量の制約、化石燃料の価格高騰等の社会的要因が与える影響を定量的に評価する。
研究を遂行する上での課題として、エネルギー経済モデルでは地理情報を考慮することができない点が挙げられる。バイオマス資源をエネルギー利用する場合、資源の収集、輸送に伴うエネルギー消費量、コスト、温室効果ガス排出量を評価するためには、地理情報は不可欠である。本研究では、これまでに得られた研究成果から、対象とする資源と技術の組み合わせから、収集、輸送に伴うエネルギー消費量、施設の規模等の代表的な値を選び、エネルギー経済モデルの入力値として用いる。さらに、各パラメータの上限値と下限値を考慮した感度解析を行い、入力値が変化することで結果にどのような影響を与えるのかを定量的に示す。

次年度の研究費の使用計画

次年度使用額20,307円が生じているが、3月までに執行済みの4月支払分であるため、次年度での使用予定はない。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (11件)

  • [雑誌論文] Integrated design of biomass energy system considering various biomass resources and technologies2012

    • 著者名/発表者名
      T. Furubayashi, T. Nakata
    • 雑誌名

      20th European Biomass Conference and Exhibition

      巻: 1 ページ: 2019-2023

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of CO2 emissions reduction potential in secondary production and semi-fabrication of non-ferrous metals2012

    • 著者名/発表者名
      J. C. Gonzalez Palencia, T. Furubayashi, T. Nakata
    • 雑誌名

      Energy Policy

      巻: 49 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1016/j.enpol.2012.09.038

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energy use and CO2 emissions reduction potential in passenger car fleet using zero emission vehicles and lightweight materials2012

    • 著者名/発表者名
      J. C. Gonzalez Palencia, T. Furubayashi, T. Nakata
    • 雑誌名

      Energy

      巻: 45 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1016/j.energy.2012.09.041

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Assessment of energy utilization in Iran's industrial sector using energy and exergy analysis method2012

    • 著者名/発表者名
      Sayyed M. Sanaei, T. Furubayashi, T. Nakata
    • 雑誌名

      Applied Thermal Engineering

      巻: 36 ページ: 130-145

    • DOI

      10.1016/j.applthermaleng.2011.11.002

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 東日本大震災を経た地域エネルギーシステムについて2012

    • 著者名/発表者名
      古林敬顕
    • 雑誌名

      エネルギー・資源

      巻: 33 ページ: 173-173

  • [学会発表] 技術習熟を考慮した水素製造コストの変遷2013

    • 著者名/発表者名
      古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第29回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130129-20130130
  • [学会発表] エクセルギーに基づく地域エネルギーシステムの性能評価2013

    • 著者名/発表者名
      會川翔、古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第29回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130129-20130130
  • [学会発表] 資源の変遷と技術習熟を考慮した中長期エネルギーシステムの設計2013

    • 著者名/発表者名
      瀧田祐樹、古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第29回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130129-20130130
  • [学会発表] 地域熱供給システムと個別暖房・給湯方式の性能評価2013

    • 著者名/発表者名
      井上清文、古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第29回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130129-20130130
  • [学会発表] 習熟効果およびエネルギー効率の自律的改善に誘発される 技術変遷の影響分析2013

    • 著者名/発表者名
      臼井岳文、古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第29回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130129-20130130
  • [学会発表] Modeling advanced vehicle deployment in developing countries: fuel cell hybrid electric and lightweight vehicles in Colombia2013

    • 著者名/発表者名
      ゴンザレス・パレンシア・ファン・カルロス、古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第29回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130129-20130130
  • [学会発表] Design of a small scale CSP based cogeneration cycle2013

    • 著者名/発表者名
      サナエイ・サイエド・モハマッド、古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第29回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130129-20130130
  • [学会発表] 資源と技術の多様性を考慮したバイオマス利活用システムの設計2013

    • 著者名/発表者名
      古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第8回バイオマス科学会議
    • 発表場所
      広島
    • 年月日
      20130109-20130110
  • [学会発表] 経済・社会的側面を考慮した自動車用バイオフュエルのサプライチェーンの最適設計2013

    • 著者名/発表者名
      依田和大、古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第8回バイオマス科学会議
    • 発表場所
      広島
    • 年月日
      20130109-20130110
  • [学会発表] 地理情報を用いた木質バイオマスのエネルギー利用システムの設計2013

    • 著者名/発表者名
      森上慶太、古林敬顕、中田俊彦
    • 学会等名
      第8回バイオマス科学会議
    • 発表場所
      広島
    • 年月日
      20130109-20130110
  • [学会発表] Integrated design of biomass energy system considering various biomass resources and technologies.2012

    • 著者名/発表者名
      T. Furubayashi, T. Nakata
    • 学会等名
      20th European Biomass Conference & Exhibition
    • 発表場所
      Milano, Italy
    • 年月日
      20120618-20120622

URL: 

公開日: 2014-07-24  

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