クラッド

Jan 07, 2024

昨年、し尿を燃料とした自動車がヨーロッパの田舎を巡回し、2,000キロメートル以上を走行しました。 これは、ドイツのフラウンホーファー研究所 UMSICHT が開発した技術を使用して、500 トンの下水汚泥から 50,000 リットル (13,200 ガロン) のバイオ原油を製造する経路探索プロジェクトである To-Syn-Fuel の集大成でした。

EUのHorizo​​n 2020プログラムによって資金提供されたマルチパートナープロジェクトを主導したフラウンホーファーUMSICHTの再生可能エネルギー部門責任者、ロバート・ダシュナー氏によると、今回の旅行はし尿を実行可能な交通燃料に変換する世界的な取り組みのマイルストーンとなったという。 To-Syn-Fuelを使用すると、化石燃料と比較して最大85%の二酸化炭素削減を達成できると、同氏はモンガベイに電子メールで書いた。

しかし、その歴史的な EU 遠征は中間目標にすぎませんでした。次は、小規模な概念実証実証プラントから学んだ教訓に基づいて、ドイツに大規模な原油から原油への施設を建設することです。 目標は、2030年までに最大40万トンの下水汚泥を「持続可能な航空燃料」に処理することだとダシュナー氏は書いた。

もしこれや他の有望な原油から原油へのパイロットプロジェクトが真に大規模な成功を収めれば、科学と産業界はポスト化石燃料経済を実現するための最も難しい難題の一つ、つまり低炭素の可能性を秘めた輸送用液体燃料を解決する可能性がある。車、トラック、ジェット機、船舶に動力を供給します。

下水汚泥は、廃水処理後に残る炭素と栄養分が豊富な泥状の残留物です。 輸送の専門家らは、この残り物を廃棄物としてではなく、精製可能な金の一種、つまり液体バイオ燃料を作るための再生可能な原料として見ている。

一部の専門家は、循環経済の一環として廃水や下水汚泥の潜在力を活用することが、気候変動に打ち勝つために不可欠である可能性があるとさえ述べています。 しかし、その目標を達成するには大きなチャンスがある一方で、大きな課題も伴います。

何百万トンもの下水汚泥が下水処理場で毎年生成されますが、その多くは現在埋め立て地に送られるか焼却されています。 「バイオソリッド」として知られる処理済み汚泥も堆肥化され、農業改良材として普及することができます。

環境保護庁によると、2021年に米国は450万トンの汚泥を生産した。 そのうち、約 200 万トンが陸上に利用されました。 633,000トンが焼却され、190万トンが埋め立てられた。 欧州連合では、下水汚泥の発生量は年間約 1,000 万トンと少なく、その使用量はほぼ同様のパターンに従っています。

各下水汚泥処理ルートは、それぞれ大きな環境問題を引き起こしています。 たとえば、農地に汚泥をまき散らすことは汚染物質を土壌に放出し、広大な地域を汚染し、さらには有毒な重金属、PFAS「永遠の化学物質」、マイクロプラスチックで人々を中毒させる可能性があります。 この問題は昨年、米国メイン州で拡散する下水汚泥の禁止につながった。

廃水処理自体は炭素集約的なプロセスであり、一部の推定によると人類の温室効果ガス排出量の 5% にも上ります。 現在、世界の廃水のうち処理されているのはわずか 20% にすぎません。つまり、廃棄物処理サービスが拡大するにつれて、その環境負荷も増大する可能性があります。

カナダのモントリオール大学のフレデリック・ピトレ教授は、「下水処理場の運営者は汚泥を燃やさなければならないことが多く、これにより膨大な温室効果ガスが排出される」とモンガベイのインタビューで語った。 「この汚泥に価値を与える方法を見つけるのは難しいことです。」

エネルギーの生成（バイオガスの形で）と栄養素（肥料として有用な窒素やリンなど）の回収は、その「価値」を引き出すためのもう2つの選択肢であり、廃棄物処理事業者はすでに二酸化炭素排出量を削減するためにうんちから電力を生成している、と同氏は言う。リリアン・ザレンバ氏、メトロバンクーバー液体廃棄物サービスの共同イノベーションプログラムマネージャー。 嫌気性消化として知られるプロセスを使用して、下水汚泥がメタンの形でバイオガスを生成する原料として使用されることがあります。メタンは通常、エネルギー生成のニーズを満たすために処理施設にポンプで戻されます。

「私たちは（廃棄物処理）プラントでの嫌気性消化から出てくるバイオメタンを使用しており、使用できないものはすべて販売のためにクリーンアップしています」とザレンバ氏は説明する。 「化石燃料ガス[使用]に取って代わられています。」

輸送のニーズを満たすために、下水汚泥を商業的に実行可能な液体バイオ燃料に変えるための多くの技術が研究中です。 昨年発表されたレビュー論文では、「生物学的プロセス、熱化学技術、生物電気化学的処理、バイオリファイナリーなど」を含む選択肢の概要が述べられている。

汚泥から液体バイオ燃料を生成する小規模な実証は成功を収めているが、大規模な産業施設はまだ稼働していない。 「[A]実験室またはパイロット規模でテストおよび検証されていますが、[さまざまな処理技術は]産業応用の観点からはまだ初期段階にあります。」とレビュー論文は述べています。

支持者らは汚泥ベースのバイオ燃料の利点を宣伝し、トウモロコシ、パーム油、植物油などの他の液体バイオ燃料原料に対する一般的な批判の多くを回避できると指摘している。 原料としての汚泥は、食料や農地の利用と競合することがなく、土地転用が回避されます。これは、持続可能性を低下させ、さまざまなバイオ燃料の炭素強度を上昇させる可能性がある問題です。

スペインのロビラ・イ・ヴィルジリ大学の化学技術者、ラウレアノ・ヒメネス氏と彼のチームは、さまざまな液体バイオ燃料原料の持続可能性分析を実施した。 下水汚泥などの廃棄物発生源がトップとなった。 「下水からバイオ燃料を作ることが最善の選択肢だと言っているわけではないが、それも選択肢の一つだ」と同氏は強調した。

スペインのオビエド大学化学環境工学部のサルバドール・オルドネス氏は、「私たちは、いずれの場合も焼却または埋め立てられる廃棄物を使用している」と付け加えた。 そうすれば汚泥ベースのバイオ燃料はより持続可能になると彼は信じている。

圧力と熱を利用する水熱液化（HTL）は、都市廃棄物をバイオ原油に変えるルートの 1 つであり、輸送用の燃料、さらには持続可能な航空燃料を生み出す可能性が最も高い選択肢の 1 つと考えられています。 昨年、デンマークのオーフス大学でパイロット規模のプロジェクトに取り組んでいる研究者らは、下水汚泥などの原料を使ってバイオ原油を製造することに成功したという「画期的な成果」を発表した。

カナダでは、メトロ・バンクーバーが開発中のHTL実証プロジェクトが2025年までに稼働する予定で、毎日約10トンの湿った下水汚泥を5バレルのバイオ原油に変える。 これは世界の燃料需要に比べれば微々たるものだが、規模をさらに拡大する前に、小規模から始めることが重要な概念実証であるとザレンバ氏は語った。 同様のパイロットプロジェクトが他の場所でも進行中です。

スティアン・ヘグダール博士ノルウェーのベルゲン大学の候補者も、HTL はし尿をバイオ燃料に変える可能性があると信じています。 彼の実験室規模の研究では、すでに嫌気性消化プロセスを経た汚泥が使用されています。

同氏は、バイオ燃料の生産には環境問題がないわけではないと警告する。 汚泥を燃料に変換すると固体廃棄物と液体廃棄物の両方が発生し、その廃棄は必要になるため、「これを（安全に）どのように行うかを考慮する必要がある」と同氏は述べた。

もう 1 つのハードル: 原油から原油への精製所は、大規模な需要に対応しようとする場合、地理的な位置に応じて、多数の廃棄物処理施設からスラッジをトラックで輸送する必要がある可能性があります。 ヘグダール氏は、彼の故郷であるベルゲンでバイオ原油の量を「非常に大まかに」計算したところ、30万人の住民の廃棄物の総量からは「数千トン」の燃料しか生産できないことが判明した。この数字は現在の化石燃料生産量に比べれば小さく見えてしまう。 そうなると物流コストが高騰し、経済的に成り立たなくなる可能性があります。

「誰もが実際に関心を持つのに十分な量を生産できるようにするには、いくつかの場所から[下水汚泥]を1つの[バイオ燃料]プラントに収集する必要があります」と彼は説明した。

カナダのプロジェクトでは、HTL とは別のアプローチを採用し、自然に基づいた解決策として廃水を処理する急速に成長するヤナギの能力をテストしました。 それが効果的であることが証明された目的。 研究者らは、この廃棄物処理ソリューションが持続可能なバイオ燃料源にもなる可能性があることを発見しました。 研究チームの一員であるピトレ氏は、廃水をヤナギで処理すると植物のバイオマスが大幅に増加したと説明する。 その後、そのバイオマスは液体燃料やバイオプラスチックなどの他の製品に加工される可能性があり、その成果を彼は双方に有利なソリューションと表現しています。

「私たちは農地を使用していません。食料も使用していません。そして環境問題に取り組んでいます」と彼は言いました。 研究によると、ヤナギはそのような目的に使用できる可能性のあるいくつかの植物種のうちの1つにすぎません。 「私たちは、従来の下水処理プラントよりもはるかに低いコストで下水を処理しているか、土壌から汚染物質を抽出して未利用だったバイオマスを生産しています。」

原料が下水汚泥であれ、ヤナギであれ、その他の有機材料であれ、バイオ燃料生産の規制はさらに別の実施上のハードルをもたらします。 ピトレ氏は、「実証[プロジェクト]は主流になる前に、地方自治体と廃水処理の適切な選択肢として受け入れられる必要がある」と述べた。

起業家たちが研究室規模やパイロット規模の実証を産業規模のプロジェクトに変えようと取り組んでいるにもかかわらず、アナリストはこれらのさまざまなバイオ燃料がどれだけ炭素を節約できるか疑問を抱いている。

場合によっては、これらの新しい「低炭素」燃料に関連して宣伝されている節約効果がまだ確認されていないこともあります。 おそらく、その効率性は会計上のどこに線が引かれるかに最も左右される、とザレンバ氏は主張する。

「バイオ原油の炭素強度は化石原油よりも90％低いことがわかりました」と彼女は述べた。 しかし、この高い数字は、下水が「すでに収集され、処理された」後に便益が計算されているためである。 つまり、「プロセスのその部分からの追加の炭素排出」は 90% 削減にはカウントされません。

同様に、HTL プロセスを使用して燃料を作成するには水素が必要であり、水素の作成には独自の二酸化炭素排出量が発生します。 再生可能資源から「グリーン水素」を製造することは炭素削減を実現する 1 つの方法ですが、現在、水素の圧倒的大部分は化石燃料を使用して製造されています。 2021 年、再生可能エネルギーによって生産された水素は世界中でわずか 1% でした。

ロビラ・イ・ヴィルジリ大学の講師、カルロス・ポゾ氏は、「これは私たちが解決に向かっているところだが、まだ遠い」と語った。 「現在の水素製造のほとんどは決して環境に優しいものではないため、これは新たな環境課題となるでしょう。」

To-Syn-Fuel の場合、汚泥からバイオ燃料への変換プロセス中に生成されるバイオ炭の形で固形炭素廃棄物を隔離することで炭素の節約を高めることができるとダシュナー氏は書いている。 しかし、完全な炭素会計はまだ評価されていない、と彼は付け加えた。「これは研究および実証プラントであるため、本格的な生産プラントのライフサイクル評価については限られた記述しかできません。」 しかし同氏は、「原料と最終的な原料の前処理段階」を評価することが炭素削減を決定する鍵になると指摘する。

もう一つの難題は、廃水中に有毒な汚染物質が含まれていることです。 汚泥には、抽出可能な炭素と農業栄養素が詰まっているだけでなく、望ましくない汚染物質も含まれています。 バイオ燃料の製造方法によっては、これらの汚染物質は依然として頭の痛い問題であり、埋め立てまたは焼却が必要になる場合があります。

「この意味で、私たちは環境から[汚染物質を]除去しているわけではない」とヒメネス氏は語った。 「簡単な解決策はありません。」

ザレンバ氏は汚染物質の問題を認識しているが、HTL は「環境に懸念のある化合物を破壊するという点で非常に有望である」と報告している。 バイオ燃料変換プロセス中に汚染物質に何が起こるかを理解するための研究が進行中であると彼女は述べた。 「このパイロットプロジェクトは、それを[学ぶ]素晴らしい機会です。」

昨年発表された論文では、一部のPFAS永久化学物質がHTL変換中に完全には除去されないことが判明し、「下水汚泥からPFASを除去するための他の処理アプローチを特定する必要がある」ことが示唆されている。

専門家らは、環境や技術的な問題のほかに、汚泥ベースのバイオ燃料を主流にするためには経済的、政治的なハードルがあると指摘している。 たとえば、バイオ燃料の製造を容易にするために、自治体の下水処理施設の運営者や納税者に、高コストになる可能性のある技術を工場に追加するよう説得するのは難しいかもしれない、とオルドネス氏は言う。

「新しい技術を開発しようとするとき、市場は重要です」と彼は指摘した。 「私たちは科学者として、[問題の]技術的な部分[解決]を検討する訓練を受けていますが、市場も重要です。」

現在、多数の原油から原油へのオプションが開発中であるが、いずれかが突破口を開き、輸送時の炭素排出量を大幅に削減するのに十分な燃料を生産できるかどうかはまだ分からない。

クラッド・トゥ・原油は、膨れ上がる人類の21世紀の廃棄物処理問題に対処する一連の解決策の1つになる可能性は確かにあるようだ。その解決策には現在、下水汚泥を利用してバイオガス、肥料、土壌改良材を作るか、焼却や堆積による処分が含まれる。埋め立て地で。

「（下水汚泥を）循環経済に組み込むためには、適切な処理法を見つけなければなりません」とヒメネス氏は語った。 「バイオ燃料の生産はその代替手段の一つだ」。

期待は規模拡大に向けたさまざまな取り組みの成果にかかっている。「北米中の同業他社から多くの関心を集めており、ヨーロッパの人々からも連絡をもらいました」とザレンバ氏は言う。 「誰もが誰かが最初に行動するのを待っているので、その後、彼らは自分たちでそれを導入するための主張をすることができます…そのパイロットスケール、[その]中間ステップ[これにより]私たちは本当に説得力のある[バイオ燃料]ビジネスケースを構築することができます。」

バナー画像: To-Syn-Fuel は 5 年間のプロジェクト中に、500 トンを超える乾燥下水汚泥を 50,000 リットル (13,200 ガロン) の石油に変換しました。 同じプロセスが「グリーン」水素の供給源になる可能性がある、とプロジェクトチームは述べている。 To-Syn-Fuel は EU から資金提供を受けており、学術、研究、業界の幅広いパートナーが参加しています。 画像 © Fraunhofer UMSICHT.

革新的な下水ソリューション: 世界的なし尿問題への取り組み

引用:

ドミニ、M.、ベルタンザ、G.、ヴァヒザデ、R.、ペドラッツァーニ、R. (2022)。 ロンバルディア州における循環経済の機会のための下水汚泥の品質と管理。 応用科学、12(20)、10391。doi:10.3390/app122010391

ロルスキー、C.、ケルカー、V.、ドライバー、E.、ハルデン、RU (2020)。 環境中のマイクロプラスチックの発生源としての都市下水汚泥。 環境科学と健康における最新の意見、14、16-22。 土井:10.1016/j.coesh.2019.12.001

A. デミルバス、O. タイラン、D. カヤ (2016)。 都市下水汚泥 (MSS) からのバイオガス生産。 エネルギー源、パート A: 回収、利用、および環境への影響、38(20)、3027-3033。 土井:10.1080/15567036.2015.1124944

Cecconet, D.、Capodaglio, AG (2022)。 循環経済のための下水汚泥バイオリファイナリー。 持続可能性、14(22)、14841。doi:10.3390/su142214841

カブレラ＝ヒメネス、R.、マテオ＝サンス、JM、ガヴァルダ、J.、ヒメネス、L.、ポゾ、C. (2022)。 持続可能性のレンズを通してバイオ燃料を比較する: データエンベロープ分析アプローチ。 応用エネルギー、307、118201。doi:10.1016/j.apenergy.2021.118201

チスティ、Y. (2019)。 藻類燃料の紹介。 藻類からのバイオ燃料 (pp. 1-31)。 エルゼビア。 土井:10.1016/B978-0-444-64192-2.00001-9

Fan, Y.、Hornung, U.、Dahmen, N. (2022)。 バイオ燃料用途のための下水汚泥の水熱液化：基礎、現在の課題、戦略に関するレビュー。 バイオマスとバイオエネルギー、165、106570。doi:10.1016/j.biombioe.2022.106570

ロザーノ、EM、ロッケ、S.、ローゼンダール、ルイジアナ州、ペダーセン、TH (2022)。 下水汚泥の水熱液化による海洋バイオ燃料の製造。 オランダの事例研究の予備的な技術経済分析とライフサイクル GHG 排出量評価。 エネルギー変換と管理: X、14、100178。doi:10.1016/j.ecmx.2022.100178

マサチューセッツ州バシール、S. リマ、ジャハンギリ、H.、AJ マジュースキー、M. ホフマン、A. ホルヌング、M. ワディ (2022)。 下水汚泥から持続可能な航空燃料へのステップチェンジ。 分析および応用熱分解ジャーナル、163、105498。doi:10.1016/j.jaap.2022.105498

Hegdahl、SH、Ghoreishi、S.、Løhre、C.、Barth、T. (2023)。 実験計画を使用して、実験室パイロットスケールで消化下水汚泥 (DSS) の熱水液化 (HTL) を調査します。 研究広場。 doi:10.21203/rs.3.rs-2516400/v1

Sas、E.、Hennquin、LM、Frémont、A.、Jerbi、A.、Legault、N.、Lamontagne、J.、… Pitre、FE (2021)。 急速に成長するヤナギを使用した持続可能な都市廃水処理のバイオリファイナリーの可能性。 全体環境の科学、792、148146。doi:10.1016/j.scitotenv.2021.148146

マサチューセッツ州ロドリゲス・ドミンゲス、ペンシルバニア州ビラー、ペンシルベニア州カルヴァーリョ、H. ブリックス、カリフォルニア州アリアス（2021）。 バイオ原油グリーンバイオ精製プラットフォームを通じてバイオ燃料を生産するための湿地処理システムからの植物バイオマスの利用の可能性。 エネルギー、14(23)、8157。doi:10.3390/en14238157

Zhang, W.、Liang, Y. (2022)。 下水汚泥の水熱液化 — バイオ原油および PFAS に関連する関連パラメーターに対する 4 つの試薬の影響。 環境化学工学ジャーナル、10(1)、107092。doi:10.1016/j.jece.2021.107092

フィードバック: この投稿の作成者にメッセージを送信するには、このフォームを使用してください。 パブリック コメントを投稿したい場合は、ページの下部から行うことができます。