*シュトゥットガルト大学セラミック部品・複合材料製造技術研究所
はじめに
化石燃料の利用可能性が限られているため、再生可能な原材料が最近大きな話題となっている。ここでは、作物の収量、必要な作付面積、エネルギー含有量に関する疑問が最前線に立っている。化石燃料と比較すると、再生可能原料の燃焼挙動は、気候条件、植物部分の加工、乾燥、貯蔵などのパラメータ（関連する含水率も含む）にはるかに影響され、したがって自然変動が大きい。図1は、バイオマスおよびエネルギー植物として分類される原材料をまとめたものである。
エネルギープラント
エネルギープラントを化石燃料の代替として使用する場合、調達コストを作物収量と比較する必要がある。例えば、232kgの大麦は、発熱量では100リットルの暖房油に相当し[1]、2013年9月の市場価格に基づくと41ユーロ安い。ドイツの戸建て住宅の暖房に年間3,000リットルを消費すると仮定すると、年間1,200ユーロの節約になる。様々な種類の穀物のような農作物は、食用に適さないか、品質が悪く、人間の消費に適さない場合にのみ、エネルギー生産に使用する必要があるため、代替エネルギー植物が集中的に検討されている。
原油価格の高騰を考慮すると、木質ペレットやその他のエネルギープラントは、すでに費用対効果の高い代替手段を提供している。作物わら、木質ペレット、ヒーティングオイルの平均価格と発熱量を表1に示す[2]。
表1：異なるエネルギーキャリアの発熱量とコスト
価格 | 発熱量 | コスト / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| ヒーティングオイル | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| 木質ペレット | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| 麦わら | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
表からわかるように、作物のわらの発熱量が低いことは、取得コストがかなり低いことによって相殺され、暖房用石油よりも経済的である。したがって、穀物生産から出るわらのような農業廃棄物は、ほとんどすべての種類の土壌で容易に生育する他のエネルギー植物とともに、代替エネルギー源として詳しく検討する価値がある。ススキ（miscanthus sinensis）やミスカンサス・ギガンテウス（miscanthus giganteus）も、比較的発熱量が高く、灰分含有量が低いため、さらなる調査が必要である。ミスカンサスはエネルギー利用のために特に栽培されなければならないが、菜種のわらは穀物生産の副産物として入手可能である。したがって、2つのエネルギー源の利点を比較検討する際には、栽培面積の制限を考慮しなければならない。
熱重量測定
熱重量測定(TG)法は、燃焼プロセスの調査に特に適している。主に固体燃料の熱安定性を迅速に評価することができる。可燃物の量(質量損失)と灰分含有量(残渣)は簡単に定量化できる。NETZSCH Thermokinetics ソフトウェアによって解析された燃焼温度と反応速度は、材料の燃焼挙動に関する重要な速度論的情報をもたらします。
燃焼反応中の質量損失と不燃性鉱物灰含有量も定量化できる。分解反応や水分・溶媒の放出などの他の反応とは対照的に、燃焼は固体-気体反応です。そのため、試料表面、パージガス中の酸素濃度、容器形状などのパラメータが極めて重要です。
これらの重要なパラメーターは、NETZSCH STA 409 Cを使用したエネルギープラントの燃焼実験で最適化された。
燃焼挙動
このアプリケーションノートでは、植物由来のわら（ミスカンサス、リプシード）およびそれを原料とするペレットの燃焼挙動の調査結果について述べる。調査した物質を図2と図3に示す。
材料の燃焼挙動は、NETZSCH STA 409 Cで調べた。開放型アルミナるつぼを備えたDTA-TGA試料ホルダーを使用し、パージガスは合成空気で流量は80 ml/minであった。加熱速度20K/minの場合、燃焼反応は600℃までに完了した（図4および5）。
DTA法は、発熱（発熱性）燃焼反応の発熱量と発熱速度に関する情報を得ることができる。非ペレット化試料は、質量損失プロファイルが同程度であっても、より高い反応熱（より大きなDTAシグナル）を示したことに注目すべきである。緩い材料の表面積が大きいため、より効率的な燃焼プロセスが促進される。さらに、菜種わらの試料は、ミスカンサスの試料と同様の燃焼挙動を示した。残留質量（灰分含有量）は、エネルギープラントの不活性ミネラル成分に相当する。
気孔率と密度の測定
水銀ポロシメトリー（Porotec Pascal 140/440）により、試料の気孔率と密度を測定した。結果は表1にまとめられている。図6と図7は、空隙率と相対密度または比密度に関して、2つの材料とその加工品（ペレット）の間に大きな違いがあることを示している。菜種わらの試料は、ミスカンサスの試料よりも密度が低く、細孔容積がかなり大きいという特徴がある（表1）。非ペレット化菜種わらの試料は、菜種わらのペレット試料よりもかなり低い温度でかなり高い燃焼率を示したので（図5）、これは明らかに燃焼挙動に有利である。
表2：4つのバイオマス試料の分析データの比較
| 特性 | ススキ | ススキペレット | 菜種わら | 菜種ペレット |
|---|---|---|---|---|
| 全空隙率 [vol］ | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| 通称細孔容積 [m²/g］ | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| 試料比表面積 [mm²/g］ | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| 平均細孔半径 [μm］ | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| 密度1[kg/dm³］ | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| 見掛け密度2 [kg/dm3］ | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1密度：
2見かけ密度：閉鎖気孔および非アクセス気孔を含む材料の密度。
ガス検知と速度論的分析
熱重量分析の過程で生成した発生ガスのFT-IR特性から、分解速度のピーク（515℃）で発生したガスは主にCO2であることがわかった。底面が平らな容器と十分に高いガス流量（ここでは酸素160ml/min）を採用すれば、反応速度に対する境界条件の影響をかなり回避できる。これは、得られたデータを詳細な速度論的解析にかけるための重要な要件を満たすものである。1～5K/分の加熱速度で得られたミスカンサス・ペレット試料の熱重量データの熱速度論的解析は、NETZSCH Thermokinetics ソフトウェアの助けを借りて実施された。図9に示すように、2つの連続したn次反応が実験データに最も適合することがわかった。
結論
これらの熱重量測定調査から、試料調製と測定条件が結果に大きな影響を与えることが示された。燃焼挙動に関する異なるエネルギープラント試料間の信頼できる比較は、同様の充填密度と形状を持ち、同じパージガス条件（すなわち、酸素濃度と流量）のプラント試料で測定を行った場合にのみ可能である。
異なるエネルギープラントの燃焼挙動を比較調査するためには、試料の形状、試料量、パージガスの酸素濃度、パージガス量だけでなく、プラントの部品のサイズや試料の梱包密度などの測定パラメータが決定的に重要であると判断できる。このような外部からの影響を最小限に抑えるため、STA 409 Cのすべての測定パラメータは、これらの境界条件の測定可能な影響が結果に影響しないように調整されています。このようにして初めて、比較熱重量分析だけでなく、測定データの速度論的評価も可能になる。
ミスカンサスはエネルギー密度が高いためエネルギー源として魅力的だが、特別な栽培が必要なため潜在的価値は低い。一方、菜種は穀物生産の副産物として容易に入手でき、エネルギー源としても優れている。