2012年の環太平洋合同演習(RIMPAC)で公開演習を行った「グリーンエネルギー大艦隊(Great Green Fleet)」。 Photo by .


(執筆:星野 孝仁、執筆協力:出口 悠)

 東京など世界各都市で開かれるモータショー。そこでは各メーカーが力作のコンセプトカーを展示する。ビジョンやデザイン、新たな技術など、コンセプトカーは自動車の未来を魅せてくれる存在だ。自動走行する車や、電気や水素の力で走行する車など、コンセプトカーが体現する未来に共感し、その研究開発を応援する人々も多いことだろう。

 我々が研究している藻類バイオ燃料の分野においても、バスを走らせたり飛行機を飛ばしたりなど、未来を魅せるパフォーマンスは度々行われている。

 2012年7月、藻類バイオ燃料における世界最大級のパフォーマンスがハワイ沖で実施された。米軍が日本など21カ国と共に実施した合同軍事演習「環太平洋合同演習(RIMPAC:リムパック)」において、バイオ燃料を使った「グリーンエネルギー大艦隊(Great Green Fleet)」の初の公開演習を行ったのだ。巨大な空母を利用した大掛かりなパフォーマンスである。

 ここでは、米国のバイオ燃料ベンチャー旧ソラザイム(現コービオン) 製の「従属栄養方式」で生産された藻類バイオマス由来のバイオ燃料が、化石燃料と共に利用された。

 このパフォーマンスには、その後さまざまな批判が上がったが、それらの批判を含め包括的な議論をまとめた米国エネルギー省(DOE)による「National Algal Biofuels Technology Review」などの文献の刊行は、「夢」の主導者としての米国の矜持であると感じる。

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光で育てる「光合成方式」と、エサを与えて育てる「従属栄養方式」

 RIMPACでのグリーン艦隊のパフォーマンスはなぜ批判されたのか。その原因の1つが、使用されたバイオ燃料が「従属栄養方式」で生産されたという点である。

 バイオ燃料の生産には、原料としてさまざまな種類のバイオマスが利用される。微細藻類(以下、藻類)由来のバイオ燃料であれば、その原料は「藻類バイオマス」となる。

 藻類バイオマス生産には、大きく分けて、光合成独立栄養方式(以下、光合成方式)と化学合成従属栄養方式(以下、従属栄養方式)、の2つの方式が存在する(下の図)。

図:従属栄養方式と独立栄養方式


(*配信先のサイトでこの記事をお読みの方はこちらで本記事の図版をご覧いただけます。http://jbpress.ismedia.jp/articles/-/51798)

 前者は、光(多くの場合、太陽光)をエネルギー源として、かつ、二酸化炭素を炭素源として、バイオマスを生産する方式であり、一般にいう農業生産の大部分はこれにあたる。一方、後者は、有機化合物(多くの場合、糖類など)をエネルギーと炭素の両源としてバイオマスを生産する方式であり、ヒトを含めた多くの動物の成長はこれにあたる。(詳しくはこちらをご覧ください)

産業利用されている藻類バイオマスの大半は「従属栄養方式」

 現在、燃料に限らず、藻類バイオマスがさまざまな産業分野で利用されているが、その多くは従属栄養方式で生産されたものである。

 例えば、オランダの総合化学メーカーDSMが生産するDHA(ドコサヘキサエン酸)製品はCrypthecodinium(クリプテコディニウム)やSchizochytrium(シゾキトリウム)といった藻類を、コービオン(旧テラビア)が生産する食用油脂やタンパク質粉末はChlorella(クロレラ)という藻類を、従属栄養方式で生産したバイオマスから生産している。最近話題になった、神鋼環境ソリューション製の「神戸ユーグレナ」も、従属栄養方式で生産されたミドリムシの乾燥粉末である。

従属栄養方式での培養の様子(ちとせ研究所内)


「従属栄養方式」は、燃料「生産」ではなく物質「変換」

 藻類バイオ燃料開発・研究においても、従属栄養方式で生産された藻類バイオマスが度々利用されてきた。冒頭で記載した、RIMPACでのパフォーマンスに使用された藻類バイオ燃料も「従属栄養方式」で生産されたものである。

 しかし、ここに大きな問題がある。従属栄養方式によって生産されたバイオマスを起点とする燃料の製造を、燃料「生産」と呼ぶべきか否か。

 答えは「否」である。

 2016年に米国エネルギー省(DOE)から刊行された「National Algal Biofuels Technology Review」では、従属栄養方式による藻類バイオマスおよび燃料生産は、「Conversion process rather than a primary source of biomass(バイオマス“生産”技術ではなく、“変換”技術)」であると明記している。また、現在DOEは、「従属栄養方式によるバイオマス生産」をベースとした、バイオ燃料の研究・開発を明確に対象外とし、研究資金の投下を行っていない。

燃料を「生産」したはずが、エネルギー量が減っている!?

 一般的に、従属栄養方式で藻類バイオマスを生産する場合、グルコース(ブドウ糖)などの糖源がそのエネルギー・炭素源として利用される。条件にもよるが、大まかに言うと、100kgのグルコースから50kg程度のバイオマスが得られる。また、この50kgのバイオマスから、15kg(=30%)の油脂が得られ、油脂を精製することで5kgのジェット燃料が得られる。

 この時、グルコース、バイオマス、油脂、ジェット燃料のエネルギー密度*1は、それぞれ順に約15.6、21.4、37(パーム油ベース)、42.5以上(MJ/kg)である。つまり、1560MJのエネルギーを有する原料 (= 100kg x 15.6MJ/kg) を、1070MJのエネルギーを有するバイオマスに変換し、最終的に212MJのエネルギーを有する燃料 (= 5kg x 42.5MJ/kg) を得ていることになる。

*1=単位重量あたりのエネルギー/熱量。

 最終産物である燃料中の利用可能な総エネルギー量は、原料中のそれと比して大きく減少していることがわかる。大きなエネルギー損失と引き換えに、グルコースを、バイオマス、油脂という中間物質を経て、より高エネルギー密度のジェット燃料へと 「変換」 しているのである。

 藻類バイオマス生産 (グルコース→バイオマス)工程だけを見ても、利用可能な総エネルギー量が大きく減少している。グルコースはジェット燃料ほどエネルギー密度が高くはないものの、既に比較的高いエネルギー密度を有する物質である。そのため、グルコースはグルコースとして、変換工程を経ず、直接的に利用することが、エネルギー利用の観点からは最も効率的である。それ故、従属栄養方式の藻類バイオマス・燃料生産は、「生産」工程としてではなく、「変換」工程として位置づけられるのである。

 同様の議論は、グルコースのみならず、森林・木質バイオマスであれ、家畜の糞尿であれ、食品工場残渣であれ、一定のエネルギーを有するバイオマスを起点とする燃料生産全てに当てはまる。起点となるバイオマスに、全く有効利用方法がない場合に限り、すなわち実質エネルギーや燃料として無価値であるバイオマスを利用する場合に限り、燃料「生産」であると言える。

太陽光のみをエネルギー源とした燃料生産こそが、真の燃料「生産」

 一方で、光合成方式の藻類バイオマス・燃料生産では、その根本が大きく異なる。

 エネルギー源として、貯蔵・輸送が適わず現行技術で利用可能な量以上に降り注ぐ太陽光を利用し、炭素源として二酸化炭素を利用している光合成方式による藻類バイオマスを起点とした燃料生産は、純粋に燃料の「生産」として位置づける事ができる。

独立栄養方式の培養の様子。我々のチーム(IHI、ちとせ研究所、神戸大学)が2015年にNEDOのプロジェクトにて鹿児島で1500m2規模で実証試験をした際の写真。


燃料生産において重要な「エネルギー収支比」という考え方

 さて、従属栄養方式であれ、光合成方式であれ、バイオ燃料「生産」における最も重要な基準の1つに、「エネルギー収支比」(Energy Return on Investment; EROI)がある。

 燃料生産におけるエネルギー収支比とは、燃料として得られるエネルギー量に対する、燃料生産に投じられるエネルギー量の比で表される。燃料生産に投じられるエネルギー量の内に、原料が持つエネルギー量は含まれない。

 例えば、100のエネルギー量を持つ石油を使用して、90のエネルギーを持つ燃料を生産するのでは (EROI=0.9)、根本的に燃料生産としての意味は薄く、燃料生産に利用される石油をそのまま燃料として利用する方が良い。EROIは基本的に1.0以上である必要がある。

 EROIの他にも、持続可能なバイオ燃料の商業生産を実現するには、炭素収支や経済収支など、さまざまな基準を満たす必要がある。

パフォーマンスのみが目立つバイオ燃料

 現状はどうであろう。「バイオ燃料」「光合成」「藻類」といった言葉が持つ「なんとなく環境に良さそう」という感覚が、さまざまな取り組みを通して、企業・国家イメージ向上のために利用されている。

 しかし、一方で、持続可能なバイオ燃料生産の商業化の根本を成す、原料調達、エネルギー収支、炭素収支、経済収支などに関する本質的な議論は、十分になされているだろうか?

 従属栄養方式を採りながら、それを語らず光合成のイメージを被り、EROIについても炭素収支についても、経済性についても多くを答えない、パフォーマンスにとどまっているものも多い。

「夢」を主導する者としての矜持

 パフォーマンス全てを完全に否定する気はない。研究の重要性・必要性を多くの人と共有し、研究資金を確保するために、「夢」や「将来像」を部分的にでも具現化することは有効である。

 ただ、「夢」や「将来像」を提示するパフォーマンスは、より多くの人に本質的な部分への共感や理解を深めてもらうための手段であり、本質的な部分に理解が及ばない人々を体よく利用するための手段であってはならない。そして、自らが描く「将来像」へ人々を巻き込もうとする者にとって、「夢」や「将来像」にたどり着くまでの具体的な道のりを矜持を持って示すことも、重要な責務であると考える。我々はそのための情報発信にも取り組んでいる。

 日本における藻類バイオ燃料研究・開発分野においても、「国産燃料」や「オリンピックでのバイオジェット」などの多くの「夢」が語られている。また、燃料に限らずさまざまな用途で、藻類を活用した「夢」を掲げる個人や企業が数多く存在する。にもかかわらず、いつの時代も、全体として理解や共感が深化しないのは、この「夢」を主導する者に、矜持が欠けているからだと感じる。

 藻類研究に関わる人間の一人として、「夢」を語り、実現する上での矜持を忘れたくない。

星野 孝仁

ちとせグループ 藻類生産チーム 事業統括責任者
2001年東京大学農学部生物システム工学科卒業。2010年アリゾナ大学にて博士課程終了後、2015年までアリゾナ大学にて上級研究員として微細藻類バイオマス大量生産を目的としたフォトバイオリアクターの開発・研究に携わる。2015年ちとせ研究所(ちとせグループ)に入社、事業開発職を担当。多数の藻類関連事業を率いる傍ら、藻類ビジネスのセミナー講師や書籍の執筆、ちとせグループが運営する藻の情報サイト「Modia[藻ディア]」での情報発信も行なう。

出口 悠

ちとせグループ Group Communication マネジャー
2011年京都大学大学院農学研究科修士課程修了。2013年ちとせ研究所へ入社し事業開発を経て2015年からちとせグループ全体を統括するChitose Bio Evolutionへ。コーポレートブランディング、PR、WEB制作/ディレクションなどに従事。自社メディア「Modia[藻ディア]」と「CHITOSE JOURNAL」を立ち上げ、編集長を務める傍ら執筆も行なう。

筆者:星野 孝仁