バイオマスによる二酸化炭素固定技術：バイオ炭のグラントとスタートアップ分析とカーボンニュートラルの実現可能性

アスタミューゼ株式会社

2024年10月3日 10時16分

はじめに

バイオマスとは

地球温暖化におけるカーボンニュートラルへのとりくみや、持続可能な社会実現（SDGs）にむけて、バイオマスの利用は拡大しています。最近では、植物などのバイオマス由来の原料や、飲食店などから出る廃食油をもちいた持続可能な航空機燃料（SAF）を使用した飛行機が運航されるなど、バイオマスが本格的に実用化されはじめています。

バイオマスの活用の推進している農林水産省によると、「バイオマスとは、生物資源(bio)の量(mass)を示す概念であり、『動植物に由来する有機物である資源（化石資源を除く）』」と定義されており、大気中の二酸化炭素を増加させない「カーボンニュートラル」とよばれる特性があると述べられています（注1）。このことからもわかるように、現在バイオマスは気候変動対策における重要な役割をになっています。

注1：https://www.maff.go.jp/j/shokusan/biomass/attach/pdf/index-170.pdf

バイオマス活用の歴史

では、バイオマス活用はいつごろから注目されるようになったのでしょうか。契機は2回あったと考えられています。最初の注目は、1970年代に起きたオイルショックです（注2、3）。

注2：https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjsk/40/0/40_4/_pdf

注3：https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/76260.pdf

当時石油が供給不足となり、経済を動かすためのエネルギーが枯渇するという懸念がひろがりました。このため、未利用の間伐材や残材を木質バイオマス資源として利用することや、エタノールを燃料として使用すること、つまり化石燃料の代替物質を検討することがもとめられました。しかし、その後の原油供給量増加と価格の低下により、バイオマスの価格優位性がうすれてしまい、バイオマスの利用は下火となりました。

2度目の注目は、1997年に第3回気候変動枠組条約締約国会議（COP3）で京都議定書が採択されたタイミングです。環境保護への関心が急速にたかまり、持続可能な開発やその後のSDGs（持続可能な開発目標）につながる流れのきっかけとなり、世界的に地球温暖化防止にむけた転換点となりました。この流れをうけて、バイオマスは20世紀末以来、ふたたび注目をあつめるようになりました。

バイオマスの分類方法

1990年代後半から再燃したバイオマス利活用では、地球環境改善にむけて多くの資金が投入され、さまざまな用途にむけた研究活動が活発化しています。バイオマスの利用は多岐にわたっており、複雑化していますが、農林水産省がその詳細な分類や分析を行っています（注4）。

注4：https://www.jstage.jst.go.jp/article/jtappij/63/5/63_5_533/_pdf

バイオマスの分類方法は原料からの分類、発生源（由来）による分類、変換技術による分類などさまざまありますが、利用用途による分類をおこなうと下記のようにわけられます。

エネルギー利用：おもに燃料利用として、バイオマス発電、バイオマス燃料、バイオガス。おもに熱利用として、バイオマスボイラー、バイオマス暖房

材料利用（マテリアル）：バイオマスプラスチック、バイオケミカル、セルロース繊維、バイオ建材

環境利用：土壌改良材、浄化材

この分類方法で考えると、「エネルギー利用」は化石燃料の代替と考えることができ、「材料利用」は化石燃料から生成される工業原料の代替と考えることができます。では、「環境利用」の位置づけはどうなるでしょうか。環境利用で使われる土壌改良材は、おもに土壌中に長期間たまりつづけて効果を発揮します。このことから、ながい年月が必要な化石燃料生成過程の代替といえるかもしれません。化石燃料が生成される過程は二酸化炭素（CO2）の固定であり、今後のバイオマス利用における重要な観点となると考えられます。その理由をつぎの段落でみていきます。

CO2固定の観点から見たバイオマス

バイオマス利用による環境負荷低減指標

バイオマスの利用によって、どれほど環境負荷が低減できたかをはかる指標として、温室効果ガスの排出削減量があります。この指標は、原料だけでなく、輸送時や加工時に生じる排出量といったサプライチェーン全体で発生する排出量も含めて考えねばならないため、複雑ですが、削減率を評価するうえで重要な指標です。この評価はライフサイクルアセスメントとも呼ばれます。CO2を含む温室効果ガス（GHG）の排出量算定の概念については、資源エネルギー庁によるわかりやすく説明があります（注5）。

注5：https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/scope123.html

CO2排出量削減は、インフラ(交通機関や発電）の電化や代替燃料、再生可能エネルギーの利用など、使用量が大きい用途ほど、その効果が大きくなります。これまで各国政府が電化や再生可能エネルギー利用の推進のための施策を打ってきたことも、この考えかたにもとづきます。したがって、バイオマスの利活用においても、SAFの実用化のように、バイオマス発電やバイオマス燃料といったエネルギー利用の研究開発や実用化が先行されています。

一方で、CO2固定の観点から考えるとどうでしょうか。エネルギー用途のバイオマスは、エネルギーを創出するために、バイオマスそのものを燃焼させる必要があります。したがって、バイオマス原料がCO2を固定する期間は、エネルギーとして燃焼させるまでの期間と考えられます。このCO2を固定できている期間をひとつの指標としてとらえてみましょう。材料用途のバイオマスは、バイオマス原料から成形され、材料として使用されているあいだはCO2固定がつづきます。役目を終え、廃棄（燃焼）されるまでがCO2固定期間であり、使用されている期間がエネルギー用途のバイオマスよりも長いといえます。土壌にまぜて使用する環境用途のバイオマスにいたっては、燃焼させることなく半永久的に使用することを前提としているため、CO2固定期間は前出の2つの用途よりも格段に長いといえます。

CO2固定は、今後の炭素削減に必須な技術として、地中貯留や海洋隔離といった技術に対して資金が供出され、研究開発がすすめられています。したがって、CO2固定期間の長い環境用途のバイオマスは、今後さらに研究開発が活発化されることが見込まれるバイオマス分野であるといえます。この環境用途のバイオマスの最たる例が「バイオ炭」です。

バイオ炭とは

バイオ炭（biochar）は、有機物を炭化させて得られる炭素材料です。専用炉をもちいて、酸素を遮断した状態で高温にすることで、燃焼させるのではなく、熱分解させて生成されます。生成されたバイオ炭は、多数の細孔を有する多孔質であり、表面積が大きいため吸着能が高いことが利点とされています。バイオ炭の材料としては植物が主流であり、木質バイオマスである間伐材や木くず、廃棄物バイオマスであるナッツの殻やサトウキビのしぼりかす（バガス）が用いられています。生成方法や材料から考えると、焼畑農業がバイオ炭生成に当たるのかと誤解しそうですが、焼畑農業では酸素飽和の状態で燃焼されるため、炭素が固定されずにCO2として放出されてしまいます。

バイオ炭を使用する利点は、その構造と化学的性質にあります。バイオ炭は細孔がいくつもある多孔質構造を有しており、比表面積が大きいため、すぐれた吸着能を発揮します。この吸着能により、水分を保持するため保水力向上や、栄養分を保持することで栄養素の流出を防ぐ効果が期待できます。さらに、この吸着能は重金属や有害化学物質も吸着して固定化することができるため、土壌や水、大気を浄化する重要な用途としても考えられています。また、化学的性質としては、バイオ炭はアルカリ性であるため、pH調整能力があり、酸性土壌の改質に役立つとされています。

逆に、不利な点としては生産コストがあげられます。バイオ炭の生成過程では高温の熱分解プロセスを必要とするため、エネルギーが必須です。小規模生産ではエネルギー効率も悪くなってしまうことが懸念されています。しかし、規模を大きくすると専用炉が必要となるため、初期投資が高額になってしまうというジレンマがあります。この不利を解消しようとするこころみとして、エネルギー用途のバイオマス利用と複合させることで、発電やバイオ燃料を生成しつつ、その過程でバイオ炭を作成するプロセスの開発も進められています。

次に、バイオマスの中でも炭素固定に有用と考えられるバイオ炭に焦点を当てて、アスタミューゼ独自のデータベースを活用し、バイオ炭の開発動向を見ていきます。

バイオ炭に関する研究予算の動向

科研費などの競争的研究資金は「グラント」と呼ばれ、研究者が新たなアプローチや研究をおこなうために必須の資金です。また、資金源である国や企業が、これから必要とされる技術を選定している場でもあるといえます。アスタミューゼでは、グラントに採用された案件の研究概要にふくまれるキーワードの出現数の年次推移を算出することで、近年伸びている技術要素を特定する「未来推定」という分析をおこない、萌芽的な分野の予測をしています。キーワードの変遷をたどることで、すでにブームが去っている技術や、これから脚光をあびると推測される要素技術を可視化することができ、今後発展する技術や黎明・萌芽・成長・実装といった技術ステータスの予測が可能となります。

バイオ炭に関するグラントにおけるキーワード分析

図1に2012年から2023年まで12年間において、バイオ炭に関わるグラントに採用された研究の概要にふくまれている特徴的なキーワードの年次推移をしめします。

図1：バイオ炭に関わるグラントに採用された研究の概要にふくまれる特徴的なキーワードの年次推移

図中の「growth」（成長率）は、全期間の文献内における出現回数に対する、後半6年間の文献での出現回数の割合をあらわします。数値が1に近いほど、直近に多く出現しているとみなせます。

競争的資金を受けるバイオ炭の研究には、「bagasse」（サトウキビのしぼりかす）や「algal」（藻類）、「husks」（もみがら）といった原料が選ばれていることがわかります。さらに、2018年以降には「bentonite」（高い膨潤性と吸着性を持つ鉱物）や「hydrochar」といった、バイオ炭と同時に利用することで相乗効果を生みだす材料や、低温でマイルドな生成過程を研究していることをしめす語が成長率上位に見られます。つまり、バイオ炭を効率的かつ効果的に利用するための基礎的な開発が必要とされていることがしめされています。また、「footprint」や「credit」、「lca」（ライフサイクルアセスメント）といったCO2削減に関する語が見られ、カーボンニュートラルに対するバイオ炭のCO2固定能への期待がうかがえます。さらに「sub-Saharan」からは、サハラ砂漠以南の土地においてバイオ炭が有用であることが継続的に述べられていることがしめされています。

バイオ炭に関するグラントの国別分析

図2は、2012年から2023年までのバイオ炭に関連するグラント（研究競争資金）の採択件数における上位5か国の動向をしめしています。ただし、中国はグラントデータを非公開としており、実態を反映していない可能性が高いため除外しています。また、公開直後のグラント情報には、データベースに格納されていないものもあるため、直近の集計値については過小評価されている可能性があります。

図3は、グラント配布額の国別年次推移をしめしています。配賦金額はプロジェクト期間で均等にわりふり、各年度に配分して値を集計しています。たとえば、3年計画で3万米ドルのプロジェクトの場合、各年に1万米ドルを計上しています。

件数に関しては突出した国はありませんでしたが、配賦額ではEUがとびぬけて多く、他国と大きく差をつけています。この背景には、EUでいち早く政権主導の国家プロジェクトがたちあがったことがあります。EUでは、2019年末に発表された欧州グリーンディールにもとづき、「2050年までに排出ゼロを達成する世界初の大陸になる」ことを目標に、さまざまなEU圏内のプロジェクトがたちあげられています（注6, 7）。

注6：https://www.jetro.go.jp/biznews/2022/12/c32b97e28cf745f7.html

注7：https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_19_6691

政権主導ということもあり、2020年以降、毎年10億ドルをこえる資金が投じられている計算となります。プロジェクトの起案は2023年以降も継続されており、EU各国での研究はさらに活性化すると考えられます。

以下は配賦額の高いグラントの事例です。

Demonstration of circular biofertilisers and implementation of optimized fertiliser strategies and value chains in rural communities

https://cordis.europa.eu/project/id/101000527

研究機関/企業：University of Leuven（ベルギー）他

グラント名/国：CORDIS/EU

研究期間：2021~2024年

配賦額：約824万米ドル

概要：地域の固形廃棄物の中でもっとも回収率の低い食品廃棄物を肥料化することが目的。これにより、埋め立て地で廃棄物が分解されてメタンを発生させることを防ぎ、資源回収もめざす。5つある変換プロセスのうちの1つに、バイオ炭生成が挙げられている

agriculTurE wAste PyrOlysis and Thermocomposting for renewable energy in Sustainable agri-food sector (TEAPOTS)

https://www.teapots-project.eu/

研究機関/企業：ETHNIKO CENTRO EREVNAS KAI TECHNOLOGIKIS ANAPTYXIS, The Centre for Research and Technology-Hellas (CERTH) （ギリシャ）他

グラント名/国：CORDIS/EU

研究期間：2024~2027年

配賦額：約760万米ドル

概要：処理のむずかしい農業廃棄物を熱分解と熱堆肥化によってバイオ炭と堆肥を生成し、農家の地域特性に応じた解決策を講じるコンソーシアム。ヨーロッパ7か国から16のパートナーが参加している

Turning food waste into sustainable soil improvers for better soil health and improved food systems

https://waste4soil.eu/

研究機関/企業：National association of food industries（フランス）他

グラント名/国：CORDIS/EU

研究期間：2023~2027年

配賦額：約757万米ドル

概要：食品廃棄物を持続可能な土壌改良剤に変え、土壌の健全性と食料システムの改善をはかることを目的としている。コンソーシアムには、EU9か国から27のパートナーが参加

Biochar Demonstrator Addressing Key Deployment Barriers for Carbon Sequestration

https://gtr.ukri.org/projects?ref=BB%2FV011596%2F1

研究機関/企業：University of Nottingham（英国）他

グラント名/国：UKRI/英国研究期間：2021~2025年

配賦額：約604万米ドル

概要：バイオ炭を生産するための原料がかぎられており、英国では大規模な生産工場が稼働していない。その実情にかんがみ、2050年GGR目標の達成にむけて、バイオ炭をキー化合物とさだめ、その実用可否を判断するための研究開発や実証実験をおこなう。また、英国におけるバイオ炭の安定性と温室効果ガスの土壌排出への影響に関する初の包括的評価を提供することも目的としている

バイオ炭に関するスタートアップ企業の動向

※スタートアップ企業の動向分析と、全体のまとめについては以下、弊社サイトでご確認ください

https://www.astamuse.co.jp/report/2024/241003-biomass/

著者：アスタミューゼ株式会社髙橋基延　修士(理学)

さらなる分析は……

アスタミューゼでは「バイオマス」に関する技術に限らず、様々な先端技術/先進領域における分析を日々おこない、さまざまな企業や投資家にご提供しております。

本レポートでは分析結果の一部を公表しました。分析にもちいるデータソースとしては、最新の政府動向から先端的な研究動向を掴むための各国の研究開発グラントデータをはじめ、最新のビジネスモデルを把握するためのスタートアップ/ベンチャーデータ、そういった最新トレンドを裏付けるための特許/論文データなどがあります。

それら分析結果にもとづき、さまざまな時間軸とプレイヤーの視点から俯瞰的・複合的に組合せて深掘った分析をすることで、R&D戦略、M&A戦略、事業戦略を構築するために必要な、精度の高い中長期の将来予測や、それが自社にもたらす機会と脅威をバックキャストで把握する事が可能です。

また、各領域/テーマ単位で、技術単位や課題/価値単位の分析だけではなく、企業レベルでのプレイヤー分析、さらに具体的かつ現場で活用しやすいアウトプットとしてイノベータとしてのキーパーソン/Key Opinion Leader（KOL）をグローバルで分析・探索することも可能です。ご興味、関心を持っていただいたかたは、お問い合わせ下さい。

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