バイオ燃料の製造方法・コスト構造・CI比較

世界的な脱炭素の潮流の中で、バイオ燃料は多様な製造方法と環境性能を持つ重要な選択肢となっている。本稿では、各バイオ燃料技術の経済性・コスト構造・カーボンインパクトを比較し、投資判断に資するインサイトを提示する。

エグゼクティブサマリー

・バイオ燃料製造技術は、世代ごとに経済性・持続可能性・技術的課題が異なる。
・第一世代は低コストだが持続可能性に制約があり、第二・第三世代は環境優位性が高い反面、高コスト構造である。合成燃料は再エネ時代の有望株だが、電力価格と技術成熟度が左右する。
・コスト構造は、世代が進むほど原料費依存が下がり、設備と技術プロセスへの負担が増加。特に藻類・セルロース系では技術革新によるコスト低減の余地が大きく、副産物の収益化がカギとなる。
・バイオガス燃料は、原料次第でマイナスCIが可能で、カーボンクレジット獲得が視野に入る。
・安価かつ持続可能な原料の確保と、技術効率化の推進が、投資リターンの源泉となる。

1. バイオ燃料主要製造方法（世代分類）

第一世代バイオ燃料: 食用作物由来の糖質・デンプンや植物油を原料とする。典型例はトウモロコシや小麦などデンプン作物やサトウキビなど糖質作物を発酵してエタノールを製造する方法、および大豆油・パーム油など植物油をメタノールとエステル交換して脂肪酸メチルエステル（FAME）型のバイオディーゼルを製造する方法である。エタノール発酵には酵母（サッカロマイセス属など）を用い、バイオディーゼルは化学的に触媒を使って製造される。第一世代技術は比較的単純で確立されたプロセスだが、食料との競合（いわゆる「食糧か燃料か」問題）や土地・水資源への負荷が課題とされる。

第二世代バイオ燃料: 非可食バイオマス（リグノセルロース）や廃棄物を原料とする先進的な製造法である。典型例として、農業残渣や林地残渣などの木質バイオマスを前処理・酵素糖化し発酵してエタノールを製造するセルロース系エタノール、バイオマスを高温ガス化して合成ガス経由で液体燃料（フィッシャー・トロプシュ法による合成油）を得るBiomass-to-Liquid(BTL)、使用済み食用油や獣脂を水素添加処理して再生可能ディーゼル燃料（HVO: 水素化植物油）を製造するプロセスなどが含まれる。第二世代では食料と競合せず、廃棄物の有効利用（循環経済）につながる利点がある一方、原料が複雑で前処理工程の追加など技術的難易度が高く、プロセスが長大・高コストになる傾向がある。例えばセルロース系原料ではリグニンなど発酵阻害物質の除去が必要で、糖化酵素の開発も課題である。なお、廃食用油由来のバイオディーゼルやHVOも広義の第二世代に分類され、欧州では商業生産が進んでいる（例：廃油由来のFAMEやHVOの大量生産）。

第三世代バイオ燃料: 微細藻類（アルgae）やシアノバクテリアなど高速増殖する水生生物を原料とするバイオ燃料である。これらは光合成によって体内に炭素資源（脂質や炭水化物）を蓄積させ、それを抽出・変換して燃料化する。典型例として、油脂含有量の高い藻類を大量培養し、得られたバイオマスから抽出した油をエステル交換や水素化精製してバイオディーゼルやバイオジェット燃料に加工するプロセスが挙げられる。またシアノバクテリア等を利用し、発酵によりエタノール等の液体燃料を直接生成させる試みも行われている。藻類は陸上作物より2～4倍高い光合成効率を持ち、非農業地や海水・産業排水でも育成可能で、成長のために工業排出のCO2を直接利用できるため、潜在的には炭素負荷が極めて低い燃料生産が可能とされる。一方で、大規模培養には水や養分供給、収穫・濃縮・油分抽出など下流工程に膨大なエネルギーとコストを要し、現状では商業用途の大部分が食品・飼料など付加価値製品で、燃料用途はごく限られている。

合成燃料（パワー・トゥ・リキッド等）: 再生可能エネルギー由来の電力を用いて水とCO2から合成する液体燃料で、近年「e燃料」や「電気燃料」とも呼ばれる。典型的には、水の電気分解でグリーン水素を製造し、大気中や排出源から回収したCO2と反応させて炭化水素を合成するプロセスである。フィッシャー・トロプシュ合成やメタノール合成などの化学反応で合成原油もしくはアルコールを生成し、そこからガソリン相当の炭化水素やジェット燃料（eケロシン）を製造する。この方法で得られる燃料は生物資源由来ではないが化学的には従来の化石燃料と同等であり、既存のパイプラインや燃料インフラをそのまま利用できる利点がある。CO2を原料として再度燃料に閉じ込めることで炭素を循環利用する発想であり、理論上は原料のCO2を燃焼時に再放出しても大気中CO2濃度を増やさないカーボンニュートラル燃料になり得る。現在は航空燃料向けのPtL実証プラント等が欧州を中心に建設され始めている。

2. 製造コストのグローバル比較（内訳と差異）

■ バイオ燃料製造コスト比較表（グローバル平均）

製造方法	原料費 (%)	前処理・変換費 (%)	設備償却費 (%)	流通・その他 (%)	主なコスト特徴
第一世代（トウモロコシ/サトウキビエタノール）	60%	15%	15%	10%	原料費が支配的。DDGSによる副収益あり
第一世代（植物油バイオディーゼル）	80%	10%	5%	5%	植物油の高コストが支配的
第二世代（セルロース系エタノール）	30%	40%	25%	5%	設備と酵素の費用が高い
第二世代（廃油→HVO）	66%	15%	10%	9%	原料費が依然高く、副産物は少ない
第三世代（藻類バイオディーゼル）	10%	40%	40%	10%	培養・抽出など下流工程が高コスト
合成燃料（Power-to-Liquid）	0% （※ソースによる）	25%	50%	25%	電力と設備コストが大半。電気価格に依存

バイオ燃料各種の製造コストを構成する主な要素は、一般に原料費、前処理・変換プロセス費用（酵素や触媒、反応器運転コストなど）、設備資本費の償却、副産物クレジット、流通費などに分類できる。それぞれの技術でコスト構造に大きな違いが見られ、特に原料費とプロセス設備費の比率に世代間の差異が大きい。以下に主要な製法ごとのコスト内訳の特徴を比較する。

第一世代（トウモロコシ・サトウキビエタノール、植物油バイオディーゼル）: 原料そのものの市場価格が高いため原料費の占める割合が非常に大きくなる。例えば米国のトウモロコシエタノールでは、トウモロコシ原料費が製造コスト中最大の要因であり、成熟産業では総コストの約50～60%以上を占める。ブラジルのサトウキビエタノールも原料サトウキビ費用が主要因だが、副産物のバガス（搾りかす）を燃料に用いて工場内エネルギーを賄える点で効率が良く、ガソリンと競合できるほど低コストで生産されている唯一の例とされる。一方、食用油を原料とするバイオディーゼル（FAME）でも原料油脂がコストの大半を占め、場合によっては総コストの80%以上に達し得る。これら第一世代燃料は装置産業化が進み単位生産あたりの人件費やエネルギー費は低減しているが、トウモロコシ等の穀物価格や植物油市況の変動に直接コストが左右される。副産物（例：エタノール製造時に出る蒸留粕であるDDGS）は飼料等として販売でき、その収益が一部コストを相殺する。それでもなお、多くの地域では化石燃料より高コストで、政策的な補助金やバイオ燃料混合義務による支援が収益確保に不可欠と考えられている。総じて第一世代では原料コストが支配的であり、安価な原料供給がある地域（例えばブラジル）では経済性が高いが、そうでない地域では商業的には挑戦的である。
第二世代（セルロース系エタノール、BTL、廃油HVO等）: 原料は比較的安価または負価値（処理に費用がかかる廃棄物）のものを利用できるが、代わりに前処理工程や変換プロセスに係るコスト、および設備の資本費の割合が大きい。例えばセルロース系エタノールでは、非可食バイオマス自体の調達費は低い一方で、前処理（物理・化学的に原料を分解する工程）や酵素の投入コストが従来以上に嵩み、設備償却費も大きくなることから、現在の技術水準では同じエタノールでもトウモロコシ由来より製造コストが「かなり高い」と報告されている。NRELの試算によれば、成熟技術を仮定してもトウモロコシエタノールでは原料費が最大のコスト要因であるのに対し、リグノセルロース原料エタノールでは設備の減価償却費が最大のコスト要因になるとされる。実際の商業初期プラントの分析でも、セルロースエタノールの総コストに占める原料調達費の比率は最大40%程度に達し（地域による差が大きい）、残りは前処理技術や酵素、生産規模などによって決定されると指摘されている。また、廃食用油や動物脂肪を水素化精製するHVOでは、原料が廃油とはいえ国際的に売買される脂肪酸源であるため原料費比率が高く、ある分析では総コストの約2/3が原料費に由来するという結果もある。一方、プロセス自体は石油精製と類似の連続工程であり、規模拡大によるコスト低減（スケールメリット）が期待できる。総じて第二世代では原料費依存度を下げられるものの、その代償として技術的複雑さと設備費が増し、現状では製品コストは第一世代より高い。しかし将来的な技術学習や効率化により、25～50%程度のコスト低減余地があるとの分析もあり、各国で実証と商業化が進められている状況である。
第三世代（藻類由来バイオ燃料）: 原料となるCO2や日光自体にはコストがかからないが、培養設備の建設・維持費、培養に必要な栄養塩やCO2供給、収穫・濃縮・抽出など下流工程のコストが非常に大きい。開放型の大規模培養池でも、用地造成や混合作業、収穫処理に多額の資本・運転経費がかかり、閉鎖型のフォトバイオリアクターではさらに設備費が巨額となる。その結果、藻類バイオ燃料の現在の生産コストは石油由来燃料の数倍から一桁以上高く、ある試算では従来のエタノール等の4倍以上ものコスト高になるとも報告されている。米国での検討では、藻類からバイオディーゼルを製造するコストはガロンあたり10ドル超（リッターあたり約3ドル）に達し得るとの推計もある。これほど高コストな要因は、収率向上のための培養技術開発不足や収穫・抽出のエネルギー多消費によるものとされ、実用化にはさらなる技術革新と大規模化によるコストダウンが必要である。藻類燃料は長期的には有望とされるものの、現状では実証段階であり、大半のプロジェクトは燃料以外の高付加価値製品（健康食品や化粧品原料など）と組み合わせた収益モデルで経済性を模索している。
合成燃料（Power-to-Liquid等）: 主なコスト要素は電力と水素製造であり、製品燃料1MJあたりに必要な再生可能電力量とその単価がコストを大きく左右する。一般に、PtL経由で液体燃料を1MJ生産するには数倍の電気エネルギーが必要であるため、電力価格が高い現状では製品コストは化石燃料の数倍に達してしまう。例えば欧州のe-ケロシン（航空燃料）の試算では、2020年時点で1リットルあたり約2.8ユーロ（約12ドル/ガロン）のコストと見積もられており、2050年頃までに大量導入と技術進歩で1リットルあたり0.7～1.2ユーロ程度（化石燃料並み）まで低下し得るとの予測もある。コスト内訳を見ると、グリーン水素製造（電解装置の設備償却と電力代）が過半を占め、次いでCO2回収・圧縮のコスト、合成反応設備の償却費などが続く構造である。現在のPtL燃料は**「高コストかつ生産規模が小さい」**状況だが、再エネ電力価格の低下や電解装置の安価大量供給によって今後コスト競争力が大きく向上すると期待されている。既存インフラを活用できる利点から、将来的には航空・海運分野を中心に需要拡大とコスト低減の好循環が生まれる可能性がある。

3. バイオガス由来燃料の炭素強度（CI）比較

バイオガス（メタンガス）を原料とする燃料製造経路では、原料となる有機廃棄物の種類によって**炭素強度（Carbon Intensity, CI）**が大きく異なる。炭素強度はライフサイクル全体（Well-to-Wake、燃料の生成から最終利用まで）で排出される温室効果ガスを燃料のエネルギー量あたりで評価したものであり、IMO（国際海事機関）の温室ガス戦略でも用いられる指標である。バイオガス原料の場合、特に原料由来のメタン放出を削減できるか否かがCI値を大きく左右する。以下に代表的な原料ごとのCI値（単位: gCO2eq/MJ）を比較する。

家畜ふん尿由来 (嫌気性消化ガス): -271 gCO2e/MJ – 畜産廃棄物から発生するメタンを回収利用することで、大気中へのメタン放出（温室効果）が大幅に削減されるため、ライフサイクルで見れば化石燃料に対し100%以上のGHG削減効果（ネットで温室ガス除去）が得られる。実際、肥育牛の糞尿スラリーを原料に生成したバイオ燃料は、従来の重油に比べ**163%**ものGHG削減率（つまりネットマイナス排出）を達成したとの報告もある。
食品廃棄物・生ごみ由来 (単独メタン発酵): -11 gCO2e/MJ – 生ごみを埋立処分した場合に発生するメタンの一部を削減できるため、わずかながらライフサイクル排出をマイナスにできるケースがある。ただし、生ごみは回収や発酵プロセスにエネルギー投入が必要なこと、埋立時にも一定のガス回収措置がとられる場合があることから、削減効果（マイナス幅）は限定的である。
下水汚泥由来 (廃水処理場消化ガス): 30 gCO2e/MJ – 下水汚泥を消化して得られるバイオガスを燃料化した場合、ライフサイクル排出は化石天然ガスより低減するものの、他の廃棄物原料と比べるとクレジットは小さい。下水汚泥は元々下水処理過程でメタン発酵が行われガス回収・燃焼処理されている場合が多く、追加的に回収利用しても削減効果は限定的であるためである。それでも、化石燃料由来の船舶燃料油（LSFO）のCI（約96 gCO2/MJ）と比べれば約70%の削減に相当し、IMOの基準でも大幅なGHG削減燃料とみなされる。
（参考）埋立地ガス由来 (ランドフィルガス回収): 46 gCO2e/MJ – ごみ埋立地から発生するランドフィルガスを回収・利用した場合のCI値はプラスとなり、化石燃料より低排出だが大きなマイナスにはならない。これは埋立地ガスの大部分は既に燃焼処理（フレア）されてCO2に変換されているケースが多く、回収利用による追加的なメタン削減メリットが小さいためである。それでも船舶燃料として見れば約50%のGHG削減効果がありうる。実際、埋立ガスを原料にFT合成ディーゼルを製造し船舶で利用する経路でも、ライフサイクル排出は従来燃料比約40～50%減との報告がある。

以上のように、バイオガス由来燃料のCI値は原料によって大きく異なり、特に畜産由来廃棄物の利用は温室効果ガス削減インパクトが極めて大きい。一方、下水汚泥や埋立ガスなど既に管理された廃棄物では削減幅は限定的となる。

まとめ:

第一世代から第三世代、そして合成燃料に至る各種バイオ燃料技術は、それぞれが異なるコスト構造と技術特性を有しており、原料の調達難易度、経済性、環境性能のバランスにおいて一長一短が見られる。

第一世代（例：トウモロコシやサトウキビ由来のエタノール、植物油由来のバイオディーゼル）は、商業的に最も確立されており、原料費が製造コストの大部分を占める。特に植物油を原料とする製法では、原料費が全体の約80%に達するなど、原料市況に強く影響を受ける。一方で、副産物（例：蒸留粕や飼料）による収益補填が可能である。

第二世代（例：セルロース系バイオマスや廃油を活用した製法）は、非可食原料を用いることで持続可能性が高まるが、前処理や変換プロセスが複雑で、設備償却費の割合が大きい。セルロース系エタノールでは、酵素や反応工程の技術的負荷がコストの上昇要因となっている。

第三世代（例：藻類由来のバイオ燃料）は理論的に最も環境適合性が高く、非農地利用や高速成長の利点があるものの、培養・抽出プロセスにかかるコストが大きく、現在の技術水準では極めて高コストである。商業化にはさらなる技術革新が必要である。

合成燃料（Power-to-Liquid）は再生可能電力の大量導入時代を見据えた最も将来性のある技術であるが、現時点では電解による水素製造と合成設備の償却費がコストの大半を占めており、再エネ電力の価格次第で経済性が大きく左右される。

コスト構造を俯瞰すると、世代が進むにつれて原料費の割合は低下し、代わりにプロセス技術と設備にかかるコストが増加する傾向が明確である。特に第二・第三世代においては、今後の技術革新によるコスト低減の余地が大きく、副産物の活用や副収益モデルの設計も投資判断において重要となる。

さらに、バイオガス由来燃料については、家畜ふん尿や食品廃棄物といった原料の選択によってはライフサイクル炭素強度（CI値）をマイナスにすることも可能であり、IMOの温室効果ガス規制のもとで炭素クレジットを創出できる可能性を秘めている。これにより、単なる燃料供給源にとどまらず、GHG削減価値を通じた追加的収益の源泉としても期待される。