新潟県における“バイオガス発電”の取組 ～産官学連携による小型消化ガス発電機の開発～

矢田部 桂

新潟県土木部都市局下水道課（〒950-8570 住所：新潟市中央区新光町4-1）

下水汚泥の処理過程で発生するバイオガスの利活用を図るため、新潟県では、産官学が連携

し市販のディーゼル発電機をベースとした小型・低コストなガスエンジン発電システムの開発

に取り組んでいる。本稿では開発に至る経緯及び成果、現在のバイオガス発電導入状況につい

て紹介する。

キーワード バイオガス，小型バイオガス発電

１ 新潟県の下水道概要

本県の下水道は、新潟市が昭和 27 年に管きょと処理

場（船見処理場）の整備を開始したのが始まりである。

この船見処理場は昭和39年に処理を開始した。

現在、本県には 30 市町村が存在するが、このうち 28

市町村で下水道整備を行っており、全ての市町村が供用

開始している。なお、残りの2村は農業・漁業集落排水

や合併浄化槽のみで汚水処理している。

この 28 市町村の下水道の管理状況であるが、全部で

87 処理場が存在し、その内訳は、流域下水道が 7 処理

場、公共下水道が80処理場である。

下水道整備開始が遅かったということもあり、本県の

下水道処理人口普及率は 84.7％（全国 88.9％）、下水

道処理人口普及率は 71.5％（同 77％）であり、全国平

均よりも低く、都道府県のなかでは中位程度である。

（平成25年度末）

２ 流域下水道におけるバイオガス発生状況

本県の処理場で汚泥の消化を行っているのは、流域下

水道の全ての処理場と公共下水道の7処理場である。

平成 25 年度に流域下水道 7 処理場で発生した消化ガ

スは年間約 729万Ｎ㎥であった。このうち汚泥消化タン

クを加温するための燃料や汚泥乾燥設備の燃料として有

効活用するのは 412万Ｎ㎥であり、残りの 317万Ｎ㎥は

焼却処分されていた。処理過程で大量のエネルギーを利

用している下水処理場において、未利用資源であるバイ

オガスを有効活用できるガス発電は維持管理費の低減に

必要不可欠な技術である。

従来は、大規模処理施設へのガスエンジン、ガスター

ビン発電機の導入事例はあるものの、機器が大型である

ことや、メンテナンスコストが高いことから、中小規模

の施設では採算性が合わずバイオガス発電機の導入が伸

び悩んでいたため、小型発電機の開発と普及が課題であ

った。

３ 小型バイオガス発電機の開発

平成 17 年～20 年度に独立行政法人土木研究所らによ

って実施された研究を基に、平成 21 年度から新潟県土

木部都市局下水道課と国立大学法人長岡技術科学大学と

が連携し、実証実験を通して中小規模の下水処理場でも

導入可能な小型バイオガス発電機の開発に取り組んだ。

○堀之内浄化センターにおける実証実験概要

新潟県魚野川流域下水道堀之内浄化センターにて実施

した実験設備フローを図-1に示す。

実証実験設備は、既設ガスタンク設備配管から分岐

し、昇圧せずに発電設備に消化ガスを導入、活性炭吸着

方式によるシロキサン※除去装置にてシロキサンを

図-1 実験設備フロー

1ppm 以下に除去した後、発電機へ供給している。実験

当初の設置台数は１台で、25kW クラスの発電機を同期

投入方式により浄化センターの機械動力 400V 系へ系統

連系している。また、発電機廃熱回収は温水として取り

出す方法を採用し、取り出した温水は実証実験設備内で

温水を循環させ、夏場はラジエータで放熱を、冬場は融

雪に利用した。ここで使用した発電機の構成図を図-2

に記す。

※シロキサン：ケイ素の化合物であり、下水汚泥消化ガ

ス中にはシャンプーや化粧品を由来とする微量のシロキ

サンが混入している。これがガスエンジン内部に混入し

た場合、燃焼により結晶化（酸化ケイ素）しエンジン内

部に蓄積することでトラブルを引き起こす。

図-2バイオガス発電機の構成

写真-1 堀之内浄化センター実証実験風景

○平成21年度の結果（堀之内浄化センター）

・バイオガスエンジン発電機を放電装置及び 2.2㎾程度

の負荷と接続し、基礎データの収集

・バイオガス用バッファタンクを設置し合計最大 25 ㎾

を目標とした長期発電実験

→23.85㎾の各接続負荷機器を120時間連続で安定運転

→シロキサン除去装置（写真-2)が持続的な除去が可能

であることを確認

写真-2シロキサン除去装置

○平成22年度の結果（堀之内浄化センター）

・小型ガスエンジン発電機の最大発電能力・始動性能等

の確認

・シロキサン除去装置のデータ収集及び排気ガス分析

→新規開発機が25㎾の発電出力を達成

→1,000時間の系統連携連続運転を達成

○平成23年度の結果（堀之内浄化センター）

・年間を通した連続運転によるメンテナンス項目の検証

・エンジン廃熱を温水として取り出す熱回収システムの

構築

→稼働率99.88％、平均出力24.12㎾、熱回収量 36.1㎾

を達成

○平成24年度の結果（堀之内浄化センター）

・出力 25 ㎾の発電機を 1 台追加しガス量に応じた台数

制御及び運転時間平準化制御運転

→25 ㎾発電機 2 台による台数制御、不具合発生状況等

の確認

○新津浄化センターにおける実証実験概要

堀之内浄化センターで得られた結果を基に、平成 24

年度からは信濃川下流流域下水道新津浄化センターにお

いて、出力（kW）あたりのコスト削減と、省スペース化

を実現するため、新たに開発した 50kW クラスのバイオ

ガス発電機について、実バイオガスを燃料として連続運

転をした際の耐久性、発電量の安定性の確認と遠方監視

システム構築のための実証試験を行った。

写真-3新津浄化センター実証実験風景

○平成24年度の結果（新津浄化センター）

・新規開発の出力 50 ㎾クラスの発電機の連続運転時の

耐久性及び安定性の確認

→50 ㎾発電機で総運転時間 5,052 時間、発電効率

34.5％、熱回収率49.1％、総合効率83.6％を達成

○平成25年度の結果（新津浄化センター）

・平成24年度に引き続き耐久性及び安定性の確認

→総運転時間 17,577 時間 稼働率 95％、発電効率

35.0％、熱回収率48.6％、総合効率83.6％を達成

・遠方監視システム構築のための実証実験

→発電機の電力等の情報を市販の監視システムを用いて

監視可能なことを実証

○実証実験の成果

前述の２処理場での実証実験から、25 ㎾クラス及び

50 ㎾クラスの発電機諸元を確定することができたの

で、図-3及び表-1に記す。

図-3 バイオガス発電システムフロー

表-1バイオガス発電機諸元

出力<連系> kW 25 30 50 60

周波数 Hz 50 60 50 60

電圧 V 200/400 220/440 200/400 220/440

相数

メタン濃度 ％

ガス消費量 Ｎ㎥/h 13.1 16.1 26.2 32.2

供給圧力 kPa

形式

気筒数

排気量 L

回転数 rpm 1500 1800 1500 1800

形式

極数

励磁方式

絶縁種別

冷却方式

発電効率 ％ 35 34 35 34

回収熱量 kW 32 40 67 85

熱供給能力 L/min 100(約5度差） 120(約5度差） 200(約5度差） 240(約5度差）

熱回収効率 ％ 45 46 46 47

総合効率 ％ 80 80 81 81

耐熱クラス　Ｆ種

自由通風形

4

4.329

25㎾級

性能

発電機

エンジン

燃料ガス ガス成分

ブラシレス方式（自動電圧調整器付き）

出力

型式 50㎾級

4サイクル水冷直列縦型

回転磁界形同機発電機

4

6

7.961

3相

55～65

2.0～3.0

硫化水素　10ppm以下

シロキサン　0.02ppm以下

４ 流域下水道への本格導入

前述の実証実験を通して、小型ガスエンジン発電機を

利用した消化ガス発電の事業化に目処がたったため、既

にバイオガスを全量有効活用している長岡浄化センター

を除く全ての流域下水道の処理場において本格導入する

方針とした。

導入に当たっては、発電で得た電力を全量場内利用

することで維持管理費を削減するため、適切な規模と

なるよう留意し、一般競争入札にて調達することとし

た。

まず初めに実証実験を開始した堀之内浄化センターに

おいて導入することとし、平成 23 年度に設計、平成 24

～25年度で整備工事を行い、平成26年2月14日に供用

開始した。

続いてバイオガス発生量が多く、ほぼ概成した処理区

である新潟及び新津浄化センターにおいて、平成 24 年

度に設計、平成 25～26 年度で整備工事を行い、平成 26

年度末に供用開始している。

今後流入量の増加が見込まれている新井郷川浄化セン

ターにおいては、段階的に整備することとし、平成 25

年度に設計、平成 26～27 年度で第一期となる整備工事

とし、現在整備中である。

平成 25 年度の消化槽運転開始から間もない西川浄化

センターと、流域の中では小規模となる六日町浄化セン

ターでは、それぞれ平成 26年度に設計、平成27～28年

度で整備予定である。

将来的には汚泥乾燥用にバイオガスを利用している新

潟処理場と長岡処理場を除き、処理場で消費する全電力

の４割近くがバイオガス発電で賄われることとなる（表

-2）。流域下水道の各処理場における整備状況を図-4

に示す。

表-2バイオガス発電機導入予定

処理場 発電機出力平均

使用電力（平成25年度）

発電機出力/平均使用電力

堀之内浄化センター 25㎾×2基 111kWh/h 45%

新津浄化センター 50㎾×4基 439kWh/h 46%

新潟浄化センター 50㎾×4基 984kWh/h 20%

新井郷川浄化センター 50㎾×5基 461kWh/h 54%

六日町浄化センター 合計50㎾以上 125kWh/h 40%以上

西川浄化センター 合計100㎾以上 298kWh/h 34%以上

六日町及び西川浄化センターは予定

新津浄化センター

50㎾×4基

堀之内浄化センター

25㎾×2基

新潟浄化センター

50㎾×4基

新井郷川浄化センター

50㎾×5基(建設中)

六日町浄化センター

H27～28整備予定

西川浄化センター

H27～28整備予定

図-4 整備状況

○堀之内浄化センターの稼働実績

堀之内浄化センターでの運転実績を表-3 に記す。当

初の想定どおり処理場内の4割の電力を賄えるものとな

っている。傾向として夏場の外気温上昇に伴う燃費の低

下が見られたものの、安定した発電により維持管理費の

低減に貢献している。

また、運転開始に伴う機器の初期不良を表-4 に示す

が、いずれも周辺機器の不具合であり主機の不具合は発

生していない。現在は再発防止対策及び最適化が行われ

ており、運転を継続しているところである。

表-4 初期不良一覧 発生日 設　備　名 故　障　状　況 原　　　因 処　　　置

H26.4.24 №1消化ガス発電機 熱交換部オイル漏れ ホースの緩み ホースバンド増し締め

H26.5.2 №2消化ガス発電機 熱交換部漏水 配管継ぎ手ホースの緩み ホースバンド増し締め

H26.7.26 №1消化ガス発電機 緊急停止 ガス圧低下を検知 燃焼比の設定変更

H26.8.8 №2消化ガス発電機 回転検出器異音 軸受けの劣化

H26.10.6 №1消化ガス発電機 出力変動 O₂センサー誤動作 センサー清掃復帰

H26.12.8 №1消化ガス発電機 停止後立ち上がらず 起動用バッテリー劣化等

H26.12.17

H27.3.20 №1消化ガス発電機 排気部異音 ドレン配管の外れ 配管再接続工事

バッテリー、オルタネーター交換調整

回転検出器ベアリングユニット交換

５ Made in 新潟への登録

新潟県では、県内の企業が開発した新技術の活用・普

及を促進することで新潟県内の建設関連産業の活性化に

資することを目的として「Made in 新潟 新技術普及・

活用制度」を平成18年度から運用している。

平成 26 年度末現在の登録技術は 176 技術、活用件数

約 35,000 件、売上約 640 億円であり、最近は県外売上

が県内売上を大きく上回っており、本県発祥の技術が全

国で活躍している。

今回開発した「小型消化ガス発電システム」は、市販

のパッケージ型ディーゼルエンジン発電機をベースに改

良し、下水汚泥の処理過程で発生する消化ガスや生ゴミ

メタン発酵施設からのバイオガスを燃料とした小型・低

価格・低メンテナンスコストが評価され、平成 23 年 9

月12日にMade in 新潟に登録されている。

これも一因となり活用・普及が順調に進み、平成 26

年度の実績では、全登録技術中、本技術を採用した売上

額が第２位、対前年度比の伸び率が第１位となった。

図-5 Made in 新潟ロゴマーク

６ 今後の課題及び展望

今回の取組により、堀之内処理場で 25 ㎾クラス、新

津処理場で 50 ㎾クラスの小型バイオガス発電設備の信

頼性の確認ができた。 今後は計画的にバイオガス発電設備を導入するととも

に、効率的な運転・メンテナンスの実施により、更なる

維持管理費の低減に取り組む必要がある。 また、今回の開発により市場における小型バイオガス

発電のラインナップが充実・活性化し、処理場の規模に

合った効率的な設備投資の選択肢が広がった。結果とし

て未利用資源であるバイオガスの利活用が図られること

になり、これは下水道事業のみならず畜産・生ゴミ・食

品残渣などといったバイオガス関連事業への貢献が期待

される。

謝辞

下水道事業に係る未利用資源の活用及びより一層の経

営効率化を目指し、小型バイオガス発電について産官学

で連携し取り組むことで、本稿の成果に至りました。国

立大学法人長岡技術科学大学の姫野准教授、開発企業な

らびに処理場の運転管理をする（公財）新潟県下水道公

社等、関係各位の多大なるご協力を頂きましたことを御

礼申し上げます。

参考文献 1)(社)日本下水道協会：日本下水道史、1988年5月

2)新潟市都市整備部下水道部：新潟下水道物語2002年9

月

3)(公財)新潟県下水道公社、新潟県流域下水道維持管理

年報（平成25年度）2014年7月

4)(独)土木研究所、ライト工業(株)、(株)井上政商店：

消化ガスエンジン動力システムの開発に関する共同研究

報告書、2009年3月

5)(株)大原鉄工所：バイオガス発電機技術説明書

表-3 運転実績 H26年４月 ５月 ６月 ７月 ８月 ９月 １０月 １１月 １２月 １月 ２月 ３月 合　計

消費電力量 (kWh) 81,667 84,617 84,940 90,654 91,439 80,318 80,658 80,397 94,697 94,148 82,259 88576 1,034,370

うち消化ガス発電量 (kWh) 36,357 37,827 36,700 36,854 36,919 36,838 37,488 37,947 37,457 39,448 35,179 39,396 448,410

自給率 45% 45% 43% 41% 40% 46% 46% 47% 40% 42% 43% 44% 43%

発電ガス量 (N㎥) 18,326 19,494 19,053 19,432 19,542 19,507 19,380 19,183 19,088 20,158 18,029 20,154 231,346

燃費 (kWh/N㎥) 1.984 1.940 1.926 1.897 1.889 1.888 1.934 1.978 1.962 1.957 1.951 1.955 1.938

堀之内浄化センター