北米原産のエネルギー源となる草 ― 大平原の野原からバイオ精製所の入り口まで
収穫時期、冬季乾燥、ペレット工場やバイオエタノール施設向けのベール密度目標、そしてスイッチグラスのベール化が自社の事業にとって採算が合うかどうかを判断する物流経済性。
スイッチグラス：米国政府がこの作物の開発に30年を費やした理由
パニカム・ウィルガツム — スイッチグラス — は、北米中央部の背の高い草原に自生する暖地型 C4 多年生イネ科植物で、歴史的にはサスカチュワン州からテキサス州、大西洋岸からロッキー山脈の麓まで分布しています。米国エネルギー省と農務省は、この種をセルロース系エタノールの専用原料として最も力を入れて投資しており、1990 年代初頭から調整された育種プログラム、農学研究、サプライチェーンのパイロットプロジェクトが継続的に実施されています。その理由は農学的および経済的です。スイッチグラスは、トウモロコシや大豆の生産には不向きな土地で、1 ヘクタールあたり年間 8 ～ 20 トンの乾物量を生産し、一度定着すれば毎年植え替える必要がなく、干ばつ、貧弱な土壌、定期的な洪水に対して商業用列作物よりも耐性が高く、セルロース発酵プロセスによってエタノールに変換可能な 60 ～ 70% の炭水化物画分 (セルロースとヘミセルロース) を含んでいます。
米国のセルロース系エタノール産業は、2007年の予測よりも緩やかに発展しているが、専用バイオマス発電、石炭との混焼、欧州バイオマス市場への輸出向けペレット生産が、エタノール用に構築されたスイッチグラスのサプライチェーンインフラを吸収している。カンザス州、オクラホマ州、ネブラスカ州、ダコタ州（スイッチグラスの主要商業栽培地域）では、保全予備プログラム（CRP）の限界地でスイッチグラスを栽培する農家と地域のバイオマス購入者（ペレット工場、混焼発電所、地域暖房プラント）との間で確立された供給関係が、現在では数万ヘクタールの商業生産を支えている。スイッチグラスを効率的にベール化する方法、そしてベール品質仕様がエネルギーバリューチェーンに直接どのように結びつくかを理解することは、この作物を検討するあらゆる事業の出発点となる。バイオマスとサイレージ用途におけるラウンドベーラー仕様の違いの概要については、当社のガイドを参照のこと。 サイレージ用固定チャンバー式ベーラーと可変チャンバー式ベーラー 高密度バイオマスベール化に関連するチャンバー設計上の考慮事項について解説します。
スイッチグラスの栽培管理と収穫時期の決定
スイッチグラスが夏ではなく冬に収穫される理由
ススキと同様に、スイッチグラスも秋に自然な養分再転流を起こします。10月と11月に気温が10℃を下回ると、窒素、リン、カリウムが地上部のバイオマスから根系へと移動します。このプロセスは、定着した株が10年から15年にわたって生産的な寿命を全うし、株の持続性と収量の安定性を保つために不可欠です。この再転流が完了する前に収穫する、つまり9月か10月に緑色または部分的に枯れた株を刈り取ると、翌年の根の発達に必要な養分が失われ、連続するシーズンで収量が徐々に減少し、肥料の必要量が増加します。
霜が降りた後、枯れ始めの1月から3月上旬にかけての収穫は、スイッチグラスにとって農学的に適切な時期です。この時期までに、作物はほとんどの葉を落とし（葉のバイオマスは、夏の生育期の55～65%に対し、総乾燥物質量で30～40%に減少）、水分含有量は生育ピーク時の65～75%から自然乾燥により12～20%に低下し、窒素含有量は夏の1.2～1.8% DMから冬に収穫された材料では0.4～0.8% DMに低下します。窒素含有量が低いということは、燃焼時のNOₓ排出量が低いことを意味し、大気汚染防止許可条件の下で操業する発電所の購入者にとって品質上の利点となります。
| 収穫時期 | 水分 | Nコンテンツ（DM） | アッシュ（DM） | ベストアプリ |
|---|---|---|---|---|
| 夏（7月～8月） | 65–75% | 1.2–1.8% | 5–8% | バイオマスには適していません |
| 霜が降りた後（11月～12月） | 25–40% | 0.8–1.2% | 4–6% | ぎりぎりの状態 — まだ湿りすぎ/窒素濃度が高すぎる |
| 冬期（1月～2月）✓ | 15–22% | 0.4–0.8% | 3–5% | 最適条件：低窒素、低水分 |
| 晩冬（3月） | 10–16% | 0.3–0.6% | 2–4% | 良いですね、落葉による収量損失が多少あります |
収量と林分管理
スイッチグラスの収量は、生態型、土壌の質、降雨量、生育年数によって大きく異なります。乾燥したグレートプレーンズの条件に適した高地生態型（ブラックウェル、カンロウ、ケイブインロック）は、1ヘクタールあたり6～12トンの乾物収量が得られます。米国南東部や湿潤な土壌に適した低地生態型（アラモ）は、生産性の高い年には1ヘクタールあたり12～20トンの乾物収量が得られます。生育地は3～4年目で収量の潜在能力を最大限に発揮し、適切な収穫後管理を行えば10～15年間生産性を維持します。重要なルールは次のとおりです。刈り株の高さが15cm未満にならないようにする（翌年の再生のために分裂組織を保護するため）、収穫したバイオマスからの比較的小さいが一定の流出損失を補うために、1ヘクタールあたり年間50～80kgの窒素を施用する、3年目以降は春の野焼きを避ける（野焼きはもはや農学的に必要ではなく、ベール収量に貢献するはずのバイオマスを除去することになる）
スイッチグラスの梱包：機器、密度、およびバイオマス購入者仕様
密度と輸送経済学の関連性
バイオマス購入者へのスイッチグラス供給の経済性は、輸送コスト、すなわち、かさばりエネルギー密度が低い農業バイオマスを畑から加工施設まで輸送する際のトンキロメートル当たりのコストによって大きく左右される。米国グレートプレーンズにおける典型的なバイオマス発電の集積半径は50～120kmである。より広い地域から原料を調達するペレット工場は、最大200kmの範囲から原料を調達することもある。このような距離では、ベール密度が、一定量のバイオマスを輸送するために必要な積載回数を直接左右し、ひいては、供給されるエネルギー1GJ当たりの輸送コストを左右する。
ペレット工場やバイオマス発電所に供給されるスイッチグラスの目標ベール密度は、160～200 kg DM/m³です。直径1.25mの丸型ベールは、180 kg DM/m³、水分含量15%で、重量は約260～310kgです。標準的な米国製フラットベッドセミトレーラー（全長53フィート、総重量45,000ポンド）は、この仕様のベールを38～44個積載でき、1回の積載で10～14トンの乾燥物質を輸送できます。ベール密度が高いほど、1回の積載量が増え、シーズン中の配送回数が減るため、1トンあたりの輸送コストを直接削減できます。
機器構成
水分含量15～20%の冬期収穫スイッチグラスは、軽くて硬く、適度に摩耗性のある素材です。直立した乾燥茎（直径6～8mm、高さ1.2～1.8m）は、牧草よりも粗いですが、トウモロコシの茎葉よりもかなり軽く、摩耗性も低くなっています。ベーラーの重要な構成ポイント：密度を高めるための最大チャンバー圧力、標準的なスイッチグラスのウィンドローでの前進速度6～9km/h、ピックアップタインの高さ5～7cm（冬期収穫スイッチグラスの下に蓄積する枯葉層は灰分含有量を上げるためベールに含めてはいけません）、および紐の上に必要なネットラップ。 9YG-1.25A 可変チャンバー式丸型ベーラー バイオマス購入者が指定する密度目標において、冬期スイッチグラスを効果的に処理します。
サプライチェーンとバイヤーの仕様
米国のバイオマス購入者がスイッチグラスに求める条件
| 仕様 | ペレットミル | 共同火災発電所 | ミスの結果 |
|---|---|---|---|
| 水分 | <18% | <20% | ペレット品質の低下／ボイラー効率の低下 |
| 灰分含有量 | <6% | <7% | 火格子の汚れ、効率低下 |
| 窒素含有量（乾物） | <0.9% | <1.2% | 過剰なNOₓ排出量 - 許可証の問題 |
| ベール重量許容範囲 | ±8% | ±12% | コンベアの故障／負荷効率の低下 |
| 異物 | <1% | <2% | 汚染追加料金または拒否 |
CRP土地および支払い統合
米国におけるスイッチグラス生産のかなりの部分は、保全予備プログラム（CRP）に登録された土地、つまりUSDAとの契約に基づき保全利用されている限界耕作地で行われています。従来、CRP契約ではバイオマス収穫は禁止されていましたが、改正されたCRP規定（SAFE、CP4B、CP25の実施コード）では、以下の条件を満たせば、生育した草地からのバイオマス収穫が許可されています。収穫は7月15日以降に行われること（地上営巣鳥の生息地を保護するため）、登録面積の最低10%を野生生物保護区として収穫せずに残すこと、そして刈り株の高さを最低10cmに維持すること。バイオマス収穫規定のあるCRP土地の生産者は、CRPの年間支払いとバイオマス販売収入の両方を受け取ることができ、二重収入源によって登録土地でのスイッチグラス生産の経済性が大幅に向上します。
課題とよくある間違い
9月または10月にスイッチグラスを刈り取ると、養分の再転流が完了する前に、収穫されたバイオマス中に1ヘクタールあたり40～60kgの窒素が流出し、本来根に戻るはずだった養分が失われます。枯死前に刈り取りを繰り返す農法では、年間15～25%の収量減少が記録されています。霜が降りた後の収穫は、単に品質上の好みの問題ではなく、生育を維持するための農学的要件なのです。
冬期スイッチグラスの株元には、落葉層が堆積します。ピックアップタインの高さを5cm未満に設定すると、この落葉層がベールに混入し、灰分含有量が3～5%（茎バイオマス）から6～10%（落葉混入ベール）に増加します。ペレット工場では、灰分含有量が6%を超えるベールは拒否されるか、品質上のペナルティが課されます。タインの高さを6～8cmに設定し、落葉混入を避けるため、ベール重量が若干低下しても許容範囲としてください。
グレートプレーンズの3月と4月は、凍結融解サイクルが発生し、刈り取った草の表面は乾燥しているように見えても、夜間の再水和によって水分が閉じ込められている場合があります。実際の平均水分量が22～25%であるにもかかわらず、見かけ上の水分量が15%でベールを作ると、ベールが発熱し、バイオマス購入者の水分検査地点で積荷全体が拒否される可能性があります。春の様々な気候条件では、ベールを作る前に必ず複数の刈り取り地点で水分量を測定し、刈り取り列の底部をプローブで調べてください。
スイッチグラスの植栽（種子の購入、播種床の準備、植栽初年度の雑草管理）には、1ヘクタールあたり300～600米ドルの費用がかかります。植栽初年度の収穫可能なバイオマス量はごくわずかで、2年目には40～701トンのピーク収量が得られます。初年度からフル収量を要求するバイオマス供給契約を計画している事業者は、供給不足に直面する可能性があります。本格的な商業生産を開始する前に、2～3年の植栽期間を設けることを計画してください。
よくある質問
スイッチグラスバイオマス事業についてご相談ください
栽培面積、バイオマス購入者の仕様、利用可能な設備をお知らせください。お客様のスイッチグラス供給チェーンに最適なベーラー構成をご提案いたします。
