SUMO Wiki
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この章では、プロセスモデルと、オプションとしてのエネルギー計算に基づき、特定の期間におけるプラント運用のカーボンフットプリント（CFP）評価を可能にするプラント全体（plantwide）機能について説明します。
CFP評価では、調査対象の活動に関連する温室効果ガス（GHG）排出量を考慮します。排水（下水）分野において関連するGHGは、CO2、CH4、およびN2Oです（一般には他にも多数のGHGが存在しますが、それらは排水処理プロセスに特徴的なものではありません）。評価は、Scope 1、2、3と呼ばれる3つのレベルに対応します（表6.1.1）。Scope 1はプロセスから発生する直接的なGHG排出を対象とし、Scope 2および3は間接的な排出を扱います（前者はエネルギー需要の供給に関連するGHG排出、後者は化学物質の生産、施設への／からの資材・人員の輸送など、その他すべての第三者によるGHG排出を対象とします）。その性質上、Scope 3の境界の選び方は非常に恣意的になりやすく、適切に算定するために必要な重要な情報要素が不確実であったり偏っていたりすることが多くあります。したがって、比較研究のためには、Scope 1および2のカーボンフットプリント評価にとどめておくことが望ましいと言えます。Sumo CFPツールは、これら2つのレベルを提供します。
Table 6.1.1 – Scopes of carbon footprint assessment.
| SCOPE 1 | 調査対象プロセスからの直接排出 |
|---|---|
| SCOPE 2 | エネルギー消費からの間接排出（外部ソースからの購入電力） |
| SCOPE 3 | プロセスに関連するその他の間接排出（外部の第三者による排出） |
Figure 6.1.1 – The ‘CFP’ icon is the second from the rightカーボンフットプリント評価はオフガスの質量流量の適切な推定に大きく依存するため、ModelsタブのModel optionsのGas phaseカテゴリで「Calculate gas phase concentrations」が選択されていることが必須条件となります。「Input gas phase concentrations」オプションが選択されている限り、CFPアイコンはオンにしても中抜きの赤（hollow red）で表示され、CFP計算がアクティブになる前に追加のモデルオプションの選択が必要であることを示します。オフガスを計算する設定にすると、アイコンは中抜きから黒塗りに変わり、その右側の文字「C」は、エネルギーモードがそれぞれオフかオンかに応じて「S1」（Scope 1を指す）または「S2」（Scope 2を指す）に変わります。エネルギー計算がなければ、CFP計算にはScope 2をカバーするために必要な情報が明らかに欠けるため、この2つの区別された表示があります。とはいえ、いずれの評価レベルも、同じレベルで行われた他の評価との比較には有効です。
Table 6.1.2 – CFP icon images shown under various conditions.
| CFP OFF | CFP ON | ||
| 固定オフガス | 計算されたオフガス | ||
| Energy OFF | Energy ON | ||
 |
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プロセス排出に関して、二酸化炭素とメタンは常にプロセスモデルに基づいて計算されます。ストリッピングされたガスの質量流量は液体系（liquid stream）の反応槽から取得され、逃散ガスの質量流量は固体系（solid stream）の反応槽（消化槽、UASB）および脱水ユニットから収集されます。一酸化二窒素の場合、その手法はシミュレーションに使用されるプロセスモデルに依存します。モデルがN2Oを状態変数（state variable）として含んでいる場合（状態変数とは何かの説明についてはTechnical Referenceを参照）、その排出は他の2つのGHGと同様にプロセスモデルに従って計算されます（Tier 1法）。そうでない場合、N2O排出量は流入水（influent）のTKNからプラント全体の排出係数を用いて推定されるにとどまり（Tier 2法）、構成に応じてこの係数は大きく変動しうます（0.01%～1.8%、詳細はAhn et al, 2010を参照）。ここで強調すべき重要な点は、この2つのアプローチの選択が、実際のプロセスモデルに対するチェックを用いてSumoによって自動的に行われることです。したがって、一酸化二窒素の排出量推定における大きな不確実性を避けるため、N2Oを状態変数として持つプロセスモデル（例：ModelsタブのFocus modelsにあるSumo4N）を使用することが一般に推奨されます。
プロセスに由来する二酸化炭素の場合、重要な要件として、CFP評価では化石炭素を含む物質（例：排水中に存在する洗浄剤、医薬品、その他の石油由来製品）の分解に由来する排出の割合のみを考慮すべきである、という点があります。自然のプロセスによって生成されたCO2（生物起源の炭素に由来するもの）は除外しなければなりません。したがって、プラントのさまざまな物質フローにおける化石炭素の割合を推定することが重要です。この割合は、原水（生排水）の組成によって大きく異なりえます。Sumoは、文献に基づいて主流系（mainstream）、側流系（side stream）、バイオガス、バイオソリッドのデフォルト値を採用しています。これらはユーザーが調整・チューニングできます（例：感度分析や特殊な用途のため）。
CFP評価の最終ステップでは、GHGの排出量は、地球温暖化係数（Global Warming Potential, GWP）と呼ばれる換算係数を用いてCO2換算単位に変換されます。この係数は、Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC、気候変動に関する政府間パネル）が定期的に公表する公式報告書によって提供されます。GWP値はGHGごとに異なり（定義上、CO2のGWPは常に1で、他のすべてのガスの値はこの基準に対する相対値です）、またベンチマークに選択した基準時間軸によっても異なります（100年が最もよく使われる期間です）。表6.1.3には、100年および20年の時間軸に基づくGWP値を示し、調査対象の3つのGHG間の顕著な差を示すとともに、プロセスモデルに基づくN2O排出量推定の使用を推奨する根拠を裏付けます（CFP評価において、1 kgのN2O排出は約265 kgのCO2排出に相当します）。
Table 6.1.3 – GWP values (source: IPCC)
| GWP | 基準時間軸 | |
|---|---|---|
| 20年 | 100年 | |
| CH4 | 84 | 28 |
| N2O | 264 | 265 |
Table 6.1.4 – Typical specific CFP values for various power producing technologies
| 技術 | 固有CFP [g CO2-eq/kWh] |
|---|---|
| 水力 | 24 |
| 太陽光 | 45 |
| 天然ガス | 490 |
| 風力 | 11 |
| 原子力 | 12 |
| 石炭 | 820 |
デモンストレーションのため、ウェルカム画面のNutrient removalタブの例の中にある「A2O with P recovery and energy plus CFP」サンプルプロジェクトを使用します。
サンプルプロジェクトを開いたら、ConfigureタブでCarbon footprintアイコン（レイアウトパネルの左上部分に位置）を選択し、CFPのプラント全体プロセスユニットオプションを確認します。このプロジェクトではCFP計算がすでにオンになっているため、プロセスユニットオプションが左下のウィンドウパネルに表示されます。ここで、バイオソリッドの処理方法や、GWP推定の基準となる時間軸を指定できます（図6.2.1）。
Figure 6.2.1 – CFP unit general options
Inputsタブに移動すると、一般的なCFP入力パラメータが表示されます。最初の表ではFossil carbon fractions（化石炭素割合）を指定できます（図6.2.2）。2番目の表にはSludge handling parameters（汚泥処理パラメータ）が含まれます（これらは前段で選択した汚泥処理方法によって異なります。図6.2.3を参照）。3番目の表にはElectricity CFP parameters（電力CFPパラメータ）のセットが含まれ、これらはエネルギーモードの設定と組み合わせて使用され、オンサイトおよびオフサイトの発電方式を有効にします（図6.2.4）。後者の表は、このサンプルプロジェクトのようにエネルギーモードがオンになっている場合（Scope 2 CFP計算が有効になっている場合）にのみアクティブになります。
Figure 6.2.2 – CFP unit fossil carbon fraction input parameters
Figure 6.2.3 – CFP unit sludge handling input parameters
Figure 6.2.4 – CFP unit electricity CFP input parametersパラメータ表の下には、「Electricity carbon footprint tool」を開くボタンがあります。これは、入手可能な地域別・技術別のデータに基づき、正しいグリッド電力およびオフグリッド電力のCFP値の決定を支援することを目的としたデータベースです。このサンプルプロジェクトでは、このツールの日内変動グリッド電力CFPパターンの1つを使用しています（Constants/Dynamicsタブをクリックすると確認できます。図6.2.5を参照）。
Figure 6.2.5 – Dynamic input table for electricity CFP parameterプロセスに関連するすべてのCFPを評価するために、Digester（消化槽）およびDewatering（脱水）プロセスユニットに新しいパラメータが追加されました。Inputs/Constantsタブで、描画ボード上のDigesterを選択し、左下パネルのShow allボタンをクリックしてから、Gas phase settingsテーブルを選択します。ここにはFraction of fugitive biogas（逃散バイオガスの割合）パラメータがあり、サンプルプロジェクトではデフォルトの0から1%に変更されています（図6.2.6）。同様に、Dewateringユニットを選択すると、Settingsテーブル内に、メタンと二酸化炭素のfugitive mass flow fractions（逃散質量流量割合）を調整するためのパラメータがあります（図6.2.7）。これらのパラメータにより、想定される（実際には測定が難しい）損失の影響を推定し、さまざまなシナリオを評価できます。
Figure 6.2.6 – Fugitive biogas fraction input parameter for Digester process unit
Figure 6.2.7 – Fugitive mass flow fraction input parameters for Dewatering process unitScope 2 CFPが有効（エネルギーモードがアクティブ）で、かつレイアウトでバイオガス処理が考慮されている場合は、CHPおよびFlare（フレア）プロセスユニットの両方でCombustion efficiency of methane（メタンの燃焼効率）パラメータ（Combustion settingsパラメータ表から利用可能）を設定することも重要です（図6.2.8）。このパラメータの値は通常99%から100%の間で、一見どうでもよいように思えるかもしれませんが、そのようなわずかな変化であっても、不完全燃焼に由来するGHG排出は、全体のCFPの中で目に見える割合を占めることがあります。
Figure 6.2.8 – Methane combustion efficiency input parameter for CHP process unit
CFP評価の結果は、OutputsタブでCarbon footprintアイコンを選択し、あらかじめ用意された変数グループ（「CFP summary」や、直接・間接のCFP成分のより詳細な内訳、さらには個々のGHGに焦点を当てたCFP成分の内訳など）から選択することで可視化できます。GHGの直接および間接の排出速度も利用できます。これらのデータの使い方のヒントを得るには、Simulateタブに進み、定常状態から1日間の動的計算（dynamic run）を実行し、その後「CFP summary」の円グラフから「Electricity CFP」の時間グラフまでの出力を確認してください。
「CFP summary」（図6.2.9）から、シミュレーション期間中のプラント運用CFPの約3分の2が電力使用に由来し、残りは3つのGHGのさまざまなプロセス関連排出にほぼ均等に分配されていることがわかります。さらに深く見ると、プラント運用CFP全体の約半分は活性汚泥プロセスに由来し、逃散損失や不完全なバイオガス燃焼、そして汚泥処理（この場合は外部処理サイトへの輸送）は、より小さいながらも目に見える割合を占めていることがわかります（図6.2.10）。電力CFPの日内変動も見られますが、際立ってはいません（図6.2.11）。
CFPは排出速度の時間積分から計算される数値であるため、動的シミュレーションでのみ利用可能である点に注意してください（定常状態のシミュレーションではCFP値は得られません）。
Figure 6.2.9 – CFP summary piechart
Figure 6.2.10 – CFP details piechart
Figure 6.2.11 – Electricity CFP timechart
Chapter 7 – Design model
Chapter 8 – Examples