アンモニアが将来の燃料になる可能性があることが判明

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アンモニア (化学式 NH3) は環境中に自然に存在しますが、産業や商業でも広く使用されています。

生物にとって、アミノ酸とヌクレオチドを合成するための必須の前駆体であり、多くの生物学的活動に必要です。アンモニアも土壌中の細菌の活動の産物であり、環境中の窒素循環の一部として生成されます。

しかし、人間が使用する場合、食料生産のための肥料製造の主成分として不可欠です。実際、その合成を大規模に開発することは、史上最も重要な発見の 1 つであると主張されています。しかし、アンモニアベースの肥料の広範な過剰使用が窒素循環を悪化させ、環境破壊の一因となっているとも指摘されています。

アンモニアの普及には環境への深刻な懸念がいくつかありますが、アンモニアは燃焼エンジンを節約し、再生可能技術を真に持続可能なものに一気に変えることができるかもしれません。

しかし、どうやって？確認してみましょう。

要するに、それは間違いなく可能です。少なくとも、この問題に関する専門家が増えつつあり、それを探求し始めている。

アンモニアは、冷凍システムの冷媒として、また、いくつかの製品例を挙げると、肥料、家庭用洗浄製品、消毒剤などの製造において長年にわたって広範囲に使用されてきました。

しかし、アンモニアは炭素を含まない性質と、CO2 排出量を削減するための燃料として使用できる可能性があるため、最近、研究者、科学者、エンジニア、技術者の注目を集め始めています。特別な水素貯蔵媒体（3 つの水素原子を含む）および輸送および分配方法として、水素エネルギーの選択肢と水素経済に関連するいくつかの問題の解決に非常に役立ちます。

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これは、インフラストラクチャの変更を必要とせず、業界がすでに使用しているものと同じ既存の輸送および流通方法を使用するためです。過去 10 年間で、ガスタービンや内燃エンジンにアンモニアを使用する試みが大幅に増加しました。

潜在的な燃料源として、アンモニアにはいくつかの重要な利点があります。

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世界の総エネルギー消費量の約 1/3 は輸送部門によるものであると推定されており、化石燃料は主にディーゼル、ガソリン、ジェット燃料などの一般的な輸送燃料の製造に利用されています。

これまで人類が発見した燃料源の中で最も実用的なものの 1 つである一方で、その広範な使用により非常に大量の温室効果ガスが排出され、深刻な環境破壊を引き起こすと広く考えられています。メーカーや政府は電気自動車やハイブリッド自動車への移行に多大な努力を払っていますが、インフラ、経済、原材料の問題により、この移行がすぐには完了できないのではないかという懸念があります。

多くの研究によると、十分な取り組みが行われていない、あるいは十分なスピードで実施されていないことがわかっています。

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さらに、住宅、商業、公益事業、およびオフグリッド用途でディーゼルおよびガソリン駆動の発電機を使用すると、化石燃料の消費量と CO2 排出量が増加します。より迅速に水素ベースの経済に移行するには、ガスタービンや内燃エンジンなどの燃焼プロセスでのアンモニアの使用が重要であることが判明する可能性があります。

過去数年間に、ガスタービンや内燃エンジンでアンモニアを使用するいくつかの試みが行われてきました。

たとえば、進行中のマイクログリッド手続きの一環として、カリフォルニア公共事業委員会は業界関係者と会合してディーゼル発電機の代替品について話し合い、2021年までにディーゼル発電機をアンモニア駆動のものに置き換えることを検討しています。

この計画では、63 の変電所で使用されている 350 MW のディーゼル発電機が、アンモニアを燃料とする発電機に置き換えられる予定です。

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日本も、主に発電分野での製造業におけるアンモニアの利用に関する包括的な行動計画を開始しました。日本の海洋会社がアンモニア燃料船とその燃料供給システムのプロジェクトを開始すると発表した。

さらに多くのアンモニアの用途については、次のセクションで詳しく紹介します。アンモニアを利用したシステムは間もなく日本の電力消費量の 1% をまかなえると予想されています。

日本でもアンモニアを燃料とするガスタービン発電計画が開始されています。

しかし、人生の多くのことと同様、解決策はなく、妥協するだけです。アンモニアには明らかな利点があるにもかかわらず、その毒性、可燃性、従来のエンジン、タービン、発電機での燃焼に関連する特有の課題がいくつかあります。

さらに、アンモニアには炭素は含まれていませんが、その製造に使用される最も一般的なプロセスは信じられないほど炭素を大量に消費します。それだけでなく、アンモニアと窒素酸化物の大気中への放出は、CO2 と同じかそれ以上に地球温暖化に悪影響を及ぼします。アンモニアを効果的に使用するには、環境に優しい製造方法を開発する必要があることは明らかです。

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そうは言っても、アンモニアを燃料として使用する潜在的な利点は、その欠点を上回る可能性があります。これらには以下が含まれますが、これらに限定されません。 -

すでにいくつかの理由を上で説明しましたが、アンモニアの重要な利点の 1 つは、アンモニアが非生物的な「エネルギー通貨」と考えられることです。この用語は、すべての生細胞内のアデノシン三リン酸 (ATP) と呼ばれる分子に使用されることに由来しています。

体内では、この物質は体のさまざまな生物学的機能のための万能エネルギー源のようなものです。

無水アンモニア (NH3) はエネルギーの貯蔵と分配に非常に簡単に使用できるため、グリーン電力に最適な「エネルギー通貨」であると考える人もいます。再生可能エネルギーに関して言えば、電力が不足したときに使用できるように電気を「ボトルに」蓄える能力は、明らかに信じられないほど有益です。

主に、以前に説明したように、その利点は水素含有量です。

水素は、地球上で純粋な形で存在することは非常に稀であるにもかかわらず、一部の人には長い間「グリーン」燃料の聖杯であると考えられてきました。再生可能な資源から作られているため環境に優しく、最も一般的なのは水の電解分解です。

さらに、石油の精製などの「茶色の」資源も水素の製造に使用されます。現在まで、世界中の合成水素の大部分は、石油精製の副産物として、または天然ガスの水蒸気改質によって生成されています。これらのプロセスは両方とも、大気中への炭素排出に寄与します。

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では、なぜ水素ではなく無水アンモニアの使用を検討するのでしょうか?

結局のところ、重量ベースで見ると、水素はアンモニアよりも高い LHV (低位発熱量) エネルギー含有量を持っています (51590.7 BTU/lb または 120 MJ/kg 対 8082.5 BTU/lb または 18.8 MJ/kg)。

しかし、これはアンモニアが体積の点で液化水素よりもはるかに優れた水素キャリアであるという事実を無視しています。これは、アンモニアのエネルギー密度が 11.5 MJ/リットルであるのに比べ、液体水素のエネルギー密度は約 8.491 MJ/リットルであるためです。

アンモニアは重量で 17.65 パーセントの水素を含んでいますが、各窒素原子に 3 つの水素原子が結合しているという事実により、液体水素よりも体積で約 48 パーセント多くの水素を含んでいます。

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水素はエネルギー商品としてみなされることが多いですが、いくつかの理由から最終的には実用化できない可能性があります。

主な問題の 1 つは、圧縮水素ガスのエネルギー密度が低いため、輸送と保管に費用がかかることです。使用する方法によっては、圧縮水素ガスを長距離輸送するには、水素が生成するエネルギーよりも燃料に多くのエネルギーが必要になる場合があります。

明らかに、液化水素は圧縮水素ガスよりも高いエネルギー密度を持っています。それでも、水素は沸点が低い（-423 oF/-253 oC）ため、液化して冷却を維持するには多量のエネルギーが必要です。

液体水素に含まれるエネルギーの約 30 パーセントが液化に必要ですが、水素を 800 バールまで圧縮するのに必要なエネルギーは 10 パーセントから 15 パーセントだけです。

もう1つの要因は、水素分子は非常に小さいため、閉じ込めるのが難しいことです。アンモニアやプロパンのような巨大な分子を含むガスとは異なり、水素ははるかに速いペースでホースからゆっくりと染み出します。金属は水素によってもろくなる可能性があり、金属製のタンク、バルブ、チューブの定期的な交換が必要になります。

高圧水素タンクの重量により、圧縮水素は少量、約 400 kg (0.4 トン) しか供給できません。

多くの人にとって、アンモニアの方が理にかなっています。

まず、アンモニアは LPG と非常によく似た挙動と貯蔵を行い、沸点は -28.03 °F (-33.35 °C) です。対照的に、LPG の主成分であるプロパンの沸点は -43.73 °F (-42.07 °C) です。

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水素に比べてアンモニアのもう 1 つの利点は、爆発や火災の危険性が非常に低いため、MSDS ラベルではアンモニアを NFPA 可燃性評価 1 の不燃性ガスとしてリストしていることです。また、アンモニアは芳香があるため、漏洩率が非常に低くても問題ありません。人間の鼻で簡単に検出できます。

アンモニアの漏洩が発生すると、アンモニアは容易に大気中に拡散し、最終的には光解離によって除去されます。また、アンモニアは脆化を引き起こさないため、金属製のタンク、バルブ、チューブを定期的に交換する必要がありません。

つまり、（理論上は）可能です。

これは二元燃料アンモニア車の変換と呼ばれ、基本的な形式では圧縮天然ガス車の変換と物理的に同一です。

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ただし、新しい車載タンクには 150 PSI の液体アンモニアしか保持されていません。エンジンが始動され、ガソリン、エタノールなどを使用して暖機された後、レギュレーター、バルブ、および電子制御システムが、必要に応じてエンジンへのアンモニアの流量を計測します。

液化すると、アンモニアの体積エネルギーはガソリンの約半分になります。ガソリンのエネルギーの寄与を考慮すると、既存のガソリンタンクと同じサイズのアンモニアタンクを使用すれば、満タンまでのガソリンのみで走行する場合の 2/3 以上の距離を走行できることがわかります。

エンジンは微量のガソリンで始動し、負荷が増加するとアンモニアを加えてより多くのエネルギーを発生させます。エンジン制御電子モジュールがすべてを自動的に処理します。

かなりきれいです。

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ただし、広く入手可能な公的に入手可能な変換キットは、あってもそれほど多くありません。現在、車両およびその他の主要な市場アプリケーションが、あらゆる変換開発の焦点となっています。しかし、ガソリン価格の高騰により、自家用車への転換が進む可能性が高い。

コンバージョンにかかるコストについては、答えるのが少し難しいです。

ただし、主に圧縮天然ガスで走行するように車両を変更することは、主にアンモニアで走行するように車両を変更することと同じです。したがって、自家用車の場合、部品代と工賃に数千ドル (国によってはそれ以下) かかる可能性があります。

しかし、その投資にはそれだけの価値があるだろう。

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コスト削減は、(LPG とガソリンと同様に) ガソリンとアンモニアのコストに基づいて行われます。アンモニアの価格は現在、1 リットルあたり約 0.23 ドル、または 1 ガロンあたり約 0.85 ドルです。ただし、地元のガソリンスタンドですぐに見つかる可能性は高くありません。

しかし、改造車であっても、アンモニアの補充がほとんどなければ、レギュラーガソリンでも走行できます。 LPG 二元燃料車と同様に、LPG 変換車とは異なり、スイッチを入れるだけで 100% ガソリンで通常運転できます。多くの天然ガス自動車では、これは実現不可能です。

これまでに生み出された最も重要な工業用化学反応の 1 つは、水素と窒素をアンモニアに変えるハーバー・ボッシュプロセスです。この方法のおかげで、アンモニア肥料が広く入手できるようになり、農作物収量の上昇速度が速まり、世界人口の増加に貢献しました。

Statista によると、2022 年には約 1 億 5,000 万トンのアンモニアが生成されました。世界の食料生産量の約 50% がアンモニア肥料に依存しており、現在製造されているアンモニアの約 80% を占めています。

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残りのアンモニアは、爆発物、ポリマー、繊維、医薬品などの他の化合物の作成に使用されます。

マサチューセッツ工科大学の化学技術者カーティシュ・マンティラム氏によると、ハーバー・ボッシュ法は、私たちが使用する窒素原子を含むほぼすべての合成物質の作成に関与しているという。これらの窒素原子はすべてアンモニアに由来するため、私たちが使用するあらゆるものはかなりの二酸化炭素を排出します。

ハーバー・ボッシュプロセスは重要な技術的進歩である一方で、常にエネルギーを大量に消費し、その結果、膨大な二酸化炭素排出量をもたらします。

この反応は、約 500 °C の温度と最大 20 MPa の圧力で動作しながら、世界の総エネルギー生産量の約 1% を消費します。産業生産性研究所によると、増減にかかわらず、年間最大 4 億 5,000 万トンの CO2 が排出されます。

これは他のどの工業用化学物質製造反応よりも多く、合計すると世界の年間 CO2 排出量の約 1.8 パーセントに相当すると推定されています。これは主に、アンモニアの生産が現在、原料とエネルギーとして化石燃料の使用に大きく依存しているためです。

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国際エネルギー機関、国際化学協会評議会、化学工学・バイオテクノロジー協会は2013年に共同報告書を発表し、水素製造からのCO2排出量がアンモニア製造プロセス全体からのCO2排出量の半分以上を占めていることを明らかにした。

そして、アンモニア肥料の必要性が高まるにつれて、この傾向は（文字通りにも比喩的にも）さらに高まるばかりです。国連食糧農業機関は、2020年までに窒素肥料の需要が2015年の1億1,000万トンから1億1,900万トン以上に増加すると予測しています。

しかし、持続可能性の観点から言えば、トンネルの先には光が見えています。

世界中で化学者やエンジニアが持続可能なアンモニア製造方法の開発に取り組んでいます。化石燃料を使用せずに水素を生成し、再生可能エネルギー源で反応に動力を供給しようと試みている企業もある。

より効率的にアンモニアを生成し、排出量が少ないハーバー・ボッシュの代替品を探している企業もいます。研究者らは、進歩は鈍かったものの、それだけの価値はあると認めている。

モナシュ大学の電気化学者であるダグラス・マクファーレン氏は、2019年6月のChemical and Engineering Newsとのインタビューで、「現在肥料用に生産されているアンモニアは事実上化石燃料製品である」と述べた。

「私たちの食べ物のほとんどは肥料から来ています。したがって、私たちの食べ物は事実上化石燃料製品です。そしてそれは持続可能ではありません」と彼は説明した。

研究者らは、日本、英国、オーストラリア、米国を含む世界中のグリーンアンモニア工場で、再生可能エネルギーと原料を利用して、適度な規模で儲かる化学物質を製造する実験を行っている。

これらの企業は主に標準的なハーバー・ボッシュプロセスを採用していますが、化石燃料ではなく水の電気分解と代替エネルギー源を使用して水素を生成し、反応に電力を供給します。

これらの戦略は、日本の企業である日揮が運営する福島再生可能エネルギー研究所のパイロット施設で昨年からテストされてきた。彼らは産業技術総合研究所（AIST）と提携し、SIPエネルギーキャリアとして知られる連邦プログラムを通じてグリーンアンモニア実証プラントを立ち上げた。

このプラントは太陽エネルギーで稼働し、水を電気分解して水素を生成し、日揮と産総研が開発した新しいルテニウム触媒を利用したハーバー・ボッシュ型反応を行うことができます。

同工場のプロジェクトマネージャー、甲斐元貴氏によると、「当社のプロセスの大きな利点は、従来のプロセスよりもはるかに低い圧力で水素を生成できることだ」という。

本高氏によると、水素圧力は約5MPaで、従来のハーバー・ボッシュプラントの1/3～1/4程度だという。この圧力の低下には 2 つの利点があります。 1つは、反応がより低い圧力で起こるため、より安全であるということです。

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さらに、システムを加圧するために使用するエネルギーも少なくなります。この工場では現在、毎日 20 ～ 50 kg のアンモニアが製造されています。

もう 1 つの興味深いアプローチは、英国のシーメンスがオックスフォード大学、英国科学技術施設評議会、カーディフ大学の研究者と協力して開発しています。このプロジェクトは、典型的なハーバー・ボッシュプロセスを使用し、風力で動力を供給する実証プラントを稼働させることを目的としています。

シーメンスはまず、持続可能かつ迅速なスケールアップでアンモニアを生成できることを実証することを目指しています。同社はまた、この施設をハーバー・ボッシュ触媒の作成やアンモニア燃焼のテストなど、継続的な技術進歩の実験場としても見ている。

これまでのところ、この戦略は成功しています。

この小さな施設は輸送用コンテナ内に設置されており、風力で発電した電力を利用して水素電解ユニットに電力を供給し、アンモニアの生成に使用される水素を生成します。これは、再生可能エネルギー源に関する主要な問題の 1 つを解決する潜在的な解決策となる可能性があります。それらはその性質上、断続的です。

しかし、風力発電とアンモニア合成を組み合わせるのは、生成されたエネルギーを「貯蔵」する非常に良い方法である可能性があります。

ウィルキンソン氏によれば、再生可能資源から作られたアンモニアを燃やすことが解決策になる可能性があるという。シーメンスと日揮は、肥料の製造に加えて、炭素を含まない燃料の製造に使用できるグリーンアンモニアの製造にも関心を持っています。

アンモニアはガソリンと同様に輸送および保管でき、別の潜在的な炭素フリー燃料である気体水素よりも取り扱いの危険性が低いです。

「アンモニアは私がネクサス分子と呼びたいものです」とマンティラム氏は説明した。「肥料にもなる。食料にもなる。エネルギー貯蔵にもなる。」

どれも非常に興味深いものですが、これらの企業は、自社の植物から生成されるアンモニアをどのように使用するつもりであるかに関係なく、依然として化学物質の合成に主にハーバー・ボッシュを使用しています。

この反応には、鉄触媒上で水素と窒素ガスを高温高圧で混合することが含まれます。このプロセスもかなり非効率的です。

アンモニア 1 トンあたり、約 5 MW h のエネルギーが蓄えられます。「最良かつ最も効率的なハーバー・ボッシュのプラントは、アンモニア 1 トンあたり約 10 MW 時間で稼働します」とマクファーレン氏は説明しました。「つまり、効率は約 50% しかありません。得られるもののために多くのエネルギーを無駄にしていることになります。」

したがって、アンモニアが従来の燃料の持続可能な代替品であると考えられる場合、まずハーバー・ボッシュプロセスに代わる代替手段を完全に具体化する必要がある。

しかし、それはまた別の機会にお話します。

アンモニアは確かに、将来の「環境に優しい」燃料としてある程度の期待を持っています。既存の燃料に比べて多くの利点があり、広く入手可能です。

ただし、それを合成するためのエネルギー消費量がより少ないプロセスが見つかった場合にのみ、実際に実行可能な代替手段となるでしょう。しかし、世界中で化石燃料のコストが急速に上昇しているため、解決策が短期間で開発されるのも時間の問題かもしれません。