カーボンニュートラルでアンモニアが注目される理由とは？
アンモニアは強い刺激臭をもつ物質で、主に化学肥料や工業用品などの用途に広く利用されてきました。
近年、カーボンニュートラルの実現に向けて大きな可能性をもつ物質として注目を集めるアンモニアは、脱炭素に向けた「燃料」としての活用が期待されています。
2050年のカーボンニュートラル達成を目標に掲げる日本は、省エネや再生可能エネルギーの導入を行っています。しかし、電力生産の多くを、大量のCO2を排出する火力発電に依存しているのが現状です。そのため、脱炭素が求められており、環境に優しい燃料として期待されるのがアンモニアです。
ここでは、アンモニアを使った発電の方法やメリットなどをお伝えします。
アンモニアの活用法
燃料電池
燃料電池とは、水素と酸素の化学反応を利用して電気を作る装置です。
運搬や貯蔵が難しい水素の代わりにアンモニアを用いて、燃料電池として活用することができます。
電気を作ると同時に発生する熱を活用することで発電効率をさらに高めることができ、水素燃料電池と比較しても遜色のない発電効率があります。
燃料電池はさまざまな用途で活用が期待されています。例えば、大型のものは発電施設に、小規模なものは家庭などに備えつけ、電気と熱を供給できます。さらに小型化し、自動車などの駆動源として燃料電池が活躍できるよう、さらなる技術開発が進められています。
火力発電
燃料源としてアンモニアを燃焼させる研究が進められています。火力発電で使用される石炭などに混入し、燃料として活用することが期待されます。
アンモニアには可燃性がありますが、化石燃料や天然ガスのような安定した熱量の維持が困難でした。燃焼速度が非常に遅く、火力を安定させることが難しかったためです。
この問題を解決するため、燃焼器内の空気を旋回させることで燃焼を促し、火力の安定化を実現しました。
2014年、３０％ほどのアンモニアを燃料とする発電が世界で初めて実現しました。燃焼する際に発生する気体でタービンを回すことにより発電に成功しています。
アンモニア発電のメリット
カーボンニュートラル達成にむけてアンモニア発電が注目される理由は、他の物質と比べて大きなメリットがあるからです。ここでは、そのメリットを４つご紹介します。
貯蔵や運搬が容易
アンモニアは水素と比較して貯蔵や運搬を行いやすいことに強みをもちます。
次世代エネルギーといわれる水素エネルギー。しかし、可燃性で爆発の危険性があり、体積が大きく、液化には－253℃の極低温が必要であることから、貯蔵や運搬に課題があります。
アンモニアは標準気圧の8倍ほどの圧力を加えると20℃で液化する性質があり、高圧液化を行って運搬することが可能です。化学肥料をはじめ様々な利用されてきているため、貯蔵・運搬を安全に行う技術がすでに確立している点がメリットです。
また、貯蔵・運搬後に必要に応じ水素を取り出すこともできます。これにより、水素発電で課題であった貯蔵・運搬の難しさを解決する手段となります。
燃焼時のCO2が発生しない
アンモニア（NH₃）は水素と窒素で構成され、燃焼にともなうCO2を排出しないメリットがあります。そのため、温暖化対策の有効な手段の１つといえます。カーボンニュートラルを達成にむけて作成がおこなわれた国の政策「グリーン成長戦略」において、14の重要分野の１つとして明確に位置付けています。
アンモニアのみを燃料にする『専焼』を行うことによって、CO2を排出しない発電ができます。また、燃料に混入して発電をおこなう「混焼」が可能であり、CO2の排出量をおさえることができます。
例えば、日本の全ての石炭火力発電所でアンモニアの20％混焼を行う場合、約4,000万トンのCO2を削減することができるとされ、混焼の割合を上げることにより、さらに削減量を増やすことができます。すべて専焼にすることができるようになると、CO2削減量は推定で年間約2億トンとされます。2020年度、日本の温室効果ガス総排出量は、11億4900万トンとなっており、アンモニアを活用した発電をおこなうことで大幅な削減が可能です。
日本は石炭火力発電所の実機で20％混焼の実証を行っており、混焼の実用化を目指し研究が進められています。
コストが安い
アンモニアを利用した発電はコストを抑えることができます。経済産業省の資料によると専焼による発電の費用は、水素の場合1kWhで97.3円(2020年)、アンモニアは23.5円(2018年)と大きく下回り、約４分の１となっています。
アンモニア（NH3）には水素が含まれるため、アンモニアの状態で運搬し、必要に応じて水素をとりだすことでも費用を抑えることができます。
有効活用できる
アンモニアの燃焼を利用した発電では、すでに設けられている火力発電所に特別な工程を行うことなく利用できます。
天然ガスや石炭を燃料とするボイラーに混焼する場合、燃焼装置（バーナー）などの開発・変更のみで対応が可能です。
いま存在する火力発電所をそのまま活用できるため、初期投資を抑えることができます。
アンモニア発電の課題
大きなメリットがあるアンモニア発電ですが、今後の利用拡大にはいくつか乗り越えなければならない課題があります。ここではその課題を３つにわけてお伝えします。
製造時にCO２が発生
アンモニアは燃焼時にCO2を発生しない特徴があります。しかし、製造時にはCO2を発生することが課題です。
現在、アンモニアは主にハーバー・ボッシュ法で製造されています。
ハーバー・ボッシュ法は、窒素と水素を高温高圧で酸化鉄触媒とともに反応させます。製造の際には大量のエネルギーが必要となり、主に石炭や天然ガスなど化石燃料由来のものが使われ、大量のCO2が排出されます。
昨今、CO2を排出しない新たなアンモニアの製造が研究されており、CO2削減に向けて実用化が期待されています。
発電時に窒素酸化物が発生
アンモニアの化学式はNH₃です。窒素を含むため、燃焼による酸化反応で、大気汚染物質である窒素酸化物（NOx）を排出する恐れがあります。
大量に排出されることで大気汚染を進行させ、人体にも悪影響を与えてきました。世界中の国々で対策を立て、取り組んでいる環境問題です。
そのため、アンモニアの燃焼で発生する窒素酸化物は大きな懸念事項であり、窒素酸化物の抑制が課題です。燃焼方法によって窒素酸化物の排出量を抑えることができると判明しており、実用化に向けてさまざまな研究が続けられています。
アンモニアの確保
アンモニア発電の実用化が現実となると、現在の生産量では不足することが予想されます。
例えば、国内に建設されている全ての火力発電所で20％混焼を行うと、必要なアンモニアは年間で約2000万トン。日本国内のアンモニア消費量は約108万トン（2019年）ですので、現在の消費量の約２０倍となっていることがわかります。世界的にアンモニアが貿易で流通している量は全体の約１割程度であり、約９割程度が地産地消であることから、現状では自国での生産が必要です。専焼が始まっていくと、現在のアンモニア生産量では不足が見込まれます。
供給が不足すると価格が高騰し、発電コストが上がります。また、肥料の市場にまで影響を与える可能性があります。そのため、アンモニア発電の導入および拡大に向けては新たなサプライチェーンの構築が必要です。
まとめ
ここまで、カーボンニュートラルに期待されるアンモニアの活用法についてお伝えしました。
アンモニア発電はカーボンニュートラル実現に向けて、たくさんのメリットがあり、大きな可能性をもっています。
昨今は電力不足が問題となることが多く、わたしたちの生活に欠かせないものとしてあらためて電力への関心も高まっています。アンモニアの需要と供給などの課題はありますが、実用化に向けてさまざまな取り組みが行われています。
この記事の執筆・監修者
Aidiot編集部「BtoB領域の脳と心臓になる」をビジョンに、データを活用したアルゴリズムやソフトウェアの提供を行う株式会社アイディオットの編集部。AI・データを扱うエンジニアや日本を代表する大手企業担当者をカウンターパートにするビジネスサイドのスタッフが記事を執筆・監修。近年、活用が進んでいるAIやDX、カーボンニュートラルなどのトピックを分かりやすく解説します。
