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» 2014年12月17日 10時00分 公開

5分で分かる最新キーワード解説:CO2排出ゼロの新エネルギー「アンモニア発電」とは? (1/3)

強い刺激臭を持つアンモニアが燃料の「アンモニア発電」はエネルギーに革命を起こすのか。次世代クリーンエネルギー最先端に迫る。

[土肥正弘,ドキュメント工房]

 今回のテーマは、CO2を排出しないアンモニアを利用した直接発電技術「アンモニア発電」だ。産業技術総合研究所(産総研)が世界で初めてアンモニアをガスタービンで燃焼させて発電に成功した。化石燃料や原子力への依存から脱却を目指す、低環境負荷の新エネルギー創出への現実的な第一歩だ。

「アンモニア発電」とは?

 食物に含まれるタンパク質などを微生物が分解する際に発生するアンモニア。アンモニア発電とは、この強い刺激臭を持つアンモニアを燃料とする発電技術のことだ。

 現在は、アンモニアを直接燃焼させる発電技術と、アンモニアの熱触媒接触分解反応と燃料電池を組み合わせた発電技術とが研究される。今回紹介するのは前者のアンモニアを燃焼させる技術だ。

 アンモニアは着火しにくく、燃焼速度も遅く、さらに燃焼時に有害なNOx(窒素酸化物)を発生するため、発電に用いる燃料としては不向きとみなされた。しかし2014年9月、産総研 再生可能エネルギー研究センター(福島県)の水素キャリアチーム、辻村拓研究チーム長、壹岐典彦研究チーム付および東北大学との共同研究チームが、定格出力50キロワットのガスタービン発電装置を用い、灯油とアンモニアを燃料にして、約40%の出力にあたる21キロワットの発電に成功した。

 灯油の約30%相当をアンモニアに置き換えて燃焼させたところ、灯油だけを用いた場合とほぼ同じ出力で発電でき、しかもアンモニアを燃焼させるときに排出される有害なNOx(窒素酸化物)を、やはりアンモニアを使用する触媒(脱硝装置)により10ppm未満にまで抑制することに成功し、環境基準に照らして十分低い環境負荷でのアンモニア発電に見通しが立った。これはアンモニアを利用したガスタービン発電として世界初の成果だ。

再生可能エネルギー研究センターに設置されたアンモニア発電設備 図1 再生可能エネルギー研究センターに設置されたアンモニア発電設備(出典:産総研)

アンモニア発電で何が実現するのか?

 アンモニア(NH3)は窒素と水素が結び付いた化合物だ。炭素を含まないので燃焼させてもCO2を放出せず、地球温暖化抑止に貢献するクリーンエネルギー源だ。これを燃料として用いるバスやトラック、実験用ロケットなどが古くは1940年代から研究されてきたが、アンモニアの燃焼に伴って排出されるNOx(窒素酸化物)が公害をまき散らす危険があることから、研究はずっと停滞していた。

 近年になって、効率よくNOxを窒素ガス(N2)と水(H2O)に還元する「尿素SCR技術」を利用した触媒が登場し、ディーゼルエンジン車の排気などを浄化できるようになった。これは尿素水を搭載して排気に噴射し、尿素が分解したアンモニアガスにNOxを化学反応させて還元する技術だ。

 このような触媒技術を利用すれば、アンモニアの直接燃焼で出るNOxも除去(脱硝という)できる。2013年には、イタリアのタイヤメーカーがトヨタGT86のカスタムモデルでガソリンとアンモニアのハイブリッド車を発表し、アンモニアを燃料とする新しい低環境負荷の自動車は既に手が届くところにある。

 脱硝技術を応用すれば、アンモニア発電プラントも環境負荷少なく稼働できるのではないか。その発想を具現化しようとしているのが、産総研などの共同研究チームだ。

 アンモニアは触媒上で水素ガスと窒素ガスに熱を加えて起きる化学反応(N2 + 3H2 → 2NH3)で合成できる。ガスの元になるのは天然ガスや石炭などだ。アンモニア合成にはエネルギーが必要だが、これに太陽熱などの再生可能エネルギーを用いれば、CO2の排出を伴わない合成が可能になる。

 アンモニアは20度の常温で液化(0.857MPa時)するため、液体として貯蔵や運搬が容易だ。また、既に工業的に広く利用される材料であるため、運搬や貯蔵に関するインフラが整っている。これを発電機の燃料として利用して、排出されるガス中のNOxを触媒で還元すれば、環境には窒素と水だけが放出されることになり、クリーンなエネルギー創出が実現するはずだ(図2)。

アンモニアの合成、貯蔵、発電、環境への還元のサイクル 図2 アンモニアの合成、貯蔵、発電、環境への還元のサイクル(出典:産総研)
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