「グリーン」アンモニアは気候問題の解決策となり得るか？

このストーリーはもともと Yale Environment 360 に掲載されたもので、 Climate Deskコラボレーションの一部です 。

ミネソタ州には、風力タービンが点在する研究農場があり、フル稼働時には驚くほど低い二酸化炭素排出量を誇ります。風力発電でアンモニアを製造する化学工場で、このアンモニアはタービンの下に肥料として散布されるだけでなく、実験用トラクターの燃料として利用され、風のない日のためのエネルギー貯蔵にもなり、そして間もなく穀物を乾燥する納屋の暖房にも使われる予定です。これらすべて、CO2を排出することなく行われてい_ます。

「農業の脱炭素化を徹底的に進めるには、グリーンアンモニアへの転換が必要です」と、ミネソタ大学のプロジェクトディレクター、マイケル・リース氏は語る。同大学の研究では、肥料、燃料、熱源としてグリーンアンモニア（「グリーン」とは再生可能エネルギーで製造されているという意味）を使用することで、トウモロコシや小粒穀物の栽培における農業の炭素排出量を最大90%削減できることが示された。「これは変革をもたらすものです」とリース氏は言う。

この代替ゼロカーボン液体燃料の支持者たちは、グリーンアンモニアの普及範囲が農場をはるかに超えて拡大すると予測しています。彼らは、燃料としてのグリーンアンモニアの巨大な新市場が、最終的には地球上で既に膨大かつ増加している肥料としてのアンモニア需要を上回ると予測しています。2021年の国際エネルギー機関（IEA）の報告書は、2050年までに排出量ゼロを達成するには、水素ベースの燃料（アンモニアを含む）が輸送燃料のほぼ30%を占める必要があると予測しています。これは、現在のほぼゼロの割合です。この報告書は、自動車がバッテリーで、航空機がバイオ燃料で動くようになると予測していますが、アンモニアは現在世界の排出量の3%を占め、その削減に尽力している海運業界にとって不可欠なものとなるでしょう。

アンモニアは、再生可能エネルギー発電所からのエネルギーを貯蔵・輸送し、必要な時に必要な場所で電力を供給できる有力候補の一つでもあります。再生可能エネルギーを利用して非化石燃料からグリーンアンモニアを製造し、パイプラインまたは船舶で輸送し、アンモニアで稼働するようにカスタマイズされたタービンを備えた発電所で燃焼させるという構想です。バッテリーは効率的ですが、少量の電力を数時間または数日間貯蔵するのに最適です。2020年のオックスフォード・エネルギー研究所の報告書では、大規模で長期的なエネルギー貯蔵には液体アンモニアに勝るものはないと結論付けています。日本、オーストラリア、オランダ、イギリスなどの国々は、グリーンアンモニアを使用して再生可能エネルギーの余剰電力を貯蔵（および輸出）する国家計画を立てています。

オーストラリアのメルボルンにあるモナッシュ大学の化学者ダグラス・マクファーレン氏は、総じて、今後数十年でアンモニアの生産量が約100倍に増加すると予想している。

しかし、現状ではアンモニア生産は環境に優しいとは言えません。世界では現在、年間1億7500万トンという膨大な量のアンモニアを生産しており、そのほとんどは肥料用です。このアンモニア生産は、大量の温室効果ガスを排出する、エネルギー集約型の100年前の工業プロセスを用いています。この産業は世界の二酸化炭素排出量の約1～2%を占めており、地球上で最も汚染度の高い産業の一つとなっています。

アンモニアが世界の気候変動対策の一翼を担うためには、この状況を変える必要があります。このアンモニアをすべて環境に優しく、汚くないものにするのは、途方もない課題です。もちろん、風力や太陽光発電で生成されるアンモニアは、その再生可能エネルギーを利用して生産されます。しかし、燃料や肥料の需要を満たすには、それに加えてさらに多くの再生可能エネルギーが必要になります。アンモニア工場は生産システムを変更、あるいは再構築する必要が生じるでしょう。また、エンジンも新しい液体燃料で稼働するように再構成する必要があります。その過程で、生産者とユーザーはいくつかのハードルを乗り越えなければなりません。アンモニアは有毒であり、燃焼すると二酸化炭素よりもさらに強力な温室効果ガスを排出する可能性があり_ます。

「それは一夜にして起こることではありません」とマクファーレン氏は言う。

純粋な水素（H ₂）はかつて未来の燃料として大いに期待されていました。しかし、水素には課題があります。液体にするには約-250℃の極低温が必要で、気体のままでは高圧で貯蔵する必要があり、空気中では爆発するからです。一方、アンモニア（NH3）は液体のまま貯蔵しやすく、従来の化石燃料の約半分のエネルギー密度と、依然として強力なエネルギーを持っています。アンモニアは有毒ですが、世界には既にアンモニアの製造、貯蔵、輸送のための大規模なシステムがあります。「アンモニアはすべての要件を満たしています」と、アンモニアの利点を明らかにしたオランダのトゥエンテ大学の化学エンジニア、ジミー・ファリア氏は述べています。

アンモニアを製造する従来の安価な方法は、水蒸気を用いて天然ガスから水素を分離し（副産物として二酸化炭素を生成）、その水素を数百度の高圧下で空気中の窒素と反応させるというものです。この方法は、1900年代初頭に発明したノーベル賞受賞化学者にちなんでハーバー・ボッシュ法と呼ばれていますが、使用可能なアンモニア1トンあたり、通常_2トン近くの二酸化炭素が_大気中に排出されます。

アンモニア生産における排出量を大幅に削減する最も簡単な方法は、天然ガスの使用をやめ、再生可能エネルギー由来の電力で水を分解して水素を製造することです。ハーバー・ボッシュ法の残りの部分はこれまでと同じで、再生可能エネルギー電力で稼働します。ミネソタ州モリスにあるミネソタ大学西中央研究アウトリーチセンター内にある工場は、2013年の開設当初からこの方法を採用しており、現在多くの企業がこの方法を採用しようと計画しています。「これは非常にダイナミックな分野で、毎日新しいニュースが発表されています」とマクファーレン氏は言います。

2018年以降、英国と日本で風力発電によるグリーンアンモニアの実験プラントが稼働しています。米国では、現在世界最大のアンモニア生産者であるCFインダストリーズが、ルイジアナ州ドナルドソンビルに年間2万トンを生産する主力グリーンアンモニアプラントを2023年までに建設する計画です。オーストラリアでは、ヤラのピルバラ・アンモニアプラントが2022年末までに年間3,500トンのグリーンアンモニア生産を目指しており、2030年までに50倍に拡大する予定です。現在計画されている最大のプロジェクトはサウジアラビアで計画されており、2025年に開設予定のプラントは年間120万トンのグリーンアンモニア生産を目指しています。マクファーレン氏によると、これらのプラントは大量のエネルギーを消費するため、専用の風力発電所や太陽光発電所からの電力供給が必要です。

活発な活動にもかかわらず、これは現在世界で生産されている年間1億7500万トンのアンモニアのほんの一部に過ぎません。世界の生産量を100倍にするには、約100億トン規模のプラントが必要になります。ファリア氏によると、このような拡張には、アンモニアの漏洩事故や、グリーン水素の原料となる水を製造するために必要な淡水化の副産物である高濃度塩による環境汚染など、リスクが伴います。

ファリア氏によると、既存の技術を用いれば、このようなスケールアップは「実現可能」だが、コストがかかる。オックスフォード大学の報告書によると、現在、米国の大規模プラントで化石燃料を用いて製造されるアンモニアは、電気で製造されるアンモニアよりも73%安価である。ファリア氏は、コストは地域の電力価格に大きく左右され、市場は急速に変化していると指摘する。

ファリア氏によると、風力と太陽光発電のコストは「ここ7年ほどで劇的に」低下した。最終的にはグリーン水素は、汚染物質と同等かそれ以下になるだろうと彼は言うが、問題はそれがいつになるかだ。ミネソタ大学でリース氏と共に研究する化学エンジニア、プロドロモス・ダウティディス氏は、グリーンアンモニアを十分なスピードと規模で普及させるには、グリーン水素への補助金支給と規模の経済促進のための政府政策が必要になるだろうと指摘する。それまでは、アンモニアを燃料として利用したいと考えている海運などの産業が、最終的に「汚染」アンモニアを電力に使用し、ある産業（海運）から別の産業（アンモニア生産）へと排出を移行するだけになってしまう危険性がある。

一方、生産技術も進歩するだろう。ハーバー・ボッシュ法の改良は容易ではない。確立された効率的な技術だとダウティディス氏は言う。しかし、まだ改善の余地はある。リース氏と共同研究者たちは、米国エネルギー省から1,000万ドルの資金を確保し、2つの革新技術を試験するパイロットプラントを建設した。1つは改良された新型触媒、もう1つはプロセスの最後にアンモニアを取り出すための吸収塩だ。これらの要素によって、資本コストと高圧の必要性が低減されると彼らは期待している。

マクファーレン氏は、さらに劇的な変化に賭けている。水素源を交換したり、細部をいじくり回したりするだけでなく、全く新しいアンモニア製造方法を構想している。水素を原料として作ることなく、電気化学セルで直接アンモニアを生成するというアイデアだ。このいわゆる「第3世代」技術は、長年の研究を経てもなお、化学の難問を解くのが困難であることが証明されている。「これはまだ非常に難しい課題です」とファリア氏は語る。マクファーレン氏はスタートアップ企業ジュピター・アイオニクスを設立し、リチウム電池に似た電解質を使ったセルでこの課題の解決を目指している。

ハーバー・ボッシュ社のプラントとは異なり、こうした電気化学システムは小型で、オン・オフも容易だ。輸送コンテナほどの大きさのシステムで、1日に1トンのグリーンアンモニアを製造できるとマクファーレン氏は言う。これは、アフリカの辺鄙な町や、例えば風力豊かなカリブ海のキュラソー島のような場所では、画期的な出来事となる可能性があるとファリア氏は言う。こうした地域では、燃料の輸入が高価であったり、物流が困難だったりする。また、肥料も高価だ。現地生産すれば、孤立した農場や村に食料や燃料を供給できるだろう。しかし、多くの化学者は、マクファーレン氏ほど経済的に、近い将来にこれが実現できるかどうか懐疑的だ。「これらの技術は非常に有望ですが、まだ初期段階です」とダウティディス氏は言う。「疑問符が付くだけです」。

グリーンアンモニアが製造されたら、それを燃焼エンジンで燃やして船舶の動力源にしたり、発電所のタービンを駆動したりするなど、それを使用するためのシステムも整備する必要があります。

これは新しいアイデアでもなければ、新しい技術でもありません。アンモニア燃料の内燃機関は1800年代から存在し、石油不足が問題となった第二次世界大戦中には一時的に人気を博しました。しかし、化石燃料はより安価で扱いやすいことが証明されました。

アンモニアは化石燃料よりも燃焼速度が遅く、着火しにくいため、ほとんどのアンモニアエンジンは始動するために軽油または水素を少量必要とします。エンジンから未燃焼のアンモニアが漏れると、有毒となる可能性があります。また、アンモニアエンジンは窒素酸化物（これも強力な温室効果ガス）を生成する傾向があります。しかし、この問題は触媒コンバーターによって解決できます。「実現は可能です」とファリア氏はクリーンなアンモニアを燃料とするエンジンについて語ります。「私たちは、比較的成熟した技術の荒削りな部分を磨くことを話しているのです。」

ドイツのMAN Energy SolutionやスイスのWinGDといった大手エンジンメーカーは現在、アンモニア燃料エンジンや、古いエンジンを改造してアンモニアで稼働させるキットを開発しており、最初の製品は2024年に船舶に搭載される予定です。一方、スタートアップ企業もこの分野に参入しています。ミネソタ州では、リース氏の同僚であるウィリアム・ノースロップ氏が1か月前にアザ・パワー・システムズを設立し、独自のアンモニア燃料エンジン技術を商業化しました。

発電会社もまた、アンモニアを燃料とするタービンを開発し、発電に利用しています。電気で水素を作り、その水素でアンモニアを作り、アンモニアを輸送し、再び電気に変換するというのは、一見無謀に思えるかもしれません。ファリア氏によると、最終的に得られる電気はわずか20～30%程度で、バッテリーの効率は98%にも達します。しかし、エネルギーを容易に貯蔵・輸送できるというメリットは、この問題を凌駕するほど大きいと彼は言います。

今後どのような方向に進むにせよ、グリーンアンモニア市場は急速に拡大するとの観測が広がっています。アンモニアがあらゆる問題に最適な解決策となるわけではないことは確かですが、IEAの報告書などの研究によると、バイオ燃料や水素と並んで、ネットゼロ達成において重要な役割を果たす可能性があります。炭素価格が上昇するにつれて、グリーンアンモニアが王者となるとファリア氏は予測しています。「アンモニアはおそらく液体燃料の未来を担うでしょう。」

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