エネルギー

アンモニア生産は環境に甚大な悪影響を及ぼす – エンジニアが新たにクリーンな方法を開発

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アンモニア: 汚染物質からグリーン代替へ

アンモニアは、船舶、トラック輸送、長期エネルギー貯蔵など、電化が難しい用途において化石燃料の代替として議論されてきました。また、水素を安全に輸送し、燃料電池で利用するための中間ステップとしても提案されています。

通常、アンモニアの製造は水素と窒素ガスを高圧・高温下で組み合わせるハーバー・ボッシュ法と呼ばれるプロセスに依存しています。残念ながら、この方法は汚染が大きく、エネルギー効率もあまり良くありません。

代わりに、イリノイ大学、テキサス・テック大学、そしてGeneral Ammonia Companyの研究者らは、エタノールと帯電リチウム電極を利用した新しいアンモニア製造法を最適化しました。

これは彼らにとって初めてのブレークスルーではなく、以前にも電気触媒スクリーン（銅メッシュ）を用いたアンモニア生成や、「ソーラー・トゥ・フューエル」アンモニアジェネレーターの研究も行っています。

グリーンアンモニア生産のためのリチウム「シンフォニー」

新しいアンモニア製造法は、窒素ガスとエタノールなどの水素供与体を帯電リチウム電極と組み合わせて行います。

この「リチウム媒介アンモニア合成」（LiMAS）は、以下の3つの連続ステップで機能します:

  1. 最初に、Li+電極析出と呼ばれるステップです。電流の振盪を用いて高品質な固体電解質界面（SEI）と電圧安定性を確保します。
  2. 次に、窒素分子がリチウムに付着するリチウム窒化プロセスが起こります。
  3. 最後に、Li3Nのプロトリシスが水素原子を窒素に付加し、アンモニア（NH3）を生成します。

 

研究者らはこのプロセスを「シンフォニー」と表現しています。各ステップが調整され、プロセスが効率的に保たれ、次の化学反応ループへと材料が循環するからです。

「2つのループが存在します。1つは水素供給源の再生、もう1つはリチウムの再生です。この反応にはシンフォニーがあり、循環プロセスによるものです。

私たちが行ったのは、このシンフォニーをより良く理解し、非常に効率的な方法で調整し、共鳴を生み出して反応速度を上げることです。」 – Singh, イリノイ大学化学工学准教授。

電極析出ステップは本研究での最も重要なイノベーションであり、NH3の選択性を大幅に向上させます。

さらに、アンモニア生成効率を高める2つの要因が見つかりました:

  • 窒素ガスの圧力を最大20バールまで上げる。
  • アルコールを水素供給源として使用する。
    • 1-ブタノールが最も高い収率を示す水素供与体です。
    • 水はこれまで科学界で信じられていたほど効率的な水素供与体ではありません。

これらの知見により、高圧LiMAS（「リチウム媒介アンモニア合成」）は低圧LiMASおよびハーバー・ボッシュ反応の両方よりも生産性が高くなります。

出典: UIC Today

アンモニア生産に伴う問題点

グリーンアンモニア

アンモニア生産は、経済全体の脱炭素化と水素経済の構築において重要なステップになる可能性があることを前述しました。この点は、当記事「グリーンアンモニアによる世界的航路の脱炭素化」でも取り上げました。

特に、プロセスがグリーンエネルギー（グリーン水素を含む）で駆動される場合に、他の形態のアンモニアよりも環境に優しいと言えます。

これにより、グリーンアンモニアは他のタイプのアンモニアと区別されます:

  • グレー/ブラウンアンモニア: 化石燃料から製造。
  • ブルーアンモニア: 化石燃料から製造するが、炭素回収を伴う。
  • ピンクアンモニア（別名イエローアンモニア）: 原子力エネルギーから製造。
  • ターコイズアンモニア: メタンの熱分解から生成。メタンを水素と固体炭素に分解し、後者は炭素繊維などの用途に利用できる。

現在、ほとんどのアンモニアは肥料製造や化学産業（染料、爆薬など）向けに生産されており、主に化石燃料、特に天然ガスを使用しています。

その結果、アンモニアは産業プロセスの中で二酸化炭素排出量がセメントに次いで第2位となり、全炭素排出量の1.5％を占めています。

ハーバー・ボッシュ法で必要とされる高温は、アンモニア生産のエネルギーコスト削減に寄与せず、エネルギー自体もしばしば化石燃料（高炭素排出の石炭など）から供給されます。

LiMASの産業化

リチウムは最安材料ではありませんが、極端に高価でもなく、高圧LiMASでのアンモニア生成に消費されることもありません。

したがって、エネルギー効率の高さと相まって、この手法は低コストのアンモニア供給源となります。

イリノイ大学の研究者は、スケールアップすれば経済的に実行可能と見積もっています

「このプロセスはトン当たり456ドルでアンモニアを生産でき、従来のリチウムベースの手法や他の提案されたグリーン手法よりも60％安価です。」

シン氏（イリノイ大学化学工学准教授）。

このコストは、例えばFuel Positiveのコンテナ型アンモニア生成システム（CA$560/トン）や、AmmPowerのモジュラーアンモニアシステム（電力コストだけでトン当たり360ドル）と同等の範囲に入ります。

（本記事「他の水素燃料 – トップ5グリーンアンモニア株」でこれら2社と他社を取り上げています）

トン当たり456ドルは、現在化石燃料ベースの生産が主流である世界各地域のアンモニア価格とも概ね一致します。

アンモニア価格は、天然ガス価格が上昇した2022年のウクライナ戦争開始時のように、激しく変動します。

科学者たちはすでにGeneral Ammonia Co.と提携し、リチウム媒介アンモニア合成プロセスのパイロットとスケールアップを進めています。シカゴ地域にパイロットプラントが建設され、イリノイ大学技術移転オフィスはこのプロセスに関する特許を出願しました。

グリーンアンモニア企業

1. General Ammonia Company

イリノイ大学の研究者と提携している同社は上場していませんが、「積極的に投資を募集しています」。

認定投資家は直接コンタクトを取り、同社および高圧LiMASパイロットプラントへの投資条件について協議できる可能性があります。

2. NitroVolt

NitroVoltはLiMASを用いたアンモニア製造を目指す別の企業で、リチウム媒介アンモニア合成プロセスに関する特許出願中です。

出典: NitroVolt

デンマークの同社は、独自のフローセルシステムとLiMASプロセスを組み合わせ、連続的で高効率な反応を実現しています。

同社の研究は権威ある学術誌に掲載されており、主なものは以下の通りです:

出典: NitroVolt

同社は2024年3月6日にVCファームBackingMindsから初回投資を受けました。

3. FuelPositive Corporation (NHHHF)

FuelPositiveはモジュラー/コンテナ型のグリーンアンモニア生成システムを開発しました。最初のターゲットは農業分野で、現地で生成したエネルギーを用いてオンサイトでアンモニアを生産できます。このシステムは1日最大300kg、年間100トンのアンモニアをCA$950,000で生成可能です。

これにより、最大1,800エーカーの農場に適したシステムとなります。太陽光パネルで覆われた1.5エーカーの土地だけで、アンモニア生成に必要な電力を賄えます。

出典: Fuel Positive

FuelPositiveはシステムがCA$560/トンでアンモニアを生産できると主張しています、

このスタートアップはまだ初期段階で、2025年に本格的な生産を開始し、現在までに30件の注文が確定しており、最初の納品は2024年3月を予定しています。

FuelPositiveの最大の強みは技術のモジュール化にあり、分散型アプローチと標準化された大量生産が可能です。

同社は Cipher Neutronと提携しており、プラチナ族金属を使用しない水素生成が可能です。

LiMAS手法を用いたアンモニア生成のライセンスや使用に関する類似の提携も構築できるでしょう。FuelPositiveの強みは独自のアンモニア生成技術よりもモジュラー設計にあります。

主な焦点は肥料生産ですが、アンモニアは現地で生成したエネルギーで農業用エンジンを駆動する燃料としても利用可能です。採用速度次第で水素・アンモニア駆動の農業機械が普及する可能性があります。

FuelPositiveの分散型・モジュラーシステムは、将来のアンモニアエコノミーにおいて重要な要素となり得ます。肥料市場は、同社が水素・アンモニアの利用が広がるまで成長できるギャップを提供します。

4. AmmPower Corp. (AMMPF)

AmmPowerはFuelPositiveと同様にモジュラーアンモニア生成システムを提供しますが、規模はより大きく、基本モジュールは1日4トンを生産可能です。これにより、10,000エーカー以上の大規模農場や繊維、冷凍、鉱業、医薬品、半導体などの産業向けに適しています。

出典: AmmPower

同社は現在、受注リストを構築中で、短期的な受注見込みは3,000万ドル、52か国から690台の販売見込みがあります。

電力コストはアンモニア1トンあたり約360ドルと見積もられています。

モジュラー設計により、従来の3〜4年かかるプロジェクトに比べ、1年未満での導入と納品が可能です。

同社はCTEC Energy Sales USAとの合弁で廃棄物をアンモニアに変換する技術の開発にも取り組んでいます。

他のパートナーシップにより、LiMASアンモニアプロセスをモジュラー設計に統合することも検討できます。

さらに、アンモニアを水素に分解する専用子会社を設立し、別途追加資金を調達する計画です。

産業用途や大規模農場に適した規模を実現することで、AmmPowerは資本へのアクセスが深いクライアントや企業を対象としています。

アンモニア分解技術と組み合わせることで、政策が水素をエネルギーキャリアとして推進する方向に合わせ、迅速に規模拡大できる可能性があります。

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ジョナサンは元生化学研究者で、遺伝子解析と臨床試験に従事していました。現在は株式アナリスト兼ファイナンスライターとして、イノベーション、市場サイクル、地政学に焦点を当て、彼の出版物『The Eurasian Century』で執筆しています。