サステナビリティ
雷にインスパイアされたプラズマ電気化学リアクターが、ゼロカーボンフットプリントで私たちのアンモニア需要を解決できるかもしれない
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アンモニア経済への道を探す
再生可能エネルギーが進展するにつれ、いくつかの制約がより明確になってきています。再生可能エネルギーの間欠性はエネルギー貯蔵を必要とし、バッテリーがその一例です。私たちは記事「The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech」でこれを検討しました。
しかし、エネルギー消費の形態の中には電化が非常に困難なものがあります。例えば、長距離の海上輸送や航空貨物です。
これらの用途では、密度の高い液体燃料が好まれ、航空輸送においては最も現実的な選択肢と考えられます。そのため、化石燃料の代替としてアンモニアが固体代替物として検討されています。アンモニアは肥料や爆薬などの化学製品の製造にも重要な化合物です。
現在、アンモニアは世界のエネルギー消費と炭素排出の1.8%を占めており、これは輸送に利用する前の数字です。現在はメタンを燃焼させていわゆるグレーアンモニアが生産されています。より良い代替は、再生可能エネルギーから生成されるいわゆるグリーンアンモニアです。
問題は、現時点ではグリーンアンモニアは石油ベースの燃料やグレーアンモニアに比べてはるかに高価であることです。大きな要因は、アンモニアが水素を使用して製造されることであり、水素自体の電解による製造コストが高いことにあります。
リチウム媒介触媒のような代替手段も可能であり、コスト面で有望ですが、まだ十分に安価とは言えないかもしれません。
しかし、ニューヨーク州バッファロー州立大学とニュージーランドのオークランド大学の研究者によれば、水素の代替手段があるかもしれません。彼らは最近、Journal of the American Chemical Society に「Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis」というタイトルで、プラズマを用いたアンモニア生成に関する研究成果を発表しました。
アンモニア生産への多様な道筋
窒素（N2）は地球上に非常に豊富に存在し、大気の78%を占めています。しかし、植物や化学物質として利用するには、アンモニア（NH3）や硝酸塩（NO3）の形にする必要があります。窒素原子に水素原子を付加するには非常にエネルギー集約的なプロセスが必要です。
その一つの方法は、窒素固定バクテリアと呼ばれる特殊な細菌を利用することです。これは世界的に年間100〜300テラグラムの窒素を供給する最大の自然源ですが、集中的な農業には一般的に不足しています。
前述の通り、もう一つは水素（H2）を使用する方法ですが、グリーン水素の製造は高コストです。
しかし、自然界で時折起こる第三の方法があります。雷が落ちると、強い電流がN2を分解し、さまざまな窒素酸化物を生成します。
出典: Britannica
自然界では、これらの窒素酸化物は細菌によってアンモニアに変換されます。これは自然のアンモニア生成のごく一部で、3〜10テラグラムの範囲です。これは水素を全く使用せずに人工的に再現できる可能性があります。
人工プラズマが雷に取って代わる
研究者は空気をプラズマリアクターに注入しました。このリアクターは電極とガラス管を備えた容器です。プラズマ放電は雷の効果を再現し、反応室内に複雑な窒素酸化物混合物を生成します。
出典: ACS Publication
これらの混合ガスは、銅-パラジウム合金で構成されたフォーム状の触媒リアクターに送られます。この触媒は、残留空気中の窒素酸化物をまず吸着し、自然界で細菌が酸化物をアンモニアに変換する役割を代替します。
触媒の微調整
窒素酸化物をアンモニアに変換する第二段階は決して簡単ではありません。
“プラズマエネルギーや雷が窒素を活性化すると、窒素酸化物化合物のスープが生成されます。我々の場合、最大で8種類の異なる化学化合物を同時にアンモニアに変換することは非常に困難です。”
Xiaoli Ge – バッファロー大学のポストドクトラル研究員
つまり、酸化物をアンモニアに変換するために必要なのは8つの化学反応だけでなく、はるかに多くの中間段階があり、それぞれがボトルネックとなりシステム全体の効率を低下させる可能性があります。
また、窒素酸化物はある程度汚染性があるため、大規模にこの方法でアンモニアを生産する場合、残留窒素酸化物をできるだけ少なくする必要があります。
So, the researchers had to create a series of bimetallic catalysts that were then fine-tuned to target “the optimal adsorption and conversion of the limiting intermediate in the NOx-to-NH3 pathway”.
彼らはグラフ理論と呼ばれる数学的手法を用いて、すべての異なる反応経路をマッピングしました。これにより、最初からボトルネックがどこにあるか、変換効率をどのように改善できるかを特定できました。
その結果、ほとんどの窒素酸化物化合物は硝酸一酸化窒素またはアミンを中間段階として循環しなければアンモニアにならないことが分かりました。そこで、これら二つの化合物と好適に結合する触媒を開発しました。
スケールアップ
最終設計では、アンモニア生成速度が81.2 mg/h/cm2に達しました。プラズマチャンバーと銅-パラジウム触媒は、電流2アンペアで1,000時間以上の稼働後も安定していました。
研究チームは現在、実験リアクターの次のスケールアップ段階を検討しており、スタートアップとしての展開や産業パートナーへの技術ライセンスを視野に入れています。バッファロー大学はこのリアクターに関して特許出願も行っています。
- プラズマ生成が完全に電力で駆動されるため、100%グリーンエネルギーで稼働させることが可能です。
- 中規模のコンテナに組み込み、太陽光パネルと接続できるため、現在のアンモニアプラントのような大規模設備を必要としません。
- 触媒科学のさらなる進展はシステムコストの削減に寄与し、特に太陽光などのグリーンエネルギーコストの継続的な低下とも相乗効果が期待できます。
“私たちのリアクターは、屋根に太陽光パネルを備えた中規模の輸送コンテナのような形を想像できます。これにより、世界中のどこにでも設置でき、その地域の需要に応じてアンモニアを生成できます。
これは私たちのシステムの非常にエキサイティングな利点であり、ハーバー・ボッシュプロセスへのアクセスが限られた発展途上地域でもアンモニアを生産できるようになります。”
Chris Li – 化学助教授
将来的には、パラジウムのような高価な金属を必要としない、適切なバクテリアを含むバイオリアクターなどの他の選択肢を検討することも可能ですが、アンモニアを世界的な燃料源にするために必要な大量生産規模に拡大するのは困難かもしれません。
アンモニアへの投資
私たちは以前の記事で、いくつかのグリーンアンモニア投資の可能性とその背後にある科学について取り上げました。特に「The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks」および「Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia」です。
しかし、この新しいプラズマベースのアンモニア生産プロセスの出現に関しては、投資対象としては、研究者が使用した触媒の大量供給が必要になるため、パラジウム採掘企業がより関連性の高い銘柄となる可能性があります。
パラジウムは2023年に主にロシアと南アフリカで生産され、次いでカナダとジンバブエが続きました。
出典: Statista
もちろん、パラジウムへの直接投資として、コインや金属バーの形での購入も貴金属バロン販売業者から可能です。
出典: US State Mint
パラジウム価格は過去数年で非常に変動が激しく、ウクライナ戦争とロシア供給の重要性が原因で大幅な価格上昇がありました。その後、価格は再び下落しています。
出典: Investing.com
1. Sibanye Stillwater Limited
パラジウムとプラチナに特化した企業の中で圧倒的に最大規模を誇るSibanye Stillwaterは、業界のリーダーです。また、世界最大のロジウム生産者でもあります。
SBSW 価格チャート
これらの金属に加えて、イリジウムやルテニウムなど他のプラチナ族金属も生産しています。これは、プラチナ族金属（PGM）が同じ鉱石に共に存在し採掘されることが多いためです。
2024年9月、Sibanye Stillwaterはモンタナ・スティルウォーター鉱山を再編成すると発表し、コスト削減のために同鉱山の生産量を45%削減しました。この鉱山はプラチナよりもパラジウムが多く含まれており、パラジウム価格の低迷に苦しんでいます。
これにより、4億3500万ドルの減損費用が計上され、2024年上半期に同社は損失を記録しました。
このことは、パラジウムがプラズマでアンモニアを大量生産するための「エネルギーメタル」として重要になる場合に、同社が価値ある休止資産となることを意味します。
また、現在の価格はほとんどのプラチナが豊富な地域の生産コストをカバーするだけで、業界が鉱山閉鎖に向かう前の底値となっています。
Sibanye Stillwaterは現在、純粋なPGM採掘企業から金およびバッテリーメタル市場へ多角化しており、特にフィンランドでのリチウム採掘プロジェクトに注力しています。
同社は南アフリカのBeisaウランプロジェクトでウラン採掘にも関与しています。最近、Neo Energyにウランプロジェクトを売却し、代わりにNeo Energyの株式40%を取得し、ウラン販売全体に対して1ポンドあたり最大5ドルのロイヤリティを受け取ります（ウラン現物価格に応じて）。
“Beatrix 4掘削井戸とBeisaウランプロジェクトの売却は、Sibanye-Stillwaterがウラン資産から価値を引き出す戦略に沿ったものです。” Neal Froneman – Sibanye-Stillwater最高経営責任者
全体として、Sibanye-Stillwaterは世界最大の国際的なPGM採掘企業であり、株主は輸送燃料として水素やアンモニアに転換するエネルギーセクターから大きな利益を得ることができます。これは、ほぼすべての関連技術が水素電解、アンモニア生成、燃料電池にプラチナ、パラジウム、ロジウムといった特殊金属を必要とするためです。
同社はリチウムからウランまで低炭素エネルギー分野へも拡大しており、再生可能エネルギーと水素/アンモニアで駆動するグリーン経済への転換から最も恩恵を受ける可能性が高い鉱山会社の一つです。
研究参考文献：
1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). プラズマ電気化学アンモニア合成における混合NOxHy反応物の反応経路制御. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858
