エネルギー
稲妻のようなプラズマでグリーンアンモニアを手頃にする
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グリーンアンモニア経済への道
アンモニア（NH3）は、石油やその他の化石燃料から作られる液体燃料の代替候補として大きな可能性があると考えられています。これは、大気中の窒素（N2）という非常に豊富な資源を利用して作られ、必ずしも石油やメタンを必要としないためです。
アンモニアは重要な肥料であるため、その生産は現在化学産業の大部分を占めており、世界で2番目に大量生産されている化学品となっています。
アンモニアは現在、主にハーバー・ボッシュ法で生産されており、窒素と水素を結合させてアンモニアを生成し、高圧・高温を使用するため、エネルギー集約的です。
しかし、この水素の供給源はアンモニア生産の汚染度に影響します。現在、アンモニア生産に使用される水素の大部分は化石燃料から供給されており、アンモニアが世界の二酸化炭素排出量の1.3％を占める原因となっている
理想的には、アンモニア経済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に依存します。これは、他の種類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：化石燃料から生産される。
- ブルーアンモニア：化石燃料から生産されるが、炭素回収が行われる。
- ピンクアンモニア（時にはイエローアンモニアとも呼ばれる）：原子力エネルギーから生産される。
- ターコイズアンモニア：メタンの熱分解から生成され、メタンを水素と固体炭素に分解し、水素は後にアンモニアに変換されます。固体炭素は貯蔵または炭素繊維などの用途に利用できます。
アンモニアが主にグリーンアンモニアでない限り、輸送や産業で化石燃料の代替として使用しても、化石燃料が消費される場所を変えるだけで実質的な意味はありません。
「産業界のアンモニアへの需要は拡大し続けています。過去10年間、我々の研究室を含む世界の科学コミュニティは、化石燃料に依存しないより持続可能なアンモニア生産方法の解明を目指しています。」PJ Cullen – シドニー大学 の教授 および Net Zero Institute
このため、100年以上続くハーバー・ボッシュ法から脱却し、アンモニアの生産方法を根本的に変える新たな発見は、ゲームチェンジャーとなり得ます。
このようなイノベーションは、オーストラリアのシドニー大学と中国の浙江大学の研究者によって、プラズマを用いて空気から窒素を生成することで実現された可能性があります。彼らはその結果を Angewandte Chemie1 に「プラズマ駆動型空気からアンモニアへの変換のための多機能酸素空孔の制御」というタイトルで掲載しました。
なぜアンモニアか？
アンモニアが本質的に変換された水素であるなら、なぜ直接水素を使用しないのでしょうか？
水素との違いは、アンモニアはH2よりはるかに大きな分子で、はるかに安定していることです。これにより輸送と貯蔵が格段に容易になります。また、アンモニアは液体水素に比べて約50％高いエネルギー密度を持ちます。
このエネルギー密度と容易な貯蔵性により、アンモニアは特にエネルギーを大量に消費する長距離輸送、例えば海運において、輸送用途の有力な候補となります。これは、私たちが「グリーンアンモニアによる世界的な海運航路の脱炭素化」で詳細に議論した内容です。
また、アンモニアは1年または数か月単位の貯蔵に適した候補でもあり、太陽光エネルギーの夏季や風力が強い週の余剰を利用して余剰アンモニアを生成し、冬季や風が弱い季節に消費することで、再生可能エネルギーに依存した電力網のバランス調整という長年の課題に対処できます。
アンモニア生産における課題
アンモニア生産がハーバー・ボッシュ法に依存している限り、より環境に優しい燃料への転換には時間がかかるでしょう。
主な理由は、グリーン水素の生産が複雑で高コストであり、しばしばプラチナなどの希少金属が必要になることです、ナノテクノロジーの進展により、代わりにニッケルナノロッドを使用するなど、状況は変わる可能性が高い。
もう一つの理由は、水素でアンモニアを生産することが多段階プロセスであり、各段階で資本投資が必要となり、全体のエネルギー収率が低下することです：
- まず、太陽光、風力、または水力技術でグリーンエネルギーを生成する必要があります。
- その電力は電解装置へ輸送され、水素が生成されます。
- 生成された水素はアンモニア生産に使用されます。
| 方法 | エネルギー源 | 主な利点 | CO₂排出量 |
|---|---|---|---|
| グレー/ブラウンアンモニア | 化石燃料 | 低コスト、確立済み | 高 |
| ブルーアンモニア | 化石燃料 + CCUS | 排出量低減 | 中 |
| グリーンアンモニア | 再生可能エネルギー | 化石燃料入力ゼロ | ほぼゼロ |
| プラズマ駆動アンモニア | 電力（プラズマ） | 分散型、効率的 | 低 |
グリーンエネルギーは一般に間欠的で分散型であるため、集中型の水素・アンモニア生産が必要となり、追加コストが発生します。
「現在、アンモニアの生成には集中型の生産と製品の長距離輸送が必要です。低コストで分散型かつスケーラブルな『グリーンアンモニア』が求められています」PJ Cullen – シドニー大学 の教授 および Net Zero Institute
非熱プラズマがグリーンアンモニアを革命的に変える方法
非熱プラズマとは何か？
ハーバー・ボッシュ法以外にもアンモニアを生成する方法があります。基本的な考え方は、電気を用いて窒素を酸化し、その後水素原子を付加して窒素還元反応（eNRR）を行うことです。
しかし、これらの方法は窒素の溶解度が低く、水を含む溶液中で不要な副反応が起こりやすいという制約があります。そのため、非熱プラズマ（NTP）が代わりに検討されており、NTPは化学的還元よりも酸化反応に適しています。
生成された硝酸塩（NO₃⁻）および亜硝酸塩（NO₂⁻）は、水中での溶解度がN₂の約40,000倍です。
これらの方法は有望ですが、空気から窒素と酸素を抽出し純化する必要があり、コストが増加します。
そのため、空気を直接活性化してNOxを生成し、得られたNOx中間体を電気化学的に還元してNH₄⁺に変換するアプローチが魅力的です。
銅-鉄触媒
研究者は銅（P-Cu）のナノグリッドを使用し、酸素プラズマ雰囲気で欠陥（CuₓO/Cu）とO⁻イオン、O原子、O₃（オゾン）分子などの高反応性種を生成しました。これらの活性酸素種は銅と相互作用し、表面酸化を引き起こします。
その後、鉄原子を添加することで、表面に安定したFe–O–Cu橋結合が形成されました。
エネルギー分散型X線分光法（EDS）を用いて、研究者はこのプロセスで形成された高度に複雑な結晶構造を調査しました。極小の棒状構造と複雑な構造が材料の表面積を増大させ、触媒性能を向上させました。
アンモニアの電気触媒作用
Fe₂O₃ NPs/Cu が陰極として使用され、窒素と水からアンモニアを生成し、窒素の酸化と水の電解による水素生成を直接制御しました。
試験により、銅上にFe₂O₃を導入することで電気触媒活性が効果的に向上することが確認されました。
彼らはアンモニア生成の詳細を分析し、実際には非常に高速で進行する複雑で多層的な化学反応であり、NO₂がNH₃に変換されることを確認しました。
さらに重要なのは、反応が300 mAでほぼ100％のファラデー効率を示したことで、使用された電力の大部分が化学エネルギーに変換され、従来の水電解（水素生成）と窒素からアンモニアへの変換という複数段階に比べて、桁違いに効率的であることを示しています。
「この新しいアプローチは、プラズマと電解を組み合わせた二段階プロセスです。プラズマ部品はエネルギー効率とスケーラビリティの面で実用化可能であることがすでに示されています」PJ Cullen – シドニー大学 の教授 および Net Zero Institute
今後の展望
全体として、この手法はハーバー・ボッシュ法を完全に回避できる別のアンモニア生産経路が存在し、最初にグリーン水素を別途生産する必要性もなくなることを示しています。
これは、以前のバージョン（鉄の代わりに銅-パラジウム触媒を使用する必要があり、パラジウムは高価な金属でした）と比較しても改善されています。
本研究は主に、未浄化・未精製の空気から直接窒素を酸化するための高効率触媒の開発に焦点を当てました。
経済的に実用化するためには、水素を生成する電解装置の性能向上が必要です。幸い、非従来触媒を用いた水素生成や自己最適化触媒に関する進展が見られます。
したがって、中期的には、銅と鉄を用いたプラズマによる直接窒素酸化と、同様に安価な金属を用いた水電解など、さまざまな技術を組み合わせた商業用アンモニア生産装置が登場すると予想されます。
これらの装置はグリーンエネルギーの発電拠点に直接設置でき、生成されたアンモニアは比較的安価なタンク（水素に比べて）に貯蔵され、パイプライン、トラック、タンカーで輸送されます。
このような設計から最も恩恵を受けるのは、グリーンエネルギーの発電、アンモニア生産、アンモニア輸送を垂直統合できる企業である可能性が高いです。
アンモニア企業
Aker Horizons ASA (AKH.OL)
Aker Horizonsは、グリーンエネルギーに焦点を当てたAkerグループの子会社です。同グループは再生可能エネルギーと海洋/オフショア事業に注力する大手ノルウェーのコングロマリットです。
出典: Aker
Aker Horizonsは、グリーン水素、陸上・海上風力発電所、太陽光発電所など複数の子会社を持つ持株会社です。その中には、南アフリカ（12.3GW）やその他の国（アジア、南米、ヨーロッパ）で20.4GWの再生可能エネルギーを開発中のユーティリティ企業Mainstream Renewable Powerが含まれます。
同社は特に水素とグリーンアンモニアの生成に積極的で、北極航路の脱炭素化を目標とし、データセンターからの関心も集めています。
出典: Aker
Akerは純粋なグリーンアンモニア企業ではありませんが、オフショア風力から水素生成（現在は）そしてグリーンアンモニア生産まで、グリーンアンモニアの全垂直統合を担うことができます。また、フランスでの廃棄物エネルギー化、ドイツでのバイオマスプラント、そして中東（サウジアラビアとUAE）での炭素回収プロジェクトにも取り組んでいます。
2025年5月、Akerはグリーンエネルギー部門の低価格により一部再編を検討しています、実質的に炭素回収事業を完全に再取得し、AKH Holding（Mainstream Renewable Power と Narvik グリーンアンモニアプロジェクト）をAker Horizonに再統合することを目指しています。
出典: Aker
このため、グリーンエネルギー全体への長期的なエクスポージャーを求める投資家にとって、グリーンアンモニアだけでなく他のグリーンエネルギーにも強いポジションを持ち、北米株からの地理的分散も提供する優良株と言えます。
参照研究
1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) プラズマ駆動型空気からアンモニアへの変換のための多機能酸素空孔の制御。 Angewandte Chemie. 22 2025年4月 https://doi.org/10.1002/anie.202508240
