アンモニア発電とは？
クリーンな次世代エネルギーのメリットや導入への課題を解説

アンモニア発電とは、アンモニアを燃料として発電する方法です。従来の火力発電では、化石燃料を燃焼する際にCO2（二酸化炭素）を排出しますが、アンモニアを燃料として活用すると燃焼時に生じるCO2を抑制できるため、近年、日本では普及に向けた取り組みが行われています。

そもそもアンモニアは、昔から肥料として利用されている物質です。現在も化学的に合成されたアンモニアの大半が、肥料の原料として利用されています。

アンモニアの分子式は「NH3」であるとおり水素（H）と窒素（N）で構成され、燃焼時にCO2を排出しません。そのため、クリーンな燃料として発電分野から産業分野、輸送分野まで幅広い用途が期待されています。

なお、アンモニアと同様、燃焼時にCO2を排出しない燃料として水素も注目されていますが、アンモニアのほうが水素より貯蔵や運搬面で容易であるという特徴があります。アンモニアは、水素と並ぶエネルギーとしての普及も期待される状況です。

アンモニア燃料についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事：アンモニア燃料とは？メリット・デメリットや研究開発が進む利用方法を解説

現在、日本国内での発電方法は、安定した電力を供給できる火力発電が主流であり、火力発電は日本国内のCO2総排出量の約4割を占めています。

しかし、火力発電では特に石炭を燃焼する際のCO2排出量が多く、環境への影響が大きい点が問題です。日本では2050年カーボンニュートラルの実現に向け、脱炭素化への取り組みを促進している状況のため、発電分野のCO2削減が不可欠です。

こうした背景のなか、アンモニアは単体で燃焼するだけでなく、石炭などに混ぜて利用することもできるため、石炭火力発電からアンモニア発電への移行ができればCO2排出量の抑制に期待できます。
 

現在、アンモニア発電には大きく「混焼」と「燃料電池」の2つの方式があります。以下では、それぞれの仕組みや特徴を紹介します。
 

混焼とは、複数の燃料を混ぜて燃焼させる発電方法です。石炭などとアンモニアを混ぜて利用することでCO2排出量を削減できます。

この方法では、既存の火力発電設備を一部改修して活用できるため、全て新規で設備を整える必要がないのも利点です。

また、将来的には、燃料にアンモニアのみ用いる「専焼」への移行も目指しています。すでに技術開発は進んでおり、国立研究開発法人のNEDOや民間企業のJERAなどが実証実験を行っています。
 

アンモニア発電とは混焼や専焼のことをさすのが一般的であるものの、燃料電池による発電の研究も進んでいます。

燃料電池とは、水素と酸素を化学結合させ、その際に生じる電気や熱を利用する仕組みですが、水素は運搬や貯蔵コストに課題があります。

そのため、水素の代わりとして、水素と窒素で構成されるアンモニアを利用した燃料電池の開発も進んでおり、日本国内ではすでに燃料電池による発電も成功しています。
 

アンモニア発電が注目されるのには理由があります。以下では、アンモニア発電を利用する主なメリットを紹介します。
 

現在、日本国内で主流の発電方法である石炭火力発電では安定した電力を供給できますが、発電時にCO2を排出することが大きな課題です。

一方、アンモニア発電の燃料となるアンモニアは、燃焼時にCO2を排出しないクリーンな燃料です。現在、最も技術開発が進んでいる混焼による発電が確立できれば、CO2排出量を大きく削減できます。

また、将来的には専焼による発電方法を確立し、発電時のCO2排出量をゼロにすることも期待されています。
 

アンモニアはすでに肥料として流通しているため、一定のサプライチェーンがグローバルに確立しており、貯蔵・運搬の全ての面で水素と比較して容易です。

また、発電コストも水素に比べて抑えることができます。資源エネルギー庁によれば、水素発電とアンモニア発電に必要なコストの試算^※1は、以下のとおりです。

※1 出典：経済産業省「燃料アンモニア導入官民協議会 中間取りまとめ」
※2 2020年時点の試算
※3 2018年時点の試算

水素も次世代エネルギーとしての活用が期待されていますが、アンモニアのほうが貯蔵・運搬や発電コストの面でメリットが多くあります。
 

先に少し触れたとおり、混焼によるアンモニア発電では、石炭火力発電で利用されるバーナー部分などの一部の設備を変更するだけで活用が可能です。既存の火力発電設備を活かせるため、設備投資の負担を軽減できます。

再生可能エネルギーを活用した発電方法には太陽光発電や風力発電などもありますが、アンモニア発電であれば大規模な設備を一から作らなくても良いため、初期投資を最小限に抑えながらCO2の削減が期待できます。
 

アンモニア発電にはメリットがある反面、導入にはいくつかの課題があります。以下では、アンモニア発電の導入に向けた主な課題を紹介します。
 

アンモニアの合成には、高温高圧の環境下で水素と窒素を反応させて生成するハーバー・ボッシュ法という方法が用いられます。

ハーバー・ボッシュ法によるアンモニアの生成では、水素を生成する際に化石燃料を使うため、CO2が排出されることが懸念点です。アンモニア発電を導入するには、燃料となるアンモニアの製造過程で発生するCO2を抑えることが課題となります。
 

アンモニア発電の技術的な課題は、燃焼時に窒素化合物（NOx）が発生する点が挙げられます。NOxには温室効果ガスの一種が含まれるだけでなく、光化学スモッグや酸性雨の原因になるため、アンモニア発電を導入するにはNOxの抑制が不可欠です。

ただし、石炭火力発電でも少量のNOxが生じるため、日本ではNOxを抑制する研究が進んでおり、脱硝技術はすでに一定の技術が確立されています。

石炭火力発電では、使用するバーナーや空気の入れ方の工夫によってNOxを抑制できる他、NOxを除去する技術も実装されています。

今後はアンモニア発電設備を大型化した場合の実証実験や混焼割合を変えた場合の影響などを検証しながら、アンモニア発電の導入を目指す状況です。
 

アンモニア自体はすでに肥料などで使われているため、市場が確立しています。2019年時点では日本国内での年間消費量108万トンのうち、国内生産は約8割、輸入が約2割であり※、国内で一定量のアンモニアが調達可能です。

しかし、20％混焼によるアンモニア発電では、100万kWにつき年間50万トンのアンモニアが必要といわれています。大手電力会社が全て同条件で発電する場合、年間約2,000万トンのアンモニアが必要になる想定です。

全ての石炭火力発電をアンモニア発電に移行する場合、国内生産のみでは必要な供給量を確保できず、輸入に頼らなければなりません。

2019年時点で、世界の原料用アンモニア生産は年間約2億トン程度であり、そのうちの1割しか貿易に回らない状態です。世界的に見ると、生産されるアンモニアのほとんどが地産地消されています。

そのため、アンモニア発電の導入には、燃料となるアンモニアを安定供給できる基盤が必要です。

※出典：国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）「アンモニアを燃料としてカーボンニュートラルの実現に貢献！」

日本ではアンモニア発電の導入に向けた様々な取り組みが行われています。以下では、アンモニア発電の導入に向けた日本の取り組みを紹介します。
 

2020年12月に公表された「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」では、アンモニアが水素とともに重要な分野として位置付けられました。

2021年6月にはさらに具体化され、2030年までに20％混焼のアンモニア発電の導入・普及が目標に掲げられ、国内需要として2030年には年間300万トン、2050年には年間3,000万トンと想定し、利用拡大のために日本企業主導によるサプライチェーンの構築を目指しています。

また、2021年10月に決定された「第6次エネルギー基本計画」では、2030年度の電源構成で水素・アンモニアにより1％程度を賄うことが定められました。

クリーンエネルギー戦略やGX実行会議でもアンモニアの重要性が議論され、国としてアンモニア発電への移行を後押ししています。

現在用いられているアンモニアの生成方法（ハーバー・ボッシュ法）では、製造過程でCO2が生じますが、製造過程でCO2が生じない技術の開発も進んでいます。

こうした技術を用いて生成されたアンモニアは「ブルーアンモニア」と「グリーンアンモニア」と呼ばれ、以下のような特徴があります。

アンモニア発電の導入に向けたロードマップでは、現行のアンモニアを利用しながらブルーアンモニアの導入、グリーンアンモニアの導入が描かれています。

すでにブルーアンモニアの技術開発は進んでおり、ブルーアンモニアを混焼する実証実験も行われています。

▶関連記事：アンモニア燃料とは？メリット・デメリットや研究開発が進む利用方法を解説

アンモニアと水素は、石炭などの化石燃料に代るエネルギーとして注目されています。2050年カーボンニュートラルの実現に向けて、このような代替エネルギーの利用が不可欠です。

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アンモニアを燃料とするアンモニア発電は、燃焼時にCO2を排出しないだけでなく、水素より運搬や貯蔵が容易かつ導入のハードルが低いため、今後の普及が期待されています。

すでに実証実験も進んでおり、近い将来実用化が見込まれる状況です。2050年カーボンニュートラルの実現に向けて、アンモニア・水素の技術開発の今後の動向に注目しましょう。

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