アンモニア火力発電方式と熱回生ﾊﾞｲﾅﾘｰｴﾝｼﾞﾝ搭載型閉鎖サイクル熱交換発電システムCHEGPG system

人工進化研究所（AERI）

2023年10月27日読了時間: 11分

Professor Kamuro's near-future science predictions:

アンモニア火力発電方式と

熱回生ﾊﾞｲﾅﾘｰｴﾝｼﾞﾝ搭載型閉鎖サイクル熱交換発電システムCHEGPG system

Quantum Physicist and Brain Scientist

Visiting Professor of Quantum Physics,

California Institute of Technology

IEEE-USA Fellow

American Physical Society-USA Fellow

PhD. & Dr. Kazuto Kamuro

AERI：Artificial Evolution Research Institute

Pasadena, California

HP: https://www.aeri-japan.com/

and

Xyronix Corporation

Pasadena, California

HP: https://www.usaxyronix.com/

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アンモニア火力発電方式と熱回生ﾊﾞｲﾅﾘｰｴﾝｼﾞﾝ搭載型閉鎖サイクル熱交換発電システムthe CHEGPG system

１．アンモニア火力発電方式とは

アンモニア火力発電方式とは、アンモニアを燃料として燃やす発電方法である。アンモニアは、常温常圧では無色透明の気体で、その独特の刺激臭が特徴的である。「臭いのきつい有毒物質」というイメージがある人も多い。

アンモニア混焼発電とは、ガスタービン発電や石炭火力発電の燃料にアンモニアを混ぜて燃焼させるアンモニア火力発電方式である。

2014年、日本の科学者らにより、世界で初めてアンモニア燃料のガスタービン発電が実現した。ガスタービン発電は、燃料を燃やしたときに発生するガスでタービンを回すことで電気を作る発電方式であるが、その燃料の30%にアンモニアを用いて発電に成功している。

現在アンモニア火力発電方式で最も技術開発が進んでいるのが、ガスタービン発電や石炭火力発電の燃料にアンモニアを混ぜて燃焼させて発電を行うアンモニア混焼発電である。火力発電にアンモニアを多く使うことができれば、CO₂の排出量削減が期待できる。

さらに、混焼だけでなく、アンモニアだけを燃料として燃やす専焼発電についても、研究が進められている。

２．アンモニア火力発電方式の特徴

A.アンモニア火力発電方式が注目を集めているのは、以下のようなメリットがあるからだ。

a.電時にCO₂を排出しない。

b.水素H₂と比べて運搬が容易で、コストが安い。

c.既存施設を有効活用できる。

d.発電時にCO₂を排出しない。

e.燃料としてのアンモニアはカーボンフリーであり、アンモニアは燃焼時にCO₂を輩出しない。

B.そのため、国内の主要な石炭火力発電所のすべてで、アンモニアの20％混焼を行った場合、約4,000万トンのCO₂を削減できると言われている。アンモニアの割合を上げれば、さらに多くのCO₂を削減することができる。そしてアンモニアだけを燃やして発電する専焼発電が実現できれば、CO₂排出削減量は約2億トンにのぼると試算されている。

３．無炭素無限エネルギー源ＣＨＥＧＰＧ地熱発電方式は運搬コストゼロ

a. 燃料電池で、水素に代わる燃料として期待されているアンモニアであるが、その理由は、運搬が容易でコストが安い点にある。

水素にはさまざまなメリットがあるが、液化温度がマイナス270度と極低温であって輸送や貯蔵が難しく、またその分貯蔵コストもかかる傾向にある。

アンモニアは、水素と比べて輸送や貯蔵が比較的容易である。また昔から肥料として使われてきた経緯もあり、すでに生産から運搬、貯蔵までの技術が確立されている。

これらに対して、無炭素無限エネルギー源ＣＨＥＧＰＧ地熱発電方式で用いる発電エネルギーが深層地下から汲み出してくる地熱エネルギーであるため、運送と貯蔵は不要である。このため、運送手段と貯蔵設備は存在せず、輸送コストと貯蔵コストはゼロである。

b. 1円/kWh～0.01円/kWhの超低廉化・無炭素・無限エネルギー源CHEGPG（地熱発電方式）

・水素発電方式の発電コストは、1kWhあたり97.3円(2020年時点試算)である。

・最も低コスト化が期待できるアンモニア専焼発電方式による発電コストでも1kWhあたり23.5円(2018年度時点試算)である。アンモニア火力発電方式では、アンモニアの分子式に水素が含まれていることから、水素をアンモニアに変換して運び、そこから水素を取り出すといった方法も考案されている。

・AERI合成燃料ケミカルプロセス（グリーン合成燃料生産技術）は、再生可能なCHEGPG電力が生成する1円/kWh～0.01円/kWhの無限量・超低廉の電力とカーボンニュートラル・カーボンリサイクル二酸化炭素循環回収システム（二酸化炭素回収システム）で集めた無限量のCO₂を使ってグリーンメタノール、グリーンLPG、グリーンLNG等のグリーン合成燃料を製造できる。CHEGPG（地熱発電方式）は、これらのグリーン合成燃料を用いて、1kWhあたり1円～0.01円の超低廉化・無炭素・無限電力エネルギーを24時間365日恒久・永久的に、発電能Terawatt（TW）・年間発電量10,000TWh(terawatt hour）クラスの発電ができる。

・アンモニア火力発電方式は、現在の市場から燃料用のアンモニアを大量調達すると、需給バランスが崩れ、価格が高騰する恐れがある。アンモニアを原料として使用する多くの分野へ影響を及ぼしてしまう。特にアンモニアを原料とした肥料の価格が高騰すれば、食材の価格上昇にもつながる。アンモニアを燃料用に大量調達するのであれば、新たな生産体制を整える必要がある。

・また仮に、アンモニア火力発電を行う上で必要なアンモニア燃料を調達できたとしても、既存の火力発電と比較すると、発電コストは高くなってしまう。20％アンモニア混焼を行う混焼アンモニア火力発電方式の場合、その発電コストは石炭火力発電の1.2倍程度になると予測されている。これが100％アンモニア専焼発電方式となると、さらに発電コストは大きくなり、石炭火力発電の２倍以上となる。燃料用にアンモニアを大量生産するのであれば、さらなるコスト低減も必要である。

c. CHEGPG地熱発電方式は、既存施設を有効活用できる

火力発電方式は、化石燃料（石油、石炭、天然ガス）やバイオマスなどの反応から得られる熱エネルギーを電力へ変換する方式である。

・グリーンメタノール、グリーンLPG、グリーンLNG等のグリーン合成燃料を燃焼させて発電を行うCHEGPG地熱発電方式は、既存の石炭・天然ガス火力発電施設の蒸気タービン後段以降をそのまま転用することができる。

・アンモニア火力発電方式も同様に、火力発電のボイラーにアンモニアを混焼する場合、バーナーなどを変えるだけで対応できる。

・CHEGPG地熱発電方式もアンモニア火力発電方式も、新たな整備や初期投資を最小限に抑えることができ、火力発電所を廃炉するといった必要がなくなる。

４．アンモニア火力発電方式のデメリット

a. 発電時に窒素酸化物を排出する

・アンモニアは窒素を含むため、燃焼すると有害物質である窒素酸化物（NOx）を排出する性質がある。窒素酸化物は、工場や自動車の排ガスなどから発生します。高濃度の二酸化窒素は、のどや気管、肺などの呼吸器に悪影響を与えるほか、光化学スモッグや酸性雨、地球温暖化等の環境破壊の原因になる。アンモニア火力発電方式の実用化に向けては、窒素酸化物の制御や排出抑制が必須となる。

・アンモニア火力発電を行う上で大きな不安材料となるのが、燃焼時に排出される窒素酸化物である。この窒素酸化物が呼吸によって人体へ取り込まれると、呼吸器疾患へとつながる恐れがある。さらに、窒素酸化物は光化学スモッグや酸性雨の原因とも言われており、自然への悪影響も懸念される。アンモニア火力発電方式は二酸化炭素CO₂を排出しないという観点から注目を集めている一方で、人体や自然環境（地球温暖化）への悪影響が甚大である。

b. アンモニア製造時にCO₂を排出する

・アンモニアは燃やしても二酸化炭素CO₂を出しませんが、実は製造時に化石燃料を使うため、そこで二酸化炭素CO₂を排出する。

・ｂ例えば、窒素を合成するハーバー・ボッシュ法は、高温、高圧のもとで窒素と水素を反応させることで、アンモニアを生み出します。このため、大量のエネルギーを消費する。アンモニア火力発電方式自体はCO₂を排出しないが、その製造過程で多くのCO₂を排出する。

・このため製造過程で出たCO₂を回収し地中に埋めることや、CO₂を出さない再生可能エネルギーを利用することなどが合わせて求められる。AERIでは、カーボンニュートラル・カーボンリサイクルシステム型AERI合成燃料ケミカルプロセス（グリーン合成燃料生産技術）の研究開発を進めている。

・世界のアンモニア生産によって年間５億トンのCO₂が排出されており、これは１年間における世界の二酸化炭素排出量の約２％に相当する。

・日本でアンモニア火力発電を行うために、燃料であるアンモニアの生産量を増やしてしまうと、生産過程で発生するCO₂排出量はさらに大きくなるでしょう。脱炭素を実現するために、アンモニア火力発電方式を行うのであれば、アンモニア生産時にもCO₂を排出しない工夫が必要である。

・AERIでは、カーボンニュートラル・カーボンリサイクル二酸化炭素循環回収システム（二酸化炭素回収システム）で大気中に含まれるCO₂を回収している。

・再生可能なCHEGPG電力が生成する1円/kWh～0.01円/kWhの無限量・超低廉の電力とカーボンニュートラル・カーボンリサイクル二酸化炭素循環回収システム（二酸化炭素回収システム）で集めた無限量のCO₂を使って、AERI合成燃料ケミカルプロセス（グリーン合成燃料生産技術）がグリーンメタノール、グリーンLPG、グリーンLNG等のグリーン合成燃料を製造している。

・当該グリーンメタノール、グリーンLPG、グリーンLNG等のグリーン合成燃料は、陸運業（貨物トラック）や海運業（タンカー、貨物船）、航空業（航空機、輸送機）の燃料として使用される。

c. アンモニア火力発電方式の実用化に向けてのその他の解決すべき課題

アンモニアの確保

・アンモニア火力発電方式の研究が進んで実用化された場合、アンモニアが不足することが懸念される。たとえば国内の主要な石炭火力発電所のすべてで、アンモニアの20％混焼を行った場合、年間約2,000万トンのアンモニアが必要となる。

・これは、現在の世界全体の貿易量に匹敵する量で、とても日本だけでまかなうことはできない。混焼率が高くなれば、さらに深刻な不足となる。2019年の世界のアンモニアの生産量は約2億トンである。主な生産国は中国、ロシア、米国、インドなどの大国で、この4カ国で世界全体の生産量の半分以上を占めている。

・アンモニア火力発電方式の実用化に向けては、中長期的な調達量のコントロール、調達先の分散化などが重要となる。　

d. 大規模発電では可能性が未知数

・日本が世界をリードしているアンモニア火力発電方式の研究での試験炉は小規模なものにとどまっている。大規模発電への実証実験はまだこれからの段階で、実用化できるかどうかは、まだ未知数だ。

・今後、実際に使われている火力発電所を使い、アンモニアの混焼を試す実験などがさらに必要だ。

５．アンモニア火力発電方式以外の再生可能エネルギー

・まだまだ発展途上のアンモニア火力発電方式だが、すでに実用化されている再生可能エネルギーはいくつかある。

a. 太陽光発電方式

太陽光発電方式は、太陽の光エネルギーを太陽光パネルにより電気エネルギーに変換する発電方法である。CO₂はもちろん、アンモニア火力発電方式と違い窒素化合物も出さないのが大きな特徴である。燃料や炉を用いないので、災害時の非常用電源としても有効である。

・一方で、天気の悪い日や夜は発電できないなど、気象条件により発電出力が不安定となるのは、アンモニア火力発電方式に劣る点となります。

b. 水力発電方式

・水力発電方式は、水を高いところから低いところに落とすことで水車を回し、その動力で発電機を回して電気を生み出す。一定量の電力を安定して発電できるのが大きな利点で、この安定性は、アンモニア火力発電方式の目指すべきところだ。

一方で、ダム建設の際に自然環境や地域住民の住環境を壊す恐れがあり、設置の際はコンセンサスを取ることが求められる。

c.風力発電方式

・風力発電方式は、風で風車を回し、回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電方法である。太陽光発電と違い夜でも発電でき、海の上でも電気を作れるのが大きな特徴である。

・しかし、風の状況など気象条件により発電出力が不安定になるのは、太陽光発電方式と同じである。

d. バイオマス発電方式

・バイオマス発電方式は、木材などの生物資源を燃やしたり、ガス化することで発電する方法で、燃料を燃やしてタービンを回す点では、CHEGPG地熱発電方式、火力発電方式、アンモニア火力発電方式と原理は同じである。

・天候に左右されないうえ、生物資源を有効に活用するので環境に優しく、循環型社会を体現した発電方法である。

・燃やす際にCO₂が排気されるが、バイオマス燃料発電方式は成長過程で二酸化炭素を吸収しているので、トータルで見ると大気中の二酸化炭素量を増やすことにならない、というのも大きな特徴である。

END

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Quantum Brain Chipset & Bio Processor (BioVLSI)

Prof. PhD. Dr. Kamuro

Quantum Physicist and Brain Scientist involved in Caltech & AERI Associate Professor and Brain Scientist in Artificial Evolution Research Institute（ AERI: https://www.aeri-japan.com/ ）

IEEE-USA Fellow

American Physical Society Fellow

PhD. & Dr. Kazuto Kamuro

AERI & Xyronix Corporation

HP: https://www.aeri-japan.com/　

HP: https://www.usaxyronix.com/

email: info@aeri-japan.com

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【Keywords】　Artificial Evolution Research Institute：AERI

HP： https://www.aeri-japan.com/

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