水素エネルギーキャリア実現の第一歩として実証試験を開始
2018-05-28 産業技術総合研究所
ポイント
- 従来法より低温・低圧でアンモニアを合成できる触媒を開発
- 新規触媒を充填した実証試験装置で液体アンモニアの合成に成功
- 再生可能エネルギー由来の水素を大量貯蔵し、水素エネルギーの本格活用への貢献に期待
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）再生可能エネルギー研究センター【研究センター長 古谷 博秀】水素キャリアチーム 難波 哲哉 上級主任研究員 は、再生可能エネルギーの特徴に対応した新規アンモニア合成触媒を開発した。さらに日揮株式会社 【代表取締役会長 佐藤 雅之】（以下「日揮(株)」という）と共同で、本触媒を用いた実証試験装置によるアンモニア製造実証試験を本格的に開始した。
産総研は、再生可能エネルギーを利用して製造した水素（再エネ水素）からのアンモニア（再エネアンモニア）の合成を実現するために、圧力を上げると性能が低下するルテニウム触媒特有の問題を克服し、10 MPa（約100気圧）以下の圧力範囲で高い活性を維持できる新規触媒を作製した。日揮(株)が本触媒を用いて開発したプロセスにより、供給量が変動する再エネ水素からのアンモニア製造が可能となり、本触媒を搭載した実証試験装置を福島再生可能エネルギー研究所に建設して、本格的に実証試験を開始した。アンモニアは、水素貯蔵物質として有用で大量に輸送でき、さらに、アンモニア自身が燃焼時に二酸化炭素(CO2)を排出しない燃料としても用いられることからエネルギーキャリアとして期待されている。今後、再エネ水素から再エネアンモニアを製造することによって、日本が革新的で低炭素の水素エネルギー社会を実現することに貢献する。なお、この技術の詳細は、平成30年5月29日に郡山市（郡山ホテルビューアネックス）で開催されるFREA成果報告会で発表される。
アンモニア合成実証試験装置外観
開発の社会的背景
地球環境の保全と持続可能な社会の構築を目指し、エネルギーの多様化と低炭素社会の実現が世界的な課題となっており、燃焼時に二酸化炭素（CO2）を排出しない水素エネルギーに対する期待が高まっている。
水素エネルギーを本格的に活用していくためには、安全性やコストをはじめ、輸送・貯蔵の効率性などが課題であり、現在では、水素をアンモニアや液化水素、有機ハイドライドなどの水素キャリアに転換する技術開発が検討されている。この中でも、アンモニアは他の水素キャリアと比べても水素を多く含み、液化が容易で、アンモニアのまま直接燃焼させることが可能であり、燃焼時にCO2を排出しないという特徴を持つだけでなく、すでに肥料原料などとしての流通経路が確立されているため、実用に近い水素キャリアとして注目を集めている。
研究の経緯
現在、アンモニアの合成は、天然ガス、水蒸気と空気の反応から得られる水素と窒素を高温・高圧の触媒反応でアンモニアに転換する「ハーバー・ボッシュ法」によって行われている。この方法では天然ガスを用いて水素を製造するために大量のCO2を排出する。そこで、水素の製造過程におけるCO2排出量の削減方法として、太陽光や風力などの再生可能エネルギーで水を電気分解して水素を製造する方法の開発が期待されている。しかし、この方法で製造された水素は低温・低圧であるとともに、一般の化学プロセスでは例がない水素供給量が時間によって変動するという問題を抱えている。従来法である「ハーバー・ボッシュ法」は高温・高圧・水素供給量一定で運転されるため、再エネ水素を使う場合とは運転条件が大幅に異なる。そのため、低温・低圧かつ供給量が変動する再エネ水素を利用できるアンモニア合成プロセスの開発が必要であった。
産総研は、再エネ水素からのアンモニア合成を目指し、低温・低圧でのアンモニア合成に適した触媒開発に取り組んできた。日揮(株)との共同研究により、再エネ水素の特徴である製造量が時間変動することに対応できる新たなプロセス開発を行うとともに、実証試験装置の設計・建設・運転に共同で取り組んできた。
なお、本研究開発は、内閣府「戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）」における「エネルギーキャリア（平成26～30年度）」事業において、国立研究開発法人 科学技術振興機構の支援を受けて行ったものである。
研究の内容
産総研が開発した新規触媒は、触媒成分であるルテニウムをナノ粒子として担体に分散させたものであり、一般的に知られているルテニウム触媒の性質である水素被毒によって高圧では性能が低下してしまう問題を克服した。これによって、従来のアンモニア合成の圧力である20-30 MPaよりも低い圧力（10 MPa以下）の範囲で、高い活性を維持できることを見出した。また、変動する再エネ水素供給に対応するためには、一般の最適な条件で一定して運転している化学プラントにはない運転、すなわち原料の濃度や流速が変化することに応じて運転を制御する必要がある。そのため本プロセスの触媒は、最適運転条件のみならず、そこから運転条件が変化した場合にも安定してアンモニアが製造できることを特長とする。これまでよりも低い圧力、温度において実証スケールでの液体アンモニア合成が可能であることを検証した。
今後の予定
今後は、再エネ水素供給量の変動を想定した条件での実証試験装置運転で、アンモニアの生産能力日量20kgが達成できることを確認するとともに、再生可能エネルギーによる水の電気分解で製造した水素を原料とするアンモニアの合成試験を実施する予定である。これによって、SIP事業の目指す2030年までに日本が革新的で低炭素な水素エネルギー社会を実現することに貢献する。
用語の説明
- ◆再生可能エネルギー
- 太陽光や風力などの自然環境に存在する枯渇しないエネルギーである。これらのエネルギーは発電に利用されて私たちの生活に利用されるが、太陽光では夜に発電できないように、時間によって発電量が変動するのが特徴である。
- ◆ルテニウム触媒
- 触媒は、反応する場に置くことによって、反応速度を増加させ目的物質の生成を促進する物質。貴金属の１つであるルテニウムは、アンモニア合成反応に活性を示す金属の１つとして知られている元素。
- ◆エネルギーキャリア
- 気体のままでは貯蔵や長距離の輸送の効率が低い水素を、効率的に貯蔵・運搬するために、液体化したり水素化合物にしたもののこと。
- ◆水素エネルギー社会
- 水素は使っても二酸化炭素を排出しないエネルギー源であり、このクリーンなエネルギーを利用する社会のことを指す。
- ◆有機ハイドライド
- 水素を分子内に貯蔵して高密度で水素を運ぶための有機化合物で、代表的なものとしてメチルシクロヘキサンなどがある。
- ◆水素被毒
- ルテニウムは、水素と強く引かれ合う性質を持っている。水素はアンモニアを作る原料であるが、原料中の水素の量が多いと（濃度高、圧力高）、水素がルテニウム表面を覆って反応が進みにくくなる。この現象を水素被毒という。
