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低温・低圧でアンモニア合成する触媒開発 水素社会実現に向けて 産総研

低温・低圧でアンモニア合成する触媒開発 水素社会実現に向けて 産総研

産業技術総合研究所(産総研)の難波哲哉上級主任研究員は、供給量が変動する再生可能エネルギーで製造した水素(再エネ水素)からアンモニア(再エネアンモニア)を、従来法より低温・低圧で合成できる新しい触媒を開発した。また日揮と共同で、この触媒を用いた実証試験装置で液体アンモニアの合成に成功し、本格的な実証試験を開始した。環境にやさしい水素エネルギー社会の実現に向けて、大きな貢献となることが期待される。
 

持続可能な社会のために求められる、新しいアンモニア合成プロセス開発

持続可能な社会の構築に注目が集まる中、燃焼時に二酸化炭素(CO2)を排出しない水素に対する期待が高まっている。本格的に活用するためには、安全性やコストをはじめ、輸送・貯蔵の効率性などが課題となっており、水素をアンモニアや液化水素、有機ハイドライドなど運びやすい形に転換する技術開発が検討されている。

その中でも、アンモニアは水素を多く含み、液化が容易なため輸送や貯蔵がしやすく、アンモニアのまま直接燃焼させることも可能で、燃焼時にCO2を排出しないという特徴を持つ。また、すでに肥料の原料などとして流通経路が確立されているという利点もある。

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。この方法は、天然ガスを用いて水素を製造する際に大量のCO2を排出するため、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・低圧であり、再生可能エネルギーを用いているために、製造される水素の供給量が時間帯によって変動するという問題を抱えている。そこで、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。
 

水素エネルギー社会の実現に向けて 再エネ水素からアンモニアを

産総研は、再エネ水素からのアンモニア合成に適した触媒開発に取り組んできた。今回、触媒成分であるルテニウムをナノ粒子として分散させ、一般的なルテニウム触媒では高圧で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よりも低い圧力(約100気圧以下)の範囲で、高い活性を維持できることを見出した。

また、日揮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を開発した。変動する再エネ水素供給に対応するためには、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。新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特長を持つ。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。これによって、政府の「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(2014~2018年度)」事業の目指す、2030年までに革新的で低炭素な水素エネルギー社会の実現に貢献するとしている。

低温・低圧でアンモニア合成する触媒開発 水素社会実現に向けて 産総研

画像提供:産総研(冒頭の写真はイメージ)

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