韓国の研究者がクリーン水素の実現にアンモニアを活用する理由
韓国の科学者らは、高温でアンモニアを水素と窒素に分解し、化石燃料を燃やさずに水素を製造する方法を実証した。韓国エネルギー研究院（KIER）の技術者らによると、約1,112華氏（約600 C）で稼働する反応器を開発し、純度99.97パーセントの水素を得た。この水素は、車両や建物に電力を供給する燃料電池に適している。プロジェクトは、拡張可能な材料とプロセスを使いながら、水素供給網から二酸化炭素を削減することを目指す。
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水素はすでに列車、試験飛行中の航空機、自動車、バス、船舶で使われている。しかし現在の水素の大半は、天然ガスを水蒸気メタン改質する方法で製造され、二酸化炭素を排出する。風力や太陽光で水を電気分解する方法など、クリーンな製造経路も広がっている。水素の輸送も課題だ。水素ガスは密度が非常に低いため、長距離輸送には圧縮するか、極低温で液化する必要がある。肥料として知られるアンモニアが代替手段となる。適度な条件で液体となり、分子結合に水素を含むためだ。輸送先でアンモニアをクリーンな水素と窒素に分解できれば、再生可能エネルギーが豊富な場所と需要の大きな場所をつなぐ実用的な橋渡し役となる。
KIERの反応器の仕組み：アンモニアから燃料電池用水素を製造
アンモニア分解の化学反応は単純だ。アンモニア分子（NH3）は、触媒の存在下で加熱すると水素と窒素に分解する。化学反応式の係数を合わせると、アンモニア2分子から窒素1分子と水素3分子が生じる。白金と同じ貴金属であるルテニウムは、約600 Cで高い性能を発揮するため、一般的な触媒の選択肢だ。KIERの装置はこの触媒反応を利用し、その後、ガスの流れを精製して燃料電池用の水素を得る。
分解装置を出た水素は窒素と混ざり、未反応のアンモニアも微量に含む。精製所で標準的に使われる圧力スイング吸着法でガスを分離する。多孔質材料を詰めた塔が加圧時に不純物を捕らえ、圧力を下げると高純度の水素を放出する。複数の塔が吸着と再生を交互に繰り返し、安定した水素供給を実現する。KIERによると、反応器は配管、ホース、計器、シリンダーを備えた四角い金属フレームに収められており、プロセスガスの一部を再循環させて高温を保つ制御方式を採用する。炭化水素燃料を燃やすバーナーは使わない。この方式では、変換時に二酸化炭素を直接排出しない。
アンモニアが有力な水素キャリアである理由
水素は貯蔵や輸送が難しい。液体水素には約マイナス253 Cの極低温タンクが必要だ。蒸発による損失への対策も必要で、輸送には多額の設備投資がかかる。アンモニアは約マイナス33 C、または比較的低い圧力で液化する。化学産業ではすでに大量のアンモニアを世界中で輸送している。エネルギー分野では、再生可能エネルギーが安価な場所でアンモニアを合成し、船で運び、需要地の近くで分解することが可能になる。
韓国で進む産業試験が、このモデルの信頼性を高めている。Syzygy PlasmonicsとLotte Chemicalは蔚山で、全電化型のアンモニア分解システムを試験した。この装置はエネルギー効率81パーセント、変換率99パーセントを達成し、1日当たり約290キログラムの水素を製造した。報告されたエネルギー消費量は水素1キログラム当たり約11キロワット時で、設計上の目標は同8 kWhだ。両社は地域の需要に供給する小規模な商業プラントの開発を計画している。こうした成果は、韓国や日本などエネルギー需要の大きい地域に供給する輸入ルートの可能性を示している。
研究室から道路や船舶へ：輸送を変える可能性
燃料電池車には非常に純度の高い水素が必要だ。高分子電解質膜型燃料電池スタックの触媒は不純物に弱いためだ。KIERが報告した純度99.97パーセントの水素は、こうした要件に合致する。想定される導入経路の一つは、アンモニアを受け入れて現地で分解し、精製した水素を水素ステーションに供給する地域拠点だ。造船所、港湾、物流拠点は、危険物や大規模なエネルギーの取り扱いにすでに対応しているため、初期システムの設置場所として有望だ。
アンモニアを直接燃料として使うエンジン
韓国の技術者らは、アンモニアを燃料として直接使う方法も探っている。韓国機械材料研究院が現代自動車、起亜と率いる連合は、純アンモニアを燃焼室に直接噴射する高圧エンジンを公開した。チームは多段階燃料噴射を可変バルブタイミングと連動させ、点火システムを強化することで、燃焼の安定性と出力を向上させた。独自の排ガス後処理システムで窒素酸化物と未燃アンモニアを減らし、大気汚染に対処する。この設計では気体アンモニア改質器が不要になり、一部の用途でシステムを簡素化できる。船舶推進、系統から独立した電力供給、大型車両向けに位置付けられており、2027年の導入計画が検討されている。
供給網の構築：船舶、タンク、工場
大規模な水素貿易には、専用船と貯蔵設備が欠かせない。HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineeringは、約マイナス253 Cの極低温を保つ真空断熱方式の水素運搬船タンクについて、米国船級協会（ABS）から基本承認を取得した。同社と提携各社は、容量8万立方メートルの液化水素運搬船を検討している。液化水素タンクの開発が進む一方、既存のアンモニア運搬船も並行してエネルギー輸送を支えられる。
陸上の製造能力も拡大している。現代自動車は蔚山で、次世代水素燃料電池と高分子電解質膜型水電解装置を製造する新施設の建設を始めた。投資額は6億4,400万ドルを超える。工場は2027年に完成し、燃料電池ユニットを年間約3万台生産する予定だ。性能とコストの改善に加え、水素製造の主要技術を韓国内に確保することを目指している。
業界リーダーの見解
HD KSOEの幹部らは、タンク開発の節目をエネルギー輸送の脱炭素化に向けた幅広い取り組みの一環と位置付けている。
エネルギー転換を推進し、ネットゼロの目標を達成するため、世界をリードする企業との協業を続けていきます。
新型タンク、エンジン、燃料電池の製造を組み合わせた取り組みは、実証事業を本格的な供給網へ発展させようとする連携を示している。
韓国で多様化するクリーン水素の製造
韓国の研究機関は、複数のクリーン水素製造経路を進展させている。韓国機械材料研究院は出力20キロワットの固体酸化物形電解システムを開発し、3,000時間を超えて効率的に水素を製造した。固体酸化物形電解は高温で動作するため、産業プロセスの熱を利用して電力消費を抑えられる。この方式は製鉄所や化学工場との組み合わせに適している。
ほかの研究チームは補完的な化学技術に取り組んでいる。KIERの科学者らは、二酸化炭素を合成燃料の主要原料である一酸化炭素に変換する触媒を報告した。大学の研究グループは、電気化学セルを使って常温でグリーンアンモニアを製造する方法を実証している。日本や韓国を含む各国は、風力や太陽光発電事業と結び付いたグリーンアンモニアの輸入に関心を示している。水素より貯蔵や輸送が容易なためだ。
気候変動対策の効果を得るにはクリーンなアンモニアが必要
重要な注意点がある。化石燃料由来の水素から製造したアンモニアは、炭素排出量が大きい。そのアンモニアを輸送先で分解しても、上流工程での排出はなくならない。アナリストらはまた、石炭火力やガス火力でアンモニアや水素を混焼しても、エネルギー消費や物流のコストを全体で考慮すれば、気候変動対策の効果は小さいと指摘する。水素の有望な初期用途は、製鉄、化学、外航海運、季節をまたぐエネルギー貯蔵など、電化が難しい分野だ。韓国の政策担当者らは目標や基準を定めるにあたり、こうしたトレードオフを検討している。
リスク、効率、今後の注目点
エネルギー消費量は重要な指標だ。蔚山の分解装置の試験では、水素1キログラム当たり約11キロワット時を消費し、設計上の目標は同8 kWhと報告された。消費量が目標まで下がれば、コストも低下する。比較すると、水素の低位発熱量は1キログラム当たり約33キロワット時だ。触媒の改良、熱統合、電気加熱によって、分解に伴うエネルギー負担を軽減できる。
安全性と排出への慎重な設計も必要だ。アンモニアは有毒で強い臭いがあるため、監視、換気、緊急時対応計画が求められる。エンジンで使う場合は、窒素酸化物を抑える後処理が必要だ。事業者は触媒や膜の耐久性に加え、圧縮機やポンプの保守スケジュールにも目を配ることになる。企業は全電化型の分解システムを開発しており、風力や太陽光の電力を使いやすくなる。KIERは建物向け水素燃料電池も研究しており、輸送と定置型電源がともに拡大する可能性を示している。
要点
- KIERは約600 Cでアンモニアを分解し、変換時に化石燃料を燃やすことなく、純度99.97パーセントの水素を得る技術を実証した。
- このプロセスではルテニウム触媒と圧力スイング吸着法を使い、燃料電池向けに水素を精製する。
- SyzygyとLotteは蔚山で全電化型の分解装置を試験し、効率81パーセント、変換率99パーセント、1日当たり約290キログラムの製造量を達成した。エネルギー消費量は水素1キログラム当たり約11 kWhで、設計上の目標は8 kWh。
- アンモニアは適度な条件で液化し、世界規模の成熟した輸送網も整っているため、実用的な水素キャリアとなる。
- 韓国機械材料研究院、現代自動車、起亜は、排出を抑える後処理装置を備えた純アンモニア燃料の高圧エンジンを公開した。2027年までに船舶、系統から独立した電力供給、大型車両での利用を目指す。
- HD KSOEは大型液化水素タンクの基本承認を取得し、容量8万立方メートルの運搬船構想を検討している。
- 現代自動車は蔚山に6億4,400万ドルを投じて燃料電池と高分子電解質膜型水電解装置の工場を建設している。2027年までに燃料電池ユニットを年間3万台生産する目標だ。
- 韓国ではグリーン水素向けの固体酸化物形電解や、二酸化炭素をクリーン燃料の原料に変える触媒の開発も進んでいる。
- 供給網のエネルギー消費まで考慮すると、化石燃料発電所で水素やアンモニアを混焼する気候変動対策の効果は限られるとの見方がある。そのため、製鉄、化学、海運、季節をまたぐ貯蔵が優先用途となる。
- 今後の主な注目点は、水素1キログラム当たりの分解エネルギー、窒素酸化物の制御、アンモニア取り扱い時の安全対策、グリーンアンモニアの調達、大規模実証だ。
