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環境エネルギー

アンモニアを直接燃焼させる

炭素を含まない燃料による火力発電

画像:小林 秀昭
小林 秀昭(東北大学 流体科学研究所 教授)
SIP エネルギーキャリア「アンモニア直接燃焼」(H26-30)

アンモニアが燃料のガスタービン発電

アンモニアは燃やしても二酸化炭素を排出しないことから、現在、火力発電所の燃料で使われている石炭や天然ガスと置き換えることで、大幅な二酸化炭素排出削減が期待されている。現在アンモニアは化石燃料を原料にして製造されているが、近年では、太陽光などの再生可能エネルギーを用いて、アンモニアを製造する試みもなされている。もしこれが実用化できれば、アンモニアはカーボンフリーの燃料になり得るのだ。そして、この燃料が火力発電で使われるようになれば、二酸化炭素を出さずに電力を得ることも可能となる。

内閣府の総合科学技術・イノベーション会議が司令塔になって推し進めている「戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)」で課題の一つとなっている「エネルギーキャリア」(管理法人はJST)では、アンモニアの直接燃焼が研究開発のテーマの一つとなっている。研究責任者の小林秀昭教授は、アンモニアを直接燃焼させる基盤技術の開発に取り組んできた研究者で、アンモニアを安定かつ効率よく燃焼させる燃焼方式の開発にチャレンジし続けてきた。そして、2014年8月に産業技術総合研究所と共同で、世界で初めてアンモニアを燃料としたガスタービン発電の実証に成功した。

燃焼し難いアンモニアをどう燃やすか

アンモニアを燃焼させることで直接タービン(多くの羽根をつけた回転式原動機)を回し、電力を生み出す。しかしこの火力発電の技術開発にはまだ課題が多い。たとえば、アンモニアは都市ガスの主成分であるメタンなど、他の炭化水素系燃料と比較して、炎を良い状態で安定させる保炎範囲がとても狭いのだ。また、燃焼速度が非常に遅く、メタンのわずか5分の1に過ぎない。このような要因からその燃焼性は低く、多くの場合、着火および保炎が難しくなっている。

この課題の解決策として、小林教授はスワールバーナーを用いた旋回流を利用することで、アンモニアと空気の混合気体の流れをコントロールし燃焼を安定化できるのではないかと考えた。

最初に、旋回流燃焼器を用いスワールバーナーの回転速度を変えるなどして、燃焼器内の気体の渦流の大きさや巻き方を変え、アンモニア火炎の安定化を実現した。次に、3次元数値解析方法を確立することで、アンモニアと空気の供給割合や供給速度などを変え、NOxを減らし、かつ、未燃のアンモニアを減らす燃焼条件を理論的に検証できるようになったのだ。これにより、アンモニアの燃焼メカニズムの解明を進めている。また、現在、実際のガスタービン発電の際の運転条件に即した環境下での試験も行い、実用的な燃焼方式を追求している。

アンモニアを燃料にした火力発電の開発へ

この燃焼技術でアンモニアを直接燃焼させ、発生する高温高圧のガスでタービンを回せば発電することができる。2014 年8月には、産業技術総合研究所において最大出力50 kWのガスタービン発電装置を用い、熱量比灯油70 %、アンモニア30 %の条件で燃焼させたところ、21 kWの安定した発電出力を維持できた。世界で初めてアンモニア燃料の発電が実現した。

2015 年9月には、メタンとアンモニアの混合気体、さらに燃料をアンモニア100 %にしたガスタービン発電にも成功している。発電出力はいずれの場合も41.8 kWに達し、これによりアンモニアを火力発電用燃料として利用できる可能性を示した。しかし、実証段階から実用段階に進むには装置の大型化など、さらなる研究開発が必要だ。

また、アンモニアが燃えると、酸性雨など大気汚染の原因となる窒素酸化物の生成が懸念される。生成した窒素酸化物を取り除く脱硝装置や触媒技術はすでに確立されているが、それ以前の燃焼段階で窒素酸化物の生成を最小限にするための工夫が今後の課題だ。小林教授らの努力は続く。

図1
アンモニアを直接燃焼できるマイクロガスタービン発電装置
図2
メタン-アンモニア混焼試験の燃料供給と発電出力の変化
図3
アンモニア専焼試験の燃料供給と発電出力の変化

アンモニアの利点は、燃焼以外にもある。最も重要な点はサプライチェーンがすでに整っていることだ。現在、アンモニアは世界中で肥料や化学原料として広く使われ、船舶による大量輸送が確立されている。そのため、将来海外で製造したカーボンフリーのアンモニアは既存の技術で輸送・貯蔵が可能となる。また、火力発電所に不可欠な脱硝装置は、アンモニアを触媒と共に利用することで窒素酸化物を取り除いているので、火力発電所には必ずアンモニアのタンクがあり、アンモニアの取扱に習熟している。アンモニアを火力発電などの燃料として導入するハードルは決して高くないのだ。

小林教授らは、まずアンモニア用のガスタービンを、天然ガス用のガスタービンと同じ燃焼効率まで持っていくことを目指し、そして近い将来、アンモニアを燃料にしたガスタービン発電の実用化を狙う。また、輸送機関へのアンモニアレシプロエンジンの適用や、アンモニアを燃料とする工業炉による熱利用について、燃焼基礎特性に基づく技術開発と実証研究も行っていく。

図4
アンモニアの動力、電力、熱エネルギー利用
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