アンモニア発電とは？仕組みやメリット、デメリットを徹底解説

アンモニア発電とは？基本の特徴となぜ注目されているのか

アンモニア発電とは、アンモニアを燃焼させて得た熱で蒸気をつくり、タービンを回して電気を生み出す発電方法です。燃焼時にCO2（二酸化炭素）を排出しないという特性から、地球温暖化対策の観点で世界的に注目を集めています。まずは、アンモニアという物質の基礎知識と発電への応用について、みていきましょう。

「アンモニア（NH3）」とはどんな物質？

アンモニアは、H（水素）とN（窒素）からできている物質で、「NH3」という化学式で表されます。鼻をつくような強いにおいがあり、通常は無色の気体として存在しています。有害性があるため、取り扱う際には十分な安全管理が必要です。

アンモニアが発電用の燃料として注目されている理由の一つは、炭素を含まず燃やすときにCO2（二酸化炭素）が発生しないためです。燃焼するとおもに水と窒素が生じます。

燃やし方によっては、NOx（窒素酸化物）という大気汚染物質が発生するため、アンモニア発電ではNOxの排出を抑える対策が必要です。

アンモニア発電の基本的な仕組み

アンモニア発電は、アンモニアを燃やした熱で水を蒸気に変え、その蒸気で「タービン」と呼ばれる大きな羽根車を回して電気をつくる仕組みです。タービンの回転を発電機に伝えることで、家庭や工場などで使われる電気が生み出されます。

発電までの基本的な流れは石炭を燃料とする従来の火力発電と同じで、異なるのは電気をつくるための燃料がアンモニアという点です。

現在は石炭をすべてアンモニアに置き換えるのではなく、石炭の一部にアンモニアを混ぜて燃やす混焼の実用化が進められています。段階的にアンモニアの割合を増やし、将来的にはアンモニアだけを燃料として発電する専焼の実現も目指されています。

アンモニア発電は既存の火力発電設備を活かしてCO2排出量を減らせる

現在、日本の発電量の約7割を火力発電が担っています。太陽光や風力は天候によって発電量が変わるうえ、必要な設備を短期間ですべて整えることも難しいため、火力発電をすぐに再生可能エネルギーへ置き換えるのは簡単ではありません。

アンモニア発電の強みは、現在使われている石炭火力発電所を活用できることです。アンモニアを保管・供給するための設備や燃やすための装置を追加・改修すれば、発電所全体を新しく建て直さずに、石炭の一部をアンモニアへ置き換えられます。

新しい発電所を一から建設する場合と比べて費用を抑えながら、段階的にCO2排出量を減らせる点がメリットといえます。

アンモニア発電の2つの方式と水素キャリアとしての役割

アンモニアを発電に利用する方法には、石炭と一緒に燃やす「混焼」とアンモニアだけを燃やす「専焼」があります。現在は既存の石炭火力発電所を活用できる混焼の実用化が進められ、将来的には専焼への移行が目指されています。

アンモニアは運びにくい水素を輸送するための「水素キャリア」としても注目されています。ここでは、2つの発電方式と水素を運ぶ役割について解説します。

①現段階で実用化が進む方式：火力発電所での混焼

混焼とは石炭火力発電所で石炭とアンモニアを一緒に燃やす方式です。アンモニアは燃焼時にCO2を排出しないため、石炭の一部をアンモニアに置き換えることで、発電時のCO2排出量を減らすことができます。

日本では2024年、愛知県の碧南火力発電所で、石炭を燃やして得る熱量の20％分をアンモニアに置き換える大規模な実証試験が行われました。その結果、安定して発電できることが確認されています。

既存の石炭火力発電所を活用しながら導入できることから、混焼はアンモニア発電の実用化に向けた中心的な方式です。現在はアンモニアの割合をさらに高めるための技術開発が進められています。

②最終的なゴール：アンモニアだけを燃やす専焼

アンモニア発電の最終的な目標は、石炭を使わず、アンモニアだけを燃料とする「専焼」の実用化です。アンモニアには炭素が含まれていないため、専焼が実現すれば発電所で燃料を燃やす段階ではCO2が発生しません。

資源エネルギー庁が2021年に公表した試算では、国内の大手電力会社が保有する石炭火力発電所をすべてアンモニア専焼に転換した場合、年間約2億トンのCO2を削減できるとされています。

現在は混焼で得た技術や知見を活かしながら、アンモニアだけで安定して発電するための技術開発が進められています。

水素の運び役「水素キャリア」として燃料電池で使う方法

アンモニアは直接燃やして発電するだけでなく、水素を運ぶための「水素キャリア」としても活用できます。水素をアンモニアの形に変えて輸送し、利用する場所でアンモニアを分解して水素を取り出し、燃料電池などで発電する方法です。

水素を液体で運ぶには、約マイナス253℃という極低温に保つ必要があります。一方、アンモニアは約マイナス33℃で液化でき、常温でも圧力をかければ液体として扱うことができます。

アンモニアは肥料などの原料として以前から流通しているため、輸送用のタンカーや貯蔵タンク、取り扱い技術を活用しやすい点も強みです。

アンモニア発電の3つのメリット

アンモニア発電には、環境面・経済面・インフラ面でそれぞれ異なるメリットがあります。ここでは、3つのメリットをみていきましょう。

発電時にCO2を一切排出しない（カーボンニュートラル）

「カーボンニュートラル」とは、CO2などの温室効果ガスの排出量と吸収量を差し引きして全体として実質ゼロにする考え方です。日本を含む多くの国が2050年のカーボンニュートラル実現を目標に掲げており、電力部門でのCO2削減はその中でも特に重要な課題とされています。

アンモニアは発電所で燃やす段階ではCO2を排出しないため、燃料を化石燃料からアンモニアに切り替えることで、発電時のCO2排出量を大幅に削減可能です。

さらに、太陽光や風力のように天候によって出力が変動しにくく、安定した発電を行いやすい点も特徴です。こうした特性から、カーボンニュートラルの実現に向けた選択肢の一つとして注目されています。

既存の発電インフラをそのまま活用できる

アンモニア発電では、既存の火力発電所の設備を活用しながら導入できる可能性があります。ただし、混焼にあたっては、バーナーや燃料タンク、気化器、配管などの追加・改修が必要です。

アンモニアを混焼する場合、ボイラーのバーナーなど一部の設備を改造することで対応できるため、ゼロから新しい発電所を建設する必要がありません。これは、火力発電への依存度が高い日本にとって、特に大きな意味を持ちます。

全国各地にある既存の火力発電所を順次アンモニア混焼・専焼に転換していけば、大規模な初期投資をかけずに段階的な脱炭素化を進めることが可能です。

再生可能エネルギーへの全面移行が難しい現時点において、現実的かつコスト効率の高いアプローチとして注目されています。また、既存の発電設備を有効活用できることは、廃棄物を減らす観点からも利点があります。

運搬・貯蔵のインフラや安全基準がすでに確立している

アンモニアはもともと農業用肥料や化学製品の原料として、世界中で大量に生産・輸送されています。そのため、安全に取り扱うための技術やガイドライン、輸送インフラがすでに整備されており、エネルギー用途への転用に際してゼロから体制を構築する必要がありません。

次世代エネルギーとして期待されている水素は、液体の状態を保つためにマイナス253℃という超低温の冷却設備が必要です。一方、アンモニアはマイナス33℃で液化でき、常温でも圧力をかければ液体として扱えるため、液体水素と比べて輸送や貯蔵に必要な温度を管理しやすい点がメリットです。

アンモニア発電のデメリットと今後の課題

アンモニアは発電時にCO2を排出しない一方、製造時のCO2排出や大気汚染物質への対策、大量の燃料を安定して確保する仕組みなど解決すべき課題も残っています。

ここでは、アンモニア発電を広く普及させるうえでのおもな課題を解説します。

製造過程でCO2が発生してしまう問題

発電時にCO2を排出しないアンモニアですが、現在流通しているアンモニアのほとんどは天然ガスなどの化石燃料から製造されており、その製造過程でCO2が発生します。

発電所だけを見ればCO2排出量を減らせても、アンモニアの製造から輸送、発電までを含めて考えると、十分な脱炭素効果を得られない可能性があります。

アンモニア発電を、ライフサイクル全体でCO2排出量の少ない電源にするためには、再生可能エネルギーを使ってつくる「グリーンアンモニア」や製造時のCO2を回収・貯留する「ブルーアンモニア」など、製造段階の排出量を抑えたアンモニアへ切り替えていく必要があるでしょう。

燃焼時に有害な窒素酸化物（NOx）が発生する

アンモニアにはN（窒素）が含まれているため、燃焼させると大気汚染の原因となる「NOx（窒素酸化物）」が発生するリスクがあります。NOxは光化学スモッグや酸性雨の原因となるほか、高濃度になると呼吸器に影響を及ぼすおそれがあるため排出量のコントロールが必要です。

この問題に対しては、NOxの発生を抑える特殊なバーナーの開発や排ガスから有害物質を取り除く処理装置の整備が技術的な課題となっています。

2024年にJERAが愛知県碧南市の碧南火力発電所で実施した実証試験では、石炭を燃やして得る熱量の20％分をアンモニアに置き換えても、NOxの排出量は石炭専焼の場合と同等以下に抑えられることが確認されており、技術面での進展は見られています。

発電に必要な大量の燃料確保と価格高騰リスク

アンモニア発電を広く普及させるには、肥料や化学製品向けの需要に加えて発電用の大量のアンモニアを新たに確保しなければなりません。世界で生産されるアンモニアの約8割は肥料に使われており、現在の市場は発電燃料として大量に消費することを前提とした規模にはなっていません。

資源エネルギー庁が2021年に紹介した試算では、国内の大手電力会社が保有する石炭火力発電所すべてで、熱量ベースの20％をアンモニアに置き換えるケースが想定されています。この場合、年間約2,000万トンのアンモニアが必要とされています。これは、2018年時点の世界全体のアンモニア輸出入量とほぼ同じ規模です。

新たな生産体制を整えないまま発電用の需要が急増すると、アンモニアの供給不足や価格高騰を招き、肥料価格の上昇を通じて農業にも影響する可能性があります。

今後は発電用アンモニアを十分に確保できる生産体制を整え、海外からの輸送や国内での貯蔵、発電所への供給までを安定して行える仕組みを築く必要があるでしょう。

日本におけるアンモニア発電の現状と今後の展望

アンモニア発電を取り巻く課題に対し、日本では政府と民間が一体となってさまざまな取り組みが進められています。製造段階でのCO2問題への対応と、実証試験の進捗についてみていきましょう。

製造時のCO2課題を解決するアンモニアの種類

アンモニアは、製造方法や製造時に発生するCO2の処理方法によって、「グレー」「ブルー」「グリーン」の3種類に分けられます。いずれも燃焼時にはCO2を排出しません。ただし、原料の調達や製造、輸送まで含めたライフサイクル全体でみると、温室効果ガスの排出量には大きな違いがあります。

• CCS：Carbon dioxide Capture and Storageの略。工場や発電所などから排出されるCO2を分離・回収し、地下深くに貯留する技術のこと。

現在流通しているほとんどのアンモニアはグレーアンモニアです。これを発電に利用すると、発電所で燃やす段階ではCO2を排出しなくても、製造時にはCO2が発生します。

アンモニア発電による脱炭素効果を高めるには、製造時のCO2を回収・貯留するブルーアンモニアや再生可能エネルギーを使って製造するグリーンアンモニアへの移行が必要です。

ただし、原料の採掘や設備の製造、輸送などまで含めると、CO2排出量が完全にゼロになるとは限りません。製造から発電までのライフサイクル全体で温室効果ガスをどこまで減らせるかが重要です。

2030年の実用化に向けた実証試験の進捗

日本政府は、2050年のカーボンニュートラル実現に向けた『グリーン成長戦略』で、燃料アンモニアを重点分野の一つに位置づけています。

石炭火力での20％混焼の実用化を進めたうえで、混焼率を段階的に高め、将来的には専焼化を目指す方針です。

この方針を受け、国内最大の火力発電会社であるJERAは、愛知県碧南市の碧南火力発電所において、世界初となる大型商用石炭火力発電機でのアンモニア20％混焼の大規模実証試験を実施しました。

2024年4月に開始された試験では、同年4月10日に定格出力100万kWでの20％混焼を達成し、6月に試験を終了。NOxの排出量は石炭専焼と同等以下に抑えられ、SOx（硫黄酸化物）は約20％減少するなど、良好な結果が得られました。

JERAはこの実証試験の成果をもとに、碧南火力発電所4号機での商用運転（20％混焼）の開始に向けた工事を進めており、2030年代前半には50％混焼、2040年代には専焼を段階的に目指す計画を掲げています。

政府と民間が連携した「燃料アンモニア導入官民協議会」でも、安定したサプライチェーン構築に向けた取り組みが続けられており、サウジアラビアやオーストラリアなど世界各地からの調達体制の整備も進んでいます。

アンモニア発電の仕組みやメリット・デメリットを正しく理解しましょう！

アンモニア発電は燃焼時にCO2を排出せず、既存の火力発電設備を活用しながら段階的な脱炭素化を進められる可能性があります。日本では熱量比20％のアンモニア転換実証が行われ、安定運転やNOxの抑制が確認されました。

一方で、製造時のCO2排出や燃料の大量確保、価格高騰などの課題も残っています。今後はブルー、グリーンアンモニアへの移行と安定した供給網の整備が重要です。

将来の発電方法に注目するだけでなく、現在の電気料金や契約内容を見直すことも、身近にできる選択の一つです。毎月の電気代が気になる方は、現在の使用状況をもとに料金を試算してみましょう。