エネルギー会７月講演座談会

アンモニア・水素により既存設備を有効利用して現実的な「脱炭素」をめざす

令和３年７月松永健一
ＳＮＷ、エネルギー会会員
技術士（機械、電気電子、原子力・放射線、総合技術監理部門）
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講演概要
菅首相が2050年脱炭素を表明して以降、産業界はカーボンニュートラルに向けて取り組みを加速している。
2050年のカーボンニュートラルを目指すうえで、CO2排出の多い電力業界と、次いで多い製鉄業の動向に注目が集まっている。
一方，再エネの課題が次第に明らかになりつつある現在、CO2を排出している設備の「低・脱炭素化」を模索することが、既存設備を有効利用しながら長期的に技術移転を進めることができるという意
味で、技術的にも経済的にも現実的な選択のようである。
CO2フリー燃料、水素キャリアとしてのアンモニアの役割、一つのガスタービン技術のLNG→アンモニア→水素 (30%、100%)、水素燃料
航空機への技術展開、水素発電による市場拡大が水素還元製鉄などに果たす経済効果などを紹介し、既存技術を踏襲しつつ改良する形での「低・脱炭素」を、参加者の皆さんと議論したい。
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本日の内容１．2050年脱炭素へ向けての動向(1) 世界(国際エネルギー機関IEA予測)(2) 日本政府 (エネルギー基本計画、水素・蓄電池、SIP)(3) 産業界(電力、製鉄、商社)

２．再生可能エネルギー等、エネルギー資源の課題
３．技術的・経済的に現実的な選択(1) CO2フリー燃料、水素キャリアとしてのアンモニア(既存技術)(2) ガスタービン技術 LNG→NH3→水素→航空機へ繋がる(3) 水素発電の需要拡大の効果 水素還元製鉄への波及

４．アンモニア・水素による脱炭素技術

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エネルギー・気候変動に対する基本的考え
世界の脱炭素の動向（ＩＥＡ）
日本の政府・産業界の脱炭素の動向

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エネルギー・気候変動に対する基本的考え
１．エネルギー 【要点だけ】
エネルギーの源は核エネルギー。原子力の知識・技術を将来へ繋ぎたい。
エネルギーは人間の幸せ（GDP、人口を考慮：茅恒等式）と直結する。
２．地球温暖化・気候変動 （宇宙・地球の歴史） 【要点だけ】
気候変動のことを、それほどは何も知らない。 太陽の日射（ミランコビッチサイクル）と気候変動は一致。 【日本のエネルギーを考える会SEJだより第15号参照】
地球温暖化 ＝CO2主原因説には懐疑的。資源枯渇の問題と捉える。 【→３】
気候変動 ＝太陽の日射（ミランコビッチサイクル） ＋ 46億年の太陽（核融合）熱の増加 と 地球大気中CO2量だけではない地球環境との均衡の結果。
経済性を無視した脱炭素には同意しない。キャノングローバル戦略研・杉山大志
氏の意見と同じ方向だが、個々の技術的結論には同意しない。 【→４】
投資は脱炭素なので、企業は無視できない（現実的に妥協） 。
３．原子力 【今回の対象外】
軽水炉のみでは資源枯渇。2100年後半への展望はない。
核融合の実用化はかなり先（？）。高速炉は放棄できない。
４．経済性を考慮した低・脱炭素 【今回の本題】
既存の産業・設備を有効活用した技術移行形の低・脱炭素をめざす。
発電だけ、エネルギー産業だけでなく、関連産業への波及・相乗効果を幅広く考慮する。
5エネルギーの源と気候変動 【出典】 読売新聞 2021.6.20

CO2等の大気環境

気候変動

3億年前 石炭紀
エネルギーの源 ＝ 核エネルギー 太陽（核融合）、地熱の半分（核崩壊）
気候変動 ＝太陽の日射＋ 46億年の太陽（核融合）熱の増加 と 大気中CO2量などの均衡

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エネルギーの源泉 地熱の半分は原始放射性物質

原始放射性物質（半減期が長い）
Ｕ－238 半減期 45 億年
Ｔｈ－232140 億年Ｋ－40
12.5 億年
地球の歴史
46 億年

出典：地熱エネルギー入門，日本地熱学会

7原始放射性物質の減衰
地球創生時（46億年前）は，現在の発熱量の4.8倍（長半減期核種で評価）

地熱の発熱密度 0.1 W/m2 ← 太陽
熱の1／10,000

地球内部の熱源となる放射性物質の発熱率

地球内部の発熱 → マントル対流→ プレート運動 → 地表付近でマントル溶融／マグマ発生→ 揮発性成分（CO2など）の脱ガス→ 物質循環
【火山活動は地球が生きている証】
熱源である放射性物質は地球質量に比例／冷却は地球表面全体→ 大きな地球ほど冷却までの寿命が長い。
【地球はまだ数十億年は火山活動】
太陽光度増大の影響の方が先

地球内部の平均温度の変化

出典：大気の進化46億年、田近英一，20118

核融合反応と核分裂反応

鉄

太陽は、核融合の進展に伴い、燃料の質量数が増え、発熱量を増していく9

宇宙史から知るエネルギー 水素から物質は生成
ビッグバン前は物質はなく電磁波（放射線）が溢れる → いかにして太陽や地球は誕生したか（※）（※） ウラン等の崩壊熱（地熱の源） → 地熱発電

出典：原子力, 藤家洋一，2005 10

宇宙のエネルギー

水素からの物質生成

太陽光発電の大量導入時代に必要な蓄エネ手段の一つが「水素」
元素の中で核子の結合エネルギーが最も大きく安定している鉄が作られるとエネルギー生成のプロセスは止まってしまう
鉄よりも重い元素は，吸熱反応が起こる大きなエネルギー（超新星爆発等）が必要

鉄 超新星爆発等による吸熱反応
核分裂反応

核融合反応

核子エネルギーと物質生成

超新星爆発エネルギーで中性子吸収・過剰⇒β崩壊（電子放出）⇒中性子が陽子へ変わる（原子番号が一つ増）

U-235
超新星爆発などの莫大なエネル
ギーを「質量」という形で貯蔵⇒「核分裂」はそれを解放するもの

出典：原子力, 藤家洋一，2005

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宇宙史から知るエネルギー 遠い将来の太陽主系列星の寿命 質量の２～３乗に反比例

太陽

太陽 誕生後明るさを増す → 赤色巨星 → 脈動変光星（膨張と収縮を繰り返す → 外層からガス放出） → 白色矮星（核融合でできたヘリウム，炭素，酸素） 冷却／暗くなる 寿命 約100億年
出典：大気の進化46億年,田近英一，201112宇宙史から知るエネルギー 物質はどこから来たか
周期表 （宇宙の生成過程シミュレーション結果）

ビックバン

超新星爆発など
超新星爆発など
低質量星の死

出典：コズミックフロント「原始ブラッホール 宇宙創成のマスターキー」 NHK番組，2021.6.24

低質量星の死13太陽系にある物質 水素とヘリウムが主成分
太陽系の原子存在比
水素から出発 核融合で鉄まで生成
超新星爆発のエネルギーで鉄よりも重い元素が生成← 質量の98％

太陽系は超新星爆発で生成した宇宙塵を集めて誕生

核融合で生成 →質量比 水素／ヘリウム／その他（※） 約71／27／2 ％（※）Li～U 約1.9±8.5 ％→
原子番号30番以下
原子番号の偶数元素

概ね原子番号の増加に伴い指数関数的に減少
一般に前後の奇数元素より多量（原子核の安定性による）

原子番号3～5番は著しく少ない

出典：ベースメタル枯渇、西山14石炭の生成過程 石炭化で水素減少
無煙炭
瀝青炭亜炭

腐植化

酸素による腐敗続成作用

泥炭（55％C）
嫌気性の腐敗ゲル化
亜炭（60％C）

亜瀝青炭（70％C）
変性作用
石炭化

瀝青炭（85％C）
無煙炭（95％C）

The Anatomy of a Swamp 石炭を生成する沼（水面下）の断面。 左側は２つの主な生成過程、続成作用（バクテリアによる腐敗）と変性作用（熱，圧力による変化）を、 右側は、これらの過程 の生成物（泥炭から無煙炭）を示す。
上部の白い矢は、最終的に石炭の灰となる不純物が泥炭にどのように入るかを示す。

枯れて腐ればCO2 は元に戻る ➡ 石炭化で固定
出典：Wyoming Coal：Coal Swamp，Natural Science Program, University of Wyoming

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石炭生成と大気成分 石炭は大気CO2の固定化
％

酸素

石炭紀％

大酸化イベント

枯れて腐ればCO2 は元に戻る ➡ 石炭化で固定CO2石炭紀は、高温多湿な環境の地域が多く、植物や昆虫は巨大化。高湿度の熱帯ではシダ植物が径2m×高さ40m、巨大トンボの羽は70cmにも達した。
酸素濃度が非常に高く、それが昆虫の巨大化につながったと考えられている。
北極では氷河が形成され、石炭紀後期の氷河期（数百万年）によって、多くの生物が絶滅することになった。
石炭紀の植物の巨大化は、大気中のCO2量（栄養分）が多かったことを、大気中の酸素濃度の急増は、植物へのCO2の固定化（石炭量）の急増／大気中CO2の急減を裏付けるものと考えられる。
→石炭は石炭紀以降の大気中CO2を、太陽光で閉じ込めたもの。【報告者】
出典：大量絶滅の原因究明!!大量絶滅．com

16最終的に地球環境はどうなるのか 遠い将来の地球環境
大気中のCO2濃度は、短期的には増加するものの、長期的には低下
150ppm以下で多くの植物（Ｃ３植物）が光合成を停止＜現在、約400ppm＞

10ppm以下でＣ４植物（トウモロコシ、サトウキビなど）の光合成も停止【約10億年後】
太陽光度が現在の1.1倍になる →成層圏の水蒸気量が急増／太陽からの紫外線で分解 → 水素が地球から逃げ出す → 海洋が無くなる【約15億年後迄】

太陽の寿命は約100億年
残り約50億年 → 中年期

遠い将来の地球の運命●環境問題とは長期的な幸せと短期的な幸せの選択
出典：大気の進化46億年、田近英一，201117気候変動 縄文時代は１～２℃も温暖だった【出典】 品川区立 品川歴史館

温暖化もあるが寒冷化もある SEJだより第15号
縄文時代の気温晩氷期以降の気候変動と文明の盛衰、安田1996

大森貝塚 現在、標高約10m 縄文後期～末期（4400～2300年前）には、6～7m崖下の京浜東北線の場所まで海岸があったらしい。縄文前期の遺跡は、さらに高い標高位置にあることが分かる。
縄文時代は、今から約13,000～2,300年前の約１万年。暖かく「縄文海進」。

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世界の脱炭素の動向 (1)2060年までの世界の累計CO2削減量の見通し 【出典】 IEA 2017年

再エネによる削減量３割。地域に偏在するため送配電の柔軟・安定が必要。
化石燃料改質による水素利用が2030年から増加。2050年迄の削減量の14%見込(燃料転換)。CCSとの組合せからの水素利用も必要。 「CCUS使わずしてカーボンゼロの達成はできない」 (IEA事務局長)
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世界の脱炭素の動向 (２)STEPS 実施されている、または政府発表政策のみを考慮したシナリオ 。
APC
特定政策で下支えされているかどうかに係わらず、完全かつ期限内の達成を想定。
2100年までに約2.1℃の気温上昇（50%の確率）。
NZE 2050年ネットゼロを達成するために必要なシナリオ。気温上昇1.5℃。見通しではない。
【出典】 NET Zero by 2050 ： A Roadmap for the Global Energy Sector, IEA2021.5 （原産翻訳）20

世界の脱炭素の動向 (３)2050年ネットゼロ排出量シナリオ（ＮＺＥ）における世界のCO2排出量

NZE 2050年ネットゼロを達成するために必要なシナリオ。気温上昇1.5℃まで。見通しではない【出典】 NET Zero by 2050 ： A Roadmap for the Global Energy Sector, IEA2021.5 （原産翻訳）21

世界の脱炭素の動向 (４)2050年ネットゼロ排出量シナリオ（ＮＺＥ）における世界の発電量（電源別）

2050年ネットゼロでは、50年のエネルギー需要は現在より８％減、経済規模は２倍以上、人口は20億人増加。電力は全体の50％、輸送、産業など全てで重要な役割。
★ネットゼロでは、再エネ20年29％→ 30年60％→ 50年90％ （非現実的？）
NZE 2050年ネットゼロを達成するために必要なシナリオ。気温上昇1.5℃まで。見通しではない【出典】 NET Zero by 2050 ： A Roadmap for the Global Energy Sector, IEA2021.5 （原産翻訳）22脱炭素への道は険しい (１)【出典】 読売新聞 2021.6.20 国際エネルギー機関ＩＥＡ2021年５月発表の工程表

２／５

電力約２／５でも、全体は約２／３に減るだけ 産業・運輸などの脱炭素が鍵。
産業・運輸に波及する技術、電力だけでなく送配電の効率向上が求められる【出典】 NET Zero by 2050 ： A Roadmap for the Global Energy Sector, IEA2021.5 （原産翻訳）23脱炭素への道は険しい (２)【出典】 総合エネ調基本政策分科会 2021.6.20 デロイト トーマス コンサルタント資料

2050年電源構成参考値（分科会） ： 再エネ約５～６割、原子力＋CCUS約３～４割、水素・アンモニア約１割を示した上で６団体から複数のシナリオ分析を求めた。

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脱炭素への道は険しい (３)【出典】 総合エネ調基本政策分科会 2021.6.20 デロイト トーマス コンサルタント資料

デロイト トーマス コンサルタント社は、IEAで開発された長期エネルギー分析プログラム「TIMES」を用いたシナリオ分析を紹介。両ケースで、発電限界費用は現状の約２倍、約５倍へと上昇する可能性を示し、「エネルギーシステム全体が柔軟性を持たないことが電力価格に影響する」などと指摘。

再エネ大量導入ケース

コスト最小ケース
現状（2020）25

世界のエネルギー構成の推移【出典】 読売新聞 2021.6.20 英石油大手BPエネルギー予測2020年版

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政府の動向１．2050年脱炭素を表明 (菅首相) 2020年10月
・2030年削減目標を26→46％減に上積み 2021年4月気候サミット

２．エネルギー基本計画６次見直し
・2030年電源構成目標の見直し議論

３．再エネの課題

不安定性・被災急増・電力需給

・2021年1月大雪で電力需給が逼迫。2022年2月に電力不足?
・北海道大停電は単純な発電比較では分からない 2018年9月★再エネ(太陽光、風力)普及のために送電網の強化を決定北海道ー関東、九州ー本州に複数ルートを新増設

４．CO2フリー燃料開発の促進
・経済産業省「水素・燃料電池戦略ロードマップ」・・水素・内閣府SIP「エネルギーキャリア」(2014～2018年) ・・アンモニア
SIP：戦略的イノベーション創造プロジェクト27産業界の2050年脱炭素戦略の例

１．電力 (JERA)

2050年時点で排出CO2をゼロ(1) 非効率石炭火力・・休廃止（国の方針どおり）(2) LNGタービン・・30年台後半NH3混焼20%。40年代専焼に。
30年台水素混焼30% ～一部専焼(3) 再エネ・・洋上風力を中心。蓄電池で導入支援

２．商社 (三菱商事、丸紅)(1) 海外肥料工場を5年後に発電燃料用NH3生産へ転換。
2030年日本市場の1/4規模。生産に伴うCO2は回収・貯留。
輸出用岸壁は既存。近くにガス田・パイプライン有。
(2) アンモニア燃料生産で生じるCO2は、CCSではなく豪州で展開する植林・木材チップ事業で実質排出ゼロに。

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大手電力の2050年へ向けた取り組み

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JERAの2050年脱炭素戦略の例

非効率石炭火力・・休廃止（国の方針どおり）
LNGタービン・・30年台後半アンモニアNH3混焼20%。 40年代専焼に。
30年台水素混焼30% ～一部専焼
再エネ・・洋上風力を中心。 蓄電池で導入支援
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大手電力の非効率な石炭火力の割合【出典】 読売新聞 2021.6.20

休廃止による影響度

中国電、九電、Jパワーが多い。関電はゼロ
JERAは、20%程度で中位置
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大手商社の脱炭素を巡る新たな動き

三菱商事が出資するインドネシアの工場。アンモニアの生産過程で排出する CO2 を地中に貯留する計画

読売新聞 2021.4.7

商社の新たな動きは、発電用・船舶用のアンモニア燃料、生産過程から排出するCO2 地中貯留、石炭権益からの撤退

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分散型グリーンアンモニア製造技術の例
出資する日本の会社は、提携により水素・アンモニアバリューチェーンの強化・多様化を加速するのが狙い

革新的触媒でグリーンアンモニアを製造する技術。カーボンフリーアンモニアが船舶や発電向けの燃料利用および水素キャリアとして重要な役割を担う
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34

2050年脱炭素の実現可能性【国際環境経済研究所の評価例】

達成するためのラフな需給構造［80%削減の場合］ 電力分野
１．化石燃料電源の比率を20%程度に低下させる必要。
２．原発の新設・建替えが不可能として、既設・建設中の全原発を再稼働・稼働し、60年稼働 ➡ 15%程度以下３．その結果、再エネ電源比率 ➡ 65 %以上必要となる。
原発の稼働状況によっては、65 %を上回る必要。
［100%削減の場合は、更に厳しい］［太陽光・風力エネ導入の限界］
・もはや経済的に耐えられない・・仮に全額負担なら、CO２排出1トン低減に約8万円のコスト。２０１９年度の買取額2.4兆円。
国民1人当たり年間2万円。
・発電量が天候等により大きく変化。一定以上になると「調整力」として蓄電設備等 (現状高額) が必要。➡再エネの出力抑制。
➡ 今年1月大雪で電力需給が逼迫。来年2月に電力不足?

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水素エネルギーの重要性【国際環境経済研究所の評価例】
日本は2050年までにCO2排出を80%削減［当時］するためには・・・
１．再エネの比率を大幅に高めなければならないが、一定の経済性を確保しつつ安定的に供給できるとは言えない。
２．一方、世界には安価な再エネが大量にある地域が広範囲に存在。
３．日本は隣国と送電線やパイプラインで繋がっていないので、海外の再エネに恵まれた地域から、安価な再エネを大量に導入することを考える必要がある。

［水素エネルギーの重要性］
１．長距離運搬が可能な形態は、化学エネルギー［水素］➡海外の再エネ資源に恵まれた地域から再エネを大量に導入する手段
２．電力系統の「調整力」を確保しつつ、国内再エネを含む再エネの導入拡大を可能とする手段
３．日本では、エネルギー消費の約75%が熱、25 %が電力。産業分野、熱エネル
ギー分野の脱炭素化の手段36

再エネ（自然変動）大量導入過渡期に必要なガス火力の調整力

水素混焼GTは、再エネ（自然変動）大量導入過渡期の調整力と、低・脱炭素エネルギーとして位置づけ
出典：再生可能エネルギー拡大に欠かせないのは「火力発電」,MITI，2017.11.16

3738水素キャリアとしてアンモニアが有利

39アンモニア燃料利用による社会貢献2050年100%削減に変更。2030年中間目標は?

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アンモニアバリューチェーンの現状と将来展望

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水素エネルギーキャリアの比較

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アンモニアの燃料としての得失
利点

欠点

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ライフサイクルでのCO2排出量

LNG火力発電

石炭火力発電NH3混焼20%

NH3混焼20%
NH3専焼

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アンモニアのLNGに対する価格競争力

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水素輸送コスト (オーストラリア～日本)

水素NH3

輸出

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キャリア別の水素エネルギーコスト (1)
液水→水素有機ハイドライト→水素NH3→水素NH347

キャリア別の水素エネルギーコスト (2)48水素ガスタービンが水素消費を拡大

20 %混焼でFCV10～13万台相当の水素消費。専焼なら49

アンモニア戦略ロードマップ (コンソーシアム案)

50

アンモニア直接利用 (ガスタービン発電)51

アンモニア直接利用 (石炭混焼発電)52

アンモニア直接利用 (石炭混焼発電)

53

国際展開へ向けた取組み

54

55

水素ガスタービン用燃焼器の技術開発状況

逆 火
燃焼温度

1650 ℃

1650 ℃

1200～1400 ℃

開発・運用状況2018年実績のある燃焼器
で確認2020年80％混焼の検証
2025年100 ％専焼（計画）1970年開発・運用開始

実用化済み

開発中

実用化済み

出典：CO2ブリー社会の実現に向けた水素燃焼ガスタービン, 三菱重工技報，201856

燃料別に対応する燃焼器の技術開発が課題

予混合燃焼（ドライ式低NOX技術）

マルチクラスター（ドライ式低NOX技術）

水素混焼GTは既に実用化済み
水素専焼燃焼器が開発されれば、燃料をNH3分解水素にすることも可能
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燃焼器の課題は逆火対策と環境対応

水素燃料を空気に対して同軸方向に噴射するタイプの予混合ノズル 58

予混合燃焼器の開発例 (水素混焼)
水素添加により燃焼温度が上昇。水素混焼によるフラッシュバック発生リスク上昇を防ぐことを目的として、新たに開発した燃焼器の概要

現在の大型GTは効率が良く、水や水蒸気の噴射を伴わずに低NOX化を実現可能な予混合燃焼方式が主流

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水素航空機の開発
エアバスは今後、数か月の間に、水素燃料電池と水素燃焼技術などを試験実証。約5年をかけ、水素技術を開発。2020年代後半までに本格的プロトタイプを完成。2035年までに水素航空機を量産。

エアバスのゼロエミッション航空機

現在の航空機は、鉄道などと比べ、多くのCO2を排出する。
飛行機で1km移動するのに排出されるCO2は、乗客1人当たり96gとされ、鉄道(18g)の約5倍［国土交通省試算］ 全世界で排出されるCO2総排出量のうち、航空輸送での排出量は約1.7% ［日本航空機開発協会調査］

水素航空機は液体水素を燃料としCO2を排出しない。
水素ガスタービン技術には発電用の技術が活用でき、類似技術で開発を加速できる。 経産省は専用エンジンと液水貯蔵タンクの開発に補助金で後押し
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水素製鉄法
酸素を除去して鉄の強度を高める
還元工程で、石炭の代わりに水素を利用して鉄をつくる方法。
水素は酸素と結びつくため、還元に使っても水となり、理論上はCO2が発生しない。技術が実用化されれば、CO2排出量の大幅削減の切り札になる可能性がある。

酸化鉄である鉄鉱石から高炉を使い、2,000℃以上の環境下で酸素を取り除いて鉄を生産する。還元工程では現在、石炭を蒸し焼きにしたコークスを使用するのが主流だ。だが、コークスの炭素は酸素と結びつくことでCO2を大量に発生する。製鉄プロセスの上工程は全体のエネルギー消費の約8割を占めるとされ、国内では2000年代から日本製鉄などが研究を進めている。
国内の製造業で排出するCO2のうち、4割超を鉄鋼業が占めており、水素還元の技術への期待は大きい。ただ、研究開発に膨大な費用が必要なことに加え、水素を使うことで熱を奪う「吸熱反応」が発生し、高炉内の温度が低下するといった技術的な壁もある。
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高炉水素還元技術

62まとめ 柔軟で安定な低・脱炭素移行戦略
2050年脱炭素のために
１．既存発電技術の低炭素化を図る移行戦略が必要

２．その中で、再エネの課題を直視し、再エネの調整や利用拡大にも寄与し、既存設備を活用した経済的CO2フリー燃料［アンモニア］への転換を適切に考慮
３．発電だけでなく、送配電系統、CCSUや蓄エネを含めた総合的で現実的な比較評価が必要

４．戦略選択の前提として原子力の位置づけの明確化が必要

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アンモニア・水素により既存設備を有効利用して現実的な「脱炭素」をめざす

ご清聴ありがとうございました64