特集

脱炭素社会の実現に向けて ～カーボン・ニュートラル・ポートの形成～

燃料アンモニアを利用した火力発電について
須田 俊之

株式会社 IHI 戦略技術統括本部 戦略技術プロジェクト部
カーボンソリューション担当部長

1. はじめにあり、火力発電での利用にはいくつか課題がある。例えばガスタービンで燃料として用いられる天然ガスと比べると、アン2020 年 10 月 26 日に政府が日本として「2050 年カーボン

モニアは燃焼速度が約 1/5、発熱量が約 1/2、断熱火炎温度がニュートラル、脱炭素社会の実現を目指す」ことを宣言した

200〜400℃低い等の特徴があり、火炎を安定させること、完ことにより、脱炭素に向けた動きが加速している。カーボン

全燃焼させるために十分な滞留時間を確保すること、輻射伝ニュートラルを達成するための方策の一つとして、利用時に熱量の低下に対する対応、などが課題となる（図 1 参照）。特

CO2 を発生しない水素エネルギーの推進が重要と考えられる。に重要なのが、分子中に含まれる窒素原子由来の Fuel-NOx や水素は自然からは直接採取できない 2 次エネルギーであり、化N2O の生成が予想されるため、これら窒素酸化物の生成を抑石燃料からの変換による製造や、太陽光・風力発電などの再制した燃焼手法（バーナや炉）の開発が必要であることである。

生可能エネルギーからの製造が必要となる。日本は 1 次エネ

Fuel-NOx や N2O の生成メカニズムついては、特に石炭燃焼のルギーの 90% 以上を海外の化石燃料に依存しており、海外で分野において長く研究されてきており、低 NOx 燃焼法も開発

CO2 フリー水素を製造し日本に輸入・利用することで、国内利されている。石炭燃焼においては、石炭中の窒素分は HCN や用時の CO2 を直接的に削減できるとともに、海外の再生可能NH3 の形で気相に放出され、それが酸化されることで NOx がエネルギーを水素の形で輸入できるため、エネルギーセキュリ生成する。一方で、NH3 により NOx が還元される反応もあるティの向上（供給構造の多様化）にも寄与すると考えられる。

ため、これら酸化還元反応を制御することが低 NOx 化のカギ

一方で、水素は輸送しにくいという特徴がある。複数検討さとなる。例えば、空気を 2 段階で投入する 2 段燃焼や、低 NOxれているエネルギーキャリアの中では、アンモニアの社会実装バーナなどが開発されている。これら技術を適切に応用すれが早いと考えられており、昨今注目を集めている。アンモニアは、他のキャリアに比較して、①単位体積当たりの水素含有量が大きい、②液化しやすく既存の製造・輸送・貯蔵の技術やインフラを活用できる、③水素に再変換することなく直接燃焼が可能である、などの特徴から、早期に社会実装が可能と考えられている。アンモニアは既に肥料や化学原料として広く流通しており、鉄触媒により窒素と水素からアンモニアを合成する
ハーバー・ボッシュ法という完成された製法があること、また、アンモニアは可燃性ガスであり、火力発電用燃料として直接利用できることがチェーン構築上の大きなメリットと言える。

2. アンモニアを火力発電で利用する場合の課題
アンモニアはエネルギーキャリアとして有望な物資であるが、燃焼の面で従来の石炭や炭化水素燃料とは異なった特徴が

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図１
左：都市ガスのみによる火炎

火炎の比較
右：都市ガスとアンモニアの混焼時火炎脱炭素社会の実現に向けてば、アンモニア燃焼においても早期に低 NOx 燃焼法が開発できる可能性がある。

特集微粉炭＋1次空気アンモニア燃焼用空気

3. 各種火力発電での利用技術
IHI では、国からの支援のもと、石炭火力、ガスタービン、固体酸化物型燃料電池（SOFC）を利用した発電におけるアンモニア利用技術の確立を行ってきた。以下、石炭火力・ガスタービンにおける開発状況について簡単に述べる。
3.1 石炭火力発電への適用

NOxの還元領域

図3

アンモニア混焼微粉炭バーナ模式図

石炭火力からの CO2 排出原単位は 0.8kg-CO2/kWh 程度と他の火力発電よりも大きい事が課題であるが、例えばアンモ本バーナの性能を確認するため、IHI の燃焼試験設備を用いニアを発熱量ベースで 20% 混焼させることで CO2 排出量はおた燃焼試験を行った。試験設備の外観を図 4 に示す。本設備はおよそ 20% 削減となり、CO2 削減効果が大きい。一般に石炭微粉炭を燃焼させた際の燃焼挙動、排気ガス特性を探るための火力では、石炭を数十μ m まで粉砕してバーナで炉内に吹き設備であり、今回、アンモニア供給設備を追設することで試験込み燃焼させる微粉炭燃焼と呼ばれる手法が主流であるが（図を行った。アンモニア混焼率は発熱量ベースで 20% とした。

2）、この発電所にどのようにアンモニア燃焼を適用させるか

図 5 にアンモニア 20% 混焼時の火炎の様子を示す。火炎はが課題である。IHI では、アンモニアの投入・燃焼方法、発電微粉炭専焼時と同等で安定しており、火炎の安定性については所としての性能の変化の予測、必要なアンモニア供給設備の検問題無いことが分かった。排気ガス中の CO2 濃度は、20% ア討、など実施し、アンモニア燃焼適用の可否について検討した。

ンモニア混焼によって 13.3% から 10.6% へと 20% 削減され最も重要となる燃焼については、アンモニアを石炭と一緒にていることが確認できた。排気ガス中の未燃アンモニアについ安定して燃焼させるため、アンモニア混焼が可能な微粉炭バーては、試験全体を通して、煙突部でアンモニアは検知されておナを開発した（図 3）。本バーナではアンモニアの投入方法をらず、投入したアンモニアはすべて火炉内で分解、燃焼されて工夫することにより、安定した燃焼とともに、NOx の生成をおり、アンモニアを安全に燃焼できることがわかった。課題で抑制できる還元領域にアンモニアを投入することで低 NOx 化を図るものである。基本的にはバーナの交換によってアンモニア混焼の適用が可能となるため、既存の石炭火力設備を利用しつつ最小限の改造でアンモニア混焼による CO2 削減が可能となる。

図4

図2

石炭火力発電所（微粉炭燃焼）

燃焼試験設備

図5 アンモニア混焼火炎

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あった NOx については、石炭専焼と同等もしくはそれ以下でアンモニアの供給を増加させ、アンモニアを 20%（低位発熱あった。以上の結果より、石炭火力において、アンモニアを安量基準）まで安定して混焼させた。

定して混焼可能であることを確認することができた。

ガスタービンの運転の結果、 微粉炭燃焼の場合と同様に、アンモニア混焼率が増加すると CO2 濃度は単調に減少し、直3.2 ガスタービンガスタービン燃焼器においてアンモニアを利用する場合、安接的な低減が可能であることが分かった。NOx 濃度はアンモ定して燃焼させる技術（失火・不完全燃焼などの抑制）や、アニア混焼開始とともに急増するが、 アンモニア混焼率 5% 以ンモニアからの Fuel-NOx の生成を抑制する燃焼器コンセプト上では大きく変化しないことがわかり、天然ガス混焼時よりが重要となる。天然ガスを燃料としたガスタービンで発生するは NOx 濃度は高くなるものの脱硝装置通過後の NOx 濃度はNOx は、空気中窒素分起源の Thermal-NOx であり、燃料中の環境規制値 7ppm@16%O2 以下まで低減可能であった。 そ窒素分を起源とする Fuel-NOx は発生しない。Thermal-NOxの 他 成 分 は、CO は 3ppm 以 下、NH3、THC（Total Hydroは温度依存性が高いため、ガスタービンにおける低 NOx 手法

Carbon）、N2O は 1ppm 以下であり、いずれも計測器の定量は希薄予混合燃焼など高温場の発生を抑制する手法が主流であ下限値以下であった。以上の結果より、ガスタービンでアンモるが、Fuel-NOx の場合、二段燃焼など還元雰囲気を利用したニアを安定して混焼可能であることを実証することができた。

低 NOx 手法を用いる必要がある。IHI では、数値解析や燃焼器

なお、現在はアンモニアを気化させるのではなく液体のまま単体の加圧燃焼試験等により、安定燃焼・低 NOx を達成するで燃焼器に投入する手法の試験を実施しており、2020 年度末

アンモニア / 天然ガス混焼燃焼器の研究開発を進めた結果、新の時点で 70% の混焼まで成功している。今後、100% アンモ

しく開発した燃焼器を商用ガスタービンに搭載、原理実証試験

ニアでの専焼を目指した研究開発を実施していく予定である。

を実施した。

4. アンモニアの受入・供給設備

図 6 に試験設備の概略図を示す。設備は主に、天然ガスコン
プレッサ、アンモニア供給装置、ガスタービンエンジン、脱硝

ここでは火力でのアンモニア利用時に必要となるアンモニア装置の 4 つで構成されている。ガスタービンエンジンには IHIの受入・供給設備の検討状況について簡単に述べる。

製 2MWe 級ガスタービンである IM270 を用いた。設備改造は4.1 アンモニア受入・貯蔵燃焼器のみとし、開発したアンモニア / 天然ガス混焼用燃焼器

2030 年に 300 万トン、2050 年には 3,000 万トンのアンモを搭載 , それ以外のエンジン構成部品については天然ガス焚きニア需要が想定されており、アンモニアの輸入・貯蔵等が可能用標準品を使用した。タービン出口には、選択還元方式の脱硝となる環境の整備が求められている。国内港湾においては、大装置を設置した。アンモニアは液体状態でタンクに貯留し、液量に輸入されるアンモニアを複数ユーザーが多様な用途に活用体のままポンプで加圧した後、気化器で気化させる構成としすることで港湾・臨海部におけるカーボンニュートラルを推進た。試験では、起動から 2MWe 発電までの運転を天然ガス専することが可能となることから、これを実現するためのアンモ焼にて行った後、発電出力を 2MWe で一定に保持した状態で、ニア受入・貯蔵設備は非常に重要な設備と位置付けられる。上L-NH3tankP

Compressorfor Natural Gas

NH3 for fuelVaporizer

Accumulator

Combustor

Generator G
NH3 for SCR
Vaporizer

Accumulator

図638 CDIT 2021 ▷ No.56

Air

燃焼試験設備概略図

Gas Turbine
Flue gas

SCRStack

図7

2MWe 級ガスタービンIM270

脱炭素社会の実現に向けて金属二重殻タンク特集

PC二重殻タンク図8

アンモニアタンク外観記の実現に向けて、限られた CNP の敷地を有効に利用して最い場合には別途熱源を準備する必要が出てくるので計画時に注大限のアンモニアを受入・貯蔵するためには貯蔵タンク設置面意が必要となる。

積の最小化と、貯蔵タンク容量の大型化が求められる。国内に

上記以外に、将来的に CNP 運営のカーボンニュートラル化

はアンモニア貯蔵タンクとして防液提を有する金属二重殻式タを促進する為、受入・貯蔵設備にアンモニア燃料バンカリング

ンクの設置実績があるが防液提を有する分設置面積が大きくな設備を有することによって、アンモニア船着桟、離桟時にアる傾向となる。

ンモニア船をサポートするアンモニア燃料タグボート（実用化

LNG 貯蔵タンクなどですでに実績のある PC( プレストレス開発中）や、アンモニアの舶用燃料導入後のアンモニアバンカ

コンクリート ) タンク（タンク外槽の外側に PC が設置されていリング船への燃料供給を可能とし、CNP 運営及び国際海運のるタンク型式）を採用することで、貯蔵タンクに必要な設置面カーボンニュートラル化に貢献することが期待できる。

積をほぼタンク本体設置面積とすることができ、設置面積の最小化が可能となる。タンク容量に関しては、現在アンモニアタ

5. まとめ

ンク内槽材として使用されている SLA 材では板厚制限により本稿では、微粉炭焚ボイラおよびガスタービンにおけるアン貯蔵容量 4 万トン程度が最大となる。大容量化に際しては、よモニア混焼技術開発の状況とともに、アンモニア受入・供給設

り高強度の内槽材料を使用する必要があるが、鋼材はアンモニ備についても概略を述べた。現在、石炭火力での 20% 混焼にアに対して SCC（Stress Corrosion Cracking : 応力腐食割ついては実証段階にあるが、さらに混焼率を上げるための研究れ）感受性を有しており、内槽材鋼種の SCC 耐性を検証し大開発を継続して実施する必要がある。早期社会実装が可能とな容量化に適用可能な鋼種を早期に選定する必要があり、IHI にるよう、今後も力を入れて研究開発を進める予定である。

おいてもアンモニアタンク大容量化に向け材料選定を実施中である。
4.2 アンモニア供給
アンモニア供給の主要設備としてアンモニア気化設備が挙げ

6. 謝辞
本稿で述べた研究の一部は、内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム（SIP)「エられる。燃料アンモニアを効率よく気化させるためには CNP

ネルギーキャリア」（管理法人：国立研究開発法人

科学技術振周辺から取水可能な海水を熱媒とすることが望ましいが、発電興機構（JST））、および国立研究開発法人新エネルギー・産業設備へ燃料アンモニアを供給する場合、アンモニアの物性上発技術総合開発機構（NEDO）委託事業（JPNP16002）の支援に電設備との取り合い圧力近傍において常温下で凝縮が生じるこよって実施されました。ここに謝意を表します。とから、海水を熱媒とするだけでは不十分であり、アンモニア気化設備の 2 次側にアンモニアガスが凝縮温度を下回らないよ
うに加温するシステムが必要となる。加温器の熱源は発電所が隣接する場合は発電効率に影響を与えない範囲で供給可能な蒸気等を利用するのが望ましいが、CNP 等で発電所が隣接しな

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