【コラム】電気化学が切り拓くアンモニア生産の未来
2023/06/12
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アンモニアは、農業分野において世界で最も一般的かつ広く使用されている窒素系肥料です。過去140年間にわたる世界人口の指数関数的な増加により、アンモニア需要は増加し続けています。農業における価値に加えて、アンモニアは大量の水素を長距離・長期間にわたり安全に輸送するための有望な水素キャリアとして、水素経済の中でも大きな注目を集めています。しかし、従来のアンモニア製造では、反応に必要な水素源としてメタンなどの化石燃料が使用されています。この水素源の利用により、アンモニア製造は世界のCO₂排出量の1.5～2%を占めており、この技術は一般に「グレー」と呼ばれています。一般に「グリーンアンモニア」と呼ばれる、再生可能エネルギー由来の電力を使用して電気化学的に合成されたアンモニアは、炭素排出ゼロを実現する魅力的な代替手段です。
Swan-H は、2021年末に設立されたスタートアップ企業であり、大気中に豊富に存在する窒素を固定することでアンモニア生産の脱炭素化に貢献しています。同社は、トゥールーズ大学およびフランス国立科学研究センター（CNRS）と共同で特許を取得した独自の窒素活性化プロセスの開発に積極的に取り組んでいます。グリーンアンモニア生産と、Swan-Hチームが開発しているプロセスについて詳しく知るために、Augustin De Bettignies博士（対外コミュニケーション担当、CCO［Chief Commercial Officer］）、Dancheng Legrand氏（ラボマネージャー）、およびNicolas Mézailles氏（研究責任者、CSO［Chief Science Officer］）にインタビューを行いました。
Augustinさん、Swan-Hは新しいアンモニア生産に取り組む企業です。チームとそれぞれの役割をご紹介いただけますか？
Swan-Hのチームは、4名の創業者と4名の研究者で構成される8名の国際的なグループです。この専門家集団には、創業者であり研究責任者のDr. Nicolas Mézailles、CEOを務める起業家化学者のDr. Steve van Zutphen、工業化を担当するCTOのDr. Willem Schipper、そして事業面を担当する私（Dr. Augustin De Bettignies）が含まれています。
Swan-Hが発明した合成経路は、より持続可能であると言われていますが、他のアンモニア製造法とは具体的にどのように異なるのでしょうか？
N₂とH₂からNH₃を生成する反応は、特に難しい反応です。よく知られているHaber-Bosch法は、20世紀初頭以来、アンモニア生産の標準的な工業プロセスとして広く採用されてきました。この工業化されたプロセスでは、アンモニア生産を実現するために高温（400 °C）および高圧（>100 bar）という非常に厳しい条件が必要であり、さらに不均一系触媒も使用されます［1］。また、このプロセスで使用される水素分子は、メタンの水蒸気改質（MSR）によって生成されます［2］。
当社のブログ記事で、Haber-Bosch法の開発についてさらにご覧ください。
この反応のカーボンフットプリントを削減するために、一部のアンモニアメーカーは現在、水の電気分解によって生成されたH₂を利用しています。この近代化されたHaber-Bosch法による生成物は「グリーンアンモニア」と呼ばれています。しかし、このプロセスでも依然としてNH₃を合成するために高温、高圧、および触媒が必要です。また、プロセスの稼働には常時高温高圧を維持する必要があるため、風力や太陽光発電のような出力が変動する再生可能エネルギーとは明らかに相性が良くありません。
考え方の面で、Swan-HはHaber-Bosch業界とは異なる発想を持っています。当社のプロセスは常温常圧で実施されるため、現在世界のエネルギー消費量の1.5～2%を占めるアンモニア生産に必要なエネルギー投入量を大幅に削減できます。当社の戦略は、触媒を用いて「力任せに」（高温高圧で）窒素分子を分解するのではなく、慎重に設計されたラジカルを生成し、それらを段階的な反応機構によって窒素分子と反応させることに基づいています。
また、Swan-H法では、水素源として炭素系材料ではなく水を使用します。その結果、このプロセスはエネルギー要求量が低く、電極表面に依存せず、カーボンフットプリントも最小限に抑えられます。「電極表面に依存しない」とは、窒素の活性化が溶液中で起こることを意味し、前述の利点に加えて、その後のスケールアップにも有利です。この点が、N₂の活性化と還元を同一表面上で行う他のプロセスとの違いです。
当社のブログ記事で、水の電気分解によるクリーン（「グリーン」）水素製造についてさらにご覧ください。
あなたの研究チームが開発している技術は、一定の電位または電流で駆動される電解槽内で行われます。負極端子、すなわちカソード区画で起こる電気化学的ステップについて、もう少し詳しく説明していただけますか？
Swan-H技術の独自性は、電極表面で窒素を活性化するのではなく、まずメディエーターを活性化し、その後このメディエーターが窒素と反応する点にあります。これにより、窒素活性化プロセスを電極表面積によって制限されることなく、溶液全体の体積中で進行させることが可能になります。
私たちはまず、化学メディエーターを電気化学的に活性化し、高エネルギーのラジカル種へと変換します。このラジカル種は、電解液中に溶解したN₂分子と化学的に反応することができます。続く段階では、このアミン（窒素含有誘導体）生成物が水などの水素源と反応し、プロセス全体はハイブリッド型反応（電気化学反応と化学反応の組み合わせ）となります。これら2つの工程を組み合わせることで、それぞれの反応の主な特性を活用し、アンモニア生産の可能性を最大限に引き出しています。
ハイブリッド反応プロセスに基づくリアクタープロトタイプが設計され、試験されています。現在の開発状況はいかがですか？
現在、当社の第1世代プロトタイプはバッチ運転で稼働しており、TRL 4（Technology Readiness Level 4）の段階でミリグラム単位の生産を実現しています。この段階は、異なる分野や技術セクター間で安全に共通認識を持った議論を行うことを可能にします。
当社は、INTELLOによって駆動されるVIONICを使用し、生成されたアンモニア単位量あたりに必要なエネルギー量を定量化するためのデータを収集しています。今年末までには、このプロトタイプをより自律的で連続的な生産方式へ進化させ、生産性を向上させてTRL 5に到達する予定です。
アンモニアには、肥料と水素技術という2つの主要な用途分野があるとお話しいただきました。Swan-Hプロセスから特に恩恵を受けるのは、どのような組織や機関なのでしょうか？
世界全体でアンモニア生産プラントはわずか100～120か所程度しかなく、年間約2億トンの生産が非常に集中した形で行われています。これは、そのような生産施設への強い依存を生み出しています。アンモニア製造事業者は、生産サイクルをより環境に優しいものにする方法を模索しており、できれば大規模プラントを必要としないプロセスで、地域で利用可能な再生可能エネルギーから生産された水素源を活用したいと考えています。
私たちは、地域レベルでSwan-H技術を用いたさまざまな規模の生産ユニットを展開することで、アンモニア生産を分散化し、地域経済を強化することを構想しています。これには、企業だけでなく、海外の天然ガス供給源への依存から脱却を目指す国々も含まれます。さらに私たちのビジョンは、余剰エネルギーが利用可能な時に装置を稼働させてNH3を生産し、その後停止できる設備を提供することです。このような使い方をすることで、アンモニアは高い水素含有量を持つエネルギー貯蔵化学物質として機能します。
VIONIC powered by INTELLOのユーザーとして、Metrohm Autolab全般についてどのような印象をお持ちですか。また、VIONICのどのような機能が研究を前進させていますか？
Swan-Hチームは、フランスにおけるMetrohm Autolabのローカルサポートと非常に良好な関係を築くことができ、ソフトウェアについても協力して取り組むことを楽しんでいます。INTELLOのインターフェースは非常に使いやすく、同一画面上で実行できる解析数という点で非常に強力なソフトウェアです。特に、プロット機能へのアクセスのしやすさとリアルタイム取得データの視認性の高さを評価しています。
INTELLOのインターフェースは非常に使いやすく、非常に強力なソフトウェアです…。
Dr. Dancheng Legrand,
Laboratory Manager at Swan-H
VIONICの能力を考慮すると、私たちは研究条件下で高い溶液抵抗が発生すると予想していましたが、この装置は高電圧およびコンプライアンス要求に対応できるため、Metrohm AutolabとVIONICを選択する決め手となりました。また、チームはINTELLOのアンテザリング機能も高く評価しています。これにより、数時間に及ぶ測定中にコンピューターをVIONICから切り離し、実験のためにコンピューターのリソースを専有し続けることなく、後で再接続してデータを回収することができます。
チームはまた、INTELLOのアンテザリング機能も高く評価しています。これにより、数時間にわたる測定中はコンピューターをVIONICから切り離して他の用途に使用でき、実験のためにコンピューターのリソースを専有し続ける必要がありません。測定後に再接続するだけでデータを回収できます。
Dr. Nicolas Mézailles,
Founder and Research Director at Swan-H
まとめ
電気化学反応と化学反応を組み合わせた窒素活性化を利用することで、より持続可能なアンモニア生産プロセスへの移行は実現可能なものとなっています。Swan-Hが開発を進めている生産方法は、従来のHaber-Bosch法と比較して、より低コストで、安全性が高く、環境負荷の低い選択肢です。
さらに、Swan-Hグループが発明したハイブリッドプロセスでは、ラジカルメディエーターを用いてN₂を活性化し、H₂を取り込んだ後にNH₃として放出します。VIONIC powered by INTELLOのように、このアプリケーションの要件に適した仕様と機能を備えた電気化学測定機器は、この革新的な「より環境に優しい」アンモニア製造プロセスの発見および最適化において重要な役割を果たしています。
VIONIC powered by INTELLOの無償デモンストレーションについては、お近くのメトローム販売代理店までお問い合わせください。
参考資料
[1] Haber-Bosch process. Britannica. https://www.britannica.com/technology/Haber-Bosch-process (accessed 2023-05-11).
[2] Methane Steam Reforming - an overview. ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/methane-steam-reforming (accessed 2023-05-11).
