合成メタンとアンモニアの比較

日本政府は次世代の再生エネルギーである水素H2の保存・運搬・熱源とするいわゆる水素キャリアとしてアンモニアNH3を利用することを宣言しています。水素をそのまま－250℃に冷却し保存・運搬・熱源とする方法は生産規模やコストの点でエネルギー源の主流にするのは非現実的だからです。H2をH2のまま大量に使わなければならないシーンは宇宙ロケットや大型ミサイルの噴射燃料くらいしかありません。溶鉱炉でFe2O3やFeOといった酸化物を還元するのに大量にH2を使う現場でも液体水素をタンクローリーで運んでいるわけではありません。溶鉱の現場で水蒸気改質などでH2を生産してそれを使っています。ただ、コークスや天然ガスを使う従来の方法ではCO2を副生してしまうということから、その代わりの熱源としてアンモニアNH3が期待されているわけです。

化石燃料の代わりにアンモニアを使うというのはたしかにいい方法です。　アンモニアは窒素Nと水素Hの化合物NH3でもともとCを含みませんから、CO2を排出することはありません。それにアンモニアは現在でも窒素肥料の材料やさまざまな工業製品に欠くことのできない原料として、すでに長い間世界中で大量に生産されていますから、次世代エネルギーとして使うのに技術面での不安がありません。もっとも、原料のH2を作るのにCO2を排出しているようでは話にならないので、H2は自然再生エネルギーで作る必要があります。さらにアンモニア合成には高温高圧というエネルギーが必要ですが、そのために化石燃料を燃やしたりするとそこでもCO2を発生してしまいますから何のためのCO2削減か分からなくなってしまいます。

アンモニアには数々の利点がありますが、同時に化石燃料に比べて多くの弱点や不便があります。もしそれがなければCO2排出が問題になる前にでも化石燃料にとって代わっていたはずです。そんな弱点の一つが燃料としてカロリーが低いことです。アンモニアのNH3のN（窒素）は燃焼しません。　　つまりアンモニアのカロリーはそこに含まれているHの分しかありません。分子量で言えば3/17しか熱エネルギーにならないのです。熱量が不足することは大量に燃せばカバーできることにはなりますが、それだけ製造コストも輸送コストも貯蔵コストもかかります。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　それに、アンモニアは産業用には使えても家庭用燃料には使えません。アンモニアガス自身が有毒ですし、微量でも悪臭がすることは誰でも知っています。それでも、アンモニアに次世代エネルギーの期待をするのは言ってみれば諸般の事情の妥協の産物であろうと思われます。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

これがメタンガスCH4であればCもHも燃料になりますからアンモニアとの　カロリー差は歴然ですし、現在都市ガスに使用されている天然ガスは95％がメタンですから実用に全く問題ありません。（天然ガスのメタンであれば、それを燃焼させることでそれまで地中に蓄えられていたCO2が排出されてしまいますが、H2とCO2から合成されたメタンであれば、排出されるCO2はもともと回収されたものですから、燃したからといってCO2排出量が増えることにはなりません。

メタンガスを大量安価に合成さえできれば天然ガスやアンモニアよりも優れた点が多々あります。上述のように合成メタンであれば原料にCO2を消費するので燃焼時にCO2を排出してもCO2が増えるわけではありませんし、化石燃料としての天然ガスは莫大な量が消費されて地球温暖化の一因になっているほどです。天然ガスを合成メタンに切り替えたとしても現在の都市ガス配給網などインフラのほとんどすべてがそのまま使えます。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　メタンの合成は100年以上前にサバティエ博士により成功しているのですが大規模製造が行われているわけではありません。今日のようにCO2による環境破壊が問題視される前には、地面を掘れば噴き出してくるメタンガス（天然ガス）をわざわざ合成しなければならない合理的な理由などなかったからです。当然ながら、CO2とH2を高温高圧で反応させるサバティエ反応は普通の環境では生産地で勝手に自噴してくる天然ガスとコスト的に競合できません。合成メタンを作るのにはまず原料になるH2を太陽光発電や風力発電で電力を起こし、それで水を電気分解しなければなりません。もう一つの原料であるCO2は邪魔もの扱いされていますが、それをメタンの合成工場まで運ぶのにも費用がかかります。その上にこの原料を反応させてメタンを合成するのには高熱と高圧が必要ですからそこでも自然の熱エネルギーと動力エネルギーが必要になります。合成反応を促進する触媒はレアメタルに比べれば安価なニッケルを使えるのが救いですが、現在毎日使用されている天然ガスの幾分なりとも合成で置き換えるとなると膨大な規模にならざるを得ませんし、何よりもほぼ無料で無制限に使える電力のあることが前提になります。現在のように再生電力のコストが化石燃料コストを上回ったり、H2が㎏当たりいくらと値段がついている世界でメタン合成の話をしても時間の無駄だということになるのが関の山です。しかし、将来自然エネルギーコストの低下することを見込んで合成メタン製造の研究は熱心に進められています。

しかし、ちょっと考えてみるとこれは不思議な話です。電力の元になる太陽光は無料です。太陽が人類に請求書を送ってくることなどは考えられません。H2にしても水素は地球上にも満ち溢れています。水が水素と酸素でできていることは誰もが知っています。植物達はCO2を吸収してO2と有機物を作りますが、人類はせっせとCO2を排出して地球を温暖化させています。　　つまり、電力でも水素でもCO2でも原点は無料無制限なのです。　　　　　ほぼ無料の太陽光発電をして、ほぼ無料の水素を作れる赤道反流上のフロートで、捨て場所に困っているCO2を加えて、さらにほぼ無料の熱源を加えれば合成メタンが誕生します。この合成メタンは天然ガスのように燃焼時に酸化窒素や亜硫酸などを作る不純物を含みませんから、燃焼時にこれらの除去をする必要がないためCO2回収は効率的に行うことができます。また、合成メタンの排出CO2を回収しメタン合成に再利用すれば実質上カーボンニュートラルではなくカーボンフリーの合成メタンを作れることになります。カーボンニュートラルの燃料を燃焼して、そのCO2を回収してしまうことになるからです。これは詭弁でも手品でもありません。合成メタンを燃焼させてもは排出されるのはH2OとCO2だけですから、これまで大気中に放熱していた排熱は熱交換器を通してこれから燃焼させるメタンガスに予熱を与えることに利用でき、このことは合成メタンを燃焼する現場での熱効率を大幅に改善することにつながります。余熱を失った排出ガスは１気圧下では100℃以下で水分とCO2に分離します。CO2は60℃以上では水に溶けることができません。排出される水は蒸留水ですからそのまま廃棄することができます。分離されたCO2はさらに零下80℃まで冷却すればドライアイスとして運搬が可能になります。アンモニアの開発と並んでメタンガスの合成にももっと注意を向けたらいいと思います。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　詳しくは「水素キャリアとしての合成メタンガス」をご覧ください。