海洋燃料としての「グリーン」アンモニアの未来

ジョセフ・ディレンゾ、PE • 3 10月 2019

ロングイェールビーンはスバールバル諸島で最大の町であり、フィンマークの風力発電所から生産されるグリーン水素またはアンモニアの最初の大規模消費者の1つになる可能性があります。写真クレジットスバールバル諸島をご覧ください。

LPG船クリッパー土星。写真クレジットSolvang ASA。

ノルウェーのフィンマルク州北部のハムネフィエル風力発電所のケーブルトレンチ。写真クレジットMulticonsult。

アンモニアは、肥料や洗浄剤に使用されるのと同じ刺激性溶液であり、いつか世界中で再生可能エネルギーを輸送するための鍵になるかもしれません。現在、風力、太陽光、潮力、原子力などのエネルギー源からの過剰な再生可能エネルギーをアンモニアに変換してから使用可能なエネルギーに戻すことの実現可能性を評価する政府および企業のプロジェクトが数多くあります。

純粋な形では、アンモニアまたはNH3は1つの窒素と3つの水素原子で構成されており、過剰な再生可能エネルギーを化学的に結合するのに理想的な候補です。他のいくつかの化合物と同様に、アンモニアはケミカルタンカーによって液体の形でエンドユーザーに輸送できます。ほぼ周囲の液化点に基づいて、アンモニアを水素よりも長距離輸送する方が魅力的かもしれません。一旦アンロードされると、アンモニアは燃料電池、ガスタービン、または燃焼エンジンで使用可能なエネルギーと熱に変換されます。

カーボンニュートラルな社会になるために、ノルウェーのような国は、この概念を大規模に実証するプロジェクトを検討しています。その技術的および経済的な実現可能性を判断するために、ノルウェー本土の最北の郡であるフィンマルクで生成された過剰な風力エネルギーを、水素またはアンモニアを圧縮してスバールバル諸島に送ることができるかどうかを判断するための研究が行われました。これらのプロジェクトは、船舶を介して世界中に再生可能エネルギーを輸送する潜在的な新しい規範の例です。トピックにいくつかの追加の光を当てるために、この記事はノルウェーのスバールバル諸島プロジェクトを調査し、海事産業がこの成長するエネルギー市場で重要な役割を果たすことができる方法を検討します。

LPG船クリッパーオーディン。写真クレジットSolvang ASA。 スバールバル諸島の事例研究
さまざまな発電技術を評価していますが、ノルウェー政府がアンモニアをスバールバル諸島に供給し続けることを決定した場合、アンモニアを介してコミュニティの熱と電気を提供する最初の大規模プロジェクトになります。アンモニアをフィンマークとスバールバル間のエネルギーキャリアと見なすための会話は、2016年にスバールバルのレガシー石炭火力発電所を閉鎖する決定から始まりました。ノルウェー政府を支援する主要な企業パートナーの1つであるStatkraft埋蔵量は2025年までしか続きません。その後、石炭をばら積み貨物船で島に出荷するか、新しい熱電併給プラントを設立する必要があります。

ノルウェーの厳しい北本土から約800キロメートル離れたスタットクラフトは、フィンマークのRaggivuddaとHamnefjell畑と呼ばれる2つの大きな風力発電所をさらに開発するためのライセンスを最近獲得しました。「ノルウェーで最も効率的な風力発電所の1つ」であるというマントルにより、Statkraftは、風力発電の理想的な条件を活用するために、この地域で追加の能力を開発したいと考えています。しかし、Statkraftが克服しなければならない課題の1つは、風力発電所がノルウェーの全国送電網から隔離されていることです。これにより、風力発電所の所有者であるVaranger Kraftは、過剰なエネルギーをノルウェー内外に販売できなくなります。再生可能エネルギーの専門家がエネルギーを生産現場から顧客に輸送する方法としてアンモニアを検討し始めたのは、これらの2つの興味深い問題セットからです。

これらのロジスティックスの問題を解決し、複数の産業分野にわたって潜在的なビジネスチャンスを生み出すために、Statkraftと多くの有名な研究会社や化学会社が代替案の評価に取り組みました。「スバールバル諸島への再生可能エネルギー供給-ロングイェールビーン」というタイトルの翻訳レポートにまとめられたスタットクラフトは、フィンマルクで作成された再生可能エネルギーをスバールバル諸島に輸送できるさまざまなカーボンニュートラルテクノロジーを調査しています。

開始点として、フィージビリティスタディでは、スバールバルのコミュニティにサービスを提供するために、次の要件と仮定を考慮します。最初の仮定は、StatkraftがFinnmark地域の風力発電を拡大して、40〜50 MWの設備容量を達成できることです。この設備容量は、2025年までにスバールバル諸島への輸送のために年間約3800トンの水素を生成するために使用されます。年間GW時間の熱。この要件に基づいて、スバールバル諸島では、12 MWの電力と15 MWの熱電力の生産能力が必要です。さらに、燃料輸送に対するスバールバル諸島の住民の重大な依存性を考えると、提案されたソリューションは、30日間の熱と電気のバッファーを供給できなければなりません。

電気分解プロセスを通じて水を水素と酸素に変換するために使用されるNel水素ソリューションズが製造する電解槽。写真クレジットNel ASA。

再生可能な水素輸送の方法
「孤立した」再生可能エネルギーをフィンマークからスバールバルのエンドユーザーに移動するために、Statkraftはエネルギーを輸送する4つの代替媒体を分析しました。これらの媒体、つまり「エネルギーベクトル」には、圧縮水素、液体水素、メタノールに結合した水素、アンモニアに結合した水素が含まれていました。これらの可能性を絞り込むために、Statkraftは25年間にわたる総所有コストを考慮しました。徹底的な分析の後、Statkraftは、圧縮水素とアンモニアに結合した水素の総所有コストが最も低く、すべての要件を満たしていると結論付けました。
提案された4つのソリューションすべてにとって重要なのは、電解プロセスです。電解中、電流が水に流れ、水素と酸素に分解されます。アイデアは、フィンマルクの風力発電所からの過剰な風力エネルギーが電解槽を介して送られて水素が生成され、次に水素が4つの代替案の原料として使用されるというものです。

代替案の1つは、水素をガス圧縮機を使用して圧縮し、専用の加圧容器に保管して、スバールバル諸島に直接出荷できることです。 Statkraftは、純水素を350 barに圧縮し、ガスを国際標準化機構（ISO）タンクに保管し、TEUに搭載して従来のコンテナ船で輸送することを提案しました。高レベルの計算により、スバールバルに年間必要な熱と電力を供給するために必要な3800トンの水素を達成するには、4600のコンテナ負荷が必要になることが明らかになりました。

水素を輸送する別の方法は、物質を摂氏-253度まで冷却し、液化天然ガス（LNG）と同様の方法でバルク寒剤液体として輸送することです。 Maritime Reportの以前の記事で詳述されているように、Moss Maritime、Wilhelmsen、およびKawasaki Heavy Industriesを含む多くの海事会社は現在、バルク液体水素の革新的な輸送方法を検討しています。 Statkraftのレポートは、液体水素オプションは、検討されている他のオプションと比較して総所有コストが最も高いと結論付けています。

Statkraftの実現可能性調査で議論された水素を輸送する3番目の方法は、物質をさらに処理してメタノールを形成することです。メタノールの主な利点の1つは、既存のケミカルタンカーで簡単に輸送できるディーゼルやガソリンなどの石油製品と同じ品質の多くを共有していることです。残念ながら、報告書は、メタノールを生産するための原料として使用するために近接して位置する主要な炭素源の欠如を引用して、この輸送方法を除外しました。

風力エネルギーをフィンマルクからスバールバル諸島に輸送するためにStatkraftが提案する最後の方法は、水素を空気中の窒素と結合させてアンモニアを生成することです。 Haber-Bosch合成プロセスとして知られる技術を使用して、空気からの水素と窒素を加熱および圧縮してアンモニアを生成します。あるいは、可逆燃料電池を直接使用してアンモニアを生成してもよい。

大気の温度と圧力で気体として存在する純粋な形の水素とは異なり、アンモニアは、物質を液化するために水素よりも実質的に少ないエネルギーで液体として保存および維持できます。スバールバル諸島の熱と電力の需要を満たすために、年間26,500トンのアンモニアが必要であることに留意して、Statkraftは、アンモニアを1年に1回または2回輸送するにはアンモニアLPGキャリアが必要であると推定します。

これらの非従来型のエネルギー輸送に関連する技術的実現可能性とコストの両方を検討した後、Statkraft実現可能性調査は、圧縮水素とアンモニアがスバールバル諸島の事例研究の2つの主要な可能性であると結論付けました。

ノルウェーのフィンマルク州北部のRaggividda風力発電所でのタービンの設置。写真クレジットBjarne Riesto。 輸送アンモニア
石油化学産業で使用される他の製品と同様に、アンモニアは何十年も船舶で輸送されてきました。液化石油ガス（LPG）キャリアは、大量のアンモニアを長距離輸送する最も一般的な方法であると思われます。これらの船舶は、完全に冷却されたタンク、半冷却されたタンク、または完全に加圧されたタンクのいずれかを使用して、貨物を液体の形で維持します。

アンモニアを液体の状態に保つために、物質は通常、少なくともマイナス50℃の動作温度を持つ自立型角柱タンクにLPGキャリアに搭載されて保管されます。 LPGキャリアは通常、15,000〜85,000立方メートルのアンモニアを輸送し、最も一般的なサイズは体積で30、52、および80千立方メートルです。 LPGキャリアには、液化天然ガス（LNG）キャリアと同じ設計原則のいくつかを利用して、冷凍システムまたはプライマリバリアのいずれかが故障した場合に、貯蔵されたアンモニアが確実に閉じ込められるようにするプライマリおよびセカンダリバリアがあります。

Svalbardのケーススタディおよび世界中の他の多くの「グリーン」アンモニアプロジェクトのコンテキストでは、アンモニアは、物質を液体の形に維持するために必要な比較的大きなエネルギー密度と低いエネルギー入力で魅力的です。アンモニアは、標準大気圧で-34℃、または約10 barの圧力で通常の周囲温度で、冷却液として保管できます。液体水素と比較すると、アンモニアは体積でエネルギー密度がほぼ2倍になり、容器から供給源からエンドユーザーに輸送される際に液体の形で物質を維持するために必要なエネルギーと断熱材が少なくて済みます。

ただし、アンモニアの主な欠点の1つは、毒性が高いことです。米国労働省の労働安全衛生局（OSHA）によると、「アンモニアは皮膚、目、肺に腐食性があるため、高い健康被害と考えられています」。さらに、空気と混合すると、アンモニアは体積で15〜28％の濃度で可燃性になります。従来、肥料操作用のアンモニア原料は「無水アンモニア」として輸送されます。つまり、水にすばやく吸収され、高濃度でも毒性の強い水酸化アンモニウムなどの強アルカリ溶液を形成できます。公衆と乗組員の安全を確保するために、アンモニアを運ぶ船は、IMOが作成したバルクの液化ガスを運ぶ船の建設および機器に関する国際コード（IGCコード）を遵守する必要があります。
興味深いことに、アンモニアを海洋燃料として使用する可能性を評価する海事工学プロジェクトも数多くあります。主要なプロジェクトの例には、オランダの海軍建築会社であるC-Jobが実施している実行可能性調査、数百万ドルの研究を開始するための海洋エンジンおよびエネルギーシステムのグローバルサプライヤであるMAN ESによる発表が含まれますアンモニア2ストロークエンジンを開発する開発プログラム。完璧な世界では、海運および公益事業部門の研究努力が結集し、「グリーン」アンモニアが燃料補給中にLPG船に輸送され、輸送中に物質の一部が海洋燃料として使用されるまったく新しい物流サプライチェーンを形成する可能性があります顧客への製品。

個々のプロジェクトの結果に関係なく、世界中のさまざまなアンモニアプロジェクトの数とタイミングに基づいて、アンモニアが港湾や水路でより一般的になりそうであることは明らかです。これらの開発に基づいて、公益事業と海事産業の両方の利害関係者は、これらのアレンジメントが利益をもたらす可能性がある条件を決定するために、開発を注意深く検討する必要があります。

ロングイェールビーンはスバールバル諸島で最大の町であり、フィンマークの風力発電所から生産されるグリーン水素またはアンモニアの最初の大規模消費者の1つになる可能性があります。写真クレジットスバールバル諸島をご覧ください。

Maritime Reporter＆Engineering Newsの2019年9月版に掲載されています。