産総研・JST 共同プレス発表資料 解禁日時：資料配付と同時 【平成 27 年 9 月 17 日 14:00】 本件配布先：筑波研究学園都市記者会、経済産業記者会、経済産業省ペンクラブ、文部科学記者会、科学記 者会、福島県政記者クラブ、郡山記者クラブ メタン－アンモニア混合ガスと 100 %アンモニアのそれぞれで ガスタービン発電に成功 － 水素キャリアとしてのアンモニアを発電所の燃料に － 平成 27 年 9 月 17 日 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 国立研究開発法人 科学技術振興機構 ■ ポイント ■ ・ メタン－アンモニア混合ガスをガスタービンで燃焼させ、41.8 kW の発電に成功 ・ 100 %のアンモニアガスを燃焼させ、41.8 kW のガスタービン発電にも成功 ・ 水素キャリアとしてのアンモニアを利用する技術の進展や温室効果ガスの大幅削減に貢献 ■ 概 要 ■ 国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）再生可 能エネルギー研究センター【研究センター長 仁木 栄】水素キャリアチーム 辻村 拓 研究チーム 長、壹岐 典彦 研究チーム付は、総合科学技術・イノベーション会議の SIP（戦略的イノベーシ ョン創造プログラム）「エネルギーキャリア」（管理法人：国立研究開発法人 科学技術振興機構 【理事長 中村 道治】（以下「JST」という）の委託研究において、国立大学法人 東北大学【総 長 里見 進】（以下「東北大」という） 流体科学研究所との共同研究により、アンモニアを燃料 とした 41.8 kW のガスタービン発電に成功した。 アンモニアは水素含有量の多い水素キャリアとして注目され、特に発電用燃料として期待され ている。今回、メタンとアンモニアの混合ガスを用いたガスタービン発電に成功し、天然ガスを 燃料とする大型の火力発電所でのアンモニア混焼による発電の可能性を示した。さらに、二酸化 炭素（CO2）フリーの大型火力発電に繋がる 100 %アンモニア燃焼（アンモニア専焼）による発電 にも成功した。これらの成果は、発電分野における温室効果ガスの大幅な削減に寄与する技術と して実用化が期待される。 なお、この技術の詳細は、2015 年 9 月 20～23 日に米国イリノイ州で開催される NH3 Fuel Conference 2015 および 2015 年 11 月 16～18 日に茨城県つくば市で開催される第 53 回燃焼シン ポジウムで発表される。 は【用語の説明】参照 供給燃料の切り替えと発電出力の変化（メタン－アンモニア混焼(左)、アンモニア専焼(右)） - 1 - 産総研・JST 共同プレス発表資料 解禁日時：資料配付と同時 【平成 27 年 9 月 17 日 14:00】 本件配布先：筑波研究学園都市記者会、経済産業記者会、経済産業省ペンクラブ、文部科学記者会、科学記 者会、福島県政記者クラブ、郡山記者クラブ ■ 開発の社会的背景 ■ 2015 年は日本における「水素元年」と呼ばれるほど水素エネルギーが注目されている。また、 再生可能エネルギーの大量導入・利用への期待がこれまで以上に高まる中で、水素や水素キャリ アは、エネルギーの貯蔵や輸送用の媒体として重要である。水素キャリアは、水素を多く含んだ 化学物質の形でエネルギーをより簡便に貯蔵・輸送を行うための媒質であり、有機溶媒に水素を 着脱して用いる有機ハイドライド（メチルシクロヘキサンなど）や、窒素と水素から合成し、直 接燃焼して用いるアンモニアなどがある。 アンモニアは炭素を含まず、かつ水素の割合が多い水素キャリアとして特に注目されており、 発電用燃料としての利用が期待されている。さらに、アンモニアは燃焼しても主に水と窒素しか 発生しないことから、従来の燃料の一部をアンモニアに置き換えるだけでも、CO2 排出量の削減効 果が大きい。 ■ 研究の経緯 ■ 産総研では、再生可能エネルギーの大量導入を支える水素キャリアの研究開発を推進している が、東北大の流体科学研究所と連携して、アンモニアを直接燃焼させてガスタービンで発電する 技術の開発にも取り組んでいる。アンモニアは一般の燃料より着火しにくく、また燃焼速度も遅 いなどの課題があり、アンモニアを燃料とするガスタービン発電はこれまで行われていなかった。 しかし、アンモニアの発電用燃料としてのポテンシャルを示すため、さまざまな燃料を利用でき るガスタービンを用いた発電の実証試験を行った結果、2014 年には灯油にアンモニアを約 30 % 混焼させ、21 kW の発電に成功した（2014 年 9 月 18 日 産総研・JST 共同プレス発表）。 その後、アンモニアをメインの燃料としたガスタービン運転を目指した技術開発を進め、この たび、大流量のアンモニア供給設備とメタン供給設備を整備して、アンモニアをメインの燃料と したガスタービン発電の実証試験を行った。実証試験は産総研の福島再生可能エネルギー研究所 （福島県郡山市）において実施した。 なお、本研究開発は、2014 年度からスタートした内閣府 SIP（戦略的イノベーション創造プロ グラム）「エネルギーキャリア」【プログラムディレクター 村木 茂】の研究テーマ「アンモニ ア直接燃焼」【研究責任者 小林 秀昭】の研究題目「アンモニア内燃機関の技術開発」【研究担 当者 壹岐 典彦】の中で行っている。 ■ 研究の内容 ■ 燃焼試験に使用したマイクロガスタービン発電装置を図 1 に示す。発電装置は、2014 年に製作 した灯油－アンモニア混焼に用いた燃焼器に対して、メタンおよびアンモニアガス双方を大流量 かつ安定に供給できる設備を整備するとともに、ガスタービンの燃料流量制御プログラムを改良 して灯油、アンモニア、メタンのうち 2 系統まで任意の組み合わせで燃料供給を行えるようにし た。その結果、定格出力が 50 kW のガスタービン発電装置を用いて、メタン－アンモニア混焼お よびアンモニア専焼により約 80 %出力の 41.8 kW 発電に成功した。 また、 燃焼後の窒素酸化物 （NOx） を含んだ排出ガスに適量のアンモニアを添加し、脱硝装置で処理することで NOx を環境省の排出 基準（16 %酸素（O2）換算で 70 ppm）に十分適合できる 10 ppm 未満（16 %O2 換算で 25 ppm 未満） までに抑制できた。 - 2 - 産総研・JST 共同プレス発表資料 解禁日時：資料配付と同時 【平成 27 年 9 月 17 日 14:00】 本件配布先：筑波研究学園都市記者会、経済産業記者会、経済産業省ペンクラブ、文部科学記者会、科学記 者会、福島県政記者クラブ、郡山記者クラブ 図 1 アンモニアを直接燃焼できるマイクロガスタービン発電装置 メタン－アンモニア混焼試験では、液体燃料用の噴射弁に灯油を供給してガスタービンを起動 した。回転数が速やかに上昇した後、回転数 75000 rpm で維持しながら発電を開始した。回転数 が安定した状態で 26 kW の発電を行った後、気体燃料用の噴射弁にメタンを供給してメタン燃焼 を行い、灯油供給を停止した。続いてメタンにアンモニアを体積流量比 1：2.5（発熱量で 1：1） になるまで混合しても安定に発電できた。その後、燃料供給と回転数を制御しながら発電出力を 段階的に増大させ、定格回転数の 80000 rpm で 41.8 kW を達成した（図 2）。 図2 メタン－アンモニア混焼試験の燃料供給と発電出力の変化 また、アンモニア専焼試験では灯油を供給してガスタービンを起動した後に、アンモニア供給 量を増やしてアンモニア専焼に移行したうえで出力を確認したところ、定格回転数の 80000 rpm で発電出力 41.8 kW を達成した（図 3）。 これらの試験結果は、天然ガスを主な燃料とする大型火力発電所において、燃料の一部をアン モニアに置き換えるといった段階的な導入や、アンモニア専焼による CO2 フリーの大型発電の可 能性があることを意味し、温室効果ガスを大幅に削減できる、水素キャリアとしてのアンモニア - 3 - 産総研・JST 共同プレス発表資料 解禁日時：資料配付と同時 【平成 27 年 9 月 17 日 14:00】 本件配布先：筑波研究学園都市記者会、経済産業記者会、経済産業省ペンクラブ、文部科学記者会、科学記 者会、福島県政記者クラブ、郡山記者クラブ のポテンシャルを示している。 図3 アンモニア専焼試験の燃料供給と発電出力の変化 また、いずれの試験においても燃焼後の排出ガスにアンモニアを適量添加することにより NOx を脱硝装置で処理して排出量を 10 ppm 未満に削減できた。アンモニア専焼では、未燃アンモニア が 11 ppm 残留したが脱硝装置の下流では検出されなかった。メタン－アンモニア混焼では同じ発 電条件でも 未燃アンモニアは残留せず、アンモニア専焼よりも燃焼が強化されていることが明ら かになった。 ■ 今後の予定 ■ 今後は、メタン－アンモニア混焼と、アンモニア専焼によるガスタービンの特性を詳細に調べ、 燃焼強化と低 NOx 燃焼ならびに実用アンモニア発電システムの実現につながる知見を得て、その 技術を実証する計画である。 ■ 本件問い合わせ先 ■ 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 再生可能エネルギー研究センター 水素キャリアチーム 研究チーム付 壹岐 典彦 〒305-8564 茨城県つくば市並木 1-2-1 つくば東 TEL：029-861-7255 FAX：029-862-6686 E-mail：[email protected] 再生可能エネルギー研究センター 水素キャリアチーム 研究チーム長 辻村 拓 〒963-0298 福島県郡山市待池台 2-2-9 福島再生可能エネルギー研究所 TEL：024-963-0827 FAX：024-963-0828 E-mail：[email protected] - 4 - 産総研・JST 共同プレス発表資料 解禁日時：資料配付と同時 【平成 27 年 9 月 17 日 14:00】 本件配布先：筑波研究学園都市記者会、経済産業記者会、経済産業省ペンクラブ、文部科学記者会、科学記 者会、福島県政記者クラブ、郡山記者クラブ （JST の事業に関すること） 国立研究開発法人 科学技術振興機構 環境エネルギー研究開発推進部 〒102-0076 東京都千代田区五番町 7 K'ｓ 五番町 TEL：03-3512-3543 FAX：03-3512-3533 E-mail：[email protected] 【産総研 再生可能エネルギー取材に関する窓口】 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 福島再生可能エネルギー研究所 福島連携調整室 〒963-0298 福島県郡山市待池台 2-2-9 TEL：024-963-0813 FAX：024-963-0824 E-mail：[email protected] 【JST 取材に関する窓口】 国立研究開発法人 科学技術振興機構 広報課 〒102-8666 東京都千代田区四番町 5-3 TEL：03-5214-8404 FAX：03-5214-8432 E-mail：[email protected] - 5 - 産総研・JST 共同プレス発表資料 解禁日時：資料配付と同時 【平成 27 年 9 月 17 日 14:00】 本件配布先：筑波研究学園都市記者会、経済産業記者会、経済産業省ペンクラブ、文部科学記者会、科学記 者会、福島県政記者クラブ、郡山記者クラブ 【用語の説明】 ◆アンモニア 分子式が NH3 で表される窒素と水素の化合物。常温常圧では無色の気体で、特有の強い刺激臭 を持つ。水素を高い割合（重量で 18 %）で含む水素キャリアの一種で、加圧することで容易に液 化し（20 ℃では 8.5 気圧で液化）、貯蔵・輸送が比較的容易であるため、その利用が期待されて いる。水素と窒素からの合成に高温高圧を必要（従来法では 200 気圧、400 ℃以上）とすること や、直接燃焼による利用では排気から NOx を除去することが必要であるなどの課題があり、実用 化に向けた研究が進められている。 ◆ガスタービン 原動機の一種であり、燃料の燃焼により高温高圧のガスを発生させて回転翼を回して回転運動 エネルギーを得る内燃機関である。ジェットエンジンなどの航空用や天然ガス火力発電用などの 用途がある。 ◆水素キャリア 水素は、燃料電池を用いて電気への変換が容易で、燃焼による二酸化炭素の発生がないなど、 エネルギー・燃料として優れた性質を持つ。その水素を大量に貯蔵・輸送するための材料を水素 キャリアという。 ◆メタン 天然ガスや都市ガスの成分の 9 割程度を占める可燃性ガスであり、分子式が CH4 で表される炭 素と水素の化合物。 ◆マイクロガスタービン 小型のガスタービンで、分散型（小型）発電の電源や熱も同時に供給するコージェネレーショ ンなどに用いられている。 ◆窒素酸化物（NOx） 一酸化窒素（NO）や二酸化窒素（NO2）などの窒素と酸素が化合してできるものの総称。光化学 スモッグ、酸性雨の原因物質の一つであり、燃料が高温で燃焼することで空気中の窒素と酸素が 結合して発生するサーマル NOx と、燃料中の窒素に由来するフューエル NOx がある。 ◆脱硝装置 燃焼により生成される窒素酸化物を排気ガスから除去する装置。今回用いた装置はアンモニア の供給と触媒により、窒素酸化物を窒素分子（N2）と水（H2O）に転換している。 - 6 - 産総研・JST 共同プレス発表資料 解禁日時：資料配付と同時 【平成 27 年 9 月 17 日 14:00】 本件配布先：筑波研究学園都市記者会、経済産業記者会、経済産業省ペンクラブ、文部科学記者会、科学記 者会、福島県政記者クラブ、郡山記者クラブ ◆酸素（O2）濃度換算 実際に計測された排出ガスの各成分の濃度は、空気により希釈するとより低い濃度となる。こ のため、排出ガスを規制する際には、排出ガス中の酸素濃度を定めてその値になるように排出ガ スに空気を混入した（もしくは排出ガスから空気を除いた）場合を仮定して換算した排出ガス濃 度を用いる。 - 7 -
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