New Energies, new possibilities

1- Ammonia is a crucial global commodity, with 80% used for nitrogen-based fertilizers and 20% for various industrial applications like plastics, explosives, and synthetic fibers.

🟦 2- New application of clean ammonia as a carbon-free energy carrier:
- Clean fuel for shipping vessels,
- Direct co-firing of power plants with ammonia,
- Ammonia as hydrogen carrier that can be converted back into hydrogen and nitrogen (ammonia cracking).

🟦 3- Renewable and low carbon ammonia colours:
- Renewable 'green' ammonia → made of renewable hydrogen
- 'blue' ammonia → made of ATR or SMR + CCUS
- 'turquoise ammonia'  → made of 'turquoise hydrogen'

🟦 4- Ammonia pipelines
Ammonia has been mainly transported by pipelines since the 1960s, with over 7,600 kilometres of pipelines. In the Netherlands, a 3.5-kilometre pipeline operated by OCI transports ammonia from an inland harbour in Stein to the Chemelot site. In its 70 years of existence, the pipeline has had 11 accidents, with no human fatalities.

🟦 5- Ammonia cracking
An ammonia cracker can convert ammonia to hydrogen and nitrogen, with a hydrogen production capacity of 10 to 500 tonnes per day. A feasibility study showed that a central large-scale cracker is more cost-effective than a decentralized approach.

- Ammonia Cracker Catalyst = oxide-supported Ni catalysts, Fe-Co catalysts, or oxide-supported Ru catalysts
- Temperature = 600-900°C
- Pressure = 10 to 80 bars
- Hydrogen purification = using pressure swing adsorption (PSA)

🟦 6- Ammonia as shipping fuel (bunkering)
Ammonia is being considered to decarbonize international shipping, with new ships being built with 'ammonia-ready' fuel storage. Two and four-stroke ammonia-fed maritime engines are being developed (MAN ES and Wärtsilä) and are expected to be commercialized by 2024 or 2025. Mitigation measures for emissions include exhaust gas recycling and a deNOx system.

🟦 7- Ammonia as fuel for gas turbines
Ammonia can be used to replace natural gas in gas turbines for electricity generation. It can be used as a direct fuel or partially cracked to hydrogen and nitrogen. The main challenge is NOx generation during combustion. Mitsubishi Heavy Industries aims to commercialize this technology by 2025. Large-scale gas turbines may require 30% ammonia cracking for optimal performance, using exhaust heat to improve energy efficiency.

🟦 8- Ammonia fired powerplant
Ammonia can replace coal and other hydrocarbons in thermal power stations for steam generation boilers or to generate high temperature heat. JERA from Japan plans to operate one of its 1 GW coal-fired power plants with 20% ammonia co-feed in 2024. The Netherlands aims to prohibit the use of coal as fuel by 2030, and ammonia could be used for power generation beyond that.

　ドイツの国際展示会「Hannover Messe 2024」では、水を再生可能エネルギーの電力で電気分解してグリーン水素を取り出すための水電解装置や部材の出展が相次いだ。この水電解装置にはいくつか種類があるが、今回の展示会で最も出展が多かったのが、PEM（形）†と呼ばれるタイプである。

PEM形水電解は、固体高分子形燃料電池（PEFCまたはPEMFC）の逆の化学反応プロセスであり、大半の部材や技術が共通している。このため、これまで燃料電池車（FCV）など向けにPEFCを開発していたメーカーが、PEMで水電解事業に参入するケースが多い。トヨタ自動車もその1社である。今回のHannover Messeでも、PEFCのセルスタックとセットのように、PEMのセルスタックが置かれているケースが目立った。

小型化で「80％コストダウン」

　このHannover Messe 2024で見えたPEMの新たな傾向は、これまで似たり寄ったりだった開発の方向性が、様々な方向に分岐しつつあることだ。例えば、これまでPEM形水電解のセルスタックは徐々に大型化する傾向が強かった。今回はドイツRobert Boschが開発中の1.25MW級のセルスタックをはじめ、人の背丈に並ぶようなPEMとしては大型のセルスタックの出展が相次いだ（図1）。

（a）ドイツRobert Bosch

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（b）ドイツHoeller Electrolyzer

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（c）英Oort Energy

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（d）ドイツShaeffler

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（e）中国Shanghai H-Ray S＆T

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（f）韓国Sunbo UniTech

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図1　1台で1MW超のセルスタックが登場

ドイツRobert Boschは1.25MW級のPEM向けセルスタックを出展（a）。このセルスタック2台をコンテナ1台に実装することを想定する。ドイツHoeller Electrolyzerのセルスタックの寸法は61cm×56cm×93cmで推定で100kW級（b）。5～40bar（約5～40気圧）と高圧の水素を生成するのが特長だ。250kW級のセルスタックを出展した英Oort Energyは、この分野大手の英ITM Powerの研究者だったNick van Dijk氏が創業した（c）。ドイツShaefflerのセルスタックの水素生産能力は最大2.2kg/時（約25Nm3/時）（d）。中国Shanghai H-Ray S＆Tのセルスタックの水素生産能力は推定で50Nm3/時（e）。セルスタックのエネルギー効率は4.1k～4.3kWh/Nm3だとする。韓国Sunbo UniTecのセルスタックは韓国企業として初のPEM関連製品（f）。Sunboは同Hyundai Heavy Industriesなどから出資を受けている。（写真：日経クロステック）

　一方で、その逆、つまり小型化の方向も出てきた（図2）。典型例がドイツの研究所であるFraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology（IWU）が出展した12kW級、すなわちBoschの約1/100の規模のセルスタックである。これでも「量産モデル」（同研究所）だという。

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図2　超小型セルスタックの量産でコスト大幅低減へ

ドイツFraunhofer IWUが主催する技術組合「Referenzfabrik.H2」が開発中の超小型セルスタック。セルの有効面積は300cm2で10層を重ねている。投入電力は最大12kW。水素の生産能力は最大2.5Nm3/時。セルスタックのエネルギー効率は74％である（写真：日経クロステック）

　ここまで小型にしたのは、その方が製造しやすく、数も出やすいため、量産効果によってコストの低減につながるといった考えによる。ただし、水電解システム自体は小型にはならない。「このセルスタックを多数用いることで1システムはコンテナサイズになる」（Fraunhofer IWU）とする。

　量産は、「ロール・スタンピング」（同研究所）と呼ぶ、ロール・ツー・ロール（R2R）とスタンプ、すなわち金型を押し付けて成型する方式を組み合わせて進めることで、「従来品に比べてコストを80％低減できる」（同）とする。パートナー企業8社と協力することで、2025年に製品化する計画だ。

　量産プロセスについては、ドイツFraunhofer Institute for Electronic Nano Systems（ENAS）も、インクジェット印刷方式で製造したPEMやPEFC向けMEA†やそのインクを出展した（図3）。

（a）Fraunhofer ENASのインクジェット印刷向け触媒インク

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（b）（a）で印刷したMEAシート

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（c）ロールに巻いた中国SinoHyKeyのMEAシート

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（d）中国Taiji Powerの大型MEAシート

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（e）Shanghai H-Ray S＆TのMEAシート

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図3　インクジェット印刷技術で触媒を“印刷”

印刷技術でMEAやCCMを製造した例。Fraunhofer ENASは、インクジェット印刷用インクでMEAの触媒を“印刷”した（a、b）。ただし、このMEAは燃料電池（PEMFC）にも水電解（PEMWE）にも使えるとしている。中国メーカー各社も印刷技術で大型のMEAまたはCCMシートを製造している（c～e）（写真：日経クロステック）

　最近までアルカリ水電解を選ぶ傾向が強かった中国メーカーも、最近はPEMを開発する例が増えてきた。今回は、R2Rで製造したフレキシブルなMEAシートや1m角近い大型のMEAもしくはCCM†を出展するなど、PEM形水電解装置の製造プロセスの革新に積極的な姿勢をアピールしている。

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