CO₂フリー燃料、水素エネルギーキャリアとしてのアンモニアの可能性（その６）

－SIP「エネルギーキャリア」の成果－

2020/03/09

塩沢文朗
国際環境経済研究所主席研究員、元内閣府戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)「エネルギーキャリア」サブ・プログラムディレクター

４．CO₂フリーアンモニアのコスト

　アンモニア（NH₃）が、CO₂フリー燃料として脱炭素社会の構築に向けて社会実装されるためには、脱炭素社会に向けた新たなエネルギーシステムへの変革の中で、CO₂フリーNH₃によるCO₂排出削減コストが社会実装可能なレベルであることが必要です。そこで今回は、CO₂フリーNH₃のコストの見通しについて説明しましょう。
　その結論を先に記すとCO₂フリーNH₃は、日本における水素エネルギーの導入・普及に係る政府の戦略、「水素基本戦略」^注1)が掲げる2030年の水素コスト目標、30円/Nm³-H₂ はもとより、「将来^注2)」の目標の20円/Nm³-H₂に近いコストを、現時点でも既に実現できる可能性をもつことが明らかになっています。その説明は以下に記すとおりですが、以下のCO₂フリーNH₃のコストの推計値の意味を理解しやすくするため、まず、水素コスト目標に相当する熱量等価のNH₃のコストを、NH₃の通常の取引単位である $/t-NH₃で示したものを参考までに示しておきましょう。

(1)　NH₃の製造コストの推計方法

　前回記したように、天然ガス（CH₄）を原料とするNH₃の製造プロセスは、100年以上前にHarberとBoschによって実用化されて以降、さまざまな改良が加えられ、工業的生産プロセスとして確立、普及してきたことから、プロセスのエネルギー効率は、理論値にかなり近い効率まで高められています。少し古い調査ですが、2008年にInternational Fertilizer Industry Associationが行った世界の33か国に存在する93のNH₃製造プラントのエネルギー効率についての調査結果^注3)によれば、エネルギー効率上位10%に入る天然ガスを原料とするプラントの効率は32 GJ/ton-NH₃ で、最新プラントでは、ほぼ理論効率に近い 28～29 GJ/ton-NH₃ にまで到達しています。
　こうした事情で、原料の天然ガスの価格が分かれば、各製造プラントにおけるNH₃の変動費ベースのおおよその製造コストを知ることができます。具体的には、NH₃の変動費ベースの製造コスト（$/ton-NH₃）は、原料天然ガスのコスト（$/MMBtu）に約30を乗ずるという簡略計算によって推計することができます。例えば、天然ガス価格が3 $/MMBtuの場合、これを原料とするNH₃の変動費ベースの製造コストは約90 $/ton-NH₃ ということになります。実際の製造コストは、これに製造プラントの固定費（プラントの資本費、人件費等）を加算することが必要で、これはプラントの設備年齢、地域等によって異なりますが、平均的に見て大体　100～120 $/ton-NH₃ と考えておけば、大きな間違いはないでしょう。こうしたことから、天然ガスの安価な海外地域で製造されたNH₃の船積み前のコストは、200 $/ton-NH₃ 前後と推計されます。
　但し、上記の値は、天然ガス（CH₄）を原料とするNH₃の製造コストなので、前回記した理由でそれはCO₂フリーNH₃の製造コストとは言えないのですが、CO₂フリーNH₃の製造コストは、これにCCS/EORによってCO₂を除去するために必要なコストを加算することによって推計することができます。それでは、CO₂フリーNH₃のコストはどれほどになるのでしょうか？CO₂フリーNH₃は、まだ実際に流通していないので、以下は机上の計算による推定になりますが、内外の公的専門機関がそうした推定を行っています。

(2)　CO₂フリーNH₃のコストの推計

　CO₂フリーのNH₃の製造には、天然ガスを原料とするNH₃製造プラントから排出されるCO₂をCCSによって除去する方法と、再エネ水素を原料とするCO₂フリーNH₃の製造との2つの方法があることを前回ご説明しました。CH₄を原料とするNH₃製造プラントからは、NH₃の製造1トン当たり約1.6トンを少し上回る量のCO₂が排出される^注4)ので、前者の方法によるCO₂フリーNH₃の製造コストは、上述のようにこのCO₂をCCSによって除去するために要するコストを、先のNH₃の製造コストに加算することによって推計できます。
　他方、再エネ水素を原料とするCO₂フリーNH₃の製造コストは、原料となる再エネ水素のコストによって決まりますが、その再エネ水素のコストは、水の電気分解によって再エネ水素を製造する際に用いる再エネ電力コストに大きく依存します^注5)。

① IEAによるコストの推計結果
　IEAは、これらのCO₂フリーNH₃の製造コストの推計結果を【図1】^注6)に示しています。

【図1】CO2フリーNH3の製造コストの将来展望（出典：”The Future of Hydrogen” 図42の関係部分を抜粋）

【図1】CO₂フリーNH₃の製造コストの将来展望
（出典：”The Future of Hydrogen” 図42の関係部分を抜粋）

　この分析結果から、以下のようなことが分かります：

(1): 天然ガスを原料とし、製造プロセスから排出されるCO₂をCCS^注7)で除去した場合のCO₂フリーNH₃の製造コストは、300 $/ton-NH₃程度（原料天然ガスの価格が3 $/MMBTu の場合：青色の実線）。
原料天然ガスの価格が10 $/MMBTu の場合（青色の点線）は、530 $/ton-NH₃程度。
(2): 再エネ電力コストが約50 $/MWhより安価になると、再エネ水素を原料とするCO₂フリーNH₃の製造コストが天然ガスを原料とするものよりも安価になる可能性がある

　（なお、このグラフからは天然ガスを原料とする（CO₂フリーではない）NH₃の製造コストは、原料天然ガスの価格が3 $/MMBTu の場合、220 $/ton-NH₃　程度と推計されていることが読み取れます^注8)（灰色の実線）。また、IEAはNH₃製造プラントで排出されるCO₂のCCSのコストを約50 $/t-CO₂（これはNH₃のコストを約80 $/t-NH₃増加させる）と見ていることが分かります^注9)）。

②　（財）日本エネルギー経済研究所の推計結果
　以上の分析とは、まったく独立のCO₂フリーNH₃の供給価格に係る分析が、SIP「エネルギーキャリア」の中で行われています。それは、（財）日本エネルギー経済研究所（エネ研）が行ったもので、サウジアラビア、その他中東地域、北米地域において、それらの地で利用可能な天然ガス（3 $/MMBTuを想定）を原料とする年産110万トンのNH₃製造プラントを建設してNH₃を製造し、そこから排出されるCO₂はCCSまたはEORで除去してCO₂フリーNH₃として日本に輸出する場合のコストを推定したものです。製造プラントの建設コスト、CCS/EORに要するコスト、輸送コスト等、コスト推計に必要となる主要情報は、エンジニアリング会社、商社等の協力により、実際のコスト情報が収集され、それらを参考に推計されました。さらにその推計では、供給サイドでの事業性の確保を前提としたコスト推定とするために、CO₂フリーNH₃の製造コストには10%のEIRR（Equity Internal Rate of Return）の収益を乗せています。そうした分析の結果、製造側としては、276 $/t-NH₃（サウジアラビアの場合）から300 $/t-NH₃までの間の価格でCO₂フリーNH₃が売れれば、この事業は収益性のある事業として成り立つと推定されました^注10)。
（EORが利用できる場合）
　ここで、NH₃製造プラントの近隣にEOR（Enhanced Oil Recovery：石油の増進回収）が出来るような油田が存在する場合には、プロセス中から排出される濃度の高いCO₂は、石油の増進回収剤としてほぼそのままの形で販売できるため、その収入分が製造コストから控除できることに留意しておく必要があるでしょう。石油の増進回収剤としてのCO₂は、20 $/t-CO₂ 程度で売れるため^注11)、これによって35 $/ton-NH₃程度^注12)、CO₂フリーNH₃の製造コストが低減できることになります。また米国の場合には、こうしたCO₂の回収、利用に対する税制上の優遇措置も存在しています。なお、上記のエネ研の分析においては、米国からのCO₂フリーNH₃の供給コストを推定する際にこれが考慮されています。
　このようにEORの利用可能性は、天然ガスを原料とするCO₂フリーNH₃の供給源の選択において、重要な要因の一つとなります。

(3)　日本着のCO₂フリーNH₃コスト

　日本着のCO₂フリーNH₃のコストは、これらの海外でのNH₃の製造コストに、日本での利用地点までの輸送費等を加える必要があります。そして、そのコストは、上述のエネ研の調査研究によると（積み出し地域、輸送船の規模、積み下ろし回数などによって異なり得るものの）、40～80 $/ton-NH₃程度と推定されています（中東地域→日本：40 $/t-NH₃、北米地域→日本：80 $/t-NH₃、いずれもVLGC船（タンク容積約80,000m³を想定）。
　この結果、この分析においては、当面、もっとも安価なCO₂フリーNH₃は、中東地域の安価な天然ガスとCCSを利用して製造したもので、その日本着のコストは、エネ研の分析では320 $/ton-NH₃程度、先のIEAのCO₂フリーNH₃の製造コストとこのエネ研の輸送コストの推定からは340 $/t-NH₃程度と推定されることになります。

【図2】　オーストラリア、中東地域から日本、及び、ロシアからEUに、CO2フリーNH3の形で水素を輸入する場合の推定コスト（2030年の推定値）（出典：IEA, “The Future of Hydrogen”の図31に赤枠を加筆）

【図2】オーストラリア、中東地域から日本、及び、ロシアからEUに、 CO₂フリーNH₃の形で水素を輸入する場合の推定コスト（2030年の推定値）
（出典：IEA, “The Future of Hydrogen”の図31に赤枠を加筆）

　このコスト推定の妥当性は、IEAの別の分析（【図2】）^注13)からも確認できます。【図2】は、オーストラリア、中東地域から日本、及び、ロシアからEUにCO₂フリーNH₃の形で水素エネルギーを輸入する場合のコストをIEAが推定し、熱量等価の水素コスト（$/kg-H₂）で示したものですが、ここで図の棒グラフの赤枠で囲った部分は、CO₂フリーNH₃を水素に再転換する前のコストで、【図2】の左図の中東地域からの日本へのCO₂フリーNH₃の形での水素のコストが、上述のエネ研の推定結果とほぼ符合していることが分かります（【図2】の左側の図で、中東地域において天然ガスを原料としてNH₃を製造し、CCSでCO₂フリーとしたNH₃の日本への輸入コストは、水素換算で約2.3 $/kg-H₂、これを熱量等価のNH₃のコストに直すと約360 $/t-NH₃ （これには、日本国内での50 kmの輸送コストを含む）と推定されています）。なお、ここで水素に再転換する前のCO₂フリーNH₃のコストを対象に議論しているのは、前回記したとおりCO₂フリーNH₃は、そのまま（水素に再転換することなく）CO₂フリー燃料として使えるからです。
　この分析から明らかなことは、次の2つのことです。
　第一は、これらの推計からCO₂フリーNH₃の日本着のコストは、おおよそ350 $/t-NH₃程度と考えておけば良さそうであることが分かります。実際に日本のユーザーが入手できるCO₂フリーNH₃の価格は、一義的には事業者間の交渉によって決まるので、上述の個々のコスト推計の数値の妥当性について詳細に議論してもあまり意味はありません。ここで大事なことは、これらの考察から得られたおおよそ 350 $/t-NH₃というCO₂フリーNH₃のコスト水準から、CO₂フリーNH₃の社会実装の可能性を評価することです。
　この観点から見ると、この350$/t-NH₃というコスト水準は、先の【表】からも分かるとおり、熱量等価の水素コストでは22円/Nm³　程度であり、政府の「水素基本戦略」（2017年12月）が掲げる「将来」の水素のコスト目標20円/Nm³を現時点で既にほぼ達成しています。したがって、CO₂フリーNH₃は水素エネルギーとして十分に社会実装できる可能性を持つと言えるでしょう。なお、この「『将来』の水素のコスト目標20円/Nm³を現時点で既にほぼ達成」しているという意味は、もう少し深く考えてみる必要があります。この点については、次回、触れたいと思います。
　第2は、2030年ごろの段階では、天然ガスとCCSの組み合わせによるCO₂フリーNH₃のコストの方が、再エネ水素からのものよりもかなり安価と考えられているということです。これは、【図2】の右図の一番左の棒グラフで、オーストラリアで製造された再エネ水素からのCO₂フリーNH₃の日本への輸入コストの推定値が約4.4　$/kg－H₂（約700$/t-NH₃に相当）と、前者の2倍程度の水準になると推定されていることから分かります。しかしその後は、再エネ電力コストの一層の低下と関連技術の進展によって、再エネ水素からのNH₃の製造コストは、長期的には1/2以下に低下し^注14)、後者のコスト競争力が大幅に高まるとIEAは見ています。

　次回は、今回明らかとなったCO₂フリーNH₃のコストに係る見通しが意味すること、及びそこから見えてくるCO₂フリーNH₃のサプライチェーン構築上の課題などについて、考えてみましましょう。

注1）: 2017年12月26日、再生可能エネルギー・水素等関係閣僚会議決定

注2）: 次回の連載で説明しますが、ここでの「将来」とは2040年頃を指すものと考えられます。

注3）: “Energy Efficiency and CO₂ Emissions in Ammonia Production 2008-2009 Summary Report,” International Fertilizer Industry Association, September 2009. この調査は、世界のNH₃生産能力の約1/4にあたる製造プラントをカバーしている。

注4）: “The Future of Hydrogen,” June 2019, IEA.

注5）: まだ、こうした方式によるNH₃製造プラント数が少ないため、CH₄を原料とする製造プラントのケースほどの精度はないものの、こちらもNH₃の合成反応式　1/2N₂ + 3/2H₂ → NH₃ と電解水素製造のエネルギー効率から、おおよNH₃製造コストは分かります。

注6）: Figure 42. “The Future of Hydrogen,” June 2019, IEA．　なお、ここでは、再エネ水素を製造する際の電解設備の稼働時間が年間5,000時間以上あること、電解技術設備のCAPEXが、今後の技術進歩により現状よりも50%低下し、効率が15%改善することが前提とされています。

注7）: IEAの分析結果の図では、CCSではなくCCUS（Carbon capture, utilization and storage）と記されていますが、この分析ではutilizationは考慮されていないので、ここではCCSと同義であると考えられます。

注8）: このコストの水準は、（当然のことながら）上述の「1」で記した推計値とほぼ整合しています。

注9）: このNH₃製造プラントからのCCSコストの推定値については、CCS技術の専門機関であるGlobal CCS Institute は、その”Global Costs of Carbon Capture and Storage 2017 Update” （June 2017）において約30 $/t-CO₂（50 $/t-NH₃）と推定しています。この場合、CO₂フリーNH₃の製造コストは、270 $/t-NH₃ 程度になる可能性があります。