アンモニア自動車 (NH3): それはどのようなもので、どれくらいの費用がかかりますか?

世界の代替燃料

アンモニア車両の歴史について

バス燃料として液体 NH3 が最初に使用されたのは 1943 年のベルギーでした。エメリック・クロックは、第二次世界大戦中の極度のディーゼル不足にも関わらず、公共交通機関の運行を維持するために、これらのアンモニアと石炭ガスのハイブリッドエンジンを開発しました。

X-15 ロケット飛行機は、NH3 を動力源として、1960 年代に速度と高度の記録を破りました。

2007 年の夏、この NH3 車両はアンモニアとガソリンの混合物を燃料として、デトロイトからサンフランシスコまで米国を巡回しました。

アンモニアとは何ですか?

アンモニアは、室温では非常に刺激的で吐き気を催すような臭気を持つ無色の気体です。有機物の分解によって天然に生成されるほか、工業的にも製造されます。溶けやすく、すぐに蒸発します。アンモニアは窒素と水素から構成されており、化学式はNH3です。

実際、アンモニアは低濃度ですでに有毒であり、燃焼すると NOx を生成し（ただし、これらの排出を削減する技術はすでに存在しています）、容易に発火しないため「パイロット燃料」が必要です。

毎年 1 億 8,000 万トン以上のアンモニアが生成されます。ハーバー・ボッシュ法の導入以来、100 年以上にわたり、アンモニアは食品産業の肥料、さまざまな産業プロセスの原料および冷却剤、航空宇宙分野の燃料、および製造工程における還元剤、窒素酸化物の削減。これは、この物質の輸送と保管に統合インフラが利用できることを意味します。

アンモニアは刺激性のある無色の気体です。強い水素結合により容易に液化するため、断熱容器に入れて簡単に輸送できます。さらに、アンモニアは水素（最大 70 MPa）よりも低い非常に低い圧力（0.8 MPa）で液化します。 -33℃でも液化することがあります。

アンモニアを含むエンジンはどのように動作するのでしょうか?

オットーサイクル (ガソリン) エンジンやカルノーサイクル (ディーゼルエンジン) では、燃焼を促進するために、さまざまな燃料をアンモニアと混合できます。次の図は、燃料電池、ガソリンエンジン (「火花点火」)、ディーゼルエンジン (「圧縮点火」) など、さまざまな推進技術で使用できる燃料混合物のカテゴリを示しています。

ディーゼルエンジン中のアンモニア

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単燃料

内燃機関の燃料としてアンモニアのみを使用することは、点火/燃焼に高い圧縮比が必要であるため不可能です。アンモニアを内燃エンジンの燃料として使用するには、最大 35:1 の非常に高い圧縮比が必要です。内燃機関で使用される液体アンモニアは、圧縮比が 30:1 までは燃焼しません。標準的なディーゼルエンジンは、15 ～ 17:1 の圧縮比で動作します。

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デュアルフューエル

John Deere エンジンでは、わずか 5% のディーゼルを使用して、最大 95% のアンモニア含有量が実現可能でした。しかし、ディーゼルの量が多ければアンモニアの可燃性が制限されるため、最適な混合物はディーゼル 40% - アンモニア 60% です。

燃料としてバイオディーゼルとアンモニアを使用してテストされたエンジンは、同じ性能特性を備えたディーゼルとアンモニアを使用したエンジンと同様に機能します。ただし、ジメチルエーテル (DME) とアンモニアを燃料として使用する場合は性能特性が異なり、アンモニア含有量は最大 80% まで可能です。

ガソリンエンジン中のアンモニア

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単燃料

火花点火エンジンにおけるアンモニアの燃焼は、アンモニアの燃えにくい性質を克服するために、よりコンパクトな燃焼室と長い点火プラグによって促進されます。

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デュアルフューエル

燃焼促進剤としてのガソリンは、ガソリン含有量 30% で最適に動作するには 10:1 の圧縮比が必要です。

液体アンモニアはシリンダー内の温度を下げるため、その後の乱流が起こりにくくなり、燃焼障害や失火につながります。このため、ガス状のアンモニアを直接噴射してより容易に使用できる一方、ガソリンを噴射して燃焼を改善します。アイドリング時にはガソリンが 100% 必要ですが、走行状態では 20% まで減らすことができます。

アンモニア燃料電池

理論的には、固体酸化物型燃料電池はアンモニアと直接使用でき、水素と同じ使用に必要な高圧を節約できますが、これらの燃料電池は 500 °C 以上の高温に達するため、これは現実的ではありません。道路での使用は可能ですが、海上輸送にも応用できます。

一方で、水素貯蔵の媒介としてアンモニアを使用する可能性が、さまざまな企業によってすでに研究されています。これを行うには、アンモニアが分解装置によって水素と窒素に分離され、H2 が水素燃料電池で使用されて、車両の移動に使用される電気が生成されます。

自動車にアンモニアを使用する利点

基本的に、アンモニアを使用する利点は次の 3 つです。

まず第一に、CO2 は排出されません。炭素を含まない元素であるため、二酸化炭素を生成する反応は化学的に生成できません。
2 番目は使いやすさです。一方で、アンモニアはすでに地球上で最も広く使用されている化学物質であり、大規模に生産され、低圧で液体の状態で容易に管理できます。
第三に、価格は従来の燃料と競合できる可能性があります。すでに今日、アンモニアの生産価格は1トンあたり約250ドルです。グリーンアンモニアの製造には大量のエネルギーが必要であり、他の燃料と価格競争力があることが期待されています。