農場で作るグリーンアンモニア 新触媒技術の実力

化学肥料の原料となるアンモニアは、従来のハーバー・ボッシュ法では大規模工場と大量のエネルギーを必要とし、製造過程で多くの二酸化炭素を排出してきた。この課題に対し、アイスランドのスタートアップ「Atmonia」は、水素を事前に製造・貯蔵せずに窒素と水から直接アンモニアを合成する、単一工程の電気化学プロセスを10年かけて開発した。本記事では、同社CEOヘルガ・ドッグ・フロサドッティル氏へのインタビューをもとに、技術の仕組み、経済性、そして小規模事業者への応用可能性を整理する。

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グリーンアンモニアとは何か、なぜ注目されるのか

グリーンアンモニアとは、再生可能エネルギーを用いて製造される、製造工程での二酸化炭素排出を抑えたアンモニアを指す。従来のハーバー・ボッシュ法は高温高圧の工業プラントを前提とし、化石燃料由来の水素を大量に使うため炭素集約的とされる。農業分野では窒素肥料の原料として不可欠であり、脱炭素化の観点から代替製法の開発が世界的に進んでいる。

Atmoniaのアプローチの特徴は以下の3点に整理できる。

• 常温・常圧の水系電気化学セルで反応を進行させる
• 水素を経由せず、窒素と水から直接アンモニアを合成する
• 市販のAEM(アニオン交換膜)型電解槽をベースに触媒だけを改良している

単一工程プロセスの仕組み

同社が使う装置は「窒素電解槽」と呼ばれ、市販のAEM水系電解槽を独自の触媒向けに改良したものだ。膜電極接合体(MEA)構造を持ち、ガス拡散電極を通じて窒素ガスを触媒に直接送り込む。これにより、水素を一旦生成してからアンモニアに変換する二段階方式とは異なり、反応系を単純化できるという。

触媒自体は密度汎関数理論(DFT)や量子化学シミュレーションを用いて設計された。多くの既存触媒は水素生成を優先してしまい、窒素還元によるアンモニア合成の選択性が低いという課題があるが、Atmoniaは窒素を選択的に活性化する反応サイトを持つ触媒を開発したとしている。原料は資源的に豊富な材料で構成されている点も強調されている。

スケールアップの技術的課題

現在、電極面積は10平方センチメートルの段階にあり、まず400平方センチメートルへの拡大、その後はAEM電解槽と同様にセルをスタック化する計画だという。同社はAEM電解槽メーカーとの協業によって、この部分の製造ノウハウを取り込む方針を示している。

CEOによれば、小規模での反応実証は完了しており、大規模化にあたっては計算流体力学(CFD)によるシミュレーションを活用するとしている。ただし、AEM電解槽での窒素還元反応がこの規模で行われた前例はなく、未知のパラメータへの対応が今後の課題として残るとみられる。

現時点での最大のボトルネックはエネルギー消費量の最適化であり、触媒そのものの改良と、電解槽内部の反応環境の最適化を並行して進めているという。同社はこの目標を「来年末までに」達成したいとしている。

経済性と事業モデル

目標とする生産規模

Atmoniaが目指すのは、40フィートコンテナ型の生産設備で、年間約150トンのアンモニアを生産する規模だ。同社は、現在の電力価格水準でも採算が成立する経済性を実現できるとしている。

想定される事業モデル

同社はハードウェア製造を自社で担うのではなく、触媒・電極メーカーとしてのポジションを取り、地域ごとのハードウェアメーカーと提携する戦略を描いている。農家に対しては設備投資(capex)の負担を下げるため、リース方式の提供を検討しているという。

また、アイスランド国内市場は規模が限られており、同社の試算では80コンテナ程度で国内需要を満たせるとされる。そのため海外展開、特にエンドユーザーに近い地域での現地製造が前提とされている。

資金調達の状況

同社はこれまでの10年間、主にアイスランドの研究機関、欧州イノベーション会議(EIC)、Horizon Europeといった公的グラント資金で研究開発を継続してきた。近年はアイスランドのベンチャーキャピタルやカナダの農業系エンジェル投資家も参加しており、現在はシード投資ラウンドを実施中で、長期的視点を持つアグリテック・ディープテック系投資家を募っているという。今回の資金調達の目標は、技術成熟度レベル(TRL)6、すなわち実際の農場でのプロトタイプ実証段階への到達とされている。

他のグリーンアンモニア技術との違い

関連する取り組みとして、Facet Amtechの多機能触媒やFaraday Earthのハーバー・ボッシュ法を使わない製法、Mafixのケイ酸塩岩活用型肥料、Switch Bioworksの窒素固定微生物など、複数のスタートアップが類似領域で競合しているとされる。CEOは、こうした競争の存在自体が「グリーンアンモニア開発の重要性の表れ」と評価しており、Atmoniaは大規模工業生産ではなく、農家への直接供給を想定した小規模分散型市場での優位性(エネルギー消費量・柔軟性・設備サイズの3点)を狙うとしている。

比較表:主な技術的ポイント

まとめ

Atmoniaの技術は、研究段階から10年をかけて化学反応の実証にこぎつけた段階であり、現時点ではエネルギー消費の最適化とスケールアップという技術的ハードルが残る。商業化にはまだ時間を要するとみられ、同社自身も次の資金調達目標を「農場でのプロトタイプ実証(TRL-6)」と位置づけている。

とはいえ、この事例が示す方向性は、リソースの限られた小規模農家や次世代の農業事業者にとって示唆に富む。従来の肥料サプライチェーンは大規模工場からの輸送・流通コストに依存してきたが、コンテナ型の分散生産と、capex負担を下げるリース方式という発想は、資本力に乏しい事業者でも設備投資のハードルを下げられる可能性を示している。ただし、これはあくまで同社が「目指している」段階の事業モデルであり、実際の導入コストやリース条件、電力単価による採算ラインは今後の実証データを待つ必要がある。

国内の農業法人や新規就農者がこうした技術を応用・検討する際は、まず自地域の電力コストと再生可能エネルギーの調達環境を把握し、小規模分散型設備が成立する採算ラインを見極めることが前提条件になる。また、電気化学プラントの運用には一定の設備管理・保守の知見が必要になるとみられ、ITリテラシーというよりはプラント運用リテラシーの確保が導入のハードルになり得る。現時点では海外の実証段階の技術であるため、国内での即時導入を判断するのではなく、今後の実証結果や価格情報を継続的に追いながら、自社の肥料コスト構造と照らし合わせて検討する姿勢が現実的だろう。

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参考

• Atmonia scales green ammonia with single-step electrochemical process, AgFunderNews, https://agfundernews.com/atmonia-scales-green-ammonia-with-single-step-electrochemical-process