鉄の水素還元（水素還元製鉄）とは？CO₂排出ゼロの製鉄プロセスとDRI・高炉BF-BOFとの違いを解説

化学式

鉄の水素還元は、水素ガスを使って酸化鉄を還元して鉄を得る反応です。一般的な式で表すと次のようになります：

FeO + H2 → Fe + H2O

この反応では、酸化鉄（FeO）と水素ガス（H2）が反応して、鉄（Fe）と水蒸気（H2O）が生成されます。酸化鉄は固体であり、水素ガスは気体なので、反応によって鉄が得られます。

特徴

鉄の水素還元は高温で行われることが一般的で、通常は600℃から800℃以上の温度が必要です。高温での反応が進行することで、酸化鉄を水素ガスに還元して鉄を得ることが可能となります。

水素ガスは強力な還元剤であり、酸化鉄などの酸化物を還元する反応に利用されます。水素還元は産業や研究などさまざまな分野で利用されています。例えば、鋼鉄製造においては、鉄鉱石を水素ガスを使って還元し、鉄を製造する際に利用されることがあります。

水素還元はまた、触媒の再生などのプロセスでも利用されます。触媒は反応を促進するために使われる物質であり、反応が進行するうちに触媒は変質してしまいます。そのため、定期的に触媒を再生させる必要がありますが、水素還元を使って触媒を元の状態に戻すことができます。

水素還元は反応の性質や条件によって異なる応用が可能であり、酸化物の還元だけでなく、脱硫や脱塩素などの反応にも利用されます。

水素還元の反応段階と温度条件

鉄鉱石（主成分：赤鉄鉱 Fe₂O₃）を水素で還元する際、3段階の連続反応を経て金属鉄（Fe）が得られる。

段階	反応式	最適温度	特徴
第1段階	3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ + H₂O	250〜400°C	最初の還元ステップ。赤鉄鉱→磁鉄鉱。発熱反応（比較的容易）。
第2段階	Fe₃O₄ + H₂ → 3FeO + H₂O	570〜700°C	磁鉄鉱→ウスタイト。吸熱反応（エネルギー投入が必要）。
第3段階	FeO + H₂ → Fe + H₂O	700〜900°C	ウスタイト→金属鉄。吸熱反応。還元雰囲気（H₂濃度）の管理が重要。
全体反応	Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O	800〜950°C（DRI炉）	炭素を一切使用しない脱炭素製鉄プロセス。副生成物は水蒸気のみ。

水素還元 vs コークス（高炉）還元の比較

比較軸	水素還元（H₂-DRI）	コークス還元（BF-BOF高炉法）
還元剤	水素（H₂）	コークス（C）および一酸化炭素（CO）
還元反応の副生成物	水蒸気（H₂O）のみ → CO₂を排出しない	CO₂（炭素酸化物）→ 高炉1トン粗鋼あたり約1.7〜2.1 t-CO₂
プロセス温度	800〜950°C（固体または半溶融状態で還元）	1,500〜1,600°C（高炉内で溶融）
得られる鉄の状態	固体の海綿鉄（DRI：スポンジ鉄）→ 電炉（EAF）で製鋼	溶銑（銑鉄）→ 転炉（BOF）で製鋼
CO₂排出量（粗鋼1トンあたり）	グリーンH₂使用時：0.1〜0.3 t-CO₂（残存排出）	1.7〜2.1 t-CO₂（世界平均）
コスト競争力（2024年）	グリーンH₂コスト次第で高炉の1.5〜3倍以上	最も安価な粗鋼製造ルート（既存設備）

主要な水素還元製鉄プロジェクト（商業事例）

プロジェクト名	主体	規模・進捗	特徴
HYBRIT（ハイブリット）	SSAB・LKAB・Vattenfall（スウェーデン）	2020年：世界初のH₂-DRIパイロット試験。2026年：商業生産開始予定（年産50万トン目標）	再エネ電力を使ったグリーンH₂で鉄鉱石を還元。スウェーデン北部の再エネ優位地域で実証。
MIDREX H₂	Midrex Technologies（米）+ Nippon Steel参加	既存MIDREX-DRF炉を水素混合対応に改造。H₂比率70〜100%での試験稼働中（2024年）	天然ガスDRIの設備を段階的にH₂化（ブラウン→グリーンDRI）。移行戦略として最現実的。
tkH2Steel（チッセンクルップ）	thyssenkrupp Steel（独）	2023年：H₂吹き込み高炉での実証試験開始。2030年代に高炉→DRI-EAFへの完全転換計画	既存高炉への水素吹き込みで過渡期的に対応しながら、中長期でDRI-EAFへ移行。
H₂FUTURE / SALCOS	voestalpine（オーストリア）+ Salzgitter AG（独）	電解水素の製鉄利用実証。2050年カーボンニュートラル達成に向けたロードマップを策定	欧州の水素バレー構想と連携。CBAM対応でも優位性。
日本製鉄・JFEの動向	日本製鉄・JFEスチール	水素還元製鉄の技術開発を実施。2030年代の実機化を目標。NEDO「グリーンイノベーション基金」受給	日本独自の技術（フラッシュ還元・水素吹き込み転炉等）を開発中。2050年商業化を見据える。

📚 関連記事（業界別ケース）

About The Author

lelandavenue

See author's posts

＼最新情報をチェック／

@climatechnews