脱炭素リサーチ：鉄鋼業界の脱炭素化①｜水素還元製鉄・電炉・大手企業アプローチと2050年への技術ロードマップ

様々な業界で脱炭素化が進んでいますが、鉄鋼業界はその中で最も脱炭素化が難しいといわれる業界の一つです。今回は、その鉄鋼業界の脱炭素化について分析します。

1. 市場規模
2. インドの台頭
3. 鉄鋼業の脱炭素化を進める画期的なテクノロジー
4. 鋼鉄の精製プロセス比較
5. 大手企業の脱炭素に向けたアプローチ

市場規模

2021年の粗鋼生産量は約19億51百万トンで、世界の鉄鋼需要は2050年までに3分の1以上増加すると予測されています。世界的なエネルギーと気候目標を達成するには、鉄鋼産業からの排出量を 2050 年までに少なくとも 50% 削減する必要があります。大幅な排出削減は、CO2ゼロ排出の製鉄技術の革新なしには達成できません。持続可能な開発シナリオにおける 2050 年までの累積排出削減量のうち、30% は現在実証段階または試作段階にある製鉄技術によるものです。
出典：World Steel Association

インドの台頭

中国をはじめアジアが鉄鋼の一大生産地となっていますが、2050年には世界の鉄鋼のほぼ5分の1がインドで生産されると予想されています。インドは既にに世界第2位の鉄鋼生産国であり、2050年までに年間生産量を、2019年のEUの総生産量の2倍に相当する量増やすと予想されています。インドでは、さまざまな課題に取り組むための多様な技術ポートフォリオが出現しています。2050年までにCCUSが26％、水素を利用した直接還元鉄DRIは22％を占める見込みです。（参考IEA）　

鉄鋼業の脱炭素化を進める画期的なテクノロジー

カーボンニュートラルの実現に向けて必要とされる大幅な削減を達成するには、製鉄へのまったく新しい変革的なアプローチが必要です。
CO2 を排出せずに工業規模で製鉄するための有望なアプローチがいくつかあります。これらは、炭素回収・利用（CCUS）、電気分解、水素還元の 3 つの大きなカテゴリに分類されます。それぞれのカテゴリで、クライメイトテック関連のスタートアップが技術開発を進めています。

鋼鉄の精製プロセス比較

鋼鉄は精製プロセスごとに二酸化炭素の排出量が異なります。ここでは、ADI-Analyticsのデータをもとに、各プロセスの二酸化炭素排出量を比較しています。現在の鉄鋼生産の大部分を占める塩基性酸素転炉（BOF）が最も二酸化炭素排出量が多く、バイオ燃料、直接還元鉄（DRI）、そして、再エネ由来の電気＋電気アーク炉（EAF）が最も二酸化炭素排出量が少ないことがわかります。

大手企業の脱炭素に向けたアプローチ

続いて、大手企業の脱炭素化に向けた取り組みを分析します。
ここでは、以下の企業を取り上げます。
NUCOR：アメリカ最大の鉄鋼メーカー
Arcelomittal：粗鋼生産量世界2位、ルクセンブルクの鉄鋼会社U.S.Steel：アメリカと中央ヨーロッパに大きな生産拠点をもつ総合製鉄会社
EVRAZ：ロシアを主な事業基盤とする大手鉄鋼メーカー
日本製鉄：日本最大手の鉄鋼メーカー　粗鋼生産量世界3位
POSCO：韓国最大の鉄鋼メーカー

次回は、鉄鋼業界の脱炭素化を後押しすべく、技術開発を進めるスタートアップをご紹介します。

鉄鋼の排出はどこで生まれるのか——「削減しにくさ」の正体

鉄鋼が hard-to-abate（削減困難）と呼ばれる理由は、排出の大部分が燃料の燃焼ではなく還元反応そのものから生じる点にある。高炉では酸化鉄をコークス由来の一酸化炭素で還元するため、鉄が得られる過程で化学量論的にCO2が発生する。つまり、工場の電力を再生可能エネルギーに切り替えても、熱回収を徹底しても、この部分は原理的に残る。セメントの焼成由来CO2と並び、鉄鋼が「省エネの延長では到達できない」とされるのはここに由来する。

工程別に分解すると、削減の難易度は次のように分かれる。

重要なのは、排出量の重心が「削減余地ほぼ無し」の列に乗っているという構造である。したがって鉄鋼の脱炭素は、効率改善の積み上げではなく、設備の更新タイミングに合わせたプロセスの入れ替えという離散的な意思決定になる。高炉の大規模改修は十数年から20年程度の周期で訪れ、一度改修すればその設備は次の周期まで稼働し続ける。改修の判断が、そのまま数十年分の排出経路を固定する。2050年を目標年とするなら、意思決定の機会は各製鉄所にあと1回か2回しか残っていない計算になる。「2050年の技術」ではなく「今期の設備投資」の問題である理由がこれである。

水素還元のボトルネックは水素ではなく電力と原料品位

水素還元製鉄は有望な経路だが、制約は水素という分子そのものではなく、その背後にある電力量と鉄鉱石の品位にある。

公表されている文献値をもとに粗く試算すると、直接還元鉄（DRI）1トンの製造に必要な水素は概ね50〜60kg程度とされる。アルカリ水電解の電力消費を水素1kgあたり50kWh前後と置けば、還元工程だけで粗鋼1トンあたり約2.5〜3.0MWhの電力が必要になる。ここに電気炉での溶解分（0.6〜0.7MWh程度とされる）を加えると、合計は3MWh台に達する。

この数字を年産1,000万トン規模の製鉄所に当てはめると、年間30〜37TWh程度という推計になる。大規模な発電設備が数基分、専用に必要になる水準である。しかも還元用の水素は安価な電力がなければ経済性が成り立たない。結果として、水素還元製鉄の立地は「鉄鉱石の産地」でも「鉄の消費地」でもなく、安価な再生可能エネルギーが豊富な場所に引き寄せられる。還元工程を再エネ適地で行ってDRIやHBI（熱間成形ブリケット鉄）として輸出し、消費地側では電気炉で溶解・圧延するという工程の地理的分離が進む可能性がある。日本の立地条件を考えると、この分業がどう固まるかは国内鉄鋼業の構造を左右する論点である。

もう一つの制約が原料の品位である。直接還元に適した鉄鉱石（DR用ペレット）は、鉄品位が高くシリカなどの不純物が少ないものに限られる。世界の鉄鉱石生産の大部分は高炉向けの規格であり、DR用に供給可能な量は限定的とされる。品位の低い鉱石を使う場合は溶融還元炉を組み合わせて不純物を分離する必要があり、工程が増える分だけコストとエネルギーが上積みされる。水素が安くなっても、原料側の制約が残れば普及速度は抑えられる。この「原料の壁」は技術ロードマップの図では見えにくいが、実装の順序を決める要因になる。

グリーン鉄の価格差を誰が負担するのか

低炭素鋼のプレミアムは、現時点の各種推計で粗鋼1トンあたり数十ドルから百数十ドル程度の幅があるとされる。幅が大きいのは、電力価格・水素価格・設備の償却条件の前提次第で結論が変わるためである。ただし、負担構造を考えるうえで重要なのは絶対額ではなく、最終製品に占める比率である。

乗用車1台に使われる鋼材は1トン前後とされる。仮にプレミアムを1トンあたり100ドルとしても、車両価格に対する比率は1%に満たない。建築物では鉄骨のコストが総工費の一部にとどまるため、やはり影響は希釈される。つまり、最終製品の段階では吸収可能な差額が、鉄鋼メーカーの段階では吸収できないという非対称が存在する。鉄鋼の営業利益率を考えれば、1トンあたり数十ドルの上積みは単独では負担しきれない。

この非対称を埋める装置が制度と調達である。

欧州のCBAMは移行期間を経て2026年から財政的調整の段階に入ったとされ、日本でもGX推進の枠組みのもとで多排出事業者を対象とした排出量取引が2026年度から本格化する段取りとされている。制度が揃いつつあるという意味で、鉄鋼の脱炭素は技術開発の局面から、価格形成と需要創出の局面へ移りつつある。既存記事で整理したプロセスごとの排出量の差が、ここで初めて経済的な差として現れる。

日本企業の実務への示唆：調達仕様とScope3の設計

鉄鋼メーカー以外の事業者にとって、この論点はScope3の問題として現れる。自動車、建設、産業機械、電機といった業種では、Scope3カテゴリ1（購入した製品・サービス）が排出総量の大きな部分を占め、そのなかで鉄鋼は上位の品目になりやすい。実務上の課題は次の3点に整理できる。

第一に、算定方法を二次データから一次データへ切り替えること。 多くの企業は当初、購入金額や重量に産業平均の排出係数を掛ける方式で算定している。この方式では、サプライヤーが実際に低炭素鋼へ切り替えても自社のScope3は動かない。削減努力が数字に反映されない算定方式を使い続ける限り、調達の切り替えに投資する動機が生まれない。サプライヤー固有の製品カーボンフットプリント（ISO 14067などに準拠した算定）を受け取れる体制に移すことが、順序としては先に来る。

第二に、スクラップの扱いと配分ルールを理解しておくこと。 電気炉鋼の排出強度が低く出るのは、鉄鉱石の還元工程を経ていないためである。ただし、スクラップは有限であり、世界の鉄鋼需要が増え続ける前提では電気炉だけで全量を置き換えることはできない。また、スクラップに上流の排出をどう配分するかはLCAの手法次第で結果が変わる。調達判断の根拠として数値を使う場合、どの手法で算定されたものかを確認しないと、比較できない数字を並べることになる。

第三に、調達仕様を材質ではなく排出強度で書くこと。 「低炭素鋼を優先する」という方針は運用できない。製品カテゴリごとに1トンあたりの排出上限を数値で定め、達成年を段階的に設定し、第三者検証済みのデータ提出を条件とする——この形でなければサプライヤー側も設備投資の計画に落とせない。需要側が量と時期を示すことが、鉄鋼メーカーの投資判断における不確実性を下げる。ResponsibleSteelのような認証や、低炭素鋼の供給量を帳簿上で割り当てるマスバランス方式の使い方も、仕様書のなかで扱いを明記しておく必要がある。

鉄鋼の脱炭素は、技術の成否を外から見守る話ではない。還元反応という物理の制約が、電力と原料の調達条件を通じてコスト構造に変換され、さらに制度と調達仕様を通じて個々の企業の購買判断に届く。その連鎖のどこに自社が位置しているかを把握することが、実務の出発点になる。

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