ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2022.8No.428TODAY

カーボンニュートラルを目指して日本の鉄鋼業が踏み出した第一歩して本事業にて議論してきた内容からの発展が多くあり、鉄鋼業のカーボンニュートラルへ向けた第一歩であったと感じています。
パリ協定が目指すゴールには、これまで進めてき日本製鉄株式会社た革新的製鉄技術「環境調和型プロセス技術」だけ
フェロー 村上 英樹でなく、それらを超えた「超革新技術」が必要となります。製鉄プロセスにおけるカーボンニュートラ
2020 年 10 月 26 日菅義偉総理による所信表明演 ルの実現は、一直線で実用化に至ることが見通せな説での 2050 年にカーボンニュートラルを目指すこと い挑戦であり、本事業では、まずは「先進高炉」「100%の宣言、2021 年 4 月 22 日政府の 2030 年の温室効 水素還元製鉄と精錬」、「バイオマス活用を含む CCU
果ガス削減目標 2013 年比 46%削減の表明は、それ 技術の拡大」などを基軸として、あらゆる手段を組までも徐々に高まっていたグリーントランスフォー み合わせ、複線的に推進していく必要があると提示
メーション（GX）への流れを大きく加速しました。 しましたが、狙いは、これらの技術的なボトルネッ
非常にハードルの高い目標であり、今、ものづく クを明らかにし、技術的な見地から実現に向けたり産業においても大きな産業変革が求められていま ロードマップを示すことにありました。
す。その中でも鉄鋼業は、国内では約 1.7 億トン / 年
検討は、我が国の国際競争力強化と３つのエコ（エ（約 14%）の CO2 を排出しており、日本のカーボン コプロセス、エコプロダクト、エコソリューション）
ニュートラル実現のためには鉄鋼業におけるカーボ により地球環境の両立に貢献してきた日本鉄鋼業のンニュートラル実現が不可避の課題になります。
事業継続を前提としています。
日本鉄鋼連盟は、これまでも地球環境問題におけ今回は、実験室レベルの萌芽的将来技術に関してる業界のおかれた立場を認識し、京都議定書に対す は最少の記載に止め、2050 年までに実用化が必要なる自主行動計画の達成後も、低炭素社会実行計画を 技術について、過渡的技術を含め、それぞれの専門公表、着実に遂行してきました。直近ではカーボン 家が調査し、必要に応じて基礎実験・シミュレーショ
ニュートラル行動計画フェーズⅠの目標（BAU 排出 ンを行いながら、ボトルネックとなる課題や重要要量比 300 万㌧ -CO2 削減）に対し、2020 年度大幅 素技術ついて、明確化と進め方を示して頂きました。に過達したことも報告されています。しかしながら、調査を進めていくに従い、改めて非常にハードル
2015 年 COP21 にて採択されたパリ協定後、2050 の高い挑戦であり、実現には､ 非連続的イノベーショ
年までに温室効果ガスの 80%削減目標が「地球温暖 ンとそれを支える長期にわたる研究開発､ 技術を実化対策計画」で明記されるなど、目標は急速に上がっ 装する際の膨大な新たな設備投資と既存設備の転換､ていきました。
カーボンフリーの水素と電力の大量安価安定供給のそのような中、日本鉄鋼連盟は、2018 年に長期 ための社会インフラ、経済合理的な CCUS の社会実取組の方向性として、世界に先駆け「長期温暖化対 装といった脱炭素化に向けた国家戦略の構築等、多策ビジョン～ゼロカーボン・スチールへの挑戦」を くの難題が立ちはだかっていることも再認識されま発表しました。これは 2100 年には、化石系炭素に した。直近発生したウクライナ問題によってエネル頼らない製鉄法を目指していこうという世界に先駆 ギー安全保障の課題が浮き彫りとなり、少なからずけた鉄鋼業としての宣言であり、IEA ETP-2017 に 各国のカーボンニュートラル戦略にも影響を与えておける 2℃シナリオとの整合性も図っていました。
います。
この宣言を具体的に実行していくための新たな技
エネルギー構造的に決して強くない日本が、国際術革新を推進するために、2020 年度より高炉メー 競争におけるイコールフッティングを確保し､ 産業カー３社と JRCM は、本 NEDO 先導研究事業「ゼロ 競争力強化とビジネスチャンスを獲得できる政策のカーボン・スチール実現に向けた技術開発」を開始 一体的実現、そしてカーボンニュートラル実現に伴いたしました。その後、実行期間中に、冒頭に記し う課題を社会全体で理解し取り組むための仕組み作
ました政府のカーボンニュートラル宣言、2021 年 りも必要だと考えられます。の地球温暖化対策推進法の改正、そしてグリーンイ
本 先 導 研 究 が、 日 本 鉄 鋼 業 の 今 後 の カ ー ボ ン
ノベーション基金が創設、開始されましたが、先行 ニュートラル実現の一助となれば幸いです。
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JRCM REPORT「ゼロカーボン・スチール」の実現に向けた技術開発プロジェクトの成果
一般財団法人金属系材料研究開発センター
1. はじめに

環境・プロセス研究部

加藤 徹

施先として地球環境産業技術研究機構（RITE）、東北

鉄鋼業界は我が国全体の 14%に相当する大量の CO2

大学、早稲田大学、九州大学、産業技術総合研究所がを排出しており、その排出削減対策は重要な課題となっている。これに対して、我が国では現行の高炉法による低炭素化について炭素に代わる還元材として水素を高炉に使用する製鉄法や、排出された CO2 を分離参画し、2022.6 ～ 2022.3 の 2 年弱を実施期間とし、合計 1.9 億円の予算で実施された。本稿では本事業での取り組み内容や検討結果、さらには実施期間中の世の中の動きについて概要を報告する。

･ 回収する技術として、2008 年度より、NEDO の委託

2. 本事業の検討技術選択の背景と取り組み内容事業である「環境調和型プロセス技術の開発」の「水素還元等プロセス技術の開発」に高炉メーカー等各社が参画し、高炉からの CO2 排出の 30%削減を目標とす

前述のように高炉法による鉄鋼製造時には大量のCO2 排出を伴うが、これは高炉法が鉄鉱石（酸化鉄）をコークス（石炭）を用いて還元する炭素還元プロセる革新的な技術開発に取り組んできた（COURSE50）。 スであることに起因している。還元剤としての炭素のまた、同「フェロコークス活用プロセス技術開発」に 使用量の削減には長年取り組まれてきたが、高炉法のおいては、フェロコークス利用により高炉からの CO2排出量の削減を目指す技術開発も行っており、いずれ技術成熟化が進み操業改善や効率化による効果は頭打ちとなりつつある。したがって、飛躍的な CO2 排出削も 2030 年頃の実用化を目指している。

減には還元剤を置き換える必要があり、水素による還しかし、これらの取り組みだけでは 2015 年に採択されたパリ協定の長期目標と整合する鉄鋼業からの元を検討することとした。なお、コークスから炉内で生成した一酸化炭素での鉄鉱石還元時は反応熱を放出

CO2 排出削減を実現することは困難であり、超革新的な鉄鋼製造新技術が必要であると認識されていた。そする発熱反応であるのに対して、水素による還元反応は熱を吸収（吸熱反応）し温度が低下してしまうため、のような状況の下、製鉄における「カーボンニュート

水素還元では熱補填という観点での検討も必要となるラル」の実現に向けた研究開発に取り組むため、現段階での諸課題を抽出し、研究開発を加速させるためのことが大きな課題の一つである。
表に本事業で検討した主な技術を示す。鉄鋼業が将

先導研究が、2020 年 3 月に国立研究開発法人新エネ
ルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）より公募さ

来、カーボンニュートラルを可能とする新プロセスに移行するとしても、継続的に社会が必要とする鉄鋼需れた。一般財団法人金属系材料研究開発センターは日要量を供給していくためには、それまでの過渡的技術、本製鉄株式会社、JFE スチール株式会社、株式会社神戸製鋼所、と共同で、「「ゼロカーボン・スチール」の実現に向けた技術開発」を提案し、2020 年 6 月に採択された。

すなわちトランジション技術もあわせて考慮していく必要がある。そのような視点に立つと現在の高炉法をベースとした鉄鋼製造は今後も不可欠であり、そこでの CO2 削減に資する技術開発も並行して進める必要が本事業は上記委託先の他、再委託先あるいは共同実ある。具体的には、COURSE50 の知見を足掛かりとし

表
分類

技術類型

本事業で検討した主な技術
名称

概要

石炭利用

先進高炉 1
外部水素利用による高炉によるさら有SuperCOURSE50
なる水素還元比率アップ
先進高炉 2
高炉副生ガス中 CO2 の炭素化合物へ
過渡的技術
高炉有
カーボンリサイクル高炉 の返還（CCU）と高炉への再使用
分離・回収した CO2 の有価化・循環高炉一貫製鉄所前提
過渡的技術―
利用技術（CCU) およびバイオマスCCU・バイオマス
炭材代替利用技術
究極的にはシャフト炉による 100%
超革新的技術
直接還元炉＋溶解・精錬
シャフト炉～無水素還元製鉄法
究極的には流動層による 100%水素
超革新的技術
直接還元炉＋溶解・精錬
流動層～無還元製鉄法
分離・回収した CO2 の有価化・循環
直接還元炉＋溶解・精錬前提
超革新的技術―
利用技術（CCU）およびバイオマス ～無CCU・バイオマスの炭材代替利用技術
過渡的技術

JRCM NEWS No.428

高炉

2

て高炉において更に水素による還元を増やす技術の開発 (Super-COURSE50) や、高炉副生ガス中 CO2 の炭素化合物への変換と高炉への再使用を行うカーボンリサ
イクル高炉技術の開発に加えて、分離回収した CO2 の材の特性を劣化させるりんの濃度の急激な上昇が予測されている。
我が国の鉄鋼業の競争力は、高強度鋼材を始めとした高級鋼の製造によって維持されており、ユーザーで有価化、循環利用技術 (CCU) およびバイオマス利用による化石燃料由来の炭素の代替技術の開発、等の検討も必要と考えた。
一方、超革新的技術としては、石炭（炭素）を還元ある自動車をはじめとする我が国の主要産業の国際競争力にも大きく寄与している。従って、将来にわたりこの豪州産鉄鉱石を主原料として、高級鋼材を製造することを前提としたプロセス開発を目指す必要がある。

材として利用しない水素還元製鉄法のシャフト炉とカーボンニュートラルの実現に向けた本格的な研究

流動層を選択し、100%水素還元製鉄法の検討とこれらのプロセスから製造される水素還元鉄の溶解・精錬プロセス、およびそれらを前提とした CCU・バイオ開発事業を見据え、本事業では、超革新的技術および過渡的技術として有望な技術を抽出し、技術調査によりそれぞれの技術の開発課題と必要要素技術を整理すマス利用を想定した。ここでシャフト炉は炉外で製造したペレットを上部から投入し、対流するガスによっるとともに、概念設計に必要となるシミュレーションモデル等の構築や基礎データの収集等の基礎検討を行て還元するプロセス、流動層は粉体を充填した層の下方から十分な流速の流体を吹込み、粉体を液体のようい、これらの結果から得られた開発課題を基に、それぞれ 2050 年度までのロードマップを作成することをに流動させて還元させるプロセスであり、天然ガスあ 骨子とした。ロードマップの作成についてはラボスケー
るいは天然ガスを改質したガスによる鉄鉱石の還元技 ル、パイロットスケール、実機スケールの試験時期と術としては世界にも適用例が報告されているものの、 それぞれの適用時期、検討内容を明記して作成した。
100%水素による還元については未確立の技術となる。

本事業における検討内容の構成を模式的に図に示鉄鉱石の還元技術には水素還元の他に電気エネルギーにより還元するプロセスなどが考えられるが、現状では実験室レベルの報告などにとどまることから本事業す。本事業では①水素還元、②還元鉄の溶解・精錬、③バイオマス・CCU の活用ならびに④エネルギーモデ
ル・全体ロードマップ作成の 4 つの大項目で構成した。

では研究開発動向の情報収集にとどめた。
技術検討に当たっては超革新的技術においても過渡①水素還元では高炉関連技術として水素還元を極限まで活用する Super-COURSE50 とカーボンリサイク的技術においても、我が国の鉄鋼業の環境に合致させ ル高炉を、石炭を還元材として利用しない水素還元製る必要がある。現在、我が国の鉄鋼生産量は粗鋼約 鉄法としてシャフト炉と流動層についてボトルネック１億トンで推移しており、世界第三位に位置するが、 課題とその解決の道筋について検討した。また、②還その主たる鉄分原料である鉄鉱石は、100％輸入に依存しており、その内 60％は、コストや調達リスクの元鉄の溶解・精錬ではシャフト炉や流動層で製造される還元鉄を溶解原料とする溶解・精錬プロセスについ観点から、世界一位の鉄鉱石生産国である豪州からとなっている。この豪州産鉄鉱石は、2030 年以降、鋼てボトルネック課題と解決の道筋を検討した。さらに③バイオマス・CCU では高炉法や水素還元製鉄法を前

鉄鉱石

粉鉱石

塊鉱石

石炭
石炭ペレットペレット焼結①水素還元
焼結鉱

高炉

コークス

コークス

③ﾊﾞｲｵﾏｽ･CCUの活用

バイオマス

ﾊﾞｲｵﾏｽのﾎﾟ
ﾃﾝｼｬﾙ評価

固体還元
シャフト炉 流動層(溶融還元)
先進高炉

ｶｰﾎﾞﾝﾘｻｲｸﾙ
水素還元の極限活用
溶銑

1400℃

水素還元プロセスの基礎検討・
課題見極め
還元鉄②還元鉄の溶解・精錬

CO2

ｶｰﾎﾞﾝﾘｻｲｸﾙ技術､メタノール生成技術評価

図

H2

塊成鉱製造

電気炉

転炉

水素還元鉄の溶解・精錬
技術検討

溶鋼

④ｴﾈﾙｷﾞｰﾓﾃﾞﾙ・
全体ﾛｰﾄﾞﾏｯﾌﾟ作成

本事業における検討内容の模式図
JRCM NEWS No.428

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提とした CCU・バイオマス利用について調査および検③バイオマス・CCU討した。これらの結果も踏まえ④エネルギーモデル・全体ロードマップ作成では研究開発での評価ツールとして必要な製鉄プロセス全体のエネルギ－・物質収支

各種の CCU 技術の中から一貫製鉄所で発生する炭素の有価化という視点で調査を行い国内製鉄所に CCUを実装した場合の CO2 削減効果、導入コストの分析、モデル等のプロトタイプも製作と各項目個々のロードマップを総合した全体ロードマップを作成した。

有望な技術の選定を行い、その結果に基づき、技術ロードマップを作成した。また、CO2 を原料とする CCU

３. 本事業における検討の成果①水素還元
主要鉄鋼会社の温暖化対策目標、欧州を中心とした水素還元製鉄の取り組み情報の収集に加え、高炉における CO2 削減技術開発の経緯及び現状、シャフト炉、メタノール合成について技術調査とともにカーボンリサイクル高炉を想定し反応器シミュレーションによる評価を行った。バイオマスに関しては、高炉転炉法におけるコークス・微粉炭代替や焼結用炭材や、直接還元製鉄における利用等の実態とともに廃プラスチック流動層に関する稼働状況や水素製鉄への展開状況などに関する技術調査を行った。の利用状況を調査し、廃プラスチック、石炭との性状比較を行った。

また、高炉法に関しては COURSE50 技術に対して、 ④全体評価および全体ロードマップの作成
更なる CO2 発生量削減を目的として、水素還元の限界製鉄所エネルギーモデルの概念設計を行い、市販のを追求する水素還元拡大利用技術のための開発課題を 表計算ソフトで計算可能なプログラムを作成し、使用明らかにするとともに、高炉利用に適したカーボンリサイクル還元材の調査やカーボンリサイクル還元材のエネルギー量および CO2 排出量の定量的な評価を行う
とともに先進高炉と CCUS を組み合わせた技術ルート

高炉利用時の CO2 発生量低減効果の検証などを行い、 および水素直接還元・溶解精錬の技術ルートから構成
Super-COURSE50 とカーボンリサイクル高炉のそれぞ する全体ロードマップを作成した。
れについてプロセスの概念設計と実機化に向けたロードマップを作成した。

4. 本事業成果の活用
本事業実施中の 2 年弱の間にも脱炭素社会の実現に

さらに、シャフト炉や流動層に関するボトルネック課題調査及び実験的な検討として、水素還元時の吸熱反応に伴うシャフト炉内温度への影響、流動層でのボ向けた課題意識は大きく加速し、我が国でも 2020 年
10 月に 2050 年にカーボンニュートラルを目指すことを宣言したことに続き、同年 12 月には「2050 年カートルネック課題となる流動化不能現象の原因としてのスティッキングやシンタリングに対する水素還元の影

ボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」が策定された。その中で 14 の重点分野がまとめられ、カーボ響、その原因となる針状鉄生成挙動などを検討した。 ンリサイクル・マテリアルとして「ゼロカーボンスチーさらにシャフト炉のモデル計算による解析や鉄鉱石塊 ルを実現」と明記された。さらに、2021 年 4 月には成鉱の水素還元挙動に関する基礎実験、流動層に関す 2030 年の温室効果ガス削減目標を 2013 年比 46%削る小型試験による鉄鉱石の還元凝集挙動、粉化性評価実験などを行い、シャフト炉方式および流動層方式のそれぞれについて技術開発に必要な開発項目と開発ステップをロードマップに整理した。
②還元鉄の溶解・精錬減とすることが表明された。
この流れの中で 2021 年グリーンイノベーション基金事業が造成され、同年９月製鉄プロセスにおける水素活用プロジェクトが公募、12 月に採択され、2022年 1 月ないし 2 月より始動した。同プロジェクトは豪州鉱石の使用や水素還元を前提とした還元鉄の溶 高炉を用いた水素還元技術の開発 2 テーマと、直接水解・精錬に関する技術調査および課題抽出を行った。 素還元技術の開発 2 テーマの計４テーマで構成されて前述のように豪州鉱石は低鉄品位で脈石分とりん濃度とも高く、将来はさらに高まると見込まれる。この条
件で電気炉により溶鋼を製造する溶解・精錬挙動を検おり、本事業の成果も活用して計画が策定された。今後も本事業で整理した開発項目やロードマップを生かしつつ、我が国の鉄鋼業の環境に合致したカーボン討したところ、脱りん負荷と多量の脈石から多量のスラグが発生するとともに、溶解に多量のエネルギーを必要となることが明らかとなった。これらの結果に基づき、水素還元鉄の溶解・精錬の技術開発に必要な開発項目を整理し、ロードマップを作成した。

ニュートラルを他国に先駆けて実現し、「2050 年カーボンニュートラルの実現」に寄与する技術となることを期待している。
なお、本事業の成果の詳細については、NEDO ホームページにて成果報告書として公開される予定である。

The Japan Research and Development Center for Metals

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JRCM NEWS ／第 428 号

2022 年 8 月 1 日
小紫 正樹
一般財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

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