ULCOS：超低CO₂排出で製鉄に革命を

超低二酸化炭素製鋼 - ULCOS

気候変動は、世界の鉄鋼業界によって25年以上前から主要な環境課題として認識されてきました。2007年の気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の調査結果よりもずっと以前から、主要製鉄会社は鉄鋼生産時に排出される二酸化炭素（CO₂）への長期的解決策が必要だと認識していました。

その結果、鉄鋼業界はエネルギー消費改善と温室効果ガス（GHG）排出削減に極めて積極的に取り組んできました。

世界鉄鋼業界に最も関連する温室効果ガスは二酸化炭素（CO₂）です。世界鉄鋼協会（WSA）によると、平均して粗鋼1トン生産あたり1.8トンのCO₂ガスが排出されます。国際エネルギー機関（IEA）によると、2010年に鉄鋼業界は世界総CO₂排出量の約6.7%を占めました。

現状とブレークスルー技術の必要性

粗鋼1トン生産あたりのCO₂排出量は現在、約50%削減されており、鉄鋼セクターの気候影響は劇的に減少しました。最優秀製鉄所は現在の製鉄技術で設定される熱力学的限界近くで操業しています。これは製鉄所がエネルギー効率をさらにどれだけ改善できるか限界があることを意味します。主要な省エネがほぼ達成された現在、現行技術では更なる大幅なCO₂排出削減は不可能です。

GHG排出をさらに削減するにはブレークスルー技術の導入が必要です。ポスト京都議定書政策が要求するレベルまでCO₂排出を削減するには「発想の転換」が必要で、具体的な課題が提起されています。この目的達成のための簡単なプロセスはオフザシェルフで利用できません。鉄鋼生産のあり方における深いパラダイムシフトを想像し、対応するブレークスルー技術を設計・開発する必要があります。政府と国際機関が求める削減レベルには、画期的な新生産技術の発明と実装が必要です。

これがULCOS（超低CO₂製鋼）プログラム創設の背景です。京都議定書の結果として2004年に開始された欧州の共同研究開発イニシアチブです。ULCOSは製鉄からのCO₂排出をさらに大幅に削減する方法を模索します。プログラムの主要目的は、将来完全に開発された際に、鉄鉱石からの製鉄におけるCO₂排出大幅削減の可能性を実証できるブレークスルー・プロセスルートを探索することです。プログラムは、現在の生産技術と比較してCO₂排出を最低50%削減することを目指します。この野心的目標達成には、世界中の製鉄所の現在の操業様式を変えるようなパラダイムシフトが必要です。ULCOSは、CO₂大幅削減の可能性を持つ製鋼技術を特定するための世界的鉄鋼業界プログラムの一環です。このプログラムでは、最も持続可能な方法で鉄鋼を製造する答えを見つける試みがなされています。

ULCOSコンソーシアムと予算

ULCOSプログラムメンバーは、全主要EU製鉄会社、エネルギー・エンジニアリングパートナー、研究機関、大学を含む15カ国48社・組織のコンソーシアムです。欧州委員会も支援しています。ULCOSは欧州プログラムですが、地球温暖化の脅威に対して積極的に解決策を求める世界最大の鉄鋼業界取り組みです。コンソーシアムの専門知識は製鋼からバイオマス生産、地質学的CO₂貯留まで範囲が広く、プロセス工学、エネルギー経済学、気候変動に関する将来予測研究を含みます。

現在、ULCOSは地球温暖化の脅威に対して積極的に解決策を模索する世界鉄鋼業界最大のイニシアチブです。ULCOSパートナーが7500万ユーロ予算の60%を拠出。欧州委員会が残り40%をRTD（研究・技術開発）フレームワークプログラムとRFCS（石炭・鉄鋼研究基金）プログラムを通じて拠出。両者は欧州内の産業研究と技術開発促進のために設立されています。

CO₂リーン・プロセスルートの3つの主要パス

現在の製鉄技術は、主に炭素ベースの石炭、炭素と水素の混合物である天然ガス、スクラップベース電気炉に基づいています。CO₂リーン・プロセスルートを特定するための3つの主要な解決可能パスは：

1. 石炭からの脱却（脱炭素化）：水素や電気で炭素を置換。水素還元や鉄鉱石電気分解などのプロセスで実現
2. CCS（二酸化炭素回収・貯留）と鉱物炭酸化技術の導入
3. 持続可能なバイオマスの利用

ULCOSプログラムの4ステップと選定プロセス

ULCOSは、鉄鋼業界が社会全体と共に直面する長期的・複雑な課題に慎重に対応する大規模プログラムです。ULCOSプログラムは4ステップで構成：（1）プロセス概念構築、（2）大規模実証、（3）最初の商用プラント大規模実験、（4）欧州と世界への技術展開。研究イニシアチブだったULCOSは現在実証イニシアチブへ転換しています。

2004年開始以来、ULCOSプログラムで相当な研究が行われてきました。初期段階では4〜5年間の初期実現可能性調査で、モデリングと実験室アプローチを用いて80以上の技術/コンセプトルートを調査し、CO₂排出、エネルギー消費、製鋼操業コスト、持続可能性の観点から潜在力を評価しました。複数コンセプトを並行調査し、以下の広範なプロセスルートファミリーがULCOSプログラム内で更なる調査と商業実装可能な規模へのスケールアップのために選定されました：

• トップガスリサイクル高炉（TGR-BF）： 高炉トップガスをCO₂回収し、残った還元ガスを炉底に再吹き込み、さらに熱風（空気）の代わりに純酸素で操業。CO₂リッチガスストリームを貯留（CCS技術）
• HIsarnaプロセス： 熱気旋溶解炉と浴溶解炉の組み合わせに基づく溶解還元プロセス。HIsmeltプロセスの技術的特徴を一部取り込み。純酸素を使用し、貯留準備ほぼ完了したオフガスを生成（CCS技術）
• ULCOREDプロセス： シャフト炉でDRI（直接還元鉄）を生成する直接還元プロセス。天然ガスまたは石炭ガス化ガスから。シャフトオフガスをCO₂回収後プロセスにリサイクル、濃縮ストリームとしてDRプラントを離れ貯留へ（CCS技術）
• 電気分解プロセス2変種（ULCOWINとULCOLYSIS）： ULCOWINは水アルカリ溶液中で微細鉱石粒を用い100℃ slightly以上で動作（電解精製プロセス）。ULCOLYSISは製鋼温度でスラグからなる溶融塩電解質で動作（ピロ電気分解）
• さらに2オプション：（1）カーボンフットプリントなしで利用可能な場合の水素直接還元、（2）持続可能バイオマス利用。最初の実施形態は熱帯国で育成されたユーカリ持続可能植林から生産される木炭

CCS・鉱物炭酸化評価とフェーズ2進展

新ULCOS技術内でのCCSと鉱物炭酸化利用も評価されました。CCSは最初から強力な解決策と特定されました。鉱物炭酸化については、重要だが中程度の全体排出削減しかできないと特定されました。

ULCOSプログラムで検討・開発中のプロセスを図1に示します。

図1 ULCOSプログラムで検討・開発中のプロセス

ULCOSは現在、実験的にテストされた4つのプロセス概念を選定しました。これらは現在のベストプラクティス比でCO₂排出を半分以上削減できる可能性があります。これら概念はULCOSプロジェクト第2フェーズで実働製鉄所に実装されています。第2フェーズ結果は今から15〜20年後に生産プラントへ展開可能です。選定されたプロセス概念：

1. 高炉再設計でCCSをプロセス核心に組み込み
2. CCS機能付き溶解還元
3. 現在よりCO₂リーンな技術での天然ガス大量利用
4. 水素製鋼と鉄鉱石電気分解

各プロセスの進捗と展望

TGR-BF は既存高炉を新技術に改造可能なため、ブレークスルー技術への切替に必要な多額の設備投資をある程度抑制できるため、短期的には最も有望な解決策です。さらにプロセス原理自体が、CO₂回収と精製ガスリサイクルにより高温化学平衡（ブードアール反応）を変位させ、従来操業より高効率でコークス・石炭を高炉内で使用するため、エネルギー節約をもたらし、回収・貯留の追加コストをある程度相殺します。TGR-BFに適用される真の概念は、酸素操業によるプロセス内CO₂回収です。酸素部分は酸素燃焼操業に似ていますが同一ではありません。リサイクル部分が独自で、エネルギー節約と対応する操業コスト削減の鍵です。この概念はスウェーデン・ルレオの大規模実験室高炉でテストされ、良好な結果を得ました。

天然ガスが利用可能な場合、ULCOREDプロセスルート は魅力的なオプションです。TGR-BFと類似の概念が適用され、純酸素使用とプロセス内シャフトトップガスリサイクルに加え、リサイクルループ内シフト反応器系列などの特徴を含みます。この概念検証のため、ULCOSパートナーLKABにより今後数年でルレオに1トン/時パイロット建設予定です。

開発中のHIsarnaプロセス は、おそらく数年以内にグリーンフィールド製鉄所向けの利用可能オプションになります。HIsarnaプロセスはTGR-BFとULCOREDとはやや異なり、ガスリサイクルループを含みません。溶解炉ガスはサイクロンレベルで酸化され、そこで還元と燃焼により鉱石を予熱・溶融。鉄流に対向するガス逆流で化学エネルギーを完全消尽。8トン/時パイロットプラントがULCOSプログラムで建設・テスト済み。2011年4月開始。第1キャンペーンは2011年4月18日〜6月11日運転。4回スタートアップ。初回失敗、他3回成功。注入率は能力の60%達成。運転データからプロセスは予想通り動作したが、更なる運転時間で確認必要。運転時間は期待未満。第2キャンペーンは2012年10月16日開始、11月末まで継続。

電気分解プロセス はULCOSプログラム内でゼロから開発されたため、まだ実験室スケール。グリーン電力アクセスがあればゼロエミッションの可能性を秘めるが、商業規模（10〜20年）へのスケールアップに時間必要。ULCOWINプロセスは鉄鉱石アルカリ電気分解。電気分解は鉄鋼以外の金属生産で一般的で大量電力必要。CO₂リーン電源（水力・原子力等）に依存。ULCOLYSISは溶融酸化物電気分解。溶融スラグに酸化鉄を供給し電流通電。酸化鉄が液体鉄と酸素ガスに分解。CO₂不生成。CO₂リーン電源で更なる排出削減。

水素製鋼 では、鉄鉱石から高温（1300℃以上）で極めて短い反応時間で鉄還元。CO₂不排出だが水素製造に大量CO₂リーン電力必要。低CO₂燃料（天然ガス等）でも操業可能。

水素製鋼はグリーン水素可用性に大きく依存。木炭利用は生産国から遠い場所では複雑なロジスティクス（複数大陸横断の重インフラ含む）構築が必要。

長期イニシアチブとしてのULCOS

ULCOSは鉄鋼業界の長期イニシアチブです。約束に満ちていますが、リスクと罠も多く、おそらく他セクターも同様の状況を経験しているでしょう。リスクは問題の複雑性に関連し、非常に短い時間制約下でのブレークスルー技術開発・実装を要求します。このプログラムが鉄鋼業界の成功イニシアチブとなり、目標達成するには、忍耐、支援、誠実さ、継続的決意が必要です。