水素駆動の製鋼脱炭素化：持続可能産業への道

持続可能エネルギー未来の主な推進力は：(i) 地球規模CO₂排出削減と大気質改善、(ii) エネルギー供給安全保障確保と持続可能エネルギー資源への移行、(iii) 未来経済に不可欠な新産業・技術エネルギーベース創造、の3点に集約されます。現代の地球規模エネルギー未来評価は全て、需要増加が再生可能/持続可能エネルギー源を含む多様エネルギーミックスによってますます満たされるという見解を取ります。

具体的環境懸念の高まりが持続可能エネルギー開発への主要推進力の一つです。最も主要なのはCO₂とその他気候変動ガスの大気放出・蓄積問題。これら排出は産業革命前レベルを遥かに超え、温室効果ガス（GHG）効果により地球平均気温上昇の原因と見なされています。様々な活動を通じた環境放出CO₂量を劇的に削減しない限り、地球気候に潜在的災害的結果をもたらす可能性があります。このような懸念は間違いなく、エネルギーとその担い手の評価・利用方法を変革し、従来の炭化水素ベースから再生可能/持続可能エネルギー源へバランスをシフトさせています。

水素は魅力的代替燃料です。しかし、石炭、ガス、石油とは異なり、一次エネルギー源ではありません。むしろその役割は電気により近く、二次的「エネルギーキャリア」として、まず他源エネルギーで生産され、その後輸送され、将来使用時に潜在化学エネルギーが完全実現されます。

水素の可能性と課題

エネルギーキャリアとして水素は、原理的に現在使用中の全最終エネルギー形態を置換可能です。全経済セクターにエネルギーサービス提供可能。化石燃料対比潜在的環境優位性あり。使用地点では有害排出なしで燃焼可能。CO₂排出なしで水素生産可能なら、水素経済として知られる真に持続可能エネルギーシステム基盤形成可能。

水素は高期待と非現実的現実のサイクル経験。再生可能エネルギー価格低下と気候変動起因厳格規制要件により、現在世界的に炭素経済から水素経済へのパラダイムシフト進行中。しかし水素経済移行は一夜で起こらず、専用戦略と努力必要。

水素は周期表第1元素。宇宙最軽量、最豊富、最古化学元素の一つ。地球上では水や炭化水素等より複雑分子で存在。純粋形態利用には抽出必要。水素炎は無色無臭。可視化と検知のため着色剤と臭気剤添加必要。さらに水素分子は天然ガスより小さく、より容易に漏洩。この特性は密閉空間での水素濃度蓄積を招く特定問題となり得ます。

水素は地球規模産業脱炭素化で重要役割果たし得ます。現状では水素経済が優先事項。ネットゼロCO₂排出には化石燃料完全段階的廃止必要。水素気候影響は生産方法に完全依存。地球気候変動制御には、再生可能エネルギー駆動水電解水素が気候中立に不可欠。しかし水素経済移行には、水素生産・輸送・貯蔵・エンドユーザー供給のため新インフラに巨額投資必要。

2050年までにネットゼロ排出目標、産業革命前比1.5℃以内温度上昇抑制のため世界的コンセンサス拡大中。これを達成するには、現在地球エネルギー需要5分の4満たす化石燃料置換方法発見必要。地球温暖化起因1.5℃制限には、水素がエネルギーキャリアとして中心的役割果たし続けます。水素は炭素経済における石炭、石油、ガスと同等役割。製鉄、セメント、ガラス、化学製品等産業プロセスは高温熱必要。現在この熱は化石燃料燃焼で生産。これらCO₂削減困難産業セクターでは、水素使用なしに必要規模でネットゼロ排出達成は本質的に不可能。

経済脱炭素化失敗は現在利用可能選択肢ではない。長期的には水素と再生可能発電電力が、製鉄セクター等削減困難セクター脱炭素化解決策提供可能。しかし克服必須課題複数存在。

水素は高汎用性基本化学物質で、エネルギー源と産業プロセス原料（肥料用アンモニア製造、精製、食品、電子、ガラス、金属産業）両用可能。しかしエネルギー源としての水素利用が経済脱炭素化で極めて重要。新証拠は水素が産業熱排出削減で重要潜在的役割果たすこと示唆、特に炎（および後続燃焼ガス）が生産材料/製品と直接接触必要な場合（炉、窯等）。

水素には有益特性多数：多様低炭素方式生産可能、燃焼または燃料電池電気化学反応いずれでもGHG排出なし。燃料電池では副生成物水のみで大気汚染物質排出なし、置換化石燃料対比大幅大気質改善。

水素燃焼で高温生成可能、高温熱必要用途で化石燃料代替可能（産業用途例）。しかし水素高温燃焼のため窒素酸化物（NOx、有害汚染物質）が問題となり得ます。

水素は化石燃料より単位体積あたりエネルギー密度著しく低いが、圧縮時相当高エネルギー密度。数ヶ月分（時間・日数でなく）大量貯蔵可能。さらに圧縮性ガスとしてパイプライン高速供給可能。

エネルギーキャリアとして水素は電気と一部類似。両者とも化石燃料のように有用抽出可能形態で自然存在せず生成必要。多様低炭素方法生産可能：低炭素電力ベース電解、または炭素回収貯蔵/利用（CCS/U）と炭化水素（バイオマス、天然ガス等）ガス化/改質組合せ。

水素貯蔵・配送は複数方式可能。水素高（重力的）エネルギー密度。輸送オプションは化石エネルギーキャリアと比較可能：気体/液化トラック輸送、船舶輸送、パイプライン気体水素送出。既存天然ガスグリッド混合も可能、特に移行期重要。複数貯蔵オプション、一部開発段階。

産業プロセス向け持続可能水素生産方法へのシフトは、グリーン燃料認識拡大とグリーン工業製品適正価格形成（適切炭素価格と規制枠組み通じて実現可能）に大きく依存。産業プロセスグリーン水素使用は大規模水素需要創出と結果的生産コスト低下という利点も持ち、モビリティ等他セクター好影響可能。

水素生産経路と色分類

水素はエネルギー源でなくエネルギーキャリア。使用前生産・貯蔵必要。エネルギー蓄積水素ガス分子は燃焼または燃料電池で放出。水素1kg燃焼でガソリン1kg比3倍エネルギー放出、生成物水のみ。燃料電池では水素と酸素化学エネルギーが酸化還元反応対で電気変換、廃棄物水のみ。

水素CO₂削減インパクトは、生産方法CO₂フットプリントと水素使用活動排出の組合せで決定。水素生産関連CO₂排出は使用技術とプロセス電力供給電力グリッドCO₂強度に密接リンク。現在水素生産脱炭素化困難だがCO₂排出好影響、コスト低下重要役割果たし得る。また再生可能電解水素生産コスト低下予測。

水素生産プロセス基本2カテゴリ：(i) 電気で水から水素抽出（電解）、(ii) 化石燃料をエネルギー源/水素源として活用。化石燃料（天然ガス、石油、石炭）から水素抽出/利用時、CO₂排出は触媒化学反応に固定。電気使用電解プロセス時、関連排出は電力源CO₂強度起因。

使用エネルギー源と水素生産方法により、非公式にグレー、ブルー、グリーン水素に分類。現在約96%水素が化石燃料由来炭素集約的プロセス生産。これらプロセス生産水素はグレー水素。主要2プロセス：メタン水蒸気改質と石炭ガス化。これら2プロセス水素生産時CO₂がCCS/Uで隔離される場合ブルー水素。水素資産CCS/U捕集率最大90%範囲、温室効果ガス観点でかなり有効生産ルート。

再生可能資源発電電気使用電解プロセスで生産される低/ゼロ排出水素はグリーン水素。別色コード：原子力発電所電力供給電解槽生産水素はイエロー（またはパープル）水素。水電解水素生産現在最小、大量電力必要で高コスト。通常極高純度水素生産のみに使用。

電解関連追加課題：水消費。純水消費一般10〜15リットル/kg水素、投入水脱イオン化必要。淡水源不在時、海水脱塩や廃水回収選択肢。

ゼロ排出水素生産主要3経路：(i) 蒸気メタン改質（SMR）、バイオメタン使用またはCCS/U組合せ、(ii) 再生可能発電電気使用電解、(iii) バイオマスガス化。SMRと電解は成熟技術、バイオマスガス化とCCS/U併用SMRは開発中。現在水素生産ほぼ全て化石燃料改質、現状最経済経路。

ブルー水素経路関連で、水消費は頻繁に見落とされる側面。ブルー水素経路は相当量水消費、場合により電解超過。ライフサイクルインベントリ追随エンボディド水比較では、水素kg当たり水消費SMRプロセス最大24リットル、石炭ガス化プロセス38リットル。

ターコイズ（緑がかった青）水素と呼ばれる追加経路はまだTRL（技術成熟度レベル）段階。メタン熱分解で構成。世界複数箇所で様々技術ソリューション開発中。天然ガス原料使用、エネルギー消費は電気（推定低炭素源）。高温でメタン分解し水素と固体炭素（カーボンブラックも）生成。図1に色表現による水素生成経路識別示す。

図1 色表現による水素生成経路識別

水電解水素プロセス関連で、アルカリ電解槽が最先端プロセス。開発中他プロセス：プロトン交換膜（PEM）技術は実証段階、固体酸化物電解槽は研究開発段階。PEM電解槽は同等エネルギー消費で、高出力圧力、優れた部分負荷範囲、迅速起動・負荷変動等利点提供可能。

現在水素ほぼ全量天然ガスと石炭供給。水素は世界規模産業レベルで既に導入済みだが、生産が年間CO₂排出原因。低炭素エネルギー水素生産高コスト。現在グリーン水素高価ガス。しかし再生可能電気水素生産コスト急速低下中。

「余剰」再生可能および/または原子力電解水素生産はコスト効率的代替可能性あるが、水素潜在需要比較で機会規模小。電解大量水素生産現在大幅高コスト、電力生産能力極めて困難ビルドレート伴う。再生可能電力グリーン水素、今後数年急成長予測。多数進行中・計画中プロジェクトがこの方向指示。

再生可能電力グリーン水素、技術的実行可能で経済競争力急速接近中。この供給オプションへの高まる関心は、再生可能電力コスト低下と変動性再生可能電力シェア上昇起因システム統合課題によって駆動。現在焦点は導入と実践学習による電解槽コスト削減とサプライチェーンロジスティクス。

再生可能水素生産経済的実行可能性に不可欠3主要パラメータ：(i) 電解槽資本支出、(ii) プロセス使用再生可能電気コスト（均等化電気コストLCOE）と年間運転時間（負荷率）。電解槽負荷率高いほど、固定投資がより多くの製品出力で希釈されるため水素単位コスト安価。電解槽負荷率通常現在投資コストレベルで50%超必要、ほぼ最適水素コスト35%超で達成開始。グリーン水素電解槽容量近年指数関数的成長。

電解槽スケールアップ非常に高速。メガワット（MW）スケールからギガワット（GW）スケールへ、技術進化継続中。進展漸進的、ラジカルブレークスルー期待せず。電解槽コスト2040〜2050年まで半減予測、再生可能電気コストも継続低下予想。再生可能水素、多くのグリーンフィールド用途で近い将来最安クリーン水素供給オプションとなる可能性大。

現在〜2050年主要脱炭素化推進地球規模エネルギー移行では、現在電力生産24,000TWh（テラワット時）を再生可能エネルギー置換必要。さらに人口増加と生活水準向上で追加23,000TWh再生可能電源発電必要。水素なしでも今後30年で地球電力消費実質倍増。グリーン水素経済成功成長にはさらに20,000TWh必要。水素経済切替直面大課題。

水素貯蔵は電力調達/価格観点でメリットあるが、プロセス概念として必須ではない。現在最コスト効率水素貯蔵代替は地下加圧貯蔵、地下岩塩層貯蔵で最コスト効率的代替存在。この水素貯蔵技術は産業スケールで実証済み。現在注目集める他ソリューション：天然ガスパイプライン活用、アンモニア/炭化水素中間水素貯蔵変換。スウェーデン現在天然ガス用ラインドロックカバーン（LRC）技術初期評価も有望。他開発中代替水素貯蔵法：金属水素化物貯蔵、多孔質材料貯蔵。

水素多数投資10〜20年長期ホライゾン必要。特に初期段階、消費者需要増大前インフラ投資必要。明確拘束力ある排出削減目標や特定セクター刺激策欠如が、潜在投資家の長期リスクテイク阻害。

現在水素主要需要は産業原料用途。しかしこれらプロセス用水素現在低炭素源由来ではない。主要将来産業加熱用途には製鉄含む、現在製鉄業界石炭使用。赤鉄鉱（Fe₂O₃）還元水素化学量論的消費量：鉄トン当たり54kg。したがって水素還元ベース年間100万トン製鉄プラントには、STP（標準温度圧力）水素70,000m³/時間規模水素プラント容量必要。

製鉄業界：石炭から水素への転換

製鉄業界石炭依存から水素への切替は技術的・財務的課題のみでなく、国家・地域・グローバルレベルでの製鉄業界組織形態にも影響可能。歴史的に石炭アクセス容易性が製鉄プラント立地決定重要側面。製鉄プラントは国内炭田近接、または輸入石炭依存プラントは港湾施設近接に頻繁設置。

製鉄用水素利用は現在開発段階技術。目的は、一次製鋼主流技術でコークス石炭を熱源と鉄鉱石酸素還元両方に使用する転炉（BOF）プロセスを、水素を熱源かつ還元剤とする直接還元鉄（DRI）プロセスで置換すること。

水素還元剤利用アイデアは主に気候変動問題関連。製鉄プロセス脱炭素化には、還元反応中炭素/一酸化炭素を、より低/ゼロ炭素排出導く別ガス置換必要。このガスはメタンまたは水素。メタン（CH₄、炭素と水素含有化合物）使用でCO₂排出部分削減可能、水蒸気（H₂O）で部分置換だが完全ではない。水素使用でプロセス完全脱炭素化可能、化学副生成物として水蒸気のみ生成。

両代替技術的に良く理解済み。メタンは天然ガス主要成分で大量入手可能。既に製鉄で限定的使用だが、より広範使用でプロセス部分脱炭素化可能。一方水素は製鋼プロセス完全脱炭素化可能。しかし水素はこれまで限定量のみ生産、産業スケール生産用途には更なる微調整必要。

したがって製鋼プロセス脱炭素化は2大課題提示：(i) パイロットプラント通じた水素ベース鉄鋼生産ルート最適化・スケールアップ、(ii) 水素生産スケールアップ、より大量・低コスト・高効率生産。遅かれ早かれ製鋼水素切替には、前例なき規模新水素生産施設設置必要。水素ベース製鋼努力成否は、大量水素を可能な限り広く最低コストで入手可能にすることにかかっています。

製鋼におけるグリーン水素活用2経路

一般に製鋼で（グリーン）水素使用2経路：

第1、従来高炉性能改善のためPCI（微粉炭吹込み）代替吹込み材として使用。PCI使用一般的だが、最近水素吹込みパイロットプラント設置で脱炭素化潜在力評価開始。しかし（グリーン）水素高炉吹込みで炭素排出最大20%削減可能でも、通常コークス石炭が高炉必要還元剤であるためカーボンニュートラル製鋼実現せず。

第2、DRI生産代替還元剤として水素使用、DRIをEAF（電気炉）で製鋼。水素還元剤使用で水のみ放出（炭素排出なし）。DRI/EAFルートは現在天然ガス還元剤で適用実証済み生産プロセス。しかし直接還元プロセスは水素でも実行可能。グリーン水素と風力・太陽光・水力再生可能電気使用で、DRI/EAFセットアップはほぼカーボンニュートラル製鋼実現可能。スウェーデンとドイツ組織がクリーン水素加熱「グリーン鋼」実験、2020年スウェーデンで初成功試験。

グリーン水素ベースDRIとスクラップをEAF組合せで、DRI生産段階化石燃料を再生可能エネルギー生産水素置換。技術的実証済み生産手法でほぼ排出フリー製鋼実現可能。欧州主要製鉄各社現在、水素ベース製鋼プロセス構築中またはテスト中、PCI代替水素使用または水素ベース直接還元使用。

しかし、必要水素輸送・貯蔵組合せ純水素ベース製鋼（DRI+EAF）設備資本要件相当大きい。図2に水素直接還元プロセス典型フローシート示す。

図2 水素直接還元プロセス典型フローシート

現在世界鉄生産約8%が直接還元で生産。現在直接還元鉄は天然ガスまたは石炭由来還元ガス使用。2016年スウェーデン3社（SSAB、LKAB、Vattenfall AB）が水素を還元ガスとする製鉄プロセス脱炭素化手法開発計画発表、HYBRIT（水素ブレイクスルー製鉄技術）と命名。HYBRITは水素単独還元ガスベース、副生成物水生成（CO₂でなく）。結果「直接還元鉄」（DRI）は伝統DRIと同様EAFで製鋼可能。図3にHYBRITプロセス原理フローシート示す。

図3 HYBRITプロセス原理フローシート

HYBRITプロセス主特性：(i) ペレット生産に化石燃料不使用、(ii) 化石フリー電力電解水素生産、(iii) 特殊設計ユニット水素貯蔵でグリッドバッファー、(iv) シャフト炉鉄鉱石還元、(v) 専用ペレット鉄鉱石原料、(vi) 還元ガス/ガス混合物シャフト吹込み前予熱、(vii) 製品DRIまたはHBI（熱ブリケット鉄）、(viii) DRI/HBIをリサイクルスクラップとEAF溶解。

HYBRITプロセスは新サプライチェーン構築と参照ケース（高炉）双方エンドツーエンドエネルギー消費評価済み。分析には地中鉄鉱石採掘活動含む。この分析では、高炉がコークス石炭と油燃焼で粗鋼1トン生産あたり1,600kg CO₂排出。DRIルートでは25kg CO₂排出のみ、約50kg水素消費、2,633kWh電力使用。これは水素kg当たり32kg CO₂排出削減効果示唆。

これは消費水素達成排出削減正確計算だが、DRIプロセスは中間スポンジ鉄製品生成し、BOF最終製品粗鋼生産にはEAF処理必要。EAF電力消費855kWh/トン粗鋼でさらに16kg水素生産可能だったため、正規化効果は24kg CO₂/kg H₂。図4にBF-BOF製鋼とHYBRITプロセス比較示す。

図4 BF-BOF製鋼とHYBRITプロセス比較

現在EAF使用水素ベース製鋼は技術的実行可能で、大規模製鉄業脱炭素化潜在的長期解決策一部と見なされています。問題はやるか否かでなく、いつどの程度変革起こせるか。しかし水素ベース製鋼脱炭素化ティッピングポイント発生時期・程度決定する相互依存因子多様存在。外部要因が将来発展とグリーン水素ベース製鋼採用時期形作る。

水素ベース製鋼シフト一夜で起こせず。さらに現在、カーボンニュートラル製鋼業達成可能な唯一キープロダクション技術。将来再生可能安価エネルギー入手可能性と規制問題が水素ベース製鋼採用2大主要ドライバー。カーボンニュートラル目標まだ約28年先だが、今行動不可欠。産業サイト寿命50年超、投資計画ホライゾン10〜15年。資産・フットプリント決定今行い、明確脱炭素化ロードマップ従う必要。ロードマップ自体長期目標と実行可能クイックウィン組合せ、全ステークホルダーオンボード維持しながら漸進的脱炭素化シフト可能にするものでなければならない。

全体として、製鋼プロセス炭素から水素への適時切替には、幅広い分野協調政治的行動必要、炭素価格引上げと同時に水素価格引下げ推進。水素価格低減には広範協調措置セット開発必須。措置は水素需要促進と供給能力拡大をコヒーレント水素経済推進一環として促進するもので不可欠。