市内で ボストンのすぐ北にある郊外のマサチューセッツ州ウォーバーンで、白衣を着たエンジニアと科学者の幹部が、ネオンで照らされた研究室スペース内の机の上に整然と積み上げられたレンガサイズのガンメタルグレーの鋼インゴットを検査しました。
彼らが見ていたのは、革新的な製造方法を使用して作成された鋼のバッチでした。 ボストンメタルMIT から XNUMX 年前にスピンアウトした会社である . 電気を使用して鉱石から鉄を分離することで、同社は二酸化炭素を放出せずに鉄鋼を製造できると主張しており、温室効果ガス排出に関して世界で最悪の産業の XNUMX つをクリーンアップする道を提供しています。
エンジニアリングと建設に不可欠な材料である鋼は、世界で最も人気のある工業材料の XNUMX つです。 2億 毎年生産されるトン。 しかし、この豊かさは、 環境. 製鋼の説明 7パーセント11 世界の温室効果ガス排出量の XNUMX つであり、大気汚染の最大の産業源の XNUMX つとなっています。 そして、生産が可能だったので 上昇 2050 年までに XNUMX 分の XNUMX になると、この環境負荷は増大する可能性があります。
これは、気候危機への取り組みに重大な課題をもたらします。 国連 言う 1.5 年のパリ協定で定められた摂氏 2015 度未満に地球温暖化を抑えるためには、産業の炭素排出量を大幅に削減することが不可欠です。 そのためには、鉄鋼やその他の重工業からの排出量を 93 年までに 2050% 削減する必要があります。 見積もり 国際エネルギー機関。
排出削減を求める政府や投資家からの高まる圧力に直面している多くの鉄鋼メーカー (大手メーカーと新興企業の両方を含む) は、従来の炭素集約型製造の代わりに水素または電力を使用する低炭素技術を実験しています。 これらの取り組みのいくつかは、商業的な現実に近づいています。
パリを拠点とする調査シンクタンク IDDRI のエネルギー経済学者であるクリス・バタイユ氏は、次のように述べています。 したがって、彼は、一度に多くのことが起こっていることに「興奮しています」と付け加えました。
それでも、専門家は、ひっくり返ったグローバル産業を変革することは、 $ 2.5兆 2017 年に 6万人 多大な労力がかかります。 世界の気候目標に間に合うように新しいプロセスをスケールアップすることに対する実際的な障害を超えて、世界の鉄鋼の半分以上が製造され、鉄鋼部門の脱炭素化計画が曖昧なままである中国についての懸念があります。
「このような業界を脱炭素化するのは、たしかに簡単なことではありません」とバタイユ氏は述べています。 「でも仕方がない。 このセクターの未来、そして私たちの気候の未来は、まさにそのことにかかっています。」
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現代の製鋼には以下が含まれます いくつかの生産段階。 最も一般的なのは、鉄鉱石を粉砕して焼結体 (粗い固体) またはペレットにします。 これとは別に、石炭を焼いてコークスにします。 次に、鉱石とコークスは石灰岩と混合され、底から非常に高温の空気の流れが導入される大型の溶鉱炉に供給されます。 高温下でコークスが燃焼し、混合物から銑鉄または高炉鉄として知られる液体鉄が生成されます。 次に、溶融した材料は酸素炉に入り、そこで水冷ランスを介して純粋な酸素で吹き飛ばされます。これにより、炭素が強制的に除去され、最終製品として粗鋼が残ります。
この方法は、1850 年代に英国のエンジニア、ヘンリー ベッセマーによって最初に特許が取得され、さまざまな方法で二酸化炭素を排出します。 まず、コークスや石灰岩に閉じ込められた炭素が空気中の酸素と結合し、副産物として二酸化炭素が生成されるため、溶鉱炉での化学反応によって排出物が発生します。 さらに、化石燃料は通常、溶鉱炉を加熱し、焼結プラントやペレット化プラント、コークス炉に電力を供給するために燃焼され、その過程で二酸化炭素を排出します。
70パーセントも 世界の鉄鋼の 約XNUMXトンの二酸化炭素 生産される鉄鋼の各トンに対して。 の 残りの30パーセント ほとんどすべてが電気アーク炉を介して作られています。電気アーク炉は、電流を使用して鉄鋼 (主にリサイクルされたスクラップ) を溶かし、 CO2排出量を大幅に削減 高炉より。
しかし、スクラップの供給が限られているため、将来の需要のすべてをこの方法で満たすことはできないと、サンフランシスコに本拠を置くエネルギーおよび気候政策会社である Energy Innovation の業界プログラム ディレクター兼モデリング責任者である Jeffrey Rissman 氏は述べています。 適切な政策が実施されれば、リサイクルは 45 年に世界の需要の最大 2050% を供給する可能性があると彼は言いました。 「残りは、ほとんどの排出源である一次鉱石ベースの鋼を鍛造することで満たされます。」
そのため、「鉄鋼業界が気候への取り組みに真剣に取り組んでいる場合、鉄鋼業界は素材の製造方法を根本的に作り直す必要があり、それをかなり迅速に行う必要があります」と彼は付け加えました。
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テストされている XNUMX つの代替技術は、コークスを水素に置き換えます。 スウェーデンで、 ハイブリット鉄鋼メーカーの SSAB、エネルギー供給会社の Vattenfall、および鉄鉱石の生産会社である LKAB との合弁会社は、直接還元鉄と呼ばれる既存のシステムを再利用することを目的としたプロセスを試験的に実施しています。 このプロセスでは、化石燃料からのコークスを使用して鉄鉱石ペレットから酸素を抽出し、海綿鉄と呼ばれる多孔質の鉄ペレットを残します。
ハイブリット法では、代わりに化石を含まない水素ガスを使用して酸素を抽出します。 ガスは電気分解によって生成されます。電気分解は、この場合は化石燃料を使用しないエネルギー源からの電流を使用して、水を水素と酸素に分離する技術です。 (最も純粋な水素 今日 作られます 生成された海綿鉄は電気アーク炉に入れられ、そこで最終的に鋼に精錬されます。 このプロセスでは、副産物として水蒸気のみが放出されます。
「この技術は以前から知られていましたが、今のところ実験室でしか行われていません」と、Vattenfall の産業脱炭素化責任者である Mikael Nordlander 氏は述べています。 「私たちがここで行っているのは、産業レベルで機能するかどうかを確認することです。」
昨年 XNUMX 月、Hybrit は最初のマイルポストに到達しました。 化石燃料を使用しない鋼の最初のバッチを納入 自動車メーカーのボルボに、 車両のプロトタイプでそれを使用した. また、2026 年までの完成を目指して、商業規模の生産工場を計画しています。
別のスウェーデンのベンチャーである H2 Green Steel は、個人投資家や、メルセデス ベンツ、スカニア、イケアに関連する組織である IMAS 財団などの企業から 105 億 XNUMX 万ドルを調達して、同様の商業規模の水素鉄鋼プラントを開発しています。 会社 プラン 2024年までに生産を開始し、5年の終わりまでに年間XNUMX万トンのゼロエミッション鋼を生産する. 水素を利用した製鋼をテストしている他の企業には、 アルセロール, ティッセンクルップ, ザルツギッターAG ドイツ語に; ポスコ 韓国で。 と Voestalpine オーストリアインチ
電気は鉄鉱石の還元にも利用できます。 たとえば、ボストン メタルは、鉄鉱石を含むセルに電流が流れる、溶融酸化物電気分解と呼ばれるプロセスを開発しました。 電気がセルの両端の間を移動し、鉱石が加熱されると、酸素が泡立ち (そして収集可能)、鉄鉱石は還元されて液体鉄になり、セルの底に溜まり、定期的にタップされます。 精製された鉄は、炭素やその他の成分と混合されます。
「私たちが行っていることは、基本的に、炭素を還元剤としての電気に交換することです」と、同社のビジネス開発担当シニア バイス プレジデントである Adam Rauwerdink 氏は説明します。 「これにより、従来の製鋼よりもはるかに少ないエネルギーと少ないステップで、非常に高品質の鋼を製造することができます。」 電力が化石燃料を含まない資源から供給されている限り、このプロセスは二酸化炭素を排出しない、と彼は付け加えた。
彼は、現在 Woburn 施設で XNUMX つのパイロット ラインを運営している同社は、実験室のコンセプトを市場に導入するために取り組んでいると述べました。 昨年調達した50万ドル ビル・ゲイツが支援するブレイクスルー・エナジー・ベンチャーズやドイツの自動車メーカーBMWを含む投資家グループから。 商業規模の実証プラントは、2025 年までに稼働する予定です。
アリゾナ州立大学の材料科学と工学の教授である Sridhar Seetharaman は、次のように述べています。 「しかし、今のところ、需要を満たすための特効薬を単独で提供できるとは思いません。」
「水素は、確立されたシステムに基づいているため、少し有利なスタートを切っており、商業化も進んでいます」と、IDDRI のエネルギー経済学者である Bataille 氏は述べています。 「しかし、ネットゼロの鉄鋼産業を達成するには、より多くのカーボンフリーの道が必要になるため、最終的には市場にはそれらすべてに十分な余地があると思います。」
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より環境に優しい製鋼プロセスが勢いを増しているように見えますが、直面する深刻な課題が数多く残っています。 そのうちの最大のものは、これらの新しい方法への業界全体の移行に伴う再生可能エネルギーインフラの大規模な拡大であると、コロラドに本拠を置く非営利団体のシニアプリンシパル、トーマス・コッホ・ブランクは述べた。 ロッキーマウンテン研究所. 彼は、既存の一次鉄鋼生産を電化するには、現在設置されている太陽エネルギーと風力エネルギー源の最大 XNUMX 倍のエネルギー源が必要になると推定しています。
もう XNUMX つの障壁はコストです。 電気または水素に切り替えるには、新しいプラントを建設し、古いプラントを改造するために膨大な設備投資が必要になります。 クリーン水素法の場合、鉄鋼メーカーは低コストの水素ではなく、低コストの原料炭に近い場所にあるため、鉄鋼の価格は大幅に上昇するだろう、と Koch Blank 氏は指摘した。 「これらの初期費用は、少なくとも当初は鉄鋼と最終製品の両方の価格を押し上げる可能性があります。」
サンフランシスコのアナリストである Rissman によると、供給側と需要側の両方の法律は、これらの高いコストを相殺し、より環境に優しい技術へのより多くの投資を促進するのに役立つ可能性があります。 政府は、指定された建設資材の低炭素版を使用することを国が資金提供するプロジェクトに要求することにより、建物とインフラストラクチャーに低炭素鋼の使用を奨励することができると彼は述べた。 また、排出量に関する規則がそれほど厳しくない国からの購入をより高価にする政策を実施することもできます。 これは、クリーン スチールの市場が「成長し、新しい生産プロセスが規模の経済を達成する」につれて、国内の生産者が「競争力を維持する」のに役立つと Rissman 氏は述べています。
おそらく最大の障害は中国です。 約90パーセント 高炉を使用して鉄鋼生産の 2020% を達成しています。 XNUMX 年 XNUMX 月、習近平国家主席 発表の 国は 2060 年までにカーボン ニュートラルになることを目指しています。 約15%を占める 国の全体的な炭素排出量のうち、北京は次のことも約束しています。 2030 年までに鉄鋼排出量のピークを達成する. それでも、18 年の最初の 2021 か月だけで、XNUMX の新しい高炉プロジェクトが中国で発表されました。 従った ヘルシンキに本拠を置く研究グループ、エネルギーとクリーンエアに関する研究センターに。
Rissman 氏は、鉄鋼は脱炭素化が最も重要かつ困難な産業の XNUMX つであるため、世界的な調整が大いに役立つと述べています。
ボストンに戻って、ボストン メタルの工場ラインを調査していた Rauwerdink は同意した。 「私たちが立ち向かうのは素晴らしい挑戦です」と彼は言いました。 しかし、彼は、「解決策が存在し、機能することを示しています」と付け加えました。
画像のクレジット： Třinecké železárny /ウィキメディア・コモンズ
