製鉄プロセスに水素使用、試験高炉で CO₂ 削減率 45％達成

製鉄プロセスの脱炭素化に向けて、水素を使った革新的な技術開発が着実に進んでいます。鉄鉱石の還元（酸素を取り除くこと）に「水素」を用いる水素還元製鉄によりCO₂削減率が大幅に高まるなど、NEDOの「グリーンイノベーション（GI）基金事業／製鉄プロセスにおける水素活用」プロジェクトの成果が見えてきました。数百年かけて培ってきた既存技術を、短期間で根底から見直す極めて挑戦的な取り組みです。

「日本全体のCO₂排出量の約14％を占めているのが製鉄業です。この巨大な排出源である製鉄プロセスの脱炭素化を成し遂げなければ、政府が掲げる2050年カーボンニュートラルの実現は難しくなると考えています」。今回のプロジェクトを統括しているNEDOサーキュラーエコノミー部製鉄チーム チーム長の加藤徹プロジェクトマネージャーは、製鉄業の脱炭素に取り組む意義をこのように説明します。

既存の高炉設備を最大限に有効活用しながら、段階的に水素導入比率を高めていくアプローチが「高炉を用いた水素還元技術」の開発です。高炉とは、鉄鉱石から酸素を取り除く（還元する）ことで鉄を取り出すための巨大な竪型の炉です。この「高炉を用いた水素還元技術」については、技術の成熟度やアプローチの違いに応じて、①COURSE50（常温水素吹き込み）、②Super-COURSE50（高温水素吹き込み）、③カーボンリサイクル高炉（メタネーションによる間接水素利用）という3つの革新的なプロセス開発が並行して進められています。

まず、①COURSE50は、高炉を用いた水素還元技術の第1ステップであり、長い開発の経緯から最も技術成熟度の高いプロセスです。石炭を蒸し焼きにしてコークスを製造する際に発生する副生ガス（コークス炉ガス：水素約50％、メタン約30％を含有）を有効利用し、常温の水素や水素を含むガスを高炉に吹き込む技術です。これまでの試験高炉による実証において、高炉のCO₂排出量を10％削減する目標を達成しています。

このCOURSE50は、GI基金事業開始前の2008年からNEDO事業として技術開発に着手し、実機適用フェーズへと順調に移行しています。この成果を発展させ、GI基金事業として2026年度中には日本製鉄・君津の商用高炉（実機）を用いた大規模実証試験を開始する計画です。

さらにGI基金事業として開発を進めているのが②Super-COURSE50です。COURSE50の成果をベースに、より高い削減率（製鉄プロセスからCO₂排出50%以上削減）を目指して開発しています。水素還元反応は強い吸熱を伴うため、大量の水素吹込みに伴う炉内の温度低下を補う目的で、水素を高温に加熱して直接吹き込む技術が必要となります。

最新の成果として、プロジェクトリーダーの野村氏は「試験高炉を用いた直近の操業で、目標を上回る45％のCO₂削減を達成しました」と説明します。温度や流量などの水素供給条件の最適化を進める中で、想定外の炉内挙動や反応制御上の課題に直面しましたが、それらを克服しての世界初の成果です。

この45％削減の状態を維持した連続運転についても安定性を確認しており、操業技術確立に向けて大きな一歩をしるしました。「現在は小型試験高炉の段階であり、今後は大型化・商用化に向けたさらなる課題の克服を目指します」と野村氏は意気込みを語ります。

③カーボンリサイクル高炉では、高炉から排出されるCO₂やCOを主成分とする排ガスを回収・分離し、外部から調達した水素（H₂）と反応させてメタン（CH4）へと転換した上で、再び高炉内へ吹き込むプロセスを採用します。メタンへの転換をメタネーションと呼びます。カーボンを循環利用しつつ水素を間接的に活用することで、高いCO₂削減率（製鉄プロセスからCO₂排出50%以上削減）を目指しています。開発はJFEスチールが中心となって進めています。

この技術の開発では、リサイクルメタンを増やすことで、より多くのCO₂削減を目指して、送風を従来の加熱空気から純酸素へと切り替えた酸素高炉を採用しています。これは従来にない挑戦的な取り組みであり、操業面でも新たな難しさを伴います。JFEスチールのスチール研究所研究技監であり、プロジェクトのサブプロジェクトリーダーである菊池直樹氏は、次のように説明しています。「純酸素の使用により、窒素を含まないことで羽口（高炉の下部に設置されたノズル）前で生成される高温の還元ガス全体量が減少し、熱が伝わりにくくなるとともに炉内の温度分布にも大きな影響が生じます。このため、還元反応と伝熱の両面を踏まえた、高度な操業制御が求められています」。現在、東日本製鉄所千葉地区では、従来比で10倍以上というこれまでにない大型（150m³級）の試験高炉が稼働しており、スケールアップ特有の課題にも一つ一つ対応しながら技術の確立を進めています。こうした取り組みを通じ、2027年3月までに成果を取りまとめるべく、操業試験を進めています。

また、莫大な流量のCO₂ガスのメタネーションも課題となります。「一般的な化学プラントの約100倍のガス流量に相当し、実現すれば世界最大級のメタネーション設備となります。発熱反応であるメタネーション反応（CO₂と水素によりメタンを生成）を高効率かつ安定的に進行させるため、メタネーション条件の精密な調整・制御が極めて重要となります」。

このテーマにおいて、本プロジェクトでは装置規模やアプローチの異なる試験設備を展開し、多数の大学研究者らを交えた強力な協力関係を構築しています。半年ごとに試験結果を共有し、基礎研究と大型試験の知見を統合しながら、研究者同士が議論を重ねて協調的に開発を進めています。

GI基金事業としてシャフト炉の試験設備を2カ所に建設しました。シャフト炉とは、縦長の筒状の炉の総称で、上部からペレット（鉄鉱石）を連続的に投入し、下部から加熱した還元ガスを吹き込むことで、効率的な熱交換や化学反応（還元）を連続して行えるのが特徴です。高炉とは異なり、鉄鉱石を溶融させずに固体のまま還元し、還元鉄ペレット（ビー玉状の固形物）あるいはHBI（還元鉄ペレットを圧密した枕状の固形物）として下部から取り出す構造となっています。

日本製鉄の波崎研究開発センターに建設したシャフト炉は、炉高約60m、生産能力約1 t/hの大規模なパイロットプラントです。プロジェクトリーダーの野村氏は、「2026年3月に稼働を開始し、100％水素運転で72時間の連続運転に成功しました。水素の吸熱反応対策としての水素予熱条件や、最適な還元反応条件の絞り込みを継続しています」と成果を説明しています。

JFEスチールの東日本製鉄所千葉地区に建設されたシャフト炉は、生産能力約15 kg/h（炉高約30m）のベンチプラントです。この実証実験の状況について、サブプロジェクトリーダーの菊池氏は次のように説明します。「2024年12月から先行稼働しており、100%水素運転に加え、メタネーション由来ガスを用いた還元試験にも対応できる柔軟性を備えています。これまでに1週間規模の連続運転を複数条件で繰り返し実施しており、得られた貴重なプロセスデータは、日本製鉄の試験炉操業にも迅速に共有し、フィードバックされています」。このように、製鉄会社同士が連携しながら開発を進めています。

直接還元技術によって製造された固体の水素還元鉄（水素DRI）は、製品にするために、後の工程で溶解・精錬し、成分調整を行って溶鋼にする必要があります。この工程では、既存の電炉技術をそのまま適用することはできません。従来のDRIには一定の炭素が含まれていましたが、100％水素で還元されたDRIは炭素を含まないため、溶解挙動や精錬条件、操業指標を根本から見直す必要があります。

この溶解・精錬工程では、GI基金事業として2つの方法を検討しています。1つは、水素DRIの特性に最適化した新型電炉を使用する方法です。JFEスチールは2028年度、日本製鉄は2029〜2030年度を目標に商用電炉の稼働を目指しており、GI基金事業の成果を反映することで大幅な効率化とCO₂排出削減の両立を図る計画です。

もう1つは「メルター（電気溶融炉）」の活用です。メルターでDRIを迅速に溶解し、高炉から得られる溶銑（高炉で鉄鉱石を還元して取り出した液体状の銑鉄）に近い状態を生成することで、既存の転炉（高炉でつくられた炭素を多く含む銑鉄に純酸素を吹き付け、炭素や不純物を取り除いて粘り強い「鋼（はがね）」へと転換する製鋼炉）をはじめとする後工程設備や技術をそのまま有効活用できる利点があります。

「本プロジェクトは複数のテーマで大型化に向けた次段階へのステップアップを順調に進めています」と加藤プロジェクトマネージャーは説明します。そのうえで社会実装には、「単なる技術開発にとどまらず、社会構造やインフラの変革が不可欠です」と強調します。具体的には、安価なグリーン水素の大量供給、クリーン電力の大規模確保、さらにCCS（CO₂の分離回収・貯留）インフラの整備が必要となります。

水素還元製鉄には莫大な量の水素が必要です。その一環として、NEDOの水素社会構築技術開発事業において山梨県甲府市の米倉山に建設された「米倉山電力貯蔵技術研究サイト」で製造されたグリーン水素を、千葉県に設置した小型直接還元シャフト炉へ輸送し、グリーン水素を用いて還元鉄を製造する実証試験を2026年6月に実施し、その成果を7月に公表しました。具体的には、米倉山で製造したグリーン水素をトレーラーで運搬・供給して水素還元試験を行い、日本で初めて（NEDO調べ）グリーン水素を用いて約1トンの還元鉄を製造することに成功しました。このような水素の大量かつ安定供給を支えるサプライチェーンの構築が不可欠です。

また、電炉やメルター、水素製造プラントの稼働には膨大なクリーン電力が必要であり、それを支える送配電網（電力系統）の強化も欠かせません。

さらに、削減しきれないCO₂や過渡的に発生する排出を地中等に隔離するCCSとの連携も重要です。

これらのインフラ整備と密接に関連するのが「市場・制度設計」です。CO₂排出を極限まで抑えて製造される高付加価値の鉄（GXスチール）は、製造コストが上昇する一方で、鋼材としての性能自体は変わりません。そのため、「付加価値を適正に評価し、社会全体でコストを負担する仕組みが不可欠です」と加藤プロジェクトマネージャーは指摘します。

NEDOは、水素を活用した製鉄業の脱炭素化を実現するための技術開発と社会実装に向けた環境整備を、今後も強力に推進していきます。