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電化された鉄：グリーン製鋼の未来
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鉄の重要性
鉄は投資家からしばしば退屈な金属と見なされています。主に世界経済のサイクルに従い、特定のストーリー性が結びつくことはほとんどありません。バッテリー需要、太陽光パネルの生産、宇宙競争の中での航空宇宙ブーム、あるいは世界的な紛争リスクの高まりなどにより、今後10年間で鉄需要が3倍になると期待する人はいません。
しかし、これも長所と言えます。現在精錬される金属の約90％は鉄です。
鉄と鋼（97％が鉄で構成）は、現代社会で日常的に使用するすべてのものに絶対的に存在しています:
- インフラ：橋、鉄道、港。
- 建設：鉄筋コンクリート、梁、屋根材、釘・ねじなど。
- 輸送：自動車、列車、船舶。
- 産業用途：パイプ・配管、貯蔵タンク、重機械、
- 防衛：軍艦、戦車、砲弾、銃、弾丸など。
- エネルギー：炉、タービン、風力タービンの支柱、太陽光パネルフレームなど。
- 医療：ベッド、外科用器具など。
- 生活用品：キッチン家電、家電、暖炉など。
しかし、鉄の生産は残念ながら非常に炭素集約的なプロセスであり、主にコークス炭という特殊な石炭に依存しています。
コークス炭をグリーン水素で置き換える試みは行われていますが、水素で使用できるのは非常に高品質な鉄鉱石に限られます。水素は石炭に比べてコストが高いため、低い鉄含有量の安価な鉱石が必要となります。
We previously discussed that 従来の高炉手法は、フラッシュ鉄精錬と呼ばれる新しいプロセスに置き換えることができ、鉱石をゆっくり溶かすのではなく、爆発に近い形です.
オレゴン大学の研究者は、さらに興味深い可能性を調査しています。高温を排除し、電気だけで鉄鉱石を精錬するというものです。これにより、グリーン電力を直接使用でき、コストのかかる水素への変換が不要となり、世界全体の炭素排出を大幅に削減できるため、世界にとって大きな進歩となります。
彼らはこの研究を ACS Energy Letters¹ に掲載し、タイトルは「Fe2O3 の直接還元によるスケール電気化学的鉄製造への道筋」としました。
鉄鉱石から鉄金属へ
鉄は自然界で酸化形、特に赤鉄鉱 (Fe2O3) として存在します。工業用金属として利用するには、酸素原子を除去する必要があります。
通常は石炭を加えて炭素を CO2 に変換することで行われます。代替として、グリーン鉄は水素を使用し、水 (H2O) に変換します。
別の選択肢は、鉄酸化物に十分なエネルギーを与えて酸素原子を分離させ、酸素ガス (O2) を生成させることです。これが電気化学的鉄製造の概念です。この電気化学反応はアルカリ性条件（酸性の反対）で最も効果的に働きます。
このプロセスは、世界の年間鉄生産が数百万トン規模であるため、非常にスケーラブルである必要があることに留意すべきです。
鉄の電気還元
この反応をより効率的にする方法をテストするため、研究者はバッテリーに似たカスタムシステムを設計し、わずか 82°C（180°F）で動作させました。
この設定では、鉄粒子が水酸化ナトリウム (NaOH) 溶液中に懸濁されますが、溶融塩 (NaCl) も可能で、副産物として塩素 (Cl2) を生成することがあります。
高密度の鉄酸化物は、電流密度 50 ミリアンペア/平方センチメートルで還元され、元素鉄に変換されました。これはリチウムイオン電池を急速充電する際と類似しています。
研究者は、自然の鉱石で不規則なサイズの高密度粒子と不純物を使用したテスト用鉄粒子ではプロセスがうまく機能したものの、選択性と効率が十分ではないことを発見しました。
適切な条件の探索
初期テストで奇妙なことが起きました。粒子のサイズと無関係に、ある粒子は他よりも金属鉄に変換されやすいことが分かり、期待に反していました。そのため、研究者は粒子のナノスケール構造がより重要な要因であるかどうかを検証し始めました。
炭素とバリウム不純物を含むマイクロメートルサイズの鉄酸化物粒子をテストしましたが、十分に還元されませんでした。
一方、より高い多孔性と表面積を持つ緩い粒子は、低多孔性の自然鉄鉱石ヘマタイトに似せたものと比較して、より効率的な電気化学的鉄生産を促進しました。
これは、特定の形態の鉄だけがこのプロセスに適していることを示唆している可能性があります。
“低温で鉄金属に変換できる酸化物を特定することは、完全に電化された製鋼プロセスを開発する上で重要なステップです。”
鉄の電気還元を競争力のあるものにする
この制限にもかかわらず、鉄の電気還元は経済的観点から依然として実現可能です。なぜなら、この方法は電力消費と温度が大幅に低く、鉄生産の総コストを削減できるからです。
この手法では、鉄の生産コストは約 600 米ドル/トンとなります。これは比較的経済的ですが、最近推定された高炉/酸素転炉プロセスで生産される鋼の平均コスト約 400 米ドル/トンと比べると完璧ではありません。
さらなる収益性向上のための追加ステップとして、鉄還元と化学品生産を組み合わせることが考えられます。鉄製造用電解セルを塩素生成セルと組み合わせてクロール鉄生産ユニットを構成すれば、シリーズで設置して全体の生産プラントを構築できます。
Cl2 の生産を考慮に入れると、化学産業で大量に使用される非常に有用な化学物質であり、事業の経済性は改善し、ブラス炉コストにかなり近づくと見込まれます。
さらなる改善策
適切なナノスケール構造を持つ鉱石にのみ依存する問題は、経済性が有利であっても、この技術の広範な採用可能性を大きく制限する可能性があることです。全体として、低多孔性のヘマタイトを大量に生産する鉄鉱業全体を再設計することは現実的ではないと考えられます。
代替案として、電気や熱ショックを利用して鉄酸化物原料をより多孔性にする新技術が考えられます。
鉄鉱山会社
ヴァーレ
VALE 価格チャート
鉄の精錬コストと炭素排出が減少すれば、鋼は現在以上に人気のある素材になる可能性があります。鉱業においては、規模と優れた地質が全てであり、低い生産コストは利益と景気後退時の安全性を高め、商品市場での下落は避けられません。
ブラジルの企業ヴァーレは、鉄とニッケルの世界最大の生産者であり、2024年に総計 3.23〜3.30 億トンを生産しました。
同社は銅などエネルギー転換に関係する金属も生産しています。これらの金属は将来重要性が増す可能性がありますが、現在のところ鉄が同社の中心です。
同社はかつては多角化していましたが、近年は鉄に再集中し、他の金属鉱山やパーム油などの事業から 20 億ドル相当を売却しました。
出典: Vale
大規模資産基盤
ヴァーレは中規模のユーティリティ企業として位置付けられ、採掘から顧客への輸送まで自社の鉄道、列車、港、船舶を運用しています。
また、遠隔地域で事業を行うため、ブラジル政府に依存できず、巨大的な電力需要を考慮して自社で多くのエネルギーを生産しています。
これは主に水力発電で行われており、鉱業は水力発電の建設（土木工事、爆薬での岩石掘削、大量のコンクリート、重機、巨大建設プロジェクト、雨水管理など）と大きく異ならないためです。
これらのインフラは、同社の研究開発センター、ラボ、数百人の地質学者、研修センターなどで補完されています。
過去の負債克服
ヴァーレのような大規模鉱山会社にとって大きなリスクは、甚大な被害をもたらす大規模事故です。
2015年にヴァーレが建設したダムが崩壊し、巨大な災害が発生しました。その後、2019年にも同様の事故が起きました。
この洪水は、ブラジル史上最悪の環境災害を引き起こし、19人が死亡し、2州にまたがる39の自治体が影響を受け、鉱山廃棄物で埋め尽くされました。
それ以来、同様のダムは多数修復・改良され、雨季の再災害を防いでいます。
同社は運営方法も変更し、4つの濾過プラントに 25 億ドルを投資して、ダムが必要な湿潤尾鉱ではなく、乾燥尾鉱（砕石、粉塵、泥）を生成しています。したがって将来的には、鉄鉱山活動はダムを必要とする廃棄物を生み出さなくなります。
同社はイメージ回復にも積極的で、同社が資金提供した大規模な自然保護区を創設し、ブラジルの熱帯雨林保全に大きく貢献していると主張しています。過去数十年で地域の残りは牧草地に転換されました。
出典: Vale
全体として、ヴァーレは過去の環境災害の問題を克服し、ブラジルで最も価値のある資産の一つとなり、特に中国への鉄の主要供給者として世界に貢献しています。ブラジルはBRICS商業ネットワークを通じて中国との関係を深め、米国との関税や緊張が高まる中でこの関係を強化しています。
ヴァーレの最新情報
参照された研究：
1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). スケールでの直接還元による電気化学的鉄製造への道筋. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166
