エグゼクティブサマリー
- 産業部門は世界の直接エネルギー排出量の約4分の1を占めており、国際エネルギー機関（IEA）は、2050年までのネットゼロ達成に向けた軌道を維持するためには、2030年までに産業部門の排出量を（2019年比で）43%削減する必要があると試算しています。産業施設の平均耐用年数は約20年であるため、2030年以降に設置されるプラントは、稼働初日から排出ゼロを実現しなければなりません。
- 産業の脱炭素化に向けた中核的なツールキットとして、5つの経路が浮上しています。それは、再生可能エネルギーによる電化、統合的なエネルギー効率の改善、二酸化炭素回収・貯留（CCS）、水素やバイオ燃料などのグリーン燃料、そして原材料需要を削減するための金属やプラスチックのリサイクル拡大です。
- 世界の産業排出量の大部分を占める3つの産業において、最も積極的な脱炭素化が求められています。セメント産業が世界の温室効果ガス排出量の8～9%を占めてトップであり、次いで鉄鋼業が約7%、化学・プラスチック産業が約5%（産業部門のCO2排出量の18%に相当）となっています。それぞれに異なる解決策の組み合わせが必要であり、鉄鋼業における水素直接還元、石油化学産業における電気クラッカー、セメント産業におけるクリンカー含有量の少ない配合などが挙げられます。
- 脱炭素化に関する特許および学術誌の活動は、2019年以降急速に加速しています。特許の多くは化学・冶金および運用・輸送の分類に属しており、二酸化炭素回収用吸着剤や、よりクリーンな鉄鋼、セメント、水素、代替燃料の製造に重点が置かれています。商業的な展開は研究に遅れをとっていますが、勢いは確実に高まっています。
国際エネルギー機関（IEA）によると、産業部門は2022年の世界の直接エネルギーシステム排出量の4分の1を占めていました。地球温暖化を抑制し、ネットゼロ目標を達成するためには、これらの排出量を削減することが急務です。最も重要な点として、各国はパリ協定に基づき、長期的な平均気温の上昇を産業革命前（1850～1900年）の平均と比較して1.5℃以内に抑えるよう、温室効果ガスの排出を制限することに合意しました。IEAは、2050年の排出目標に向けた軌道に乗るためには、産業部門の排出量を2019年比で2030年までに43%削減し、その後も減少させ続ける必要があると指摘しています。
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As decarbonization technologies such as solar panels and batteries have matured, scientists are now turning their attention to industrial decarbonization. Since industrial facilities have an average lifespan of 20 years, it’s critical that facilities installed from 2030 onward must be non-emitting, and that means industries need technological solutions now. We analyzed the CAS Content CollectionTM, the largest human-curated repository of scientific information, and found a sharp uptick in publications relating to decarbonization since 2019 (see Figure 1).
学術誌の出版物の増加は顕著であり、研究が盛んに行われている一方で、商業化にはまだ数年かかる可能性があることを示唆しています。鉄鋼やセメントの製造といった重工業の脱炭素化は、これらのプロセスが化石燃料によって生成される極度の熱を利用して様々な製造工程や反応を駆動しているため、困難であることが証明されています。化石燃料ベースのプロセスを置き換えることは、技術的にも経済的にもほとんど実現不可能でした。
しかし、世界が気温記録を更新し続け、2024年には初めて1.5℃を超え、さらに激化する嵐、干ばつ、山火事を経験している今、一刻の猶予もありません。サステナビリティへの取り組みを支援するため、私たちは現在、より優れた技術と幅広い応用によって恩恵を受けている、産業脱炭素化への5つの主要な経路を検証します。
産業脱炭素化を成功させるための5つの経路
- 電化：直接的な燃料燃焼が世界の産業エネルギー使用量の73%を占める一方、電力によるものはわずか27%です。輸送や暖房の電化が進んでいるのと同様に、産業プロセスにおいても電化の余地は十分にあります。しかし、排出削減において有意義な進歩を遂げるためには、産業プロセスに使用される電力源は、風力や太陽光のような再生可能エネルギーでなければなりません。
- エネルギー効率：産業におけるエネルギー効率化は、主に効率的な機器の調達に重点が置かれていますが、エネルギー効率に基づいた統合システムを設計することで、最大90%のエネルギー削減が可能になる可能性があります。蒸気システムや熱回収は産業エネルギー消費の大部分を占めるため、これらが主要な検討事項となります。例えば、燃料と反応させるために酸素富化空気を使用することで、完全燃焼を確実にし、排ガス中のCO2濃度を高めることができ、それを大気中に放出する前に回収することが可能になります。
- 二酸化炭素回収・貯留：セメント製造のような産業プロセスでは高温が必要とされ、これは化石燃料を用いることで安価かつ容易に達成されてきました。これらの温度に到達し、現在の手法を脱炭素化されたエネルギー源で代替することは困難でした。化石燃料の使用が唯一の現実的な選択肢である状況において、産業界は二酸化炭素回収・貯留（CCS）を活用できます。これは、回収したCO2を液化し、地下深くに地質学的に隔離する技術です。特定のケースでは、回収されたCO2を化学製品の原料として利用することも可能です。
世界の回収率は年間2〜12 GtCO2に達すると予測されており、その大半は産業部門によるものです。近年、CCSへの関心は高まっており、世界中で700以上のプロジェクトがさまざまな開発段階にありますが、ネットゼロ目標を達成するためには、この戦略を加速させ、規模を拡大する必要があります。
- グリーン燃料：産業の脱炭素化には、排出ゼロの燃料への転換が不可欠です。これには水素が含まれます。水素は化石燃料の代替として燃焼させても排出ガスを出しませんが、持続可能な方法で製造することが課題となる場合があります。
現在、水素の大部分はメタン水蒸気改質法によって製造されていますが、これは排出量の多いプロセスです。これを脱炭素化するために、産業界はCCSを利用するか、グリーン水素を追求することができます。グリーン水素は、再生可能エネルギー源から生成された電力を使用して水分子を酸素と水素に分解することで得られます。この水素は、燃料やグリーンアンモニアの原料として将来利用するために貯蔵することが可能です。
バイオ燃料も化石燃料の代替として、例えば航空燃料や、さまざまな化学物質の原料として使用できます。これらは多くの場合、農業廃棄物、木材、その他の有機廃棄物といったバイオマスから抽出されます。
- リサイクル：リサイクルは、特に鉄鋼、アルミニウム、プラスチック産業において、世界の原材料需要を削減する上で大きな役割を果たすと期待されています。金属のリサイクル率は一般的に50%を超えていますが、2022年の推定では、世界のプラスチックのうちリサイクルされたのはわずか9%でした。プラスチックのリサイクルプロセスを改善し、リサイクル素材の回収と利用の両方を拡大するための技術革新が急務となっています。
排出量の多い3大産業の脱炭素化
すべての産業が同じ量の温室効果ガス（GHG）を排出しているわけではありません。図2に示すように、排出量の多い3大産業は鉄鋼・鉄、化学・プラスチック、セメントです。これらの各産業は、脱炭素化に向けたさまざまな道筋から恩恵を受けることができ、技術が商業的に利用可能になるにつれて、経済的実現可能性も高まるでしょう。アルミニウムの排出量は現在低いものの、エネルギー効率を向上させるための軽量素材としての需要が高まっており、その利用は拡大する見込みです（参照）。
- 鉄鋼・鉄：電化、CCS、グリーン燃料。鉄鋼業界は世界のGHG排出量の7%を占めています。鉄鋼生産で最も一般的に使用される方法は、高炉（BF）または転炉（BOF）です。鉄鉱石は、高炉内でコークス（精製石炭）とともに加熱することで還元されます。その後、転炉において炭素含有量の調整や合金化が行われます。転炉では、原料となる鉄鉱石の必要量を抑えるために、最大30%のリサイクルスクラップ鋼（二次鋼）が添加されます。高炉・転炉プロセスからの平均排出量は、鋼材1トンあたり1.8〜2.8トンに及びます。高炉・転炉で使用される石炭燃焼、還元に使用されるコークス、および浸炭が、CO2排出の主な原因です。
IEAは、2050年までにネットゼロ排出を達成するためには、鉄鋼業界からのCO2排出量を鋼材1トンあたり600 kgまで削減する必要があると推定しています。この目標を達成するための戦略には、高炉の使用率を現在の70%から30%に引き下げること、スクラップ鋼リサイクルのための電気炉（EAF）の使用を倍増させること、炭素回収、そしてクリーン燃料としての水素利用が含まれます。鉄鋼業界からの排出を削減するために、転炉の代わりに電気炉を使用したり、生産プロセスにおける高排出ステップを排除するHIsarnaプロセスなど、他のプロセスも検討されています。バイオ燃料や水素（CCSまたはグリーン水素）を使用して高炉・転炉を稼働させることも、実行可能な戦略です。
- 化学・プラスチック：電化、エネルギー効率、CCS、グリーン燃料、リサイクル。石油化学製品は世界のGHG排出量の5%、産業用CO2排出量の18%を占めています。化学生産による排出量の85%以上は、熱や蒸気を供給するための燃料燃焼時に排出されています。これは、多くの生産プロセスで高温が必要とされるためです。その他の主な排出源は、化学合成のための化石燃料からの水素生成、化石燃料からの化学原料の生産、および蒸留・ろ過工程に必要なエネルギーです。
ネットゼロ目標を達成するために、業界は現在のレベルから排出量を30〜45%削減する必要があります。必要な総削減量のうち、より優れた分離方法や熱管理などのプロセス最適化とエネルギー効率の改善が25%に寄与すると見込まれています。石炭から天然ガスや電力への転換がさらに25%に寄与する可能性があります。プラスチックのリサイクルと炭素回収は、それぞれ15%と35%の排出削減に寄与すると期待されています。
- セメント：エネルギー効率、CCS、グリーン燃料。セメント業界は世界のGHG総排出量の8〜9%を放出し、世界のエネルギー需要の2〜3%を消費し、産業用水取水量の9%を占めています。一般的なポルトランドセメント1 kgの生産で、平均して約0.86 kgのCO2が放出されます。セメントは世界で最も使用されている素材であるため、セメント1 kgあたりのCO2排出量は他の素材より低いものの、生産量が非常に多いため、脱炭素化が不可欠な産業となっています。
セメント生産には「キルニング（焼成）」と呼ばれるプロセスが含まれ、コンクリートの原料となる「クリンカー」を生成するために高温（約1500°C）を必要とします。セメント製造中にCO2が排出される主な原因は2つあります。1つはキルニングプロセスで必要な高温に達するために燃料を燃焼させることによる排出、もう1つはクリンカーの主要成分であるCaCO3（石灰石）がCaO（生石灰）に分解される際に発生するCO2排出です。プロセスに必要な加熱量を減らすことが排出削減には重要であるため、エネルギー効率の向上、避けられないCO2排出の回収、そしてグリーン燃料への転換が必要となります。
新しい特許が脱炭素化のイノベーションを促進する
CAS Content Collectionでは学術論文が最大の増加を示しましたが、商業利用に向けた重要なイノベーションをもたらす可能性のある特許技術も数多く存在します。私たちは、最近の活動をさらに分析するために、国際特許分類（IPC）コードを使用して特許のランドスケープを作成しました（図3を参照）。脱炭素化に関連する特許は、「化学・冶金」と「作業・輸送」という2つの主要セクションに分類されます。「作業」セクションには、主に化学物質や吸着剤を使用した炭素回収に関連するプロセスが含まれています。「化学・冶金」セクションには、鉄鋼、セメント、水素、代替燃料の製造に関連する特許が含まれています。
研究者たちは、産業の脱炭素化に向けたタイムラインがどのようなものになるかについても調査しています（図4を参照）。国によっては指定された日付よりも早くこれらの目標を達成する可能性がありますが、このフレームワークは政策立案者、業界リーダー、科学者にとっての一般的な指針となるでしょう。
重工業の脱炭素化が遅々として進まなかった理由は数多くありますが、最も顕著なのは、適切な技術が存在しなかったか、経済的に見合わなかったことです。しかし、ここ数年の研究の活発化により、大規模なグリーン水素施設や、電化を支える再生可能エネルギー源の拡大など、状況は変化しつつあります。課題は依然として大きいものの、機運は高まっており、産業プロセスは排出量を削減する段階に入っています。
