金属産業は歴史上最大の激変の一つを経験しようとしていると専門家が言う

2019年11月12日

Peter Hergersberg著、マックス・プランク協会

金属材料は現代経済の根幹です。 しかし、その製造および加工中には、大量の CO2 が発生します。 したがって、金属産業は将来、より気候に優しいプロセスを使用する必要があります。 合金とその部品の CO2 バランスも、耐用年数全体にわたって改善する必要があります。 デュッセルドルフのアイゼンフォルシュング・マックス・プランク研究所所長であるディーク・ラーベ氏は、この点で産業企業がすでに持っている可能性と、持続可能な金属産業の目標を達成するために冶金学者が果たさなければならない課題について説明します。

ラーベ教授、鉄鋼産業やその他の金属加工部門は、資源の消費と CO2 排出量を迅速かつ顕著に削減するために、今日何ができるでしょうか?

防食は製品の耐久性を高めるため、大きな効果があります。 これは錆びる鉄だけでなく、アルミやニッケルなどの素材でも同様です。 たとえば、水や酸素よりも金属に対してはるかに深刻な影響を与える水素による腐食についても説明します。 水素脆化、つまりコンポーネントの突然の壊滅的な故障につながる可能性のある損傷を引き起こす可能性があります。 これは、たとえばディープ・ウォーター・ホライズンの災害の原因の1つでした。 しかし、特に将来的にエネルギー源として水素にもっと依存したい場合には、発電所、工業用建物、交通機関でも役割を果たします。 腐食保護は一般の人にはそれほど魅力的に聞こえませんが、毎年世界の経済生産量の最大 4% が腐食によって破壊されているため、腐食保護にはかなりの影響力があります。

一部の地域では、腐食防止がすでにかなり普及しています。 たとえば、自動車業界です。 かつて、車を購入する際に重要な質問がありました。「車はどのくらいの速さで錆びますか?」というものでした。 それはもう過去のことです。 しかし、産業インフラ、高層ビル、橋、発電所、電車などは、1998 年のエシェーデ近郊の鉄道事故を思い出してください。依然として腐食の影響を受けやすいのです。 そして、今後 10 年間に水素がエネルギー源として追加されると、この量はさらに増加するでしょう。

金属生産の電化も大きな影響を与えるだろう。 アルミニウムは、航空機および自動車産業にとって鋼に次いで重要な金属材料であり、長い間、アルミニウム鉱石の電解還元によって合成されてきました。 これには大量の電力が必要ですが、その一部はすでに水力などの再生可能資源から得られています。 電気分解によって他の金属 (鉄も含む) を生成することもできます。 しかし、電気料金が高いため、これは価値がありません。 全体として、再生可能エネルギーのみから電力を供給する場合、電化は金属の一次生産とさらなる加工を持続可能にするための最大の手段の 1 つです。

グリーン電力向け送電線の拡大が遅れているが、ようやくそのペースが加速するはずだ。 なぜなら、鉄が生産されるルール地方のような地域では、そのような産業に十分なグリーン電力供給に接続するまでにはさらに何年も待たなければならないことを明確に述べなければならないからです。連邦ネットワーク庁のホームページを一目見ると、を示しています。 さらに、例えばヴッパータール研究所による市場推定では、全電気プロセスが競争力を持つようになるまでに最大 20 年かかる可能性があることが示されています。

しかし、鉄鋼業界にとって、これは高炉での生産からまったく新しいプロセスに移行しなければならないことを意味します。 それは現実的ですか？

一貫した製鉄所やアルミニウム精錬所の個々の部分であっても、投資コストが非常に高額であるため、業界は 10 年ごとにそれらを再建する余裕がありません。 しかし、当初は高炉をそのままにしておく可能性もあった。 業界は、削減のために炭素（コークス、石炭、バイオマス、プラスチック廃棄物など）を最大 20% の水素に置き換えることができますが、当然のことながら、再生電力を使用して水から生成する必要があります。 また、鉄鋼産業は世界の総CO2排出量の約6％を占めているため、これはかなりの影響を与えることになる。 これらのプロセスはすでに世界中のいくつかの場所でテストされています。 業界は中期的には生産を直接削減に切り替えることもできる。 このプロセスには、粒状の酸化物ペレット（鉱石処理後に鉱山から供給されるものなど）を固体として炉に充填し、メタンで直接変換することが含まれます。 これはメタンが手頃な価格の国で長年行われてきました。 このプロセスには、原則として植物を最大 100% の水素に変換できるという利点があります。

完全に水素ベースのプロセスは、市場に投入されるまでに 10 ～ 12 年かかります。 それらはおよそであると推定されます。 現在の高炉での生産よりも 30% 高価です。 そして、CO2価格の上昇はまだ完全には決定されていません。 したがって、それに対応して持続可能性が低いEU域外の競合材料が同等の条件にさらされた場合、10年後には30％の値上がりが競争力のある市場価格となる可能性がある。 あらゆる解決策の中で最悪は、ヨーロッパから金属生産がなくなり、EU域外の国から持続不可能な金属を購入することになるだろう。 ヨーロッパは、特に年間約 4,000 億ユーロを生み出していることから、独立した持続可能な金属生産・加工産業を必要としています。

一方で、鉄鋼産業は CO2 を削減した方法で鉄を生産できます。 企業は、CO2 価格設定により今後数年間でコストが上昇すると推定でき、また、たとえば自動車メーカーは将来的に CO2 削減鋼材の利用割合を増やしたいと考えているため、この必要性をすでに認識しています。 一方で、直接的な削減により、企業はより柔軟になることもできます。 高炉は継続的に稼働し続ける必要があります。 そうしないと故障します。 直接還元炉を使用することで、企業はより柔軟に市場に適応し、さまざまな品質の鋼を生産できるようになります。 また、鉄鋼業界がすでに世界中でそのようなプラントへの大規模な転換を計画し、着手していることにも驚いています。 既存のプラントの一部はすでに水素に転換されています。 新しい数年間に、金属業界は歴史上最大の激変の一つを経験するでしょう。 3500 年以上にわたり、鉄は（原則として）同じ還元プロセスを使用して製造されてきました。

政治的決定を下す際には、いずれにせよ、補助金や禁止などの立法措置がライフサイクル全体にわたる CO2 バランスにどのような影響を与えるかを分析する必要があります。 たとえば、大量の資金を投じて鉄を完全に電解的に生産するとしたら、それは素晴らしいことになるでしょう。 しかし、電力構成を見ると、電気自動車と同様に、依然として褐炭電力が 25% あることがわかります。 それでは、私たちは何も得ていません。 持続可能性についても、持続可能な方法で考えなければなりません。 見せびらかしても無駄だ。

たとえば、業界におけるクローズドスクラップサイクルに対するインセンティブなどです。 例を挙げてみましょう。すでに高級セグメントのアルミニウム車のみを主に生産しており、場合によっては年間最大 300,000 トンのアルミニウムを処理している自動車会社もあります。 ただし、コンポーネントをシートメタルから打ち抜く場合、材料の最大 45% が失われます。 今なら、彼らは自分たちのスクラップを集めるだろうと思うでしょう。 アルミニウムが非常に純粋であれば、それは手元にある現金のようなものだからです。 しかし、これを一貫して実行している企業はわずかです。 たとえば、ここEUです。 それ以外の場合は、多くの企業にとって、クローズドスクラップサイクルを確立するよりも、市場で新しい材料を購入する方がはるかに安価です。 また、ほとんどの金属スクラップもすでに混合されており、その価値は 10 分の 1 にまで低下します。 たとえば、早い段階で分別スクラップサイクルに対する税制上の優遇措置を創設することは、私たち消費者が生産するコーヒーカプセルやホイル包装紙を単に収集する以上の効果をもたらします。 だからといって、彼らに関心を持ってはいけないというわけではありません。 しかし、産業廃棄物に比べれば小数点以下の問題です。

現在、多くの異なる合金が多くの製品に使用されていますが、これはそれらが何らかの特別な特性を持っているためです。 まず、一定量のスクラップを使用したときに合金中にどの元素が発生するかを調べます。 たとえば、現在自動車で使用されているリサイクルアルミニウムには、ウィンドウワインダーなどの電気モーターから発生する非常に高価なネオジムがすでに含まれています。これは、溶ける前に分離されていないためです。 したがって、合金中にはこれまで存在しなかった 20 以上の元素が見つかりました。 私たちは、このような不純物が合金の特性をどのように変化させるかを研究しています。 私たちは、材料がどれほど不純でありながらその目的を達成できるかを知りたいと考えています。 材料の純度が低い可能性があることを科学的に証明できれば、スクラップの含有量を増やすことができ、CO2 排出量を大幅に削減できます。

私たちはそのような可能性を検討しています。 私たちは、大量の材料がどこで消費されているか、より多くの不純物を許容できる合金を製造できるかどうかを体系的に検討しています。 例えば、建設業界では、屋根瓦、被覆材、耐荷重要素、リフトなどに飲料缶のアルミニウムマンガン合金に関連するアルミニウム合金の使用がますます増えていることがわかりました。 缶の場合、合金は比較的性質が良く、多くのことを行う必要がないため、リサイクルの割合、つまり不純物の量はすでにかなり高くなります。 私たちは現在、多くの国でドイツよりも大量に生産されている缶スクラップが建設目的にも使用できるかどうかを調査したいと考えています。

私たちは合金の数を減らし、一種の単一合金の開発を試みています。 これは、分別の必要性がはるかに少なくなるため、リサイクルする方がはるかに優れています。 これまで、材料の特殊化は常に化学変化という代償を払って実現されてきました。材料科学者は、フェンダー、航空機の部品、タービンが改良されるまで化学組成をいじくり回します。 私たちは、この極端な品種の多様化を減らし、リサイクルを困難にしたいと考えています。 具体的な例として、自動車メーカーは、鉄鋼またはアルミニウムの製造業者に対して、強度や表面品質などの特定の特性を付与するために完成された合金を 5 種類ではなく 2 種類のみ使用するよう要求することができます。

ここでの基本的な問題は、化学組成だけでなく、主にマイクロおよびナノ構造の変化によっても多様化を達成できるかどうかです。 これは伝統的に金属にうまく機能します。 ただし、結晶の特定のサイズと方向を達成するには、製造にさらに多くの労力を費やす必要があります (例として)。 このアプローチは、材料製造の基本的なアプローチを材料化学から金属物理学に移行します。

たとえば、今アルミニウム合金を購入すると、アルミニウムでできることなら何でもできる最大 280 種類の合金の中から選ぶことができます。 しかし、実際に大量に販売されているものを見てみると、合金は 50 ～ 60 個しか残っていないのです。 そして、これらの合金が何を実現するのかを詳しく調べてみると、最終的には 20 ～ 30 種類の合金しか存在しない可能性があります。 もちろん、それは単なる大まかな見積もりです。

金属産業の CO2 排出量も、使用する材料を減らすことで削減できる可能性があります。 たとえば、車体を軽量化する可能性は考えられますか?

まず第一に、今日では最低限の標準と考えられているエアコン、配線、車載コンピューターなどの追加装備のせいで、過去数十年で自動車は大きく重くなりました。 そしてもちろん、バッテリーだけで最大 800 kg の重量がある電気自動車では、状況は非常に極端です。 ただし、合金がますます硬くなったため、ボディがまだ大幅に軽くなっていない場合は、さらに 200 kg または 300 kg を追加することもできます。 それにもかかわらず、どこが最も強度の高い鋼材やアルミニウム合金を供給できるかという素材メーカー間の競争は依然として続いている。 なぜなら、これらの材料の理論的に可能な強度の約10分の1にすぎないからです。 そのため、材料を物理的な限界まで引き上げるためには、まだ多くの研究が必要です。

あなたは本当に間違った人に質問しています。 実際、炭素繊維を含むポリマー材料は、自動車のボディに何度も普及してきました。 しかし、生態系のバランスを考えると、これはまったくナンセンスです。 炭素繊維の製造には非常に大量のエネルギーが必要であり、大量のCO2が排出されます。 そして最終的には、これらの物質のほとんどは廃棄物焼却場に捨てることしかできません。 これらのポリマーベースの材料はリサイクル可能であるとよく言われます。 しかし実際にできるのは、それらを切り刻んでマットを作ることだけです。 一方、金属は、スクラップが種類ごとに収集され、不純物の影響が理解および制御され、使用される合金の種類が減れば、無限に頻繁にリサイクルすることができます。 また、軽量のマグネシウムコンポーネントは、重量の点ですでにポリマーコンポーネントに非常に近づいていますが、完全にリサイクル可能です。

マックス・プランク協会提供