電気炉 vs 高炉：CO2排出量、コスト、そして製鉄の未来

電気炉と高炉の定義
高炉（BF）は鉄鉱石とコークスを使用して溶銑を製造し、それを転炉（BOF）で鋼に転換します。一方、電気炉（EAF）は高圧の電気アークを使用して鉄スクラップを溶解し、液体鋼を製造します。高炉ルートのCO2排出量は鋼1トンあたり約2.33トンですが、電気炉ルートは約0.77トンです。世界の粗鋼生産量は高炉法（BF-BOF）が約70%、電気炉法（EAF）が約30%を占めていますが、脱炭素化の圧力が高まる中でその比率は変化しています。

---

目次

1. 高炉ルート：鉄鉱石から鋼へ
2. 電気炉ルート：スクラップから鋼へ
3. CO2排出量の比較
4. コスト比較：設備投資と操業コスト
5. 電気炉が作れないもの：鋼種の制限
6. 世界シェア：なぜ70/30の比率なのか
7. グリーン水素DRI：第三のルート
8. コモディティ貿易への影響
9. よくある質問
10. 要点まとめ

---

高炉ルート：鉄鉱石から鋼へ

高炉は150年以上にわたり、主要な製鉄技術として君臨してきました。これは大規模かつ連続的なプロセスであり、大規模な改修までの間、24時間365日稼働し続けます。

鉄鉱石（通常は鉄含有量62〜65%のペレットまたは焼結鉱）が高炉の上部から投入され、コークス（原料炭を酸素のない状態で加熱して作られる多孔質の炭素素材）および石灰石（不純物を除去するためのフラックス）とともに供給されます。

熱風（酸素富化されることもある）は、羽口と呼ばれるノズルから底部へ吹き込まれます。コークスが燃焼して1,500°Cを超える温度を生成します。燃焼したコークスから発生する一酸化炭素が、鉱石中の酸化鉄を還元して溶融鉄（銑鉄）にします。石灰石は不純物（シリカやアルミナ）と反応してスラグを形成し、鉄の上に浮いて別々に排出されます。

溶融鉄（銑鉄または溶銑）は、高炉の底部から取り出されてトピードカーに移され、転炉（BOF）へと運ばれます。BOFでは、溶銑に高速で純酸素を吹き付けます。これにより、過剰な炭素や不純物が急速（約20分間）に燃焼除去され、溶銑が溶鋼へと転換されます。

鋼はその後、圧延や加工工程のためにスラブ、ビレット、ブルームとして鋳造されます。

一つの大型高炉では、1日あたり10,000〜12,000トンの溶銑を生産可能です。主要な一貫製鉄所（高炉＋転炉）には、ベルギーやドイツのArcelorMittalの製鉄所、英国のTata Steelのポート・タルボット製鉄所、そして韓国のPOSCOや日本のNSSMC（日本製鉄）の巨大な施設が含まれます。

---

電気炉ルート：スクラップから鋼へ

電気炉（EAF）は、原理的に高炉よりも単純です。基本的には耐火レンガで裏打ちされた大きな容器に、3本の大型黒鉛電極を取り付けたものです。高圧電流が電極を通過すると、電極と金属装入物の間でアークが発生し、アーク付近の温度は3,500°Cに達します。

主な装入材料は鉄スクラップであり、種類によって切断、シュレッダー処理、選別が行われます：

• 重機・構造用スクラップ（HMS 1&2）： 大型構造用鋼、解体された産業機器
• シュレッダー屑： 解体された自動車や家電製品
• 工場発生スクラップ： プレス加工や建設工程から出る新品のスクラップ
• 直接還元鉄（DRI）/ ホットブリケット鉄（HBI）： 不純物（後述の制限セクション参照）を希釈するために使用

スクラップを炉内に「装入」し、電極を下げてアークを発生させ、40〜60分で材料を溶解します。炭素や不純物を焼き切るために酸素を注入し、スラグを形成するために石灰を添加します。また、目標とする鋼の化学成分を得るために合金（マンガン、シリコン、クロム）を添加します。

結果として得られた溶鋼は取鍋（レードル）に移され、連続鋳造の前に取鍋精錬炉で温度と成分の調整が行われます。

EAFは高炉よりも小型で柔軟性があります。一般的なEAFは1ヒート（溶解サイクル）あたり200〜400トンの鋼を生産し、1日に複数回のヒートを行います。EAF工場は電力価格が高い時間帯に操業を停止し、再開することが可能です。これは連続運転する高炉では不可能なことです。

---

CO2排出量の比較

ここが両ルートで最も劇的に異なる点です。

ルート	CO2原単位	排出源
BF-BOF（一貫製鉄）	鋼1トンあたり約2.33トン	コークス燃焼、鉄鉱石還元、エネルギー使用
EAF（スクラップベース）	鋼1トンあたり約0.77トン	電力（送電網）、電極の消費、フラックス
DRI-EAF（ガスベース）	鋼1トンあたり約1.0-1.4トン	DRI還元用天然ガス、電力
H2-DRI-EAF（グリーン水素）	鋼1トンあたり0.1トン未満	再生可能エネルギー由来の電力のみ

World Steel Associationのデータによると、BF-BOFルートは粗鋼1トンあたり約2.33トンのCO2を排出します。排出の大部分はコークスによるものです。高炉プロセスにおいて炭素は燃料かつ還元剤として化学的に不可欠であり、石炭を使わずに鉄を生産することはできません。

EAFルートの排出量は鋼1トンあたり約0.77トンであり、主にアークの電源となる電力に依存します。この数値は送電網のCO2排出係数に大きく左右されます。100%再生可能エネルギーで稼働するEAFの直接CO2排出量はほぼゼロですが、石炭火力発電による電力を使う場合は排出量が増加します。

EUの場合、EU ETS（排出量取引制度）の炭素価格（現在CO2 1トンあたり50〜70ユーロ）により、一貫製鉄所の生産コストには鋼1トンあたり約115〜165ユーロのカーボンコストが上乗せされます。これはEAF生産者や炭素価格制度のない国からの輸入と比較して大きな競争的不利となっており、まさにEU CBAM（炭素国境調整措置）が設計された理由です。

---

コスト比較：設備投資と操業コスト

両ルートは、対照的なコスト構造を持っています。

設備投資（プラント建設費用）：

ルート	典型的な設備投資額	備考
一貫製鉄所（新設、3-4 Mtpa）	20億〜40億ドル	高炉、コークス炉、転炉、圧延機を含む
EAFミニミル（新設、1-2 Mtpa）	3億〜6億ドル	生産能力あたりのコストが大幅に低い

高炉には、コークス炉、焼結工場、高炉、熱延工場、および関連する全インフラを備えた総合コンプレックスが必要です。年間生産能力あたりの投資額は1トンあたり600〜1,000ドルです。

EAFミニミルは、年間生産能力1トンあたり300〜400ドルで建設可能です。これが、Nucor、Steel Dynamics、Commercial Metalsといった米国の企業が、一貫製鉄所よりもはるかに低いコストで地域的な製鉄所を建設できる理由です。

操業コスト：

BF-BOFプラントは原材料（鉄鉱石＋コークス）が高コストですが、一度稼働すればユニット経済性は予測可能です。コークスは通常、BF-BOF操業コストの30〜40%を占めます。高炉は停止・再稼働を安価に行うことはできず、連続運転が前提となります。

EAFプラントは原材料費が抑えられます（スクラップは天然鉄鉱石よりも安価）が、電力価格に非常に敏感です。電気代がEAF操業コストの25〜35%を占めることもあります。2022年の欧州のように電気代が高騰した場合、EAFプラントはコストを吸収するか、生産を縮小せざるを得ません。多くの欧州のEAF製鉄会社が2022年に減産したのは、電力価格の高騰により製鉄が不採算になったためです。

一方で、EAFは運転の柔軟性という利点もあります。電気代が高い時期に休止し、再開が可能です。これは価格変動の激しい電力市場においては大きな強みです。

---

電気炉が作れないもの：鋼種の制限

EAFルートには、スクラップ由来の不純物（トランプエレメント）の混入という根本的な冶金学的制限があります。

鉄スクラップは純鉄ではなく、元々の鋼に含まれていた銅、スズ、ニッケル、モリブデン、クロムなどの合金成分が残留しています。これらは溶解工程で焼き切ることはできず、溶融物の中に蓄積されます。

特に問題となるのは銅です。銅がある閾値（通常0.1〜0.2%）を超えると、熱間圧延時に鋼の表面にひび割れが発生する「熱間脆性」が生じます。鉄筋、形鋼、線材などのコモディティ鋼種であれば銅の許容範囲は広く、EAFでの生産に適しています。しかし、自動車のボディパネルや電磁鋼板、包装用の薄鋼板などの平鋼製品では、銅含有量を0.04%以下にする必要があります。

一度溶けてしまった液体鋼から銅を除去する経済的な方法は存在しません。唯一の解決策は、銑鉄やDRI、HBIといった銅を含まない純粋な鉄源を加えて希釈することです。高品質な薄鋼板を生産するEAF工場は、まさにこの手法を用いています。

実質的な結論として、自動車用鋼板、電磁鋼板、および高品質な冷延鋼板市場は、今後も一貫製鉄所が主力であり続けるでしょう。なぜなら、彼らは不純物のない天然鉱石を使用しているからです。電気炉は長尺物（鉄筋、形鋼）や低グレードの薄鋼板で強みを発揮します。

この制限は、スクラップのリサイクル率が上がり、不純物が蓄積されてスクラップの品質が低下するにつれて、ますます重要になります。

---

世界シェア：なぜ70/30の比率なのか

世界の粗鋼生産量は年間約19億トン（2023年データ）です。その内訳は：

• BF-BOF： 約70%（約13.3億トン）
• EAF： 約29%（約5.5億トン）
• その他（平炉、誘導炉など）： 約1%

BF-BOFが支配的な理由は中国にあります。中国は世界の鋼鉄の50%以上（年間約10億トン）を生産しており、そのうち約90%がBF-BOFルートです。中国は過去30年間で膨大な一貫製鉄所を建設しました。また、中国の産業の歴史が浅いため（インフラや建物の多くが最近建設されたもの）、スクラップの供給源が限られていたことも要因です。

中国以外の地域では、EAFの比率がはるかに高くなります：
– 米国： 約70%がEAF、30%がBF-BOF。Nucorなどが主要メーカーです。
– EU： 約40%がEAF（イタリアは70%近いが、自動車需要が高いドイツは高炉がメイン）
– トルコ： 約70%がEAF（地中海地域のスクラップフローを利用した大規模な輸入国）

中国の産業基盤が老朽化し、スクラップ供給が増加するにつれて、中国のEAF比率は2035年までに現在の約10%から20〜25%へと上昇すると予測されており、世界市場の力学が大きく変わる可能性があります。

---

グリーン水素DRI：第三のルート

今後10年間で最も重要な製鉄技術の進展は、水素直接還元鉄（H2-DRI）と電気炉を組み合わせたプロセスです。

直接還元鉄（DRI）は、融点以下の温度（約800〜1,100°C）で、還元ガス（従来は主にメタンなどの天然ガス）を用いて鉄鉱石ペレットを還元して作られます。鉱石は固体のまま酸化鉄から金属鉄へと化学的に還元されます。結果として得られるスポンジ状の金属鉄は、スクラップの代替として直接EAFに投入できます。

従来の天然ガスを使用するDRIプロセスでは、DRI 1トンあたり約1.0〜1.4トンのCO2が排出されます。これは高炉よりはマシですが、ゼロではありません。

画期的な点は、天然ガスをグリーン水素（再生可能エネルギーを用いて水の電気分解で生成された水素）に置き換えることです。水素で鉄鉱石を還元すると、副産物はCO2ではなく水（H₂O）のみとなります。再生可能エネルギーによるEAFと組み合わせたH2-DRI-EAFルートでは、BF-BOFと比べて約95%減の、鋼1トンあたり0.1トン未満のCO2排出を実現できます。

この技術をリードする2つの主要プロジェクトがあります：

HYBRIT（Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology）： SSAB（スウェーデン）、LKAB（同国最大の鉄鉱石生産者）、Vattenfall（同国エネルギー会社）の合弁事業。2021年に世界初の水素還元鋼をVolvo ABに納入しました。2026〜2030年にはSSABのルレオ製鉄所での商業規模生産を目指しています。

H2 Green Steel（現Stegra）： スウェーデンのボーデンに建設中の新しいグリーンフィールド施設。スウェーデンの水力・風力エネルギーを利用し、2030年までに年間500万トンのグリーン鋼生産を目指しています。

その他、ArcelorMittal（MIDREXベースのDRIプラント）、thyssenkrupp（tkH2Steelプロジェクト）、Salzgitter（SALCOSプログラム）などが同様のルートを追求しています。

商業的な課題は、グリーン水素のコストが現在1kgあたり4〜8ドルであるのに対し、エネルギー相当の天然ガスは1〜2ドルであるという点です。H2-DRIで生産されたグリーン鋼には、従来のBF-BOF鋼と比べて1トンあたり100〜300ドルのコストプレミアムが発生します。このプレミアムを「グリーンプレミアム」としてバイヤーが受け入れるか、炭素価格設定を通じて吸収できるかが、製鉄業界の脱炭素化における中心的な課題です。

---

コモディティ貿易への影響

EAF/BF-BOFの比率の変化は、それぞれのルートを支えるコモディティ貿易の流れに直接的な影響を与えます。

BF-BOFの需要： 鉄鉱石（豪州、ブラジルから輸送）および原料炭（豪州、米国、カナダ、ロシアから輸送）。これらは世界で最も流通量の多い乾貨物輸送の二大項目です。BF-BOFから離脱することは、原料炭と高品質鉄鉱石ペレットの需要を直接低下させるため、関連するコモディティ市場にとって長期的な逆風となります。

EAFの需要： 電力と鉄スクラップ。世界のスクラップ貿易は非常に重要であり、トルコは米国、EU、英国から調達する世界最大の鉄スクラップ輸入国です。世界的なEAF生産の拡大はスクラップ需要の増加を意味し、それはスクラップ価格の上昇と調達競争の激化を招きます。

H2-DRIの需要： 高品位の鉄鉱石ペレット（DRIには標準的な高炉用鉱石よりも高い67%以上の鉄分含有量が必要）。これにより、LKABやVale、Bahrain Steelが生産する高品位鉄鉱石ペレットのプレミアム市場が生まれます。H2-DRIへの移行は、高品位鉄鉱石には強気、中品位の高炉用鉱石には弱気な材料となります。

---

よくある質問

高炉と電気炉、どちらが操業コストが安いですか？

その地域の原材料コストに依存します。スクラップが安く、電気代が手頃な場所では電気炉の方が安くなります。逆にスクラップが不足し、電気代が高い場所では高炉の方が有利です。米国のEAFミニミルは、豊富なスクラップ供給のおかげで、一貫製鉄所よりもコストが低いです。一方で欧州のEAF生産者は、ガス危機による電力価格高騰に直面しました。

電気炉で自動車用鋼板は作れますか？

可能です。ただし、自動車用など高品質な平鋼製品には、圧延時の割れを防ぐため銅を0.04%以下に抑える必要があります。EAFで生産する場合、純粋な鉄源（銑鉄、DRI、HBI）を加えて希釈することが必須です。しかし、DRIを大量に添加しない限り、平鋼製品における品質の天井は一貫製鉄所に劣ります。

グリーン鋼とは何ですか、またどれくらい高いのですか？

グリーン鋼は、従来の製鉄方法よりも大幅にCO2排出量を抑えて生産された鋼のことで、通常は鋼1トンあたりCO2 0.5トン以下と定義されます。主な手法はH2-DRI-EAFです。現在、従来の鋼よりも1トンあたり100〜300ドルのコストプレミアムがかかりますが、再生可能エネルギーのコスト低下とともにこの差は縮小すると予想されます。

なぜ中国はBF-BOFルートを支配しているのですか？

過去30年間、急速に生産を拡大する最も安価な手段がBF-BOFであり、原料炭の入手が容易で、産業の黎明期でスクラップが不足していたためです。現在も90%がBF-BOFです。しかし、今後はスクラップの発生量が増えるにつれ、EAFの比率も徐々に上昇していくでしょう。

HYBRITとは何ですか、なぜ重要ですか？

SSAB、LKAB、Vattenfallの合弁事業で、水素直接還元を用いて化石燃料を使わない製鉄を目指すプロジェクトです。2021年に世界初の化石燃料不使用の鋼をVolvoに納入しました。H2-DRI-EAFルートが商業的に可能であることを証明した点が非常に重要であり、成功すれば業界のCO2排出を劇的に削減できる可能性があります。

---

要点まとめ

• 高炉法（BF-BOF）は鉄鉱石とコークスを、電気炉法（EAF）は鉄スクラップと電力を使用し、両者は根本的に異なるサプライチェーンを持ちます。
• BF-BOFは鋼1トンあたり約2.33トンのCO2を排出しますが、EAFは約0.77トンであり、約67%の削減となります。
• EAFはBF-BOFよりも設備投資額が低く（1トンあたり約300〜400ドル vs 600〜1,000ドル）、操業の柔軟性が高い反面、電力価格の影響を強く受けます。
• EAFで高品質な平鋼を製造するには、スクラップ由来の不純物（特に銅）を希釈するために純粋な鉄源を添加する必要があります。
• 世界の粗鋼生産の約70%がBF-BOF、30%がEAFですが、スクラップの増加と脱炭素の圧力によりEAFの比率は上昇傾向にあります。
• EU ETSの炭素価格により、BF-BOF鋼には大きなカーボンコスト負担が発生し、EAFや安価な輸入材に対する競争力が弱まっています。
• グリーン水素DRI（H2-DRI-EAF）はCO2を最大95%削減可能な最も有望なルートであり、スウェーデンのHYBRITやStegraなどが主導しています。
• BF-BOFからEAF/DRI-EAFへの移行は、長期的には原料炭や標準的な鉄鉱石に対しては弱気、高品質鉄鉱石ペレットや鉄スクラップに対しては強気な材料です。

関連記事

この記事で取り上げたトピックをさらに深く理解するために、以下の関連ガイドをご覧ください：the full ferrous chain from iron ore to finished steel, the scrap grades and pricing mechanisms that feed electric furnaces、how carbon pricing policies affect the cost gap between the two routes.