1. 水素製鉄とは何か（3行でつかむ）

• 何を変えるか：鉄鉱石（主に酸化鉄Fe2O3）の還元で、炭素（コークスや石炭）の代わりに水素を使います。炭素による還元ではCO2が、水素による還元では水が出ます（Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O）事実［参考資料1］。鉄1 tあたりの水素の化学量論量は約54 kg、これを電解で賄う電力は約2.9 MWhです本稿の計算（第4章）。
• どこまで来たか：スウェーデンのHYBRITのパイロット設備は、水素だけで還元した鉄を5,000 t超つくりました事実［参考資料12・13］。日本では、NEDOのグリーンイノベーション基金事業で、2026年6月29日〜7月1日に日本で初めてグリーン水素による約1 tの還元鉄がつくられました［参考資料11］。ただし、NEDOは、水素還元製鉄はいまだ実用化されていないとしています［参考資料5］。
• 何が課題か：水素と電力の量とコスト、鉱石の品位と不純物、水素の加熱、電気炉での溶解などです。IEAは、再エネ由来の水素を鉄鋼に使うと、製品のコストが約40%上がるとしています［参考資料4］。

2. 鉄鋼のつくり方 ― 高炉-転炉と、直接還元-電気炉

鉄鋼業は、世界の人為的なCO2排出の4〜7%を占めるとされます。主な原因は、鉄鉱石の還元に炭素（石炭・コークス）を使うことで、鉄鉱石を溶銑にする高炉が、製鉄（鉄鉱石を金属の鉄にする工程）の90%を占めます事実［参考資料1］。日本では、2023年度のエネルギー起源CO2排出9億2171万 tのうち鉄鋼が14%（1億3千万 t）を占め［参考資料7］、NEDOは、2024年度の鉄鋼業のCO2排出量を約1億2,600万 tで、日本の産業部門全体の約4割としています［参考資料5］（分母が違うため、14%と約4割は同じ値ではありません）。

もう一つの製鉄の道が直接還元です。鉄鉱石を溶かさずに固体のまま還元し、還元鉄（DRI、HBI）をつくります。現在の直接還元は、天然ガスを改質してできる水素とCO（MIDREXのガスは、水素約56%、CO約34%）で還元する縦型のシャフト炉が主流です［参考資料1］。世界では2020年時点で年間約1億 tの直接還元鉄が、天然ガスが安い中南米や中東で生産されています［参考資料9］。IEAによると、2024年に産業で使われた水素55 Mtのうち、約10%が鉄鋼の直接還元向けです［参考資料4］。

表1　製鉄の経路ごとのエネルギーとCO2排出量（Patisson と Mirgaux の表1［参考資料1］より。事実）。水素の経路は、電力が脱炭素であることが前提の値です。

水素の経路のCO2排出量は、ULCOSの算定で高炉-転炉より89〜99%少ないと整理されています［参考資料1］。ただし、これは電気と水素が脱炭素の電力でつくられる前提で、系統の電力をそのまま使う場合は別です。Bhaskarらは、欧州の現状の系統電力（295 kgCO2/MWh）で水素直接還元＋電気炉を動かした場合の排出量を35%超減らせる、としています（脱炭素の電力を使う場合より小さい削減）［参考資料3］。

3. 水素で鉄鉱石を還元する ― 反応と「吸熱」

鉄鉱石の還元は、一気に進むのではなく、Fe2O3（ヘマタイト）→ Fe3O4（マグネタイト）→ FeO（ウスタイト）→ Fe と段階を踏みます。FeOは570 ℃より上でだけ現れ、最後のFeO→Feがいちばん遅い、とPatissonらは整理しています事実［参考資料1］。

水素による還元で大事な点は、反応が全体として吸熱になることです。炭素やCOによる還元は発熱ですが、水素は吸熱で、温度が下がります。GREINS（水素製鉄コンソーシアム）も、水素還元は吸熱反応で温度低下が起きるため、水素の加熱が必要だと整理しています［参考資料8］。Patisson と Mirgaux の表4の反応熱（800 ℃）から、Fe2O3 1 molあたりの合計を求めると、水素は約＋61.9 kJ（吸熱）、COは約−36.6 kJ（発熱）になります本稿の計算（図3）。

鉄1 tあたりに直すと、水素による還元の反応熱は約154 kWhの吸熱、COは約91 kWhの発熱です本稿の計算。電解の電力（約2.9 MWh）と比べると小さな量ですが、吸熱のために、反応炉の中の温度を保つ工夫が要ることが、設計上の違いを生みます。

• 反応速度は水素のほうが速い。他の条件が同じなら、水素の還元速度はCOの最大10倍とされます。しかし、実際のシャフト炉では、熱力学と熱の出入りのために、COが冷たい中心部のウスタイトの還元で決定的な役割を果たします。水素だけにすると、温度と組成の分布が平らになり、完全な金属化（100%）に達するという計算結果が出ています（数理モデル。実験での確認はこれから）［参考資料1］。
• この計算では、ペレットが入る時の温度は25 ℃で、反応ガス（水素98%、水2%）を800 ℃で入れると、完全な金属化に達する高さは約3.4 mで、MIDREXの還元ゾーン（約10 m）より短くなりました。ガスの入口温度が700 ℃では、鉄の割合は平均74%にとどまり、900〜950 ℃では2 m未満で100%に達します［参考資料1］。
• HYBRITのパイロット設備は、還元ガスの温度を550〜1,090 ℃の範囲で試し、天然ガス・バイオガス・水素による加熱と、電気加熱、酸素の吹き込みを組み合わせて評価しました［参考資料13］。

4. 本稿の計算：水素の使用量、電力、コスト

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O の化学量論から、鉄1 tをつくるのに必要な水素は54.1 kgです本稿の計算（Patisson と Mirgaux も、ヘマタイトの還元の化学量論量を鉄1 tあたり54 kgとしています［参考資料1］）。水素を電解でつくると、比消費電力52.9 kWh/kg（効率63% LHV、『水素の製造コスト』編の基準ケース）で、電力は約2.86 MWhです。Voglらは、水素直接還元の製鉄は、液体鋼1 tあたり3.48 MWhの電力を要し、主に電解槽の水素製造に使われるとしています事実［参考資料2］。Bhaskarらの計算では、水素直接還元-電気炉の液体鋼1 tあたりのエネルギー消費は3.72 MWhです［参考資料3］。

プラントの規模に直すと、次のとおりです。前提：年産100万 tの鉄をすべて水素直接還元でつくる（スクラップなし、水素の損失なし）。

表2　年産100万 tの鉄を水素直接還元でつくる場合の水素と電解槽の規模（本稿の計算）。Patisson と Mirgaux は、年産100万 tの製鉄所には約70,000 m3/hの水素プラントが要るとしており、本稿の約6.9万 Nm3/hと一致します［参考資料1］。

参考として、IEAによると、スウェーデンのStegraのBoden工場は年産250万 tの製鉄所で、電解槽は740 MWです［参考資料4］。本稿の単純な計算では、250万 tをすべて水素還元で賄うと約7.2 TWh/年が要り、740 MW×8,760 hの約6.5 TWhを上回ります本稿の計算。この差は、スクラップの使用、効率の違い、水素の回収などの前提で変わりうるもので、Stegraの実際の構成は本稿では確認していません。電解槽の容量とプラントの規模の関係は、前提次第で大きく動きます。

コストへの影響は、水素のコストの水準で決まります。水素のコストが2 US$/kgなら鉄1 tあたり約108 US$、4 US$/kgなら約217 US$、『水素の製造コスト』編の基準ケース（約6.5 US$/kg）なら約354 US$です本稿の計算。Voglらは、水素直接還元の製鉄の総生産コストを、液体鋼1 tあたり361〜640ユーロと推計し、電力価格とスクラップの使用量に敏感で、電力が40 EUR/MWhのとき、炭素価格が34〜68 EUR/t-CO2で、高炉を持つ一貫製鉄所と同程度のコストになる、としています［参考資料2］。また、同論文は、この製鉄が、水素と還元鉄（HBI）の貯蔵、またはスクラップの割合の変更を通じて、電力系統の調整に使える柔軟性を持つことを特徴としています［参考資料2］（系統側は『電力グリッドと再エネ』編）。

5. 鉄鉱石の品位と不純物

鉄鉱石は、酸化鉄のほかに、シリカやアルミナなどの脈石（不純物）を含みます。純粋なFe2O3の鉄分は69.9%で、これが鉱石の鉄分の上限です。鉄1 tをとるのに、少なくとも約1.43 tの鉱石が要ります本稿の計算。

• 高炉は、低品位の鉱石を使いやすい。GREINSの整理では、高炉法は低品位鉱石を使え、高級鋼もつくれる一方、電気炉は、低品位の鉱石の使用が難しいとされます［参考資料8］。NEDOは、電炉は高炉に比べて不純物を除去することが難しいため、不純物が多い低品位鉱石が使えないという原料の制約があるとしています［参考資料6］。
• 既存の直接還元は高品位ペレットが前提。GREINSは、現在のシャフト炉の原料は高品位ペレットで、日本の水素還元シャフト炉は、低品位原料の使用を志向するとしています［参考資料9］。LKABは、HYBRITの価値連鎖で、同社の高品質の鉄鉱石を活用する立場を示しています［参考資料12］。
• 鉱石の産地の問題でもある。IEAは、ブラジルやサハラ以南のアフリカの高品位の鉄鉱石を、低排出の水素で直接還元鉄（HBI）にして輸出する機会を指摘しています。直接還元鉄の価格は、現在、鉄鉱石の約4倍です。ただし、新しい鉱山の開発には最大10年かかるため、早期の機会は、既存または開発が進んだ鉱山のある地域に限られます［参考資料4］。
• 粉鉱を使う試み：IEAによると、ナミビアのHyIronのOshivela工場は、2025年3月に、ペレット化や焼結を経ない磁選した粉鉱を、ロータリーキルンで100%水素により還元し、初めての直接還元鉄をつくりました（年産能力1.5万 t）［参考資料4］。

GREINSは、水素直接還元と電気炉の組み合わせで、2030年までに、自動車の外板などに使える高級鋼を、約300 t規模の大型電気炉で、リン150 ppm以下、窒素40 ppm以下という高炉法並みの水準でつくる技術の実証を目標としています［参考資料10］。直接還元と電気溶融炉、転炉を組み合わせる別の経路では、リン0.015%以下、電気溶融炉で副生するスラグの酸化鉄を3%以下（セメント用途の品質）にする目標です［参考資料10］。

6. 素材技術者の視点①：ペレットの中で起きること、還元鉄の性質

7. 素材技術者の視点②：高温の水素を加熱し、運ぶ設備と、電気炉

8. 日本の取り組み（公式資料で確認できる範囲）

日本は、2008年から世界に先駆けて、水素還元製鉄の技術開発（COURSE50）を始めました。2016年からは、12 m³の試験高炉（実機の約1/400）で試験し、水素系ガスの吹き込みで、還元工程のCO2排出量を10%以上減らせることを世界で初めて検証しています事実［参考資料7］。NEDOによれば、CO2の分離回収と組み合わせると、試験高炉の実証で、CO2排出量30%削減が可能な技術の確立にめどが立っています［参考資料6］。

表3　日本の水素製鉄の取り組み（NEDO・GREINS・JFEスチールの公表資料［参考資料5〜11］。事実）。

GREINSは、鉄鋼業のカーボンニュートラルに必要な投資を、鉄鋼全体で10兆円程度と想定し、2030年までに数千億円、2050年に向けてはさらに多額の研究開発費が必要としています［参考資料7］。これは業界団体の想定です。

9. 欧州の取り組み、実証の規模と時期

表4　欧州などの水素製鉄プロジェクト（事実。計画・見通しの項は未確定／将来）。

IEAは、HYBRITとStegraが、EUのイノベーション基金、公正な移行基金、スウェーデンのIndustriklivetなどから、補助金を受けているとし、これらのプロジェクトは、100%水素による鉄鉱石の直接還元を、初めて実証するものだとしています。この工程は、まだ商業的な規模では実証されていません［参考資料4］。

10. 課題とコスト

• コスト：IEAは、再エネ水素を鉄鋼に使うと、製品のコストが約40%上がるとしています。鉄鋼は利益率が低く、この上乗せは採用の大きな障壁になりうるとしています［参考資料4］。別の箇所で、IEAは、水素直接還元の費用の差を、高炉と比べて50〜140%、天然ガスの直接還元と比べて20〜80%（地域による）と示し、設備費も、商業規模に達した時点で、天然ガスの直接還元より40〜140%高い見込みとしています［参考資料4］。（40%と50〜140%は、基準と対象が異なる推計で、そのまま比べられません。）
• 水素と電力の確保：表2のとおり、年産100万 tで約330〜650 MWの電解槽と、約2.9 TWh/年の電力が要ります本稿の計算。IEAは、ドイツの鉄鋼3社の水素の入札が、電解槽のコストと、再エネ電力の価格の不確実性などを理由に、契約に至っていないことを報告しています［参考資料4］。
• 鉱石の品位と不純物：第5章。低品位鉱石を使えるかどうかが、日本の目標の中心にあります。
• 設備と投資：GREINSは、鉄鋼全体で10兆円程度の設備投資が必要になるとの想定を示しています［参考資料7］。
• 制度と需要：IEAは、公共部門が鉄鋼需要の25%を占めると述べ、公共調達などで、低排出の鉄鋼の需要をつくる案を挙げています［参考資料4］。日本と欧州の制度の詳細は、本稿では扱いません。

11. 限界と、確認できなかったこと

(1) 数値は条件つきで読む

水素の使用量（54.1 kg/t）は化学量論の値で、実機では損失や、直接還元鉄の未還元分、スクラップの使用量で変わります。Voglらの3.48 MWh、Bhaskarらの3.72 MWhは、それぞれ前提と境界が異なります。

(2) 確認できなかった項目

• 高温の水素に接する設備材料（加熱器、配管、耐火物、炉壁）の耐久性と、水素脆化の評価。
• 鉄鉱石の品位の基準値（鉄分、脈石の上限）。本稿が参照した公式資料には、数値の記載がなかった。
• HYBRITのGällivare実証プラントの最新の状況（2026年10月）。
• 日本の高炉水素還元（実高炉での試験）の最新の成果。
• Stegraの電解槽と鋼の生産量の関係（スクラップの比率、効率）と、追加資金の確保の結果。
• 日本の水素・電力の供給価格の見通しと、鉄鋼向けの制度（価格差支援など）の個別の扱い。

(3) 他の編との役割分担

水素の製造コストの式は『水素の製造コスト』編、電力系統との関係は『電力グリッドと再エネ』編、高温の水素に接する材料は、各編（高圧水素タンク、水素パイプライン、バリア性とコーティング）で扱います。

12. 用語集

13. 参考資料（一次情報）

1. Patisson, F. and Mirgaux, O."Hydrogen Ironmaking: How It Works", Metals 10(7), 922（2020年。査読付き） — mdpi.com
2. Vogl, V., Åhman, M. and Nilsson, L. J."Assessment of hydrogen direct reduction for fossil-free steelmaking", Journal of Cleaner Production 203, 736-745（2018年。要旨を参照） — doi.org
3. Bhaskar, A., Assadi, M. and Nikpey Somehsaraei, H."Decarbonization of the Iron and Steel Industry with Direct Reduction of Iron Ore with Green Hydrogen", Energies 13(3), 758（2020年。要旨を参照） — mdpi.com
4. IEA"Global Hydrogen Review 2025"（印刷ページ：p.18＝公共調達、p.22＝直接還元鉄の価格と鉱石、p.37＝製品コストへの影響、p.39〜40＝入札、p.48＝産業の水素需要、p.51＝コストの差、p.89＝一時停止、p.101＝Stegra、p.169＝補助金、p.195＝HyIron、p.198＝Stegra） — iea.org
5. NEDO（グリーンイノベーション基金）「製鉄プロセスにおける水素活用」プロジェクトのページ — green-innovation.nedo.go.jp
6. NEDO「グリーンイノベーション基金事業、製鉄プロセスでの水素活用プロジェクトに着手」2022年1月7日 — nedo.go.jp
7. GREINS（水素製鉄コンソーシアム）「テクノロジー 01 日本鉄鋼業の現状」 — greins.jp
8. GREINS（水素製鉄コンソーシアム）「テクノロジー 02 鉄鋼業におけるCO2削減のチャレンジ」 — greins.jp
9. GREINS（水素製鉄コンソーシアム）「テクノロジー 04 水素を使って鉄鉱石を直接還元する技術」 — greins.jp
10. GREINS（水素製鉄コンソーシアム）「テクノロジー 05 電気炉で効率的に高品位鋼をつくる技術」 — greins.jp
11. JFEスチール、NEDOほか「日本初、グリーン水素を使用した還元鉄試作に成功しました」2026年7月31日 — jfe-steel.co.jp
12. LKAB"HYBRIT: Six years of research paves the way for fossil-free iron and steel production on an industrial scale"（2024年8月27日） — lkab.com
13. 欧州委員会（INCITE）"Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT)" — europa.eu
14. Stegra"Stegra announces closing of €1.4 billion financing round"（2026年6月24日） — stegra.com
15. Stegra"Stegra implements changes following 100-day review under new owners – Håkan Buskhe appointed CEO"（2026年9月30日） — stegra.com

14. 主張と出典の対応表（監査）

最終更新：2026年10月／出典は一次情報（査読論文、IEAの報告書、NEDO・GREINS・JFEスチール、LKAB・欧州委員会・Stegraの公表資料）に限定しています。市場調査会社の推計は使っていません。企業・プロジェクトの状況の確認日は2026年10月です。 材料や設備の観点での読み取りは「解説」として出典付きの事実と区別しています。 高温の水素に接する設備材料の耐久性、鉄鉱石の品位の基準値、HYBRIT Gällivareの最新の状況、日本の高炉水素還元の実高炉での成果、Stegraの追加資金の結果は、公開された一次情報で確認できなかったため記載していません。 本記事の計算は式と明示した仮定から算出したもので、特定のプラントや企業の予測ではありません。 図はすべて説明用の概念図または本稿の計算図です。図2〜図6はベクター作図、図1はAI生成イメージであり、いずれも実際の設備・企業の構成を示すものではありません。