鉄鋼の新しい製造方法により、米国の輸入依存が軽減される可能性がある |マサチューセッツ工科大学ニュース

「本当の見出しは、米国で鉄鉱石から鉄鋼を製造できるコスト競争力が 25% 向上し、同時に排出量も削減できるという事実です。」メルーエは言う。 「米国はここ数十年、鉄鋼製造において競争力がありませんでした。今、私たちはそれを可能にしています。」

ヘルタは2024年末以来、テキサス州ヒューストン郊外にある同社初の生産施設で1日あたり1トンのパイロットプラントを稼働させている。同社はこれを、単一段階の製鉄プロセスの世界最大のデモンストレーションと呼んでいる。同社は今年、年間１万トンの鉄鋼を生産できる工場の建設に着手する。ヘルタはこの工場で2027年末にはフル生産能力に達すると予想しており、磁石産業向けの高純度鉄も生産し、米国の陸上でのもう一つの重要な材料を支援することになる。

「膨大な量の銑鉄と鋼鉄を輸入することにより、私たちはインフラ、防衛システム、エネルギーシステムにとって重要な材料を作り続けるために、今日のままの世界貿易メカニズムと地政学に完全に依存しています」とメルーエ氏は言う。 「鉄は私たちの社会にとって最も基礎的な素材であり、かけがえのないものです。」

製鉄の合理化

メルーエは、MIT のカール・リチャード・ソダーバーグ電力工学教授、ガン・チェンの研究室で修士号を取得しました。彼女は熱エネルギー貯蔵と熱伝達の基礎物理学を研究し、最終的にその研究の一部を商業化することを模索したときに初めて起業家精神を味わいました。メルーエ氏は MIT サンドボックス イノベーション ファンドから助成金を受け取り、現在ではエグゼクティブ ディレクターのジナン アボウナディ氏を親しい指導者と考えています。

この経験でメルーエさんはスタートアップについて多くのことを学びましたが、最終的に彼女は MIT に残り、MIT の機械工学教授であるダグラス ハートの研究室で冶金学と水素製造の博士号を取得することを決意しました。 2020 年に博士号を取得した後、彼女は 1 年半水素製造スタートアップを率いるよう採用されました。

「あの経験以来、私は経済の中で削減が困難で排出量の多い部門をすべて調べて、最も注目されていない部門を見つけるようになりました」とメルーエ氏は言う。 「私は鋼鉄に出会い、恋に落ちました。」

メルーエは気候とエネルギーのスタートアップ投資会社ブレークスルー・エナジーのイノベーターズ・フェローとなり、2022年にヘルタ・メタルズを正式に設立した。

同社の名前は、同社が炉で使用している電気アークについての理解を深めた 19 世紀の物理学者で発明家のヘルタ アイルトンにちなんで命名されました。

世界的に見て、今日のほとんどの鉄鋼は、高炉で鉄鉱石とコークス（石炭から）および石灰石を組み合わせて溶鉄を作ることによって作られています。その後、その「銑鉄」は別の炉に送られ、余分な炭素や不純物が焼き除かれます。その後、合金元素が追加され、鋼は鋳造と仕上げに送られるため、追加の機械が必要になります。

米国は鉄鋼の大部分をリサイクルされた金属スクラップから製造していますが、有用なグレードの鋼材を入手するには高炉から製造された鉄を輸入する必要があります。

「米国には、単なるスクラップではなく、鉄鉱石から鉄鋼を製造する大きなニーズがある。そのため、輸入にあまり依存するのをやめることができる」とメルーエ氏は説明する。 「米国には稼働中の高炉が約 11 基しかないため、最終的には国内のスクラップ鉄鋼炉に供給するために必要な銑鉄の約 90 パーセントを輸入することになります。」

この問題を解決するために、メルーエはアメリカが豊富に持つ燃料である天然ガスを活用しました。ヘルタのシステムは天然ガスを使用し（このプロセスは水素でも機能します）、電気を使用して鉄鉱石をワンステップで溶解しながら還元します。彼女によると、最も近い競合技術は、希少で高価なペレット化された高品位の鉄鉱石と、溶鋼を製造するための複数の炉を必要とします。メルーエのプロセスでは、あらゆる形式やグレードの鉄鉱石を使用し、単一の炉で精製溶鋼を生産し、コストと排出量の両方を削減します。

「従来の製鉄プロセスではこれまで順番に実行されていた多くの反応が、現在では単一の炉内で同時に実行されています」とメルーエ氏は説明します。 「私たちは必要な正確な量まで鋼を溶解し、還元し、浸炭しています。炉から出てくるのは精製された溶鋼です。すべてが溶融相で行われるため、あらゆるグレードと形式の鉄鉱石を処理できます。鉱石がペレットとして入ってきたのか、それとも地面から塊や微粉として入ってきたのかは関係ありません。」

メルーエ氏は、同社の最大のイノベーションは、酸化鉄が溶融液体であるときに独自のガス技術を使用してガス還元を実行することだと述べた。

「従来の製鉄技術はすべて、鉄鉱石が固体の状態で還元を実行し、その還元を実行するために燃焼コークスであろうと天然ガスであろうとガスを使用します」とメルーエ氏は言う。 「私たちは、それを行うことの非効率性と、それが使用可能な鉄鉱石の品位と形状をどのように制限するかを目の当たりにしました。結局のところ、とにかく鉱石を溶かさなければならないからです。」

ヘルタのシステムはモジュール式で、標準的なオフガス処理装置、蒸気タービン、熱交換器を使用します。また、天然ガスをリサイクルして、炉から出る高温のオフガスから電気を再生します。

「当社の製鉄所には独自の小さな発電所が併設されており、これによりエネルギーが 35% 回収され、データセンターと競争する時代に送電網の電力需要が最小限に抑えられます」とメルーエ氏は言います。

重要な資材のオンショア

今日の製鉄所は巨額の投資の結果であり、少なくとも 50 年間は稼働するように設計されています。ヘルタ・メタルズは、それらを完全に置き換えることは考えていない――少なくともすぐには考えていない。

「製鉄所を事業途中でただ閉鎖するわけにはいきません」とメルーエ氏は言う。 「確かに、新しい製鉄所を建設することはできますが、私たちは製鉄所の下流の設備をすべて利用しながら、高炉と塩基性酸素炉を置き換えることができるようにしたいと考えています。」

同社のヒューストン工場は、ヘルタ設立からわずか 2 年後、メルウエ氏がヘルタ本社を開設してから 1 年も経たないうちに、1 日あたり 1 トンの鉄鋼の生産を開始しました。彼女はこれを重要な第一歩と呼んでいます。

「これは、単一工程製鉄会社の最大規模のデモンストレーションです」とメルーエ氏は言います。 「これは、拡張性、進歩のペース、資本効率の点で真の画期的な進歩です。」

同社の次の工場は年間1万トンの鉄鋼を生産できる予定で、電気モーター、ロボット工学、家庭用電化製品、航空宇宙、軍事用ハードウェアに使用される永久磁石用の高純度鉄も生産する予定だ。

「レアアース磁石を国内で製造しないなんて、正気の沙汰ではありません」とメルーエ氏は言う。 「どの国もレアアース磁石を自国で作らないなんて、正気の沙汰ではありません。ほとんどのレアアース磁石は永久磁石なので、ネオジム磁石です。興味深いのは、その磁石の重量の70パーセントはレアアースではなく、高純度の鉄だということです。アメリカは現在、高純度の鉄を製造していませんが、ヘルタはすでにパイロットプラントでそれを製造しています。」

ヘルタは高純度鉄の生産を早急に拡大し、2030年までに米国の磁石総需要予測の約4分の1を賄えるようにする計画だ。

その後、米国の鉄鋼メーカーと提携して本格的な商用鉄鋼プラントを稼働させる計画だ。メルーエ氏は、この工場は年間約50万トンの鉄鋼を生産できる予定で、2030年までに稼働できるはずだと述べている。

「私たちはヘルタのイノベーションとともに既存のインフラを共同で活用できるよう、今日の鉄鋼生産者と提携することに熱心です」とメルウエ氏は言う。 「これには、ヘルタのプロセスが統合できる溶融工場の下流の資本15億ドルが含まれます。溶融工場は製鉄所の鉱石から溶鋼までの部分です。これは始まりにすぎません。これは従来の工場よりも規模が小さく、当社はまだ経済的に従来の生産プロセスと競合しています。その後、バランスシートを構築したら、年間200万トンに規模を拡大する予定です。」