日本“碳中和”绿色发展战略中的材料产业实施计划

2020年10月26日 ，日本首相菅义伟宣布，日本将在2050年实现温室气体零排放，完全实现“碳中和”。当下，以应对气候变暖制约经济增长和作为经济增长代价的时代已经结束。国际社会已经进入了将应对气候变暖转变为经济增长机遇的时代。

本文对2021年3月日本经济产业省和各有关府省制定的“实现2050年碳中和的绿色发展战略”（以下简称：绿色发展战略）做简要介绍。

绿色发展战略概要

为在2050年实现 “碳中和”，日本制定了14个主要相关产业的绿色发展战略“实施计划”，内容包括该产业的现状和需解决的课题、今后的发展方针和2050年前的路线图。钢铁业属于这14个产业中的“碳循环·原料产业”。

绿色发展战略对于各产业通用的主要政策包括预算、税制、金融、规制改革·标准化、国际合作等方面。例如，在预算方面，在NEDD（日本新能源·产业技术综合开发机构）建立了2万亿日元的“绿色创新基金”，对包括氢炼铁在内的18个项目进行研究开发。

电力产业的脱碳化是实现2050年“碳中和”目标最为关键的一步，需要发展可再生能源、氢能发电和以CO2回收为前提条件的火力发电、核能发电，逐步实现电力产业的脱碳化。

对于电力产业以外的其他产业（工业、运输等），要大力推进电气化，通过与“碳中和”的电气化组合，逐步实现这些产业的脱碳化。对于难以实现电气化的高需求产业，要逐步利用氢等脱碳燃料，并从化石燃料中回收、再利用CO2。对于这些产业，必须进行创新型的制造工艺的开发和脱碳技术的开发。

除上述措施外，对于最终仍难以实现脱碳化的产业，采取植树、直接空气碳捕获与储存（DACCS）、生物能源碳捕获与储存（BECCS ）等技术逐步实现碳中和目标。

材料产业的实施计划

钢铁等各种金属、化学品、水泥、纸张等材料是支撑人们生活的重要物资。这些材料的轻量化、强韧化有助于下游工序的节能和资源的节约。

另外，材料产业在材料生产制造过程中会排出大量的CO2，其中钢铁业的CO2排放目前相对较高，需要对钢铁生产工艺进行根本性变革。

总体来说，为在2050年实现“碳中和”，需要推进在创新型金属材料、创新型的冶炼、轧制及加热方法、资源有效利用等方面的研究开发（图1）。

3.1创新型金属材料

3.1.1简介

实现汽车、船舶、飞机等各产业的“碳中和”，需要创新型的金属材料支撑。例如，为提高能效，要推进运输机械的轻量化，轻量强韧化金属材料不可或缺。为实现5G、6G高度发展的信息通信社会，需要开发高强度、高导热率的新型合金，以使数据中心节能化。

此外，在社会公共设施领域，为扩大使用新型的无碳能源，需要提供满足各种特性要求的材料。例如，对于氢供给设备，为防止氢脆的发生，需要开发耐氢腐蚀性优良的创新型金属材料。

3.1.2具体研发方向

为使产业界最终产品达到脱碳化的目标，应实现创新型金属材料的开发和供给，降低运输机械的燃料消耗，高度发展信息通信社会。例如，开发出超过现有汽车用高强度钢板的创新型超高强度钢板，以及多种材料复合（多元化材料）等，使运输机械在保持成本竞争力的同时进一步轻量化。

飞机发动机电动化需要使用新型合金和高耐热性材料。为此要加速开发飞机发动机用的全新高性能材料，以使新一代飞机轻量化和飞机发动机高效率化，降低飞机的燃料消耗，预计这项研究将使2040年全年飞机发动机CO2减排量达到92.8万吨。此外，为实现数据中心的省电化，早日实现5G、6G社会，还要开发功能性合金，既提高热传导率，又实现高强度化。

在社会公共设施方面，要开发出适于日本国内特殊自然条件的高强度、短工期、低成本的海上风力发电用结构材和电缆用材。对于日本现在依存于海外企业的海上风力发电产业，要构建海上风力发电的国内产销链，从而实现海上风力发电装置的低建造成本和低维护维修成本。

3.2主要存在的问题

3.2.1简介

金属材料在实现“碳中和”社会中具有很大作用，但目前金属材料在制造阶段（冶炼、轧制）仍会排放大量的CO2，其脱碳化是当务之急。

在冶炼工序，如能用氢取代用作铁矿石还原剂的煤炭，则可大幅降低CO2排放量。但焦炭的还原反应是放热反应，而利用氢的还原反应是吸热反应，随着氢还原反应的进行，高炉会冷却。为连续进行还原反应，需要补充热量。此外，减少煤炭用量，反应气体在炉内流通需要的间隙发生怎样的变化等技术方面的问题解决难度很大，所以目前在世界上尚未建立起氢还原铁的技术。另外，低成本氢的供应问题也尚未解决。

对于轧制及加热工序，加热炉的能耗很大，存在电费等能耗成本过大的问题。为此，需要对加热炉开展大幅节能创新加热技术的开发。

3.2.2具体研发方向

钢铁产业“碳中和”的目标是，率先在世界上进行CO2排放量实质为零的“零碳钢铁”技术的开发和应用，到2050年使绿色钢铁的市场份额达到5亿吨/年。

为此实施的措施包括：在钢铁生产的还原及冶炼工序，开发利用高炉进行氢还原铁矿石的技术，分离回收高炉煤气中的CO2和将回收的CO2转化为还原剂再利用的技术，以及减少钢铁生产中CO2排放量的技术。为实现2050年的“零碳钢铁”目标，确立了支撑全氢还原铁矿石的“氢直接还原法”的基础技术，包括铁矿石还原需要的炉内热补偿技术、原料中的杂质去除技术、电炉熔炼还原铁的技术等。

在熔炼和轧制工序（包括钢铁及非钢行业），开发省电化电解和轧制再加热的电加热化等CO2减排技术。一般来说，电加热的能源效率低于化石燃料的能源效率，因此要提高电加热装置用材的热传导率，推进电加热的节能化，以降低材料的生产成本。

3.3资源的有效利用

3.3.1简介

日本的矿产资源对外依存度很高，为实现金属材料的稳定供给，必须提高国内产生的废金属料的循环利用水平，并致力于实现资源的节约。

此外，要扩大环境友好型金属材料的应用，降低金属材料制品全生命周期的CO2排放量，参与制定关于全生命周期环境负荷评价的国际标准，以规范和促进绿色金属的普及与应用。

3.3.2具体研发方向

通过资源循环利用的扩大和制品长寿化使CO2排放量下降，以实现脱碳化，并降低资源的制约性。例如，可以预见，轻量化材料铝在汽车制造中的需求将会增大。预计到2050年铝材在全球汽车用材市场中的份额将增加50%，达到约1.4亿吨。为此，要进行可将废铝材循环用于汽车车体材料的高端循环利用技术的开发，使铝材的资源循环利用率由现在的10%提高到50%（2050年）。

在钢铁材料方面，汽车板等高等级材料还依赖于高炉-转炉长流程工艺，为此要开发和利用杂质去除技术，从而实现由长流程向短流程工艺的转变，促进钢铁材料的循环利用。

此外，从含有微量稀有金属元素等的铁矿石、废金属料和海洋中提取和回收稀有金属技术，稀有金属的再利用、再资源化技术，减少稀有金属用量技术，以及用非稀有金属替代稀有金属技术的开发和高端化，可以有效地缓解稀有金属资源短缺的制约。