1. はじめに
私たちの身の回りを見渡すと、道路、橋、ビル、住宅など、あらゆる建設物にセメントが使われています。このセメント産業は現代社会のインフラ構築に欠かせない存在ですが、同時に世界のCO2排出量の約7〜8%を占める大きな排出源でもあります。これは航空（世界のCO2排出の約2.5%）より大きい規模です。
なぜセメント製造でこれほど多くのCO2が排出されるのでしょうか。実は、セメントの主原料である石灰石を高温で焼く際に、化学反応によって必然的にCO2が発生してしまうのです。このため、他の産業と比べて削減が困難とされてきました。しかし、2050年カーボンニュートラルの実現に向けて、セメント産業も革新的な取り組みを進めています。
本記事では、セメント製造の現場で実際に導入されている省エネルギー技術から、将来の脱炭素化を担う画期的な新技術まで、最前線の取り組みを分かりやすく解説します。
2. なぜセメント製造でCO2が大量発生するのか
2.1 避けられない化学反応の仕組み
セメント製造におけるCO2排出を理解するには、まずセメントがどのように作られるかを知る必要があります。セメントの製造では、石灰石を主原料として約1,450℃の高温で焼成します。この時、石灰石（炭酸カルシウム：CaCO3）は生石灰（酸化カルシウム：CaO）に変化しますが、この化学反応で必然的にCO2が放出されます。
この反応は「CaCO3 → CaO + CO2」という式で表され、石灰石1トンから約440kgのCO2が発生します。これがセメント産業のCO2排出の約60%を占める「プロセス起源CO2」と呼ばれるもので、セメントを作る限り原理的に避けることができない排出です。
残りの約40%は、1,450℃という超高温を作り出すための燃料燃焼によって生じる「エネルギー起源CO2」です。例えば、東京スカイツリーの建設で使用されたコンクリートの基礎部分だけでも、約36,000m³のコンクリートが使われており、その製造過程で大量のCO2が排出されたことになります。
2.2 日本のセメント産業の現状と取り組み
日本のセメント産業は、長年にわたってエネルギー効率の改善に取り組んできました。資料によると、2024年度の日本のセメント生産量は約4,587万トンで、セメント製造に伴うCO2排出量は約3,257万トンに達しています。また、セメント1トンあたりのCO2排出原単位は約712kg-CO2/トン・セメントで、その内訳はプロセス起源CO2が約60%（約2,019万トン）、エネルギー起源CO2が約40%（約1,238万トン）です。
この削減は主に省エネルギー技術の導入と、製鉄所から出る高炉スラグなどの副産物を活用した混合材の活用（クリンカ比率の低減）によるものです。実際に、首都圏で建設されている多くの高層ビルでは、普通のポルトランドセメントではなく、CO2排出量を抑えやすい高炉セメントなどが用途に応じて使用されています。
2.3 世界が求める大幅削減の必要性
パリ協定を受けて、世界のセメント産業には2050年までに大幅なCO2削減が求められています。これは非常に挑戦的な目標で、従来の省エネルギー技術だけでは達成が難しいとされています。日本セメント協会も長期ビジョンを策定し、革新的な技術開発への取り組みを本格化させています。
ただし、現実的には多くの課題があります。新技術の開発には巨額の投資が必要で、コスト面での競争力を保ちながら環境性能を向上させることは容易ではありません。また、建設業界全体での理解と協力も不可欠です。
3. 現場で実証されている省エネルギー技術
3.1 熱効率を飛躍的に向上させたキルンシステム
セメント製造の心臓部であるキルン（焼成炉）の技術革新は、CO2削減の最重要課題です。日本のセメント工場では現在、NSPキルン（New Suspension Preheater Kiln）という高効率システムがほぼ100%普及しています。
このシステムの画期的な点は、原料を段階的に予熱する仕組みにあります。従来の湿式キルンでは原料をスラリー状にして処理していましたが、NSPキルンでは乾燥した原料粉を5段の予熱器で段階的に加熱します。これにより熱効率が大幅に向上し、従来と比べて約50%もの熱消費削減を実現しています。
さらに注目すべきは廃熱回収発電システムです。セメント製造では大量の熱が廃熱として捨てられていましたが、この技術により有効活用できるようになりました。例えば太平洋セメントでは、埼玉工場への廃熱発電設備の導入により、稼働後に年間約2.7万トン規模のCO2排出削減を見込むとしています。
3.2 粉砕工程の革新による大幅な省エネ
セメント製造では原料とクリンカーの粉砕に大量の電力を消費します。この工程の省エネルギー化も重要な取り組みです。従来のボールミル（回転ドラムに鋼球を入れて粉砕する方式）に代わって、竪型ミル（Vertical Roller Mill）の導入が急速に進んでいます。
竪型ミルは、ローラーで原料を押し潰しながら粉砕する方式で、ボールミルと比べて約30%の電力削減が可能です。住友大阪セメントの赤穂工場では、原料ミルと仕上げミルの両方に竪型ミルを採用し、工場全体の電力消費量を大幅に削減しています。
また、粉砕された粒子を効率的に分級する高効率セパレーターの進化も見逃せません。最新の第3世代セパレーターでは、必要以上の細かい粒子を作る「過粉砕」を防ぐことで、従来型と比較して15-20%の省エネルギーを実現しています。
3.3 AI技術がもたらす運転最適化の可能性
近年、人工知能（AI）技術の活用による省エネルギー化も注目されています。セメント製造は複雑な化学反応を伴うため、熟練オペレーターの経験と勘に頼る部分が多くありました。しかし、AIによってこの「職人技」の一部をモデル化し、運転条件を継続的に最適化する試みが進んでいます。
国内外の事例として、キルン運転のリアルタイム最適化により、比エネルギー（熱・電力）を1〜5%程度改善したとする報告があります。数%という改善幅は一見小さく見えても、燃料使用量が大きいセメント工場では削減インパクトが積み上がります。
ただし、AI技術の導入にはコストがかかり、中小規模の工場では投資回収が困難な場合もあります。また、システムの維持管理には専門知識が必要で、現場での定着にはまだ時間がかかるのが実情です。
4. 廃棄物を宝に変える原料・燃料代替技術
4.1 製鉄所との連携で生まれた高炉スラグセメント
セメント産業の大きな特徴の一つは、他産業で発生する廃棄物や副産物を有効活用できることです。その代表例が製鉄所から発生する高炉スラグを使った高炉セメントです。
高炉スラグは、製鉄の過程で鉄鉱石から鉄を取り出す際に生成される副産物で、以前は産業廃棄物として処理されていました。しかし、この高炉スラグには水と反応して硬化する「潜在水硬性」という性質があることが分かり、セメントの原料として活用されるようになりました。
現在広く使われている高炉セメントB種では、高炉スラグを30-60%混合することで、普通ポルトランドセメントと比較してCO2排出を抑えやすいとされています。例えば、羽田空港の拡張工事や関西国際空港の建設では、海水に対する抵抗性が高い高炉セメントが大量に使用されており、環境負荷削減と高い耐久性を両立させています。また、石炭火力発電所から発生するフライアッシュ（石炭灰）の活用も進んでいます。フライアッシュセメントB種では、フライアッシュを15-30%混合することで、CO2排出量を削減できます。実際の現場では、これらの混合セメントは普通セメントと同等以上の性能を発揮しており、多くの建設プロジェクトで採用されています。
4.2 ごみを燃料にする循環型システム
セメント工場の高温環境を活かした代替燃料の利用も、CO2削減の重要な手段です。日本のセメント産業では、廃プラスチックや廃タイヤなどを燃料として活用しており、2024年度の業界平均で熱エネルギー代替率（TSR）は約27.3%とされています。
廃プラスチックの燃料利用では、セメントキルンの約1,450℃という高温環境により、ダイオキシンなどの有害物質を分解しやすいというメリットがあります。一般的な焼却炉では800-900℃程度の温度ですが、セメントキルンではより高温で長時間燃焼するため、処理の選択肢として活用されています。
廃タイヤの場合も同様で、ゴム部分は高カロリーの燃料として、スチールワイヤー部分はセメントの鉄源として、すべてを無駄なく活用できます。実際に、2024年度には廃棄物・副産物として約2,187万トンがセメント産業で受け入れられており、日本の資源循環の中で重要な役割を果たしています。木質バイオマスや下水汚泥などのバイオマス燃料の利用も拡大しています。これらはカーボンニュートラルな燃料とみなされるため、使用量を増やすほどCO2削減効果が高まります。ただし、品質の安定性や供給量の確保、処理コストなどの課題もあり、各工場では慎重に検討を進めているのが現状です。
4.3 新しい原料技術への挑戦
より根本的なCO2削減を目指して、石灰石に代わる新しい原料の研究も進んでいます。東京工業大学とデンカが共同で取り組んでいるのは、産業廃棄物である炭酸カルシウム汚泥を石灰石の代替原料として活用する技術です。
この技術が実用化されれば、原料起源のCO2を削減できる可能性があります。しかし、新しい原料を使ったセメントの品質や耐久性の確保、製造コストの問題など、実用化に向けてはまだ多くの課題があります。また、建設業界での受け入れや、JIS規格などの基準適合も重要な検討事項です。
5. 次世代技術CCUS – CO2を資源として活用する
5.1 工場の煙突からCO2を回収する技術
CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage）は、CO2を回収し、利用または貯留する技術の総称で、セメント産業の脱炭素化の切り札として期待されています。まず重要なのがCO2回収技術です。
現在最も実用化に近いのは、アミン系吸収液を用いた化学吸収法です。これは、CO2と化学的に結合する特殊な液体を使って、排ガスからCO2を分離回収する技術です。例えば太平洋セメントでは、セメントキルン排ガスからCO2を分離・回収する国内初の日量10トン規模の実証試験設備を工場内に設置し、実証を進めています。
ただし、この技術には大きな課題があります。CO2を吸収した液体を再生するためにエネルギーが必要で、回収プロセス自体のエネルギー消費（ひいてはコスト）をどう下げるかが鍵となります。このため、固体吸収材など次世代の分離技術の研究開発も進められています。
5.2 回収したCO2を有用な製品に変える技術
回収したCO2をそのまま大気に放出するのではなく、有用な製品に変える「CCU（Carbon Capture and Utilization）」技術も注目されています。
実用化が進んでいる領域の一つが、CO2をコンクリート製造に活用する技術です。カナダのCarbonCure社が開発した方式では、コンクリート製造時にCO2を注入し、炭酸カルシウムとして固定化させます。公開情報では、コンクリート1m³あたり平均で約7〜15kg程度のCO2排出削減が示されており（用途・配合で幅があります）、この削減の多くはセメント使用量（結合材量）の最適化によって実現されると説明されています。
国内でも、回収CO2と廃棄物由来のカルシウム源を反応させ、炭酸塩化（鉱物固定）によって「人工石灰石（炭酸カルシウム相当）」を製造し、セメント原料や他用途に展開する技術開発が進んでいます。住友大阪セメントはNEDOのプロジェクトの一環で、高品位なCO2再資源化人工石灰石の生成・用途開発を進めています。
5.3 CO2を地下に永続的に貯留する技術
回収したCO2を地下深くに注入して永続的に貯留するCCS（Carbon Capture and Storage）技術も重要な選択肢です。しかし、日本では地質的な制約により適切な貯留サイトが限られているのが現状です。
北海道苫小牧で実施されたCCS実証試験では、目標である累計30万トンのCO2圧入が達成され、技術的な実現可能性が示されました。しかし、セメント工場から大量に発生するCO2を大規模に貯留するには、貯留サイトの確保や輸送インフラの整備など、多くの課題があります。
現実的には、国内外の貯留サイトとの連携や、船舶による輸送システムの構築なども検討されていますが、コストや技術的な課題は大きく、本格的な実用化にはまだ時間がかかると予想されます。
6. 未来を変える革新的製造技術
6.1 焼成温度を下げる新しいセメント
従来のセメント製造の常識を覆す技術として、より低い温度で製造できるセメントの開発が進んでいます。従来のセメントは約1,450℃で焼成する必要がありましたが、セメントの鉱物組成を変えることで、この温度を大幅に下げることが可能になってきました。
注目されているのがビーライト系セメントです。従来のエーライト（C3S）を主成分とするセメントに対し、ビーライト（C2S）を主成分とするセメントは、焼成温度を約200℃低下させることができます。デンカが開発したこのビーライト系セメントは、CO2排出量を約10%削減できるだけでなく、長期的な強度発現に優れているという特徴もあります。
また、鉱化剤（フラックス）を添加して焼成温度を下げる技術も実用化されています。フッ素化合物や硫酸塩を少量添加することで、焼成温度を50-100℃低下させることができ、燃料消費量の削減につながります。ただし、フッ素の使用には環境面での配慮が必要で、排ガス処理の強化などの対策が求められています。
6.2 化石燃料を使わない電気炉技術への挑戦
さらに革新的な技術として、電気を使ってセメントを製造する電化キルン（電気炉）技術の開発が世界各地で進んでいます。例えばスウェーデンでは、プラズマ加熱によってキルンを電化し、燃料由来CO2を原理的に削減しながら高温域（クリンカ焼成）を成立させる研究・試験が進められています。
日本でも、NEDOの支援を含む複数の枠組みで電化・燃料転換・回収型プロセスに関する研究開発が進められています。しかし、電化の削減効果は電源構成に強く依存するため、再生可能エネルギーや低炭素電源の拡大が前提条件となります。
電化技術の最大の課題は経済性です。大型セメント工場で必要な電力量は膨大で、電力インフラの整備も大きな課題です。実用化には技術的なブレークスルーと、エネルギー政策の大きな転換が必要と考えられています。
7. 実際の現場での取り組みと将来への道筋
7.1 日本の工場での先進的な取り組み
実際のセメント工場では、様々なCO2削減技術が組み合わせて導入されています。多くの工場で、廃熱回収発電システムの活用、粉砕工程の高効率化、代替燃料の拡大、混合材の活用（クリンカ比率の低減）などを統合的に進めています。
また、実証段階の取り組みとして、太平洋セメントのCO2分離・回収（セメントキルン排ガスからの日量10トン規模の実証）や、住友大阪セメントによるCO2再資源化人工石灰石（鉱物固定）技術のパイロット設備整備など、プロセス起源CO2に正面から向き合う動きも進んでいます。
7.2 世界の動向と日本の位置づけ
世界に目を向けると、セメント業界大手のHolcimは、複数の手段（混合材の拡大、代替燃料、デジタル最適化、CCUSなど）を組み合わせたネットゼロへのロードマップを公表し、カナダではセメント工場のCO2回収・利用を目指すCO2MENTプロジェクトなども進めてきました。インドのDalmia Cement（Dalmia Bharat）は2040年のカーボンネガティブを掲げるなど、企業によって目標設定や戦略は多様化しています。
こうした世界的な動きの中で、日本のセメント産業は省エネルギー技術では世界をリードしているものの、代替燃料の使用率や混合材の活用拡大など、さらに伸ばせる余地がある分野もあります。特に建設業界での材料選定（仕様・調達・発注）とセットで進めないと普及が進みにくい点が、実装上の論点になります。
7.3 2050年カーボンニュートラルへの現実的な道筋
日本セメント協会が策定したロードマップでは、2050年カーボンニュートラル実現に向けて段階的な取り組みを計画しています。しかし、この道のりは決して平坦ではありません。
2030年までの短期目標では、既存技術の最大限活用により代替燃料の拡大と、混合材の活用（クリンカ比率の低減）を目指します。しかし、代替燃料の安定調達や品質管理、混合材活用に対する建設業界の理解促進など、技術以外の課題も多く残されています。
2040年までの中期目標では、CCUS技術の商業化開始が大きな節目となります。現在実証段階にある技術を商業規模に拡大するには、膨大な投資が必要で、政府の支援や制度設計などの政策的な後押しが不可欠です。
2050年のカーボンニュートラル実現には、電化技術や水素利用技術など、現在まだ基礎研究段階にある革新的技術の実用化が必要です。これらの技術開発には時間がかかり、投資リスクも高いため、産官学の連携による継続的な取り組みが求められています。
8. まとめ
セメント産業のCO2削減への取り組みは、決して一つの「魔法の技術」で解決できるものではありません。省エネルギー技術、廃棄物利用、CCUS技術、そして将来の革新的製造技術まで、多層的なアプローチが必要です。
現在の日本のセメント産業は、長年の技術開発により世界最高水準のエネルギー効率を達成しています。しかし、2050年カーボンニュートラルという目標は、これまでの延長線上では達成困難な挑戦的なものです。特に、石灰石の脱炭酸反応による避けられないCO2排出をどう処理するかが、最大の課題となっています。
技術的な解決策は見えてきているものの、実用化には多くの困難が待ち受けています。CCUS技術の商業化には膨大な投資が必要で、電化技術の実現には再生可能エネルギーの大幅な普及が前提となります。また、新しい技術で製造されたセメントを建設業界に受け入れてもらうには、性能や安全性の実証と、業界全体の意識改革が不可欠です。
一方で、セメント産業の脱炭素化は大きな社会的意義を持っています。廃棄物の有効活用による循環型社会の構築、新技術開発による産業競争力の強化、そして地球温暖化対策への貢献など、多面的な価値を創出できます。
重要なのは、完璧な技術の出現を待つのではなく、現在利用可能な技術を最大限活用しながら、同時に次世代技術の開発を進めることです。セメント産業、建設業界、政府、研究機関が連携し、長期的な視点で継続的に取り組むことで、持続可能な社会の実現に貢献していくことが期待されています。