Top-down approachと bottom-up approachによる鉄鋼蓄積量の導出－日本の自動車と建築物への適用－

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しょうこやまがた
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1 2012 年 12 月 4 日第 2 回グリーンスチールセミナー鉄鋼材の資源循環の現状東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻特任准教授醍醐市朗

2 講演内容製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクル銅やアルミのリサイクルと鉄鋼材のリサイクル物質ストックの重要性とストック型社会

3 製品ライフサイクルと素材天然資源組立加工 Distribution 販売 Materials 素材生産 production 使用 Use 廃棄最終処分散逸解体分別 Collection 回収

4 製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクル鉄鉱石高炉電気炉転炉転炉粗鋼加工自家発生スクラップ電炉粗鋼加工転炉鋼材電炉鋼材自家発生スクラップ自動車加工スクラップ機械類建設回収老廃スクラップ製品としての使用埋立散逸

5 Export Material flow of steel in year 2000 Natural Resource 社会の中で何回使われているの? 社会の中で何年使われているの? Obtained from statistics Estimated (Unit : 1000t) 3,574 23, ,882 13,502 2,874 Blast furnace Converter Converter crude steel 45,421 rolling Converter Steel products 25,118 7,457 6, Converter in - house scrap EAF Steel products 22,434 7,833 27,348 Industrial scrap Electric arc furnace (EAF) EAF crude steel rolling 2,977 EAF in - house scrap 2,977 8,663 Use in Products (5 categories) Collection 11,159 22,324 Obsolete scrap from products 22,324 Landfill

6 ランダムウォーク酔っ払いが店 Aと店 Bの間の道でフラフラしている店 A 店 B マルコフ連鎖モデルに必要なもの状態と状態間の推移確率

7 マルコフ連鎖モデルの応用マルコフ連鎖モデルマルコフ連鎖は未来の挙動が現在の値だけで決定され過去の挙動と無関係である ( マルコフ性 ) Virgin material 400t 600t Product A Recycled material 200t Product B 100% Product A Virgin material 80% 75% Recycled material 200t Landfill 800t Landfill 200t 20% Landfill 100% 25% Product B マテリアルフロー確率過程モデル

8 平均使用回数の定義平均使用回数元素は初期状態から様々な中間状態を経て無限回遷移したのちに吸収状態 ( 最終処分 ) にたどり着くその間に製品の状態を経た平均的な回数 Initial state Virgin material 100% Product A 75% Recycled material 25% Product B 最終処分までの間の使用回数 1 回 2 回 3 回確率 % 80% Landfill 100% Landfill 合計 1.00 Final state 平均使用回数は以下の式 =3.0

9 吸収状態 ( 最終処分と輸出 ) 初期状態 Landfill Export Use in Japan 15% 85% 遷移回数日本で還元された鉄は最終的に国内で最終処分される確率は 15% で残り 85% は半製品輸出鋼材輸出最終製品輸出中古品輸出スクラップ輸出により海外に送られている

10 平均使用回数結果土木建築用途別平均使用回数 ( 回数確率 ) 機械類自動車容器その他諸成品平均使用回数平均滞留年数用途平均寿命 [ 年 ] 土木建築 30 機械類 12 自動車 13 容器 1 その他諸成品年の鉄鋼材フローからの推計値

11 平均使用回数とリサイクル率 r : リサイクル率 N: 平均使用回数 50 % 2 回 60 % 2.5 回 70 % 3.3 回 80 % 5 回 90 % 10 回 100 % 無限回 r : リサイクル率 N: 平均使用回数

12 講演内容製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクル銅やアルミのリサイクルと鉄鋼材のリサイクル物質ストックの重要性とストック型社会

13 アップグレードリサイクル銅素材の循環利用天然資源電気銅原料純銅純銅銅合金代表的素材 Cu 組成無酸素銅 >99.90% タフピッチ銅 >99.90% りん脱酸銅 >99.90% 黄銅 ( 亜鉛合金 ) % 快削黄銅 % ダウングレードリサイクル Cu 組成銅スクラップ >97% 銅合金スクラップ >50% 銅合金

Collected Cu-alloy scraps [1,000t/y] アップグレードリサイクル Collected pure-cu scraps [1,000t/y] 銅素材のカスケードリサイクル 1,000 800 600 Obs. from Electric appliances Obs. from Automobiles Obs. from Construction Obs.

from Electric appliances Obs. from Automobiles Obs. from Construction Obs. from Other machinery Obs. from Electronic wire and cable Obs.

14 Collected Cu-alloy scraps [1,000t/y] アップグレードリサイクル Collected pure-cu scraps [1,000t/y] 銅素材のカスケードリサイクル 1, Obs. from Electric appliances Obs. from Automobiles Obs. from Construction Obs. from Other machinery Obs. from Electronic wire and cable Obs. from Others Industrial scraps Statistics 純銅鉱物電気銅 , Year Obs. from Electric appliances Obs. from Automobiles Obs. from Construction Obs. from Other machinery Obs. from Electronic wire and cable Obs. from Others Industrial scraps Statistics 銅合金純銅 361 散逸 45 ダウングレードリサイクル Year 純銅と銅合金が区別されずに回収されることとめっきの存在がカスケードの要因 I. Daigo et al.. Resources, Conservation & Recycling 53 (2009) 銅合金 270 散逸

15 アルミニウム素材の循環利用一次地金 >99% 圧延品 >95% Si Fe Cu Mn 1000 系系 (3000 系 ) 系 (5000 系 ) (6000 系 ) 系系二次地金 >85% 鋳物類 85% Si Fe Cu Mn 鋳物ダイキャスト

16 アルミニウムのカスケードリサイクル原料素材輸出入一次地金圧延品合金地金 2, 合金種 ( 系別 ) に回収されないことがカスケードの要因 99% Al 529 一次地金二次地金日本 304 圧延品鋳物 Unit: kt 2, ,276 ( 日本, 2003) 製品輸出入 110 自動車 % Al 畑山博樹, 山田宏之, 醍醐市朗, 松野泰也, 足立芳寛 : アルミニウムの合金元素を考慮した動的マテリアルフロー分析, 日本金属学会誌. 70(12), (2006)

17 鉄鋼材リサイクルにおける銅の濃化 - 銅は酸化製錬で除去困難 - リサイクル時に混入銅濃度の観測大規模なサンプル調査代表性の確保が困難 A-Press スクラップに混入する銅の量は同定困難モデルを構築しマテリアルフロー分析によって銅の濃化挙動をシミュレーション

18 鉄鋼材の循環利用 A-Press

19 転炉鋼加工スクラッフ転土木建築老廃スクラッフ電特殊鋼加工スクラッフ自動車 A-SR 老廃スクラッフ電炉普通鋼リターンスクラッフ電炉普通鋼加工スクラッフ機械老廃スクラッフ電土木建築老廃スクラッフ自動車 AP 老廃スクラッフ Cu 量 ( 千トン ) Cu 量で見るコンタミの状況 %-Cu 随伴する Cu 総量 :77.6 千トンうち巻込分 :45.2 千トン +0.27%-Cu +0.19%-Cu %-Cu 0 1.9

20 Cu concentration in EAF crude steel for use in construction (%) 建設用電炉鋼材中の Cu の濃化推計高品位スクラップ輸出シナリオ建築物長寿命化シナリオ現状維持シナリオ ScenarioⅠ ScenarioⅡ ScenarioⅢ 醍醐市朗, 藤巻大輔, 松野泰也, 足立芳寛 : 鋼材循環利用における環境負荷誘発量解析のための動態モデルの構築, 鉄と鋼, 91(1), pp , (2005)

21 Cu contents in EAF steel for construction [%] 建設用電炉鋼材中 Cu 濃度 (%) 輸出入計 ( 輸入量 - - 輸出量 ) ) /1,000t 0.2% スクラップ輸出と銅の濃縮との関係に着目製品転炉鋼電炉鋼社会スクラップ土木用容器用等転炉鋼機械用自動車用転炉鋼土木用容器用等電炉鋼機械用自動車用電炉鋼銅混入 2,000 1, ,000-2,000-3,000-4,000-5,000-6,000-7,000-8,000 ネット輸入ネット輸出輸入輸入鋼材の流れ銅を含む鋼材の流れリサイクル輸出入スクラップ廃棄 0.4 年 Cu 濃度の推計結果 ( ) 藤巻大輔, 五十嵐佑馬, 醍醐市朗, 松野泰也, 足立芳寛 : 鉄スクラップの輸出による国内鋼材の品位変化に関する考察, 鉄と鋼, 92(6), , (2006) 0.1 High-grade 低 Cu 濃度スクラップの輸出 scrap exports Low-grade 高 Cu 濃度スクラップの輸出 scrap exports Year

22 Cr の物質フロー分析 ( システム境界 ) 天然資源転炉普通鋼サイクル製造使用処理スクラップ天然資源特殊鋼サイクル天然資源電炉普通鋼サイクル製造使用処理製造使用処理スクラップスクラップ N.R.: natural resource

23 Collection rates as stainless steel 使用済み製品からのステンレス鋼のステンレス鋼スクラップとしての回収率 Austenitic scrap Ferritic scrap

24 ステンレス鋼に含まれる Cr の SFA フェロクロム Cr 鉱石特殊鋼スクラッフ ( 除く SUS) Other cycles 特殊鋼生産輸入 19 輸出 36 スラグステンレス粗鋼 *1 118 輸出入正味輸出 151 圧延 353 スラグ 9 加工組立自家発生スクラップ正味輸出加工スクラップ使用蓄積老廃スクラップ 91 未回収分 8 廃棄物処理 19 Unit: Gg 普通鋼サイクル環境 *1: ステンレス以外の特殊鋼の粗鋼

25 電炉普通鋼中 Cr 濃度 (%) 電炉普通鋼の Cr 濃度の推計結果熱間加工性 :>2.0% で影響深絞り加工性 :>0.5% で影響推計値実測値年

26 電炉鉄筋棒鋼中濃度 (%) 電炉鉄筋棒鋼の化学組成の推移 Cu C Si Cr Mn Ni S P Sn V 調査年電炉鉄筋棒鋼中の濃度 (%-Mn)

27 講演内容製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクル銅やアルミのリサイクルと鉄鋼材のリサイクル物質ストックの重要性とストック型社会

28 日本のマテリアルフロー出典 : 平成 24 年版環境白書

29 蓄積純増量 ( 日本 ) の推移循環利用の促進で減少さらなる減少には蓄積純増の減少も必要年度出典 : 環境省蓄積純増量は資源投入量に対しほぼ一定割合で推移

30 天然資源投入量の削減のために資源天然資源等投入量総物質投入量資源循環廃棄物等の発生蓄積純増蓄積された結果都市鉱山となる資源天然資源等投入量総物質投入量廃棄物等の発生蓄積純増量が減少しなかった場合のマテリアルフロー資源循環定常的な人口を想定した場合の理想的なマテリアルフロー

31 都市鉱山は大きい方がよい? 小さい方がよい? 大きい方がよい累積採掘量小さい方がよい都市鉱山 ( 社会中の物質ストック ) リサイクルポテンシャル

32 Per-capita steel stock in use in the U.S. Vehicles per 1000 people 蓄積純増量将来まで考慮した資源の必要量社会蓄積量の有効利用による天然資源消費の回避変化量時間 Mueller et al. (2006) J. Dargey et al. (2007)

33 都市鉱山は人の手で造られる天然鉱山 ( 地中の物質ストック ) 地殻変動都市鉱山から採掘 ( 排出 ) される鉱物 ( 廃棄物 ) ありきで選鉱精錬 ( リサイクル ) 方法を考えている都市鉱山 ( 社会中の物質ストック ) 生産消費なるべく小さくかつリサイクルし易い都市鉱山を造る

34 都市鉱山の造山に必要な材料技術今のままで消費した多くの物質はリサイクル困難な低品位な都市鉱山なるべく小さな都市鉱山少ない資源使用での機能発現高機能化 ( 必要な機能の総量は一定 ) リサイクル容易な都市鉱山これからの課題合金種の低減 ( 組織制御での多機能化など ) 材料識別技術 ( 識別元素の添加など ) など

35 鉄鋼蓄積量 ( 百万トン ) 物質ストックの内容物 ( 鉄鋼材を中心に ) Historic U.S. iron stocks, Historic steel stock in Japan, ,600 1,400 1,200 老廃ストック / 埋立物 / 累積散逸物永久構造物使用中ストック 1, 年期末 ( 醍醐, 2008) (Müller et al., 2006)

36 物質ストックの Reduce のためには? 減少することはない永久構造物減少することはない Obsolete ストック天然資源二次資源 In-use ストック使用され機能を果たしている物質ストック Recycle Reuse 中古品輸出最終処分量最終処分

37 まとめ製品ライフサイクルとマテリアルライフサイクルリサイクルの推進は資源消費を削減する銅やアルミのリサイクルと鉄鋼材のリサイクルリサイクルの質も重要になってくる物質ストックの重要性とストック型社会発生したもののリサイクルだけではなく物質ストックを上手く管理する社会 ( 設計の段階から考慮する等 ) への移行が必要

希少資源とベースメタルのリサイクル

希少資源とベースメタルのリサイクル 2015 年 11 月 19 日 ( 木 ) 第 5 回グリーンスチールセミナー社会資本の整備ライフサイクルについての最近の取組み ~ 鋼材の優れた環境性能について ~ @ フクラシア東京ステーション 5H 会議室素材リサイクルにおける鉄鋼材の優位性東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻醍醐市朗講演内容産業エコロジーという学術分野リサイクル ( 物質循環 ) の促進リサイクルと同等に重要な資源対策

Top-down approachと bottom-up approachによる 鉄鋼蓄積量の導出 －日本の自動車と建築物への適用－

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