鉄鋼のLCA
2018年5月7日（大阪）・21日（東京）
西山記念技術講座
新日鐵住金 礒原豊司雄

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1環境影響 主因の一つはCO2
環境省: 平成29年版 環境・循環型社会・生物多様性白書, (2017), 114

日本の温室効果ガス排出量

日本におけるCO2排出量の部門別内訳

CO2は排出量が多く、特に産業・運輸部門は排出量の半分を占める。
各セクタ（素材製造、素材使用）毎の削減が求められている。
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2

素材製造時の環境影響

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3

各国の自動車燃費規制は年々厳格化
燃費 ［g-CO2/km (NEDC)］

燃費 ［L-ガソリンeq/100 km］

The International Council on Clean Transportation (ICCT) (2014)年

どうすれば燃費を下げられるか？
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4CO2排出量と車両重量の関係

排出量 ［g-CO2/km］

国土交通省: 自動車燃費一覧 （2017)

車両重量 ［kg］

車両重量とCO2排出量には明確な相関→自動車軽量化の必要性。
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5

自動車車体素材の構成比の推移
藤田誠人, 中島崇文, 池幡諭, 岡野翔運: 知的資産創造, 4（2017), 55

1992年

2001年

2011年

2015年

2020年

2025年

自動車軽量化のために、鉄→軽量素材へのシフトが進む。
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6

素材製造時CO2排出量（重量あたり）
WorldAutoSteel資料を改変

鉄鋼

2アルミニウム

11マグネシウム27

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）

2101020[kg-CO2eq/kg-素材]

鉄鋼の製造時のCO2排出量（重量あたり）は、じつは軽量素材より少ない。
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7

素材製造時CO2排出量（等価機能部品あたり）[kg-CO2eq/軟鋼1kg相当部品]
10200軟鋼

2.31kg＝基準部品重量

高強度鋼板

1.70.75kg （等価部品重量）

アルミニウム3040

8 0.67kg （等価部品重量）

マグネシウム炭素繊維（CFRP）

WorldAutoSteel資料を改変

23 0.50kg （等価部品重量）

10 0.45kg （等価部品重量）鉄鋼の製造時CO2排出量は、機能あたりで考えても他素材より少ない。
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8

アルミニウム製錬の電源構成（世界）

電力量[GWh]

World Aluminium: Primary Aluminium Smelting Power Consumption (2017)

天然ガス火力石炭火力

水力
年

アルミは電気製錬。電源構成の7割が化石燃料で、高CO2排出。
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9マグネシウムの製造法（2013年）

竹中俊英,森重大樹: マグネシウム製錬の状況 (2016)

マグネシウムの8割は熱還元法（低効率）の中国で製造されている。
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10

建設素材の製造時CO2排出量細谷俊夫: コンクリート工学, 48(2010), 51を改変

鉄鋼
石灰製造

セメント製造コンクリート
0.0

0.5
1.0
1.5
製造時CO2排出（重量あたり） [t-CO2/t-素材]

2.0

鉄鋼

コンクリート
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
製造時CO2排出（重量・圧縮強度あたり） [t-CO2/(t-素材・MPa)]

強度を含めて比較すると鉄鋼はコンクリートより製造時低環境負荷。
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11転炉鋼の一次エネルギー原単位（2015年）
小田潤一郎 (RITE) 2018

日本の鉄鋼製造時のエネルギー効率は世界一＝ エコプロセス
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12転炉鋼のエネルギー削減ポテンシャル
小田潤一郎 (RITE) 2018

日本は副生ガス再利用、効率プロセス導入が100%。
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13転炉鋼のエネルギー削減ポテンシャル
小田潤一郎 (RITE) 2018

日本は排熱回収等もほぼ完全導入。
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14素材使用時の環境影響

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15

自動車へのアルミ利用の進展

250

Alcoa: Metal Bulletin International Aluminum Conference, (2015), 3を一部改変

フード

200

ブロックkg/自動車

ヘッド

150

ホイール
ラジエータ

100

500
1975

1980

1985

1990

1995

2000年

2005

2010

2015

2020

2025

自動車へのアルミニウム合金の利用は年々増加。
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16

各素材の比強度
アーサー・D・リトル: 重要技術分野に関する技術動向等調査
成果報告資料 （2014）を一部改変

0比強度（重量密度あたりの強度） [103m]
510152025303540

自動車用軟鋼板（270MPa）
自動車用普通鋼板（440MPa）
自動車用高張力鋼板（780MPa）
自動車用超高張力鋼板（1,470MPa）

ハイテン
超ハイテン

アルミニウム合金

チタン合金
マグネシウム
ガラス繊維強化プラスチック
熱硬化性CFRP（迅速成型, Vf=0.6）

超高張力鋼（超ハイテン）の比強度はアルミを超えている。
→同じ強度なら超ハイテンはアルミより軽い。
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17

各素材の比剛性
アーサー・D・リトル: 重要技術分野に関する技術動向等調査
成果報告資料 （2014）を一部改変

0比剛性 [100 m7/3/N2/3]

510152025

自動車用軟鋼板（270MPa）
自動車用普通鋼板（440MPa）
自動車用高張力鋼板（780MPa）
自動車用超高張力鋼板（1,470MPa）

アルミニウム合金
チタン合金
マグネシウム
ガラス繊維強化プラスチック
熱硬化性CFRP（迅速成型, Vf=0.6）

鉄鋼の比剛性は軽量素材より劣→形状（閉断面等）で工夫
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18

エコプロダクツ
2015年のCO2排出削減効果実績

日本鉄鋼連盟: エコプロダクト

エコプロダクツは日本が生み出す高機能鉄鋼製品。
製品使用時のCO2排出を削減する。
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19

製品のライフサイクル全体での環境影響

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20

LCA（Life Cycle Assessment）の考え方
季刊 新日鐵住金, 20（2017）

製造時、使用時に加えて、廃棄/リサイクルも含めた製品のライフサイクル全体で環境負荷を考える。
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21

LCAに関する規格
ISO
ISO14040 環境マネジメント-LCA-原則及び枠組み
ISO14044 環境マネジメント-LCA-要求事項及び指針
EPD（Environmental Product Declaration）
製品の環境負荷量の開示。1998年スウェーデンで開始。
日本では日本ガス機器検査協会が運営。

CFP（Carbon Footprint of Products）
製品の環境負荷量の開示。2007年に英で開始。日本は4省庁が2009～2011年度に制度構築、産業環境管理協会が運営。
PEF/OEF（Product/Organisation Environmental Footprint）
製品（PEF）と組織（OEF）の環境フットプリント。2010年からEUが検討中。
GHG Protocol Scope 3
組織のサプライチェーン全体のGHG（温暖化ガス）排出量の開示。
米GHG Protocolが2011年に発行。Scope 1は直接排出、Scope 2は間接排出。省エネ製品によるGHG削減効果も反映される。
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22

エコリーフにおけるLCA表示

エコリーフ製品環境情報 prodobj-782

環境ラベルのエコリーフではLCAを採用。
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23

ガソリン自動車における各素材のLCAWorldAutoSteel: Comparing Material Usage in Production Vehicle Efficient Designsを一部改変

普通自動車
高強度鋼板（ハイテン）
自動車

-2%

アルミ自動車ハイテン使用車はアルミ使用車よりLCAで2%の低環境負荷。
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24電気自動車における各素材のLCAWorldAutoSteel: Battery Electric Vehicle Life Cycle Energy Aluminium vs. AHSSを一部改変-10%

ハイテン使用EVはアルミ使用EVよりLCAで10%の低環境負荷。
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25

燃料によるCO2排出量の違い
EEA Signals 2017を一部改変

走行時排出減少に伴い製造/廃棄時排出が相対的に大→素材選択がより重要になってくる
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26

素材のリサイクル

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27リサイクルの種類
季刊 新日鐵住金 20（2017）■オープンループリサイクル■サーマルリサイクル・焼却熱で電力や蒸気を回収。廃棄物減容化。
・天然資源代替効果なし。
■カスケードリサイクル（ダウンリサイクル）

マテリアルリサイクル

・性質変化を伴う有限リサイクル。
・天然資源代替効果あり。

ケミカルリサイクル■クローズドループリサイクル
・性質を維持したままの無限リサイクル。
・天然資源代替効果あり。
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28

鉄鋼の製造とリサイクル
Fe2O3

FeFe

鉄鉱石

FeFeFe超軽量複合鋼板／先端研・探超撥水表面鋼板／先端研・探ＭＥＲＳ／ＥＰＣ・探索

各種取組あるものの多くは後発

ガラス（ｼﾙﾌﾟﾗｽ）／新日化③ﾊﾟﾜｰｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ①Ｌｉ二次電池

高炉

石炭

転炉

インバーター（SiC)／NSM

鉄鋼製品

最終②燃料電池
製品

二次電池ｹｰｽ／鉄、NSSC,NSMAT

電炉

スクラップ

高効率・低損失、高耐熱性、小型・軽量化デバイス実装（高温対応）／NS
10μ m

自動車用PEFC

燃料電池（ｾﾊﾟﾚｰﾀ)／Ti二次電池負極／新日化

PCU

接合、 配線、 電極
シリカフィラー
（ナノNi） （EX1） （Tiバリヤ） （高流動性）

モータ電磁／リアクトル（磁性薄帯）／鉄Fe

高周波低損失燃料電池（触媒)／先端研・探索

低損失・高トルク

鉄は高炉-転炉で作られるが、一度作られた鉄は電炉や転炉で何度でも何にでも生まれ変わる。
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29

自律的/持続可能なリサイクルの要件① 分別/選別が容易→鉄（だけ）は磁石に付く② 再生のための負荷が低い→金属は溶かすだけで再利用可③ 経済合理的なリサイクルシステムが存在→金属は古来より有価物として取引されている
Closed-loop Recyclingに必要な追加要件④リサイクルによる品質低下が起こりにくい⑤多様な製品に再生可能
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30

リサイクルプロセスにおける不純物除去
ガス相スラグ
相Zn

Pb

Zn

Ce

Ti Ca

SiB

Mg

Nb
CrVCa
Mg
Ca

Al
Ce
Cu
Mo

Fe鉄 (Fe)

Pb

Al Pb

Ce

Nb
Ti
Ti
Nb
除去できない成分
B
Si
Si
Mn
V
V
Cu Mn
Cu（トランプエレメント）
Cr
Cr
Fe

B

Sn

Zn

除去できる成分

Mn

Ni

メタル相MgSn

Ni Mo

アルミ (Al)

Sn

Ni Mo

マグネシウム (Mg)

Ce

B

Si
V

Fe

AlPb

Cr
Sn

Nb
Cu

Mn

Ni Mo

チタン (Ti)

E : 鉄からは除けるがAl、Mg、Tiからは除けない元素
平木岳人, Xin Lu, 中島謙一, 松八重一代, 中村愼一郎, 長坂徹也: 軽金属のリサイクル性に関する熱力学的検討, 第23回廃棄物資源循環学会研究発表会（2012） 23_269を一部改変

鉄の混入元素の多くは除去可能。除けない金属もほとんどは磁気選別可能。
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31

アルミニウムの材料特性：合金化%
20Ａｌ

18

アルミは合金成分が多い＋それらの除去が難しい↓
鋳物への一方向リサイクルが主

16141210V
B

Zr
Ｔｉ

Ｃｒ
Ｚｎ

8Ｍｇ

6Ｍｎ

4Ｃｕ2ＦｅＳｉ0JIS 1080
Pure Al
アルミ箔

2014
Al-Cu
金型

3004
Al-Mn
缶胴

4043
Al-Si
パネル

5086
Al-Mg
自動車

缶蓋
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6101Al-Mg-Si
車体

7N01
Al-Zn-Mg
飛行機

アルミサッシ 鉄道車両
32

鉄鋼の材料特性：組織制御

鉄鋼製品は比較的低合金かつ製錬で除去可能。
組織制御が主なので溶解でリセットされ、別組織を新たに作成できる。
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33

廃棄物の処理法（日本）
産業環境管理協会: リサイクルデータブック2017を改変

金属、鉱滓は他素材と比べて再生利用率が高い
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34

鉄鋼の老廃スクラップ回収率（日本）

醍醐市朗: 第7回グリーンスチールセミナー (2017)

鉄鋼のリサイクル率は90%以上。他金属と比べても高い。
鉄はリサイクル性が高く、実際に高度リサイクルされている。
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35

鉄の循環と生涯環境負荷の考え方

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36

鉄鋼の循環(世界)

鉄鋼はスクラップを介して無限循環している。
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37

無限循環している鉄鋼材料の環境負荷
A Amato, L Brimacombe, N Howard. (1996) Ironmaking and Steelmaking, Vol23, No. 3, 235-241

総製造量= 1 + r + r 2 + ・・・ + r n-1

r：

総環境負荷 = Xpr + r Xre + r 2 Xre + ・・・ + r n-1Xre

スクラップ回収率×再生歩留

Xpr： 高炉の環境負荷

Xre： 電炉の環境負荷

総環境負荷 Xpr + r Xre + r 2Xre + ・・・ + r n-1Xre=/総製造量1 + r + r 2 + ・・・ + r n-1= (Xpr – Xre)

(1-r)
+ Xre
(1-r n)→ Xpr – r (Xpr – Xre)(n→∞)

スクラップの環境負荷とリサイクルクレジットも考慮し無限の生涯で平均化した環境負荷で考える。
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38

鉄鋼の生涯環境負荷
リサイクルシステム全体での環境負荷

鉄鋼の生涯環境負荷X /Xpr

1.0

0.9

Xpr

0.8

Xscrap

0.7
0.6
0.5

X

0.4

0.3

Xre

0.2
0.1
0.0
12345678910 ･･･ ∞ライフサイクル数（＝リサイクル数+1）, n無限リサイクルで一定値に収束。
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39

無限循環している鉄鋼材料の環境負荷
A Amato, L Brimacombe, N Howard. (1996) Ironmaking and Steelmaking, Vol23, No. 3, 235-241

総製造量= 1 + r + r 2 + ・・・ + r n-1

r：

Xpr： 高炉の環境負荷

総環境負荷 = Xpr + r Xre + r 2 Xre + ・・・ + r n-1Xre
総環境負荷 Xpr + r Xre + r 2Xre + ・・・ + r n-1Xre=/総製造量1 + r + r 2 + ・・・ + r n-1→

Xpr

スクラップ回収率×再生歩留

Xre： 電炉の環境負荷= (Xpr – Xre)

(1-r)
+ Xre
(1-r n)– r (Xpr – Xre) = Xre + (Xpr – Xre) – r (Xpr – Xre)

高炉+原料 リサイクル
負荷
クレジット

電炉 スクラップ負荷
負荷

高炉(n→∞)

リサイクル
クレジット

電炉

スクラップの環境負荷とリサイクルクレジットも考慮すると高炉プロセスも電炉プロセスも環境負荷は一緒になる。
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40

worldsteelのライフサイクル環境負荷の考え方
鉄鋼の環境負荷 [t-CO2/t-steel]

1.0
0.8

高炉 電炉

0.6

電炉
0.4
0.2

Xpr

Xsc/YXre

0-Xsc・RR

0.0-0.2

鉱石から スクラップの製造の再生

スクラップの利用

-0.4
-0.6

-0.8
-1.0

製造時の環境負荷

スクラップの環境負荷

スクラップのリサイクル効果

トータルの環境負荷
季刊 新日鐵住金, 20（2017）を改変

・鉄の環境負荷は無限リサイクルの生涯で考える。
・スクラップの環境負荷も考える。
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41

worldsteelの鉄鋼環境負荷の考え方
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4

Xre

0.3
0.2

0.8
0.7
0.6

0.4
0.3
0.2
0.1

0.0

0.0
電炉

電炉

電炉

電炉 …

ライフサイクル→

Xpr -RR･Y・(Xpr-Xre)

0.5

0.1
高炉と平均化して考える

0.9

ライフサイクル環境負荷

製造時のみの環境負荷

1.0

ではなく、

Xpr

高炉

電炉

電炉

電炉

電炉 …

ライフサイクル→鉄鋼は無限リサイクルしているのが実態。
→環境負荷をライフサイクルの生涯全体で考える。
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42鉄鋼製品のライフサイクルインベントリ（LCI≒環境負荷）計算手法の国際規格化
ISO 20915: LCI calculation methodology for steel products
を日本の提案により2015年から推進中。
今年中にISO規格化成立の見込み。

原料採掘

素材製造
スクラップ
リサイクル

素材加工

加工スクラップ

最終製品

製品寿命

老廃スクラップ

ISO/FDIS 20915

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43

建設における鉄鋼リサイクルを考慮したLCA

日本鋼構造協会: 建設分野における鋼構造物のＬＣＡ検討, (2014), 9を一部改変

日本鉄鋼連盟 建設環境研究会: 鉄鋼製品のリサイクリング効果を考慮したＬＣＡ手法及びシミュレーション事例の紹介 を一部改変

リサイクルを考慮するとライフサイクル環境負荷は下がる
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44

スクラップのグローバル流通
日本はスクラップをもっと国内で使用すべき？

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45

世界のスクラップ流通

日本鉄源協会: 世界鉄スクラップ流通フロー(2015暦年)

日本は世界有数の鉄鋼輸出国
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46

日本からの主なスクラップ輸出先

日本鉄源協会: 鉄源需給基礎情報を基に作図

日本のスクラップは東アジア各国で輸入されている。
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47

鉄鋼蓄積量と老廃スクラップ回収量（日本）

日本鉄源協会: 鉄源需給基礎情報を基に作図

鉄鋼蓄積と老廃スクラップ回収量はほぼ比例するが頭打ち
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48

鉄鋼需給の変化とCO2排出量への影響
鉄鋼需給の変化

CO2排出量の変化

国内鉄鋼需要

国
内
鉄
鋼供給

海
外
鉄鋼供給

A: 国内CO2排出量減少

天
然
資源

国
内

CO2
電炉鋼材
スクラップ優先利用利用拡大

ス
ク
ラ
ップ

国内電炉
シフト

高炉鋼材天然資源利用増加
利用拡大

ス
ク
ラ
ップ

天
然
資源

排
出

高効率国内
高炉減産
低効率海外
高炉増産

海
外
海
CO2外排

A: 国内CO2排出減少量
B: 海外CO2排出増加量

出世界CO2排出量増加

海外鉄鋼需要世界のスクラップ発生量は有限B: 海外CO2排出量増加

季刊 新日鐵住金, 20（2017）

無理なスクラップ国内優先使用は地球規模のCO2排出量増加を招く
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49まとめ・素材の環境影響は、製造、使用、廃棄/リサイクルの合計であるライフサイクル全体で考えること（LCA）が重要。
・製造時、使用時（軽量性）、リサイクル時、全体（LCA）のいずれで考えても鉄鋼は他素材と比べて環境負荷が低。
・磁気選別可能で、再生も容易なので、古来より鉄鋼はほぼ100%リサイクルされている。
・鉄鋼はクローズドループリサイクルが成り立っている、何度でも何にでも再生できるほぼ唯一の工業素材。

・無限循環している鉄鋼のLCAは生涯の平均値で考え（worldsteel）、高炉材も電炉材も環境影響は同一。
・スクラップ利用はグローバルで考える必要がある。
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