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
東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

Industrial Ecology(産業ｴｺﾛｼﾞｰ)
体外から取り入れた物質を用いて必要な物質やエネルギーを生成する代謝により活動を営んでいる。

環境から取り入れた物質を用いて必要な物質やエネルギーを生成することで活動を営んでいる。

• 物質やエネルギーを媒体とした相互作用を産業の代謝（industrial metabolism）として とらえた研究
東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

産業の代謝（物質循環）の“見える化”
マテリアルフロー分析(MFA)
ライフサイクルアセスメント(LCA)

問診票
資源消費
ｴﾈﾙｷﾞｰ消費問診票
食事

物質ストック

体重

廃棄物
CO2排出

排泄

レントゲン検査
血液検査
心電図
胃カメラ

診断

診断

処方箋・治療方針
政策・規制
技術開発

処方箋・治療方針
生活指導
お薬• 自覚症状のない病理部分の早期発見や、予防が重要である。
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LCA (life cycle assessment) とMFA (material flow analysis)

一定の座標値の位置に注目対象を固定して、そこに存在する流体を観測流体の小さな部分に注目して、それの時間と空間の中での運動を観測
ラグランジュ型とオイラー型は、流体を観測する異なる方法である
Lu Zhongwu: “Two Approaches of Substance Flow Analysis -An Inspiration from Fluid
Mechanics” Engng Sci 2008, issue1, 2-8.
東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

LCA と MFA

製品
一定の座標値の位置に注目対象を固定して、そこに存在する流体を観測物質や素材流体の小さな部分に注目して、それの時間と空間の中での運動を観測

ラグランジュ型とオイラー型は、流体を観測する異なる方法である
Lu Zhongwu: “Two Approaches of Substance Flow Analysis -An Inspiration from Fluid
Mechanics” Engng Sci 2008, issue1, 2-8.
東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
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製品ライフサイクルと素材天然資源組立・加工

販売
Distribution

使用UseMaterials
素材生産
production

廃棄最終処分・散逸

解体・分別

回収
Collection

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何サイクル循環している？
日本で還元された鉄の運命

2005年の鉄鋼材フローを基に確率過程論を用いて推計

日本
輸
出15 %
日本で還元された鉄の運命

還元された銅の運命
世界

日本

1.9回

4.9回
100 %

100 %
日本

85 %

2005年の鉄鋼材フローを基に確率過程論を用いて推計

2000年の銅の物質フローを基に確率過程論を用いて推計

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何のために物質循環を促進？
• 天然資源消費量の削減– 製造原料（入口側）において、天然資源含有率が少なければよい• 廃棄物発生量の削減– 廃棄時（出口側）において、最終処分される割合が低い方が良い
ちなみに、循環型社会促進（日本）、Circular Economy（欧州）、循環型経済（中国）
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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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
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天然資源消費の削減と廃棄物発生の抑制に向けた取組みとして「資源循環の促進」の他にどのような取組みが考えられるか？

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日本における物質フロー

出典：平成27年版 環境白書

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蓄積純増量（日本）

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：環境省東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

天然資源投入量の削減のために資源天然資源等投入量

蓄積純増

蓄積された結果、都市鉱山となる総物質投入量廃棄物等の発生
天然資源等投入量
資源総物質投入量

廃棄物等の発生

資源循環

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
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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

都市鉱山
累積採掘量

（社会中の物質ストック）

リサイクル
ポテンシャル小さい方がよい

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資源の使用原単位を小さくする
90億人が使った場合

1.24 g-In/mobile phone 7.3 x 105 t-In
1.6 x 104 t-In＞
歩留り 81 g-In/phone（歩留り100％→1.1 x 104 t-In）
70 g-Dy/EV

63 x 104 t-Dy ＞ 5 - 20 x 103 t-Dy

12 ton-steel/cap

1.1 x 1011 t-Fe＞

2.5インチ
液晶

Reserve base

1.6 x 1011 t-Fe

社会中の物質ストック（都市鉱山）の効率化
資源効率の向上東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

将来まで考慮した資源の必要量
蓄積純増量

社会蓄積量の有効利用による天然資源消費の回避

時間

Per-capita steel stock in
use in the U.S.

Vehicles per 1000 people

変化量⊿

Mueller et al. (2006)

J. Dargey et al. (2007)東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

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
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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
易解体設計、材料技術（合金種の低減・材料識別技術・リサイクルプロセス）など

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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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
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年間粗鋼生産量（100万トン／年）

粗鋼生産量の推移

1856年ベッセマー転炉

年
http://historum.com/ancient-history/41856-ancient-industry-21.html

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鉄鋼材のストック東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

鉄鋼材のストック東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

鉄鋼材の循環利用

3. 不純物濃化

2. 蓄積量1. 循環性

鉄鋼循環図（2013年度）は新日鐵住金ホームページ
http://www.nssmc.com/csr/env/solution/index.html

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都市鉱山とin-use stock（在役蓄積）
退蔵された
物質ストック

退蔵された物質ストック

物質ストックとして計上されるが、機能を発現せず、既に使用済みとなっている物質ストッ
クがある
使用中ストック

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物質ストックのReduceのためには？
減少することはない 減少することはない
永久構造物

Obsoleteストック
中古品輸出

天然資源

In-use ストック
二次資源

使用され機能を果たしている
物質ストックRecycle

Reuse

最終処分量

最終処分

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使用済み製品の輸出

冬眠ストック

老廃スクラップ
回収量

国内で使用済みとなった製品中の鉄鋼材

In-use stocks

鉄スクラップの輸入

老廃スクラップ
発生ポテンシャル

国内でリサイクルされた
老廃スクラップ量

残置
最終処分(退蔵ストック)
リサイクル中の散逸（他素材への混入など）

鉄スクラップの輸出
冬眠ストック

退蔵ストック

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２．リサイクルと同等に重要な資源対策

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

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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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
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国際資源パネル（International resource panel）
金属のリサイクル率(状況報告) , 2011.
1. Old scrap collection rate: CR = e / d
2. Recycling process efficiency rate = g / e
3. End-of-life recycling rate: EoL-RR = g / d(non-functional EoL-RR = f / d)
4. Recycled content: RC = (j + m) / (a + j + m)
5. Old scrap ratio: OSR = g / (g + h)
利用システムからの散逸量を減少させる方が良い
1 - 散逸率 = EoL-RR

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報告されているEoL-RRs
EoL-RR [%]Fe 52, 67, 78, 90

OSR [%]

RC [%]

使用済み製品中の鉄鋼

54, 52, 66, 65

28, 41, 52

システムからの散逸分

52% 米国, 1998
19年前の消費量とした69% 米国, 2000
5種類の発生物の量に鉄鋼材比率を乗じた

物質収支より物質収支より[Left] IRON AND STEEL RECYCLING IN THE UNITED STATES IN 1998 (Open File Report 01-224). USGS
[Right] Wang T. et al.: Env. Sci. Tech. 41, (2007): 5120-5129

多くの金属素材にとって、欠落データを探し、より確度の高いリサイクルに関わる統計を得るためには、大規模な研究とデータ収集のための労力が必要である。
[Graedel et al. 2011, JIE 15(3), 355-366]

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EoL-RRの推計手法
動的MFA

冬眠
散逸

素材生産

加工と組立

使用
回収
中古製品の輸出

老廃スクラップ回収

中古部品の輸出
廃棄物
処理

選別
スクラップ
輸出散逸

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34

34

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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
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手法とデータ入手可能性
 動的MFA（material flow analysis）

自家発生

未回収分

用途別

Remaining rate

1
0.8

HS、H1
H 2、<H3
シュレッダ
プレス
ダライ

老廃

金属消費量

投入量

容器
機械類
自動車
建築
土木

1年以内
平均約12年
平均約13年平均約28年平均約35年

排出量

新断

形状別
用途別のEoL－RRは導出できない

0.6
0.40.200 4020055Age

151015

乗用車の残存率

2530 74
201920984

1arYe10994

1of muact

refanuS造事務所の残存率

鉄鋼材
日本
銅素材
アルミ素材

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製品使用年数分布の変化
鉄鋼材

平均使用年数(年)

土木

33%

建築

ノンパラメトリック
自動車

銅素材
62%

機械類
容器

アルミ素材
41%

自動車
容器
建築
その他の用途東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

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冬眠ストックの事例
ノーショーピング市, スウェーデン
鉄

使われていない
都市ガスと地域熱供給のためのインフラ

銅使われていない
直流と交流電力のためのインフラシステム

B. Wallsten et al. / Journal of Cleaner Production 55 (2013) 103-111

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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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
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発生ポテンシャルと回収量
老廃スクラップ回収量
スクラップ発生ポテンシャル

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EoL-RRの評価期間
1980年の価格を1としたときの価格

各種資源価格の推移

評価対象期間東京大学大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 環境マネジメント工学講座

41日本におけるEoL-RRの推移
2007
2004
2005

2008

2006

2003
2009

2005

2009

R2=0.63
有意水準:
<0.1%

2006
2007
2008

R2=0.54
有意水準:<5%R2=0.33
無相関

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42使用年数における不確実性

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どのようなスクラップが回収されたり、されなかったり
Oth. Heavy

EoL-RR

H2
ダライその他H1
その他ヘビーAプレス
HSCシュレッダ
新断Aシュレッダ
可鍛コロ
故銑
Cプレス

Coefficient ofcorrelation
0.70
0.69
0.60
0.56
0.48
0.42
0.32
0.32
0.19
0.10
-0.14
-0.19
-0.60

- 郊外に有る農機具等- 小ロットの雑モノ

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44冬眠ストック

残置されても障害物にならず、売却価格よりも回収コストの方が高い場合に生じる

使用中ストック
老廃スクラップ

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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• 物質ストックとは• 使用済み回収率（EoL-RR）• 鉄鋼材のリサイクル性を評価する手法• Hibernating stockと鉄鋼材回収性• まとめ
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持続可能な材料使用
磁性による他素材との分離の容易さ
電解を経ずに製鋼時に不純物除去が可能
不純物濃度の許容濃度の高さ
使用済み製品からの時間バッファも含めた回収率の高さ
少なく
天然資源

長く使う

多く回収

製品
リユース
部品リユースマテリアルリサイクル

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最終散逸