研究の概要を教えてください

私は材料工学を専門にしており、材料をどのように選択し、どう使えば、より環境負荷が低く、持続可能になるかを明らかにしたいと思い、そのための評価手法を開発しています。

また、持続可能な資源の利用に向けて、使用済み製品をどのようにリサイクルするべきかを明らかにすることも重要なテーマの1つです。リサイクルというと、どうしても「処理」と捉えられがちですが、材料を生産する側から見ると、リサイクルは「原料生産」です。リサイクルが「処理」から「ものづくり」に変わり、原料生産という観点からリサイクルのための技術開発が進むことを目指しています。そのための評価手法の開発も行っています。

人間の生命活動における代謝と同じように、産業も、物質とエネルギーを使って、CO₂や廃棄物を出しながら経済活動を営んでいます。この産業の代謝を効率よくすることが、CO₂排出量や廃棄物の発生を抑えることにつながります。人の体と同様、不具合が生じる前に、なるべく早く気づかなくてはいけませんが、そのためには、産業の代謝の実態をモニタリングして“見える化”する必要があります。その上で、実態が健全かどうかを評価するのが、我々が開発しているライフサイクルアセスメント（LCA）やマテリアルフロー分析（MFA）という手法です。こうした評価手法に基づき、将来どんなことが起こるかを予測し、リスクを回避することも、研究の重要な目的の1つです。

LCAとMFAの違いは何ですか

LCAは、原材料の採取から、製造、使用、リサイクル、廃棄までの製品の一生（ライフサイクル）において、どれだけ環境負荷を与えているかを定量的に示す評価手法です。よく「ゆりかごから墓場まで」と表現されます。

一方、MFAは、特定の物質に着目し、そのストック（実際に使われている量）やフローを分析する手法です。例えば、鉄鋼材料は自動車や建物、家電など、さまざまな用途に使われ、使用後はスクラップとして回収され、再び製鉄所でリサイクルされます。MFAでは、各用途において鉄鋼材料が年間どのくらい使われ、鉄スクラップとしてどのくらい再利用されているかなどを分析します。LCAとMFAは補完関係にあり、LCAで製品の環境負荷を評価する際にはMFAを参照します（図1）。

未来の環境負荷をどう評価するか

従来のLCAにはどんな課題がありますか

社会は今、カーボンニュートラルやサーキュラーエコノミー（循環経済）に移行しようとしています。技術開発は、この新しい社会の方向性に合わせる必要があります。しかし、新しい技術や素材は、現時点ではまだ未成熟で、これから成熟していきます。そうなると、将来、有望そうな技術や素材があったとしても、現時点では未成熟な状態で評価しなくてはならず、それをどう評価するかが従来のLCAの課題となっています。

また、LCAでは、評価対象の製品がもつ「機能単位」当たりの環境影響を評価します。自動車の場合、例えば「10年間の使用において10万km走る」というのが機能単位になっていて、1台ごとの環境影響を比較することができます。しかし、日本全体で走っている何千万台もの自動車についてかけ算したらどうなるでしょうか。原料が足りなくなったり、環境負荷が高くなったりということが当然あり得るわけです。これが従来のLCAでは捉えられない部分です。

システム全体という視点は、未来を考える際にも必要です。カーボンニュートラルの実現に向けて、エネルギー資源を水素やバイオマスに転換するという話がありますが、大量の水素をどうやって調達するか、また、バイオマスを大量に得るために森林を破壊してよいのかなど、さまざまな制約があります。リサイクルについても、例えば、鉄鋼材料の生産を鉄鉱石からスクラップに変えようとしても、そう都合よく大量のスクラップが出てくるわけではありません。こうしたことは、従来のLCAでは評価できません。システム全体での制約を加味した新たなLCA手法を開発し、その評価結果を示すことが、我々に求められています。

具体的にどのような手法を開発し、どのような評価結果が得られているのでしょうか

鉄鋼の例をお話ししましょう。材料は使っているときに機能を発揮しており、使用中の物質の量を「ストック量」といいます。鉄鋼のストック量を推計したところ、日本全体では10～11億トン、1人当たりでは約9トンという結果でした。先進各国で推計すると、どの国も1人当たり10トン前後で頭打ちになることがわかりました。

これまで将来の材料需要予測は、過去における生産量・需要量のデータから推計されていました。ですが、鉄鋼のストック量は、あるところで飽和することがわかったので、発想を転換して、ストック量から将来の需要を推計する「ストック飽和モデル」を提案しました（図2）。

このモデルに基づくと、現在、鉄鋼のストック量が1人当たり1トン前後の途上国でも、先進国並みの10トンに向けて増えていくと考えられます。その想定で鉄鋼の将来需要を推計したところ、2100年には世界全体で約25億トンが必要とされる一方、使える鉄スクラップは15億トンしかないと予想されています。残りの10億トンは鉄鉱石から作らなくてはいけなくなるわけです。この解析から、これから整備が進む都市では鉄鋼のストック量は1人当たり10トンではなく5トンくらいでインフラが整備されるような都市構造にするといった提案が考えられます。

金属材料のリサイクルではMFAが重要

金属材料のリサイクルについてはどのような研究をされていますか

金属材料は自動車の部材に多く使われており、部材を軽量化すれば燃費はよくなりますが、軽量化のための高強度材料は往々にして製造過程で環境負荷が大きくなるというトレードオフがあります。従来のLCAにより、部材の材料の選択は可能ですが、問題は、部材の多くは使用後にスクラップとして回収され、次の人が使うという点です。従来のLCAでは、最初に使う人だけが環境負荷を負い、スクラップとして調達した人の環境負荷はゼロと考えます。スクラップとして使う人も金属材料として使えているのに、環境負荷をゼロと評価していいのかという議論が長く続いています。

この問題に関連して、金属材料が何回リサイクルされているかを研究しました。鉄と銅のMFAに「マルコフ連鎖モデル」という確率過程論を適用し、これらの材料の平均使用回数を解析した結果、鉄鋼材は約5回、銅素材は約2回でした。こうした使用回数の推計は、サーキュラーエコノミーの推進において、1つの指標として参照していただいています。また、鉄鋼材が5回使用されているということは、最初に使う人だけが環境負荷を負い、残りの4回の人たちはフリーライドしていることです。そこで、リサイクルされる場合には、2回目以降の人に環境負荷が渡され、最初の人は環境負荷が軽減されるような手法論を提案しているところです。

金属材料のリサイクルについては他にどんな問題がありますか

リサイクルでは回収されたスクラップの質も重要なポイントです。リサイクルの際に他の素材が混入することの問題点を明らかにするため、アルミニウムのMFAを行いました。

世の中に流通しているアルミニウムの圧延品には、約200種類もの合金が存在します。飲料缶にも、側面と蓋の部分では違うアルミニウム合金が使われているなど、リサイクルで回収されたアルミニウムは均一ではないのです。そのため、現在リサイクルで回収されたアルミニウムは、あまり高い純度を求められない鋳造材、特に、自動車の部材の原料として使われています。そして、日本で生産された自動車のうち約半分は輸出されます。

つまり、アルミニウムのマテリアルフロー（図3）は、①他国から純度の高い一次地金を購入し、②それを合金にして圧延品をつくり、③使用後に回収して鋳物（自動車部材）にし、④自動車として輸出する、となっているのです。このような分析をすると、もし日本から自動車が輸出されなくなったら、途端にアルミニウムのリサイクルシステムは破綻することがわかります。アルミニウム業界も、自動車業界もこういう問題は認識していませんでしたが、私たちは、今のリサイクルシステムではいずれ行き詰ることを予見し、警鐘を鳴らしてきました。この研究は、2021年度からアルミニウムの高度循環利用を促進するための国家プロジェクトが始まる契機になりました。

また、世界全体で見ると、アルミニウムは2030年くらいで鋳物向けのスクラップの供給量が鋳造材の需要量を追い抜くという推計になります（図4）。つまり、アルミニウムのスクラップの需要が減り、廃棄される量が増えるということです。これを助長している要因の1つが電気自動車化です。エンジンの主要な部材であるエンジンブロックには、アルミニウムの鋳造材が使われています。電気自動車はエンジンではなくモーターが使われるため、その分の鋳造材の需要量が減ってしまうのです。電気自動車化が進めば低炭素にはなりますが、一方でアルミニウムのスクラップは無駄になってしまいます。こうしたことを回避するために、世界的にも現行のシステムを見直す必要があるでしょう。

使用済み材料をいかに多く、高いクオリティで回収するか

持続可能なリサイクルシステムを構築するためには、どのようなことが必要ですか

使用済み素材をいかに多く回収するか、そして、いかに不純物の少ない高いクオリティで回収するかが重要になります。特に、鉄鋼材では、銅が不純物として0.4%くらい混ざっていると表面割れを起こすため、各メーカーは自分たちが使うスクラップ材料については不純物を気にかけながら使用しています。しかし、世の中全体において、リサイクル材として回収された鉄スクラップのクオリティについては、ほとんど実情がわかっていません。そこで、我々はそれを調べました。

すべての企業からリサイクル材の不純物のデータを得るのは困難なので、実際に現地に出向き、フィールド調査をしました（図5左）。日本の各種鋼材の銅濃度を測定した（図5右上）ほか、西ヨーロッパ、ウクライナ、中国、ベトナムにおいて、リサイクル材に含まれる銅、スズ、ニッケル、クロム、モリブデンの濃度を調べました（図5右下）。今後は、国による違いの原因を探るとともに、スクラップへの不純物の混入を防ぐため、どの過程で混入が起きるのかを明らかにしたいと考えています。

また、画像解析技術を活用して、鉄スクラップの画像から化学組成を非溶解で推定するシステムの開発も進めています。鉄スクラップは厚いほうが歩留まりがよいため、市場の取引では、厚いスクラップほど価格は高くなります。しかし、先ほど述べたように、スクラップの質は、銅などの異物の混入に大きく左右されます。画像解析によりスクラップ中の化学組成が簡単にわかるようになれば、それを価格に反映することができます。鉄スクラップをより適正な価格で取引できるような流通の仕組みづくりにつなげられればと考えています。

研究の今後の展望をお聞かせください

ここまでお話してきたように、これまで鉄や銅、アルミニウムなどの材料や、自動車などの用途に対して、物質のフローやストックを明らかにしたり、環境負荷を評価したりしてきました。しかし、これらは一面的な分析です。実際にはすべてはつながっており、社会全体のシステムの中で相互に影響を与えています。今後は、様々な製品のLCAと様々な物質のMFAをすべて包含したモデルを作りたいと考えています。

そのようなモデルができれば、モデルの中でどの部分を変えたときに、どこにどのような影響が出るかを知ることができます。そうすれば、社会全体を見た上で、どのような技術がほんとうに環境負荷を減らせるのかがわかり、どんな政策を打つべきか、どんな技術を開発するべきかが見えてきます。そして、そのモデルに「将来」という時間軸を加えることが、今、切実に期待されていることだと思います。簡単にできることではありませんが、持続可能な社会に向けて、ものづくりの指針を示せるよう、急いで進めていきたいと思っています。

（取材・構成：秦千里）