Life cycle assessment as a method of limitation of a negative environment impact of castings

アルミニウム vs. 鋳鉄：自動車用鋳造品のライフサイクルアセスメント（LCA）が明らかにする真の環境コスト

この技術概要は、M. Holtzer, A. Bobrowski, B. Grabowskaによって執筆され、ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING（2011年）に掲載された学術論文「Life cycle assessment as a method of limitation of a negative environment impact of castings」に基づいています。

Keywords

Primary Keyword: ライフサイクルアセスメント 鋳造

Secondary Keywords: 自動車用鋳造品, アルミニウム合金, 鋳鉄, 環境影響, CO2排出量, 軽量化

Executive Summary

The Challenge: 自動車部品にアルミニウムと鋳鉄のどちらを選択するかは、軽量化によるメリットと初期生産におけるエネルギーコストとの間の複雑なトレードオフを伴います。

The Method: 本研究では、ライフサイクルアセスメント（LCA）を用いて、アルミニウム、ダクタイル鋳鉄（DILIGHT）、ねずみ鋳鉄製の鋳造品が、材料生産から廃棄に至るまでの全生涯にわたって与える環境影響（特に地球温暖化係数）を比較しました。

The Key Breakthrough: 100%バージン材を使用した場合、軽量なアルミニウム鋳造品による燃費向上効果が、その高い初期生産エネルギーと環境負荷を相殺するには、自動車が250,000km走行する必要があります。

The Bottom Line: 自動車用鋳造品の材料選択は、車両の使用段階をはるかに超えた長期的な環境・コストへの影響を及ぼし、特にバージン材の生産がLCA全体における決定的な要因となります。

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

自動車業界は、燃費向上と排出ガス削減という継続的な圧力にさらされています。この主要な解決策の一つが「車両の軽量化」であり、従来、エンジンブロックなどの部品で広く使用されてきた鋳鉄をアルミニウム合金に置き換える動きが加速しています。しかし、この材料置換は本当に環境的に有益なのでしょうか？アルミニウムは軽量ですが、その生産には鋳鉄の約10倍ものエネルギーが必要です。この初期の環境負荷は、車両使用中の燃費向上によって相殺されるのでしょうか？この問いに答えるためには、材料の採掘から製造、使用、そしてリサイクルに至るまでの製品の全生涯、すなわち「ライフサイクル」全体を評価する必要があります。

The Approach: Unpacking the Methodology

本研究では、自動車用鋳造品を対象とした比較ライフサイクルアセスメント（LCA）を実施しました。分析対象は以下の3種類の材料で作られた同等の機能を持つ部品です。 * アルミニウム合金（3.5 kg） * ノジュラー鋳鉄（DILIGHT）（4 kg） * ねずみ鋳鉄（5 kg）

評価は、製品の生涯をいくつかの段階に分けて行われましたが、特に環境影響が最も大きい以下の3つのフェーズに焦点が当てられました。 1. 材料生産（一次および二次） 2. 鋳造プロセス 3. 自動車使用フェーズ

環境影響を測定する主要な指標として「地球温暖化係数（GWP）」が用いられ、これは排出される温室効果ガスをCO2換算量（kg）で表現したものです。このアプローチにより、異なる材料の環境性能を「ゆりかごから墓場まで」の視点で客観的に比較することが可能になりました。

The Breakthrough: Key Findings & Data

本研究から得られたデータは、材料選択に関する従来の考え方に疑問を投げかける、いくつかの重要な発見を明らかにしました。

Finding 1: 生産段階がアルミニウムの初期環境負荷を支配する Figure 6に示されるように、製品ライフサイクルの初期段階における環境負荷は、アルミニウムが鋳鉄を大幅に上回ります。100%バージン材を使用した場合、アルミニウム鋳造品のライフサイクル全体のCO2排出量のうち、「材料生産」が34%、「鋳造プロセス」が14%を占めます。一方、鋳鉄では「材料生産」が6%、「鋳造プロセス」が5%に過ぎず、その差は歴然です。この高い初期負荷は、アルミニウムの精錬に莫大なエネルギーが必要であることに起因します。

Finding 2: バージン材使用時の「損益分岐点」は250,000km 本研究で最も衝撃的な発見は、アルミニウムの軽量化による燃費向上メリットが、その高い初期生産時の環境負荷を上回る「損益分岐点」です。Figure 7が示す通り、100%バージン材から作られたアルミニウム部品の場合、この損益分岐点に到達するには250,000kmもの走行距離が必要となります。これは一般的な車両の寿命に匹敵、あるいはそれを超える距離です。一方で、リサイクル材を50%使用するシナリオでは、損益分岐点は約150,000kmまで短縮され、リサイクル材利用の重要性が示唆されています。

Practical Implications for R&D and Operations

この研究結果は、鋳造業界のさまざまな専門家にとって、具体的な示唆を与えます。

For Process Engineers: 本研究は、特にアルミニウムの一次生産におけるエネルギー消費の大きさを浮き彫りにしています。これは、溶解および保持プロセスのエネルギー効率を最大化し、リサイクル材（二次材料）の使用率を高めることが、製品全体の環境フットプリントを削減する上で極めて重要であることを意味します。

For Quality Control Teams: 論文のTable 1およびFigure 5のデータは、アルミニウムが高温下で引張強度が著しく低下するなど、鋳鉄とは異なる機械的特性を持つことを示しています。これは、材料を置換する際に、部品の長期的な信頼性を確保するため、これらの特性に対する品質検査基準を新たに見直す必要があることを示唆しています。

For Design Engineers: 設計者にとっての重要な教訓は、単純な軽量化だけでなく、ライフサイクル全体での影響を考慮する必要があるということです。アルミニウムへの変更による正味の軽量化効果は、機械的特性の低さを補うための設計変更によって相殺される可能性があり、また、使用される材料がバージン材かリサイクル材かによって、製品の環境性能が劇的に変わることを、250,000kmという損益分岐点は明確に示しています。

Paper Details

Life cycle assessment as a method of limitation of a negative environment impact of castings

1. Overview:

• Title: Life cycle assessment as a method of limitation of a negative environment impact of castings
• Author: M. Holtzer, A. Bobrowski, B. Grabowska
• Year of publication: 2011
• Journal/academic society of publication: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, Volume 11, Issue 3/2011
• Keywords: LCA, Life Cycle Assessment, Environmental Protection, Ecological Castings

2. Abstract:

Casting production constitutes environmental problems going far beyond the foundry plant area. Applying a notion of the life cycle the input (suppliers side) and output factors (clients side) can be identified. The foundry plant activities for the environment hazard mitigation can be situated on various stages of the casting life cycle. The environment impact of motorisation castings made of different materials – during the whole life cycle of castings are discussed in the paper. It starts from the charge material production, then follows via the casting process, car assembly, car exploitation and ends at the car breaking up for scrap.

3. Introduction:

各製品は環境に影響を及ぼし、そのライフサイクルは長く複雑である。製品の負の環境影響を可能な限り抑制するためには、ライフサイクルの全段階における影響を評価する必要がある。この目的を達成するために、製品（サービスを含む）のライフサイクルアセスメント（LCA）手法が用いられる。LCAは、原材料の取得から生産、使用、廃棄に至るまで、製品の生涯（ゆりかごから墓場まで）を通じた環境側面と潜在的影響を調査する。考慮すべき環境影響の一般的なカテゴリーには、資源利用、人の健康、生態学的影響が含まれる。LCA研究は、目標と範囲の設定、インベントリ分析（LCI）、影響評価（LCIA）、解釈の4つのフェーズで構成される。

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

自動車産業は、特に自動車輸送に起因する有害な環境影響に関連して、継続的な圧力にさらされている。この影響を抑制するための主要な活動は、燃料燃焼の改善と新たな供給源の探求に集中している。もう一つの重要な活動は、車両の軽量化を達成することであり、これには鋳鉄からアルミニウム合金（およびマグネシウム合金）への段階的な置換が含まれる。

Status of previous research:

本稿で提示されるデータは、主に英国のA.J. Cleggのチームによって第5次フレームワークプログラム（GROWTH）内で実現されたプロジェクトNo. G5RD-CT-2000-00379から得られたものである。本研究は、ISO 14040およびISO 14044で概説されている確立されたLCAの手法に基づいている。

Purpose of the study:

本研究の目的は、鋳鉄製鋳物をアルミニウム合金製鋳物に置換することによる環境影響を、そのような鋳物のライフサイクル全体を追跡することによって評価することである。

Core study:

本研究では、アルミニウム合金製（3.5 kg）、対応するノジュラー鋳鉄（DILIGHT）製（4 kg）、およびねずみ鋳鉄製（5 kg）の自動車用鋳物を調査対象とした。環境影響基準として、エネルギー消費量と、排出されたCO2の等価量として表現される地球温暖化効果が仮定された。鋳物のライフサイクルについて5つのバリエーションが検討され、一次材料（バージン材）の割合を100%から0%まで変化させた。分析は、環境影響が最も大きい3つのフェーズ、すなわち材料生産（一次および二次）、鋳造プロセス、自動車使用フェーズに焦点を当てた。

5. Research Methodology

Research Design:

本研究は、ISO 14040および14044規格に準拠した比較ライフサイクルアセスメント（LCA）として設計されている。データは、EUのGROWTHプログラム内のプロジェクト（No. G5RD-CT-2000-00379）から引用されている。

Data Collection and Analysis Methods:

鋳物のライフサイクルをモデル化し、各フェーズにおけるエネルギー消費量と温室効果ガス排出量（CO2等価量として）を算出した。異なる材料およびシナリオ（一次・二次材料の含有率を変動）における総地球温暖化係数（GWP）を比較した。

Research Topics and Scope:

研究の範囲は、自動車用鋳物の「ゆりかごから墓場まで」である。比較対象の材料はアルミニウム合金、DILIGHT（ノジュラー鋳鉄）、およびねずみ鋳鉄である。分析は、特に材料生産、鋳造、使用フェーズにおけるGWPとエネルギー消費に焦点を当てている。

6. Key Results:

Key Results:

• 一次アルミニウム1 Mgの生産には164-171 GJのエネルギーが必要であるのに対し、鉄1 Mgの生産には16.8-18.8 GJのエネルギーが必要である。これは、アルミニウムの一次エネルギー需要が銑鉄の9～10倍高いことを意味する。
• 100%一次材料から製造されたアルミニウム鋳物の場合、ライフサイクル全体の温室効果ガスは102,029 kg CO2等価量であり、そのうち自動車使用フェーズが52%、材料生産が34%、鋳造プロセスが14%を占める。
• 同等の鋳鉄製鋳物の場合、総温室効果ガスは86,807 kgであり、そのうち使用フェーズが89%、材料生産が6%、鋳造プロセスが5%を占める。
• 一次材料のみを使用した場合、アルミニウムの軽量化による燃料消費削減の便益が、その高い生産エネルギーと地球温暖化を相殺し始める「損益分岐点」となる走行距離は250,000 kmである。
• 一次材料50%と二次材料50%を適用した場合、有利な効果は走行距離150,000 kmをわずかに超えた時点で観察される。

Figure Name List:

• Fig. 1. Phases of LCA [2]
• Fig. 2. Main buyers of castings in 2010 [5]
• Fig. 3. Impact of weight and engine on carbon dioxide emission from cars [7]
• Fig. 4. Weights and capacities of various gray iron and aluminum motor block [6]. (The points in this diagram marked with arrows are examples of redesigned cast iron motors where the weight has been reduced)
• Fig. 5. Tensile strength vs. temperature [6]
• Fig. 6. Comparison of the global warming potential (GWP) for different life cycle stages [8]
• Fig. 7. Comparative global warming potential (GWP) (CO₂ equivalents) [8]

7. Conclusion:

1. With aluminum castings a reduction in the weight and fuel consumption is achievable. The weight reduction in small motors is, however, minimal because the advantage of lower specific gravity of aluminum (a mass saving is 23%) is negated by its less favorable mechanical properties.
2. The demand for energy for the aluminum product is 30% higher than it is for alternative cast iron product. This is turn generates a global warming potential that is 15% higher.
3. Aluminum suffers from large price changes. A future increased demand from automobile industry will surely lead to still higher prices.
4. The distance that car must travel before the reduction mass of aluminum begins to provide a reduction in the life cycle energy consumption and global warming is 250 000 km when only primary materials are used.

8. References:

• [1] Norma PN-EN ISO 14044:2009 Zarządzanie środowiskowe. Ocena cyklu życia. Wymagania i wytyczne.
• [2] Norma PN-EN ISO 14040:2009 Zarządzanie środowiskowe. Ocena cyklu życia. Zasady i struktura.
• [3] Burchart-Korol D.: Zastosowanie LCA do oceny wpływu technologii spiekania rud żelaza na środowisko. Hutnik-Wiadomości Hutnicze No 9, 2010, 448-450.
• [4] Grzesik K.: Wprowadzenie do oceny cyklu żucia (LCA) – nowej techniki w ochronie środowiska. Inżynieria Środowiska, Tom 11, Zeszyt 1, 2006, 101-113.
• [5] Sobczak J.J., Balcer E., Kryczek A.: Sytuacja odlewnictwa w Polsce i na świecie. Stan aktualny i prognozy. Przegląd Odlewnictwa, 1-2/2011, 16-21.
• [6] Moore C.M., Rohrig K., Deike R.: Automative Aluminium Castings: Are they Really Cost Effective?. Foundry Management & Technology, 9/1999, 55-65.
• [7] Farley T.: Technology challenges in a charging downstream aluminium industry. Foundry Trade Journal, April 2010, 90-93.
• [8] Clegg A.J.: The Application of Life-Cycle Assessment to the Environmental Impacts in the Production and Use of Casting. Archives of Foundry. Year 2004, vol. 4, No 13, 39-44.

EXPERT Q&A AND CONCLUSION

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: なぜこの研究は、リサイクルが一般的であるにもかかわらず、バージン材の生産にこれほど重点を置いているのですか？

A1: この研究は、潜在的な環境影響を最大値で示すために、意図的に100%バージン材を使用する「最悪のシナリオ」をモデル化しています。Figure 7に示されるように、これにより、損益分岐点に達するために250,000kmの走行が必要となるベースラインのGWP（地球温暖化係数）が設定されます。これは、材料の調達源（バージン材かリサイクル材か）が、アルミニウム鋳造品の全体的な環境フットプリントを削減する上で最も重要な単一の要因であることを強調しています。

Q2: 論文ではアルミニウムの引張強度が低いと述べられていますが、これは部品設計にとってどの程度重要ですか？

A2: Table 1とFigure 5は、アルミニウム合金が、特に高温下において、ねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄と比較して引張強度が著しく低いことを示しています。例えば、200℃においてGK-AlSi8Cu4の引張強度は約170 N/mm²ですが、GGG 40ダクタイル鋳鉄は375 N/mm²以上の強度を維持します。これは、設計者が単純な1対1の材料置換はできず、強度を補うために材料を追加したり、部品を再設計したりする必要がある可能性を意味し、結果として軽量化のメリットを損なう可能性があります。

Q3: アルミニウム使用による軽量化効果は、常に材料変更を正当化するほど大きいのですか？

A3: 論文は、必ずしも明確なメリットがあるわけではないと示唆しています。典型的な小型車の場合、アルミニウム製エンジンブロックは「車両総重量」を4%未満しか削減しない可能性があると指摘しています。さらに結論では、アルミニウムの比重の低さという利点は、「その不利な機械的特性によって無効にされる」と述べられており、必要な強度を達成するために設計がより大きくなる可能性があり、正味の軽量化効果が減少することを示唆しています。

Q4: グラフに記載されている「DILIGHT」とはどのような材料ですか？

A4: 論文では「DILIGHT」をノジュラー鋳鉄（ダクタイル鋳鉄またはGGGとしても知られる）の対応する鋳物として特定しています。Figure 6および7では、これは軽量設計のダクタイル鋳鉄を代表しており、従来のねずみ鋳鉄とアルミニウムの両方に対する現代的な鋳鉄の代替案として、特性と環境影響のバランスを提供します。

Q5: 250,000kmという損益分岐点は非常に長いように思えますが、この計算の根拠は何ですか？

A5: この計算は、100kgの重量削減ごとに100kmあたり0.2リットルの平均燃費節約を仮定したものです。20kgを軽量化するアルミニウムブロックの場合、これは1kmあたりの非常にわずかな燃料節約にしかなりません。このわずかな節約を、バージンアルミニウム生産から生じる初期の大きなGWPの「負債」（Figure 6参照）と比較すると、損益分岐点に達するには非常に長い車両寿命が必要になります。

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

本研究が示すように、自動車部品の材料選択は、単なる重量削減以上の複雑な要素を考慮する必要があります。真に環境性能とコスト効率に優れた製品を開発するためには、ライフサイクルアセスメント 鋳造という視点が不可欠です。バージン材の生産がもたらす高い初期環境負荷は、車両の使用段階におけるメリットを簡単に相殺してしまう可能性があり、材料の調達戦略とリサイクルの最大化が、これまで以上に重要になっています。

CASTMANでは、最新の業界研究を応用し、お客様がより高い生産性と品質を達成できるよう支援することに尽力しています。本稿で議論された課題がお客様の事業目標と一致する場合、これらの原則をお客様のコンポーネントにどのように実装できるか、ぜひ当社のエンジニアリングチームにご相談ください。

Copyright Information

This content is a summary and analysis based on the paper "Life cycle assessment as a method of limitation of a negative environment impact of castings" by "M. Holtzer, A. Bobrowski, B. Grabowska".

Source: [https://journals.pan.pl/dlibra/publication/100518/edition/86729/content]

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