オートバイダイカストにおける持続可能性の最適化：廃熱回収と金属スクラップリサイクルの統合

この入門論文は、"[Leuser Journal of Environmental Studies]"によって発行された論文「Optimizing Motorcycle Manufacturing Sustainability through the Integration of Waste Heat Recovery and Metal Scrap Recycling: A Process Engineering Approach」に基づいています。

Figure 2. Flow process of die casting.
Figure 2. Flow process of die casting.

1. 概要:

  • タイトル: オートバイ製造の持続可能性最適化：廃熱回収と金属スクラップリサイクルのプロセスエンジニアリングアプローチ
  • 著者: Rifki Saiful, Erkata Yandri, Erik Hilmi, Nasrullah Nasrullah, Uhanto Uhanto, Fitriani Fitriani, Riki Firmandha Ibrahim
  • 発行年: 2024年
  • 発行ジャーナル/学会: Leuser Journal of Environmental Studies
  • キーワード: オートバイ製造、エネルギー効率、廃熱回収、持続可能性、エネルギー消費削減、原材料予熱、材料廃棄物リサイクル

2. 抄録:

自動車産業の製造業は2050年までに2〜3倍の急速な成長を遂げ、オートバイは世界中の車両の約30％を占めていますが、この生産量の増加は原材料とエネルギーの需要を著しく高めています。主な課題は、製造プロセス中に発生する材料廃棄物と廃熱の管理にあります。本研究は、オートバイ産業の持続可能性を高め、廃棄物を削減し、エネルギー消費を削減するために、材料廃棄物リサイクルと廃熱回収の相乗効果を最適化するフレームワークを開発することを目的としています。この設計は、溶融プロセスからの廃熱を利用して原材料を予熱し、温度を約50℃から溶融前の350℃まで上昇させることで、追加のエネルギー需要を削減し、排出量を削減し、運用コストを削減します。廃熱を原材料の予熱に利用することは、環境への影響と熱負荷を軽減するだけでなく、エネルギー効率を大幅に向上させ、最終的にはコスト削減と最適化された資源利用につながります。廃熱を原材料の予熱に直接利用することで、エネルギー消費を最大30％まで効果的に削減できました。このアプローチは、運用効率を向上させるだけでなく、生産コストを削減し、環境への影響を最小限に抑え、製造部門に、より持続可能なソリューションを提供します。

3. 序論:

自動車産業、特にオートバイ製造は急速な成長を遂げており、原材料とエネルギーの需要が増加しています。生産量の急増は、材料廃棄物と廃熱の管理に関連する課題を悪化させており、特に溶融や鋳造のようなエネルギー集約的なプロセスにおいて顕著です。エンジン部品に不可欠なアルミニウムの世界的な需要は、2050年までに2〜3倍に増加すると予測されています。アルミニウムの生産はエネルギー集約型であり、特に溶融および鋳造プロセスにおいて環境への影響が大きいです。オートバイ製造の環境への影響は、廃熱と金属スクラップによる非効率性と汚染により、ますます懸念されています。これらの懸念に対処するために、業界はリサイクルやエネルギー回収を含む持続可能な慣行を採用する必要があります。本論文では、金属鋳造における廃熱回収システム（WHRS）の統合と、効果的な金属スクラップ管理を探求し、オートバイ製造におけるエネルギー消費を削減し、持続可能性を高めることを目的としており、アルミニウムや鉄鋼産業などの他の産業と比較して、これらの技術のオートバイ産業への応用には特定のギャップがあることを指摘しています。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

オートバイ製造を中心とした自動車産業の急速な拡大は、原材料とエネルギーの需要を大幅に増加させています。特に溶融などの製造プロセス中に発生する材料廃棄物、特に金属スクラップ、および廃熱の管理は、主要な持続可能性の課題を提示しています。未利用の廃熱は地球温暖化に寄与し、廃棄されたアルミニウムは天然資源を枯渇させ、アルミニウム生産のエネルギー集約的な性質と温室効果ガス排出により気候変動を悪化させます。

先行研究の状況:

学術文献は、製造業における廃棄物管理と熱回収を広範囲に調査しています。研究には、アルミニウムリサイクルの包括的なレビュー、WHRSを使用して熱プロセスの効率を向上させるエネルギーモデリング手順、鉄鋼プラントにおける熱回収の技術的ソリューション、エネルギー管理制御システム（EMCS）を使用したエネルギー節約の測定方法が含まれます。既存の研究では、アルミニウムドロスと炭素残渣からの廃熱回収を分析し、ヒートポンプを使用して熱回収システム設計を最適化しています。産業部門における廃熱回収のためのフレームワークが開発されており、エネルギーコストと環境への影響を削減することを目的としています。しかし、ほとんどの研究がアルミニウムおよび鉄鋼産業に焦点を当てているため、これらの技術のオートバイ製造業界内での特定の応用には研究ギャップが存在します。

研究の目的:

本研究は、オートバイ製造内での材料廃棄物リサイクルと廃熱回収の相乗効果を最適化するフレームワークを開発することを目的としています。この研究は、オートバイ産業の持続可能性を高め、廃棄物を削減し、エネルギー消費を削減するために、これらの慣行を統合することに焦点を当てています。文献で特定されたギャップに対処します。

コアとなる研究:

コアとなる研究は、オートバイダイカストの持続可能性を最適化するためのプロセスエンジニアリングアプローチに焦点を当てています。溶融プロセスからの廃熱を原材料の予熱に統合し、製造プロセス内での金属スクラップリサイクルを強化することを調査します。本研究では、オートバイエンジン部品製造のプロセスフローを分析し、ダイカスト領域に焦点を当てています。一般的に溶融プロセス（600〜750℃の温度）中に失われる廃熱を利用して、原材料（アルミニウムインゴットとスクラップ）を溶融炉に投入する前に約50℃から350℃まで予熱することを提案しています。この予熱は、エネルギー消費を削減し、運用効率を改善し、環境への影響を最小限に抑えることを目的としています。

5. 研究方法:

研究デザイン:

本研究では、オートバイダイカストの製造プロセスフローを分析および最適化することに焦点を当てたプロセスエンジニアリング設計アプローチを採用しています。本研究は、持続可能性を高めるために廃熱回収と金属スクラップリサイクルを統合するための概念フレームワークを開発します。設計には、現在のプロセス条件の分析と、廃熱回収を活用した原材料予熱を組み込んだ目標の新規プロセス提案が含まれます。

データ収集と分析方法:

本研究では、オートバイ製造施設からエネルギー消費データを収集および分析します。これには、溶融、ダイカスト、バリ取り、熱処理など、ダイカストプロセスのさまざまな段階における電力および液化天然ガス（LNG）消費量に関するデータが含まれます。インゴットおよびリターン/スクラップ材料の量、総生産量などの原材料投入データも分析します。廃熱回収システム導入前後の単位あたりのエネルギー消費量（kWh/Pcs）を計算して比較します。2023年のデータは、提案されたシステム導入後の2024年のデータと比較するためのベースラインとして機能します。

研究テーマと範囲:

研究は、オートバイ製造におけるダイカストプロセスに焦点を当て、特に溶融段階を重要なエネルギー消費ポイントおよび廃熱源として分析します。範囲は以下を含みます。

  • オートバイエンジン部品製造のプロセスフロー分析。
  • ダイカストプロセス（溶融プロセス）における廃熱源の特定。
  • 原材料予熱のための廃熱回収システムの設計。
  • 廃熱利用によるエネルギー消費削減量の評価。
  • 資源効率への金属スクラップリサイクルの貢献度分析。
  • 潜在的なエネルギーおよびコスト削減、ならびに環境影響削減の評価。

6. 主な結果:

主な結果:

本研究の主な結果は、オートバイダイカストにおける原材料予熱のための廃熱回収の統合を通じて、大幅なエネルギー節約の可能性が実証されたことです。廃熱を利用して原材料を溶融前の約50℃から350℃まで予熱した結果、エネルギー消費量が最大30％削減されました。これは、2023年と2024年のkWh/Pcsの比較で明らかであり、廃熱回収の実施後にエネルギー消費が減少したことを示しています。廃熱の利用は、エネルギー消費を削減するだけでなく、運用コストを削減し、熱排出を削減することにより環境への影響を最小限に抑えます。さらに、製造プロセス内でスクラップ部品をリサイクルすると、資源効率が向上し、新しい原材料の消費が削減されます。

Figure 4. Return or scrap identification source.
Figure 4. Return or scrap identification source.
Figure 7. Flow diagram of waste heat utilization concept.
Figure 7. Flow diagram of waste heat utilization concept.
Figure 6. Comparison of (a) energy consumption and (b) results from utilizing waste heat
Figure 6. Comparison of (a) energy consumption and (b) results from utilizing waste heat
Figure 5. Flow Utilizing waste heat for pre-heating.
Figure 5. Flow Utilizing waste heat for pre-heating.

図表名リスト:

  • Figure 1. Total flow process unit motorcycle.
  • Figure 2. Flow process of die casting.
  • Figure 3. Identification of loss of heat.
  • Figure 4. Return or scrap identification source.
  • Figure 5. Flow Utilizing waste heat for pre-heating.
  • Figure 6. Comparison of (a) energy consumption and (b) results from utilizing waste heat.
  • Figure 7. Flow diagram of waste heat utilization concept.

7. 結論:

オートバイ製造における排熱利用とスクラップアルミニウムリサイクルを統合する概念設計は、持続可能性を高めるための非常に効果的なソリューションを示しています。この統合システムは、生産プロセスから発生するエネルギー利用を最大化するために廃熱回収を活用し、スクラップアルミニウムリサイクルを通じてバージン原材料への依存度を最小限に抑え、それによって資源消費とCO2排出量を削減します。原材料予熱のための廃熱回収の実施は、大幅なエネルギー節約、単位あたりのエネルギー消費量で最大30％の削減、および運用効率の向上につながります。このアプローチは、経済的利益を提供するだけでなく、廃棄物と排出量を削減することにより、環境の持続可能性を促進します。本研究は、より環境に優しく効率的な生産を達成するために、製造業におけるこのような統合システムのより広範な応用可能性を強調し、オートバイ製造のより持続可能な未来に貢献します。

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9. 著作権:

  • This material is a paper by "Rifki Saiful, Erkata Yandri, Erik Hilmi, Nasrullah Nasrullah, Uhanto Uhanto, Fitriani Fitriani and Riki Firmandha Ibrahim". Based on "Optimizing Motorcycle Manufacturing Sustainability through the Integration of Waste Heat Recovery and Metal Scrap Recycling: A Process Engineering Approach".
  • Source of the paper: https://doi.org/10.60084/ljes.v2i2.225

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