車両構造におけるマグネシウム部品のライフサイクルアセスメント

本稿は、「ドイツ航空宇宙センター（DLR）（国際マグネシウム協会（IMA）依頼）」発行の論文「Life Cycle Assessment of Magnesium Components in Vehicle Construction」に基づいています。

Figure 1: Overview of magnesium life cycle for transport applications
Figure 1: Overview of magnesium life cycle for transport applications

1. 概要:

  • 論文名: Life Cycle Assessment of Magnesium Components in Vehicle Construction
  • 著者: Simone Ehrenberger
  • 発行年: 2013年
  • 発行機関: ドイツ航空宇宙センター（DLR）車両概念研究所（国際マグネシウム協会（IMA）向け報告書）
  • キーワード: マグネシウム、ライフサイクルアセスメント（LCA）、車両構造、輸送用途、軽量設計、ピジョン法、電解法、ダイカスト、砂型鋳造、使用済み製品、リサイクル、アルミニウム比較、温室効果ガス排出量

2. アブストラクト:

マグネシウムは多くの用途で軽量材料として大きな可能性を秘めており、輸送において貴重な利点を提供します。軽量設計は、自動車、列車、航空機の効率を高め、排出量を削減するための重要な解決策の1つです。単一のライフステージ間のトレードオフを防ぎ、軽量設計による生態学的利益を評価するためには、ライフサイクル全体を考慮して、そのような材料の潜在的な利点と欠点を比較検討する必要があります。国際マグネシウム協会（IMA）が主導した本研究は、2つの代表的な輸送用途（自動車部品と航空機部品）におけるマグネシウム部品のライフサイクル全体を分析し、アルミニウムと比較しています。これには、一次マグネシウム生産、合金化、部品生産、使用段階、およびマグネシウム部品の使用済み段階が含まれます。本研究は、マグネシウムの使用に関連するエネルギーと排出に関する最新の信頼性の高いデータを提供することを目的としており、生産者、製造業者、および最終使用者が信頼性の高いデータに基づいてマグネシウムプロセスを設計および決定するための貴重な情報を提供します。本研究は、ライフサイクルアセスメントに関するISO 14040および14044規格に準拠しており、外部専門家による批判的レビューを含んでいます。

3. 緒言:

資源の希少性、気候変動、移動と輸送の需要増加といった世界の主要なトレンドは、ますます高効率な技術的解決策を強いています。CO2および燃料消費に関する仕様は厳しく、大幅な改善が必要です。軽量設計は、多くの用途において、移動および加速されるすべての部品のエネルギー消費を削減するための行動の1つです。マグネシウムは、生産、製造、使用段階、および使用済み段階におけるその特性により、大きな可能性を秘めています。マグネシウムは何十年にもわたって車両に使用されてきましたが、輸送部門での幅広い用途向けの材料としての可能性を高めるためには、さらなる開発が必要です。マグネシウム生産からのエネルギー消費と排出量は、鋼鉄やしばしばアルミニウムよりも高くなります。しかし、マグネシウムは、従来の鋼鉄と比較して約55％、アルミニウムと比較して約25％の重量削減を達成できるため、使用段階で達成できる燃料および排出削減量は、軽量材料の使用によって達成される重量削減に依存します。国際マグネシウム協会（IMA）は、マグネシウムの潜在的な環境上の利点を評価し、マグネシウムおよびマグネシウム合金を製造するためのさまざまな生産ルートの現状と進捗状況を示し、それらを互いに、また競合する軽量材料（例：Al）と比較するために、マグネシウムのライフサイクルアセスメントに関する研究を開始しました。マグネシウムの生産と使用に関する環境問題、およびマグネシウム部品の使用済み段階が取り上げられています。したがって、他の材料との競争におけるマグネシウムの魅力は、典型的な用途について示され、必要なエネルギー消費とそれぞれの排出に関する実世界のデータと計算結果で実証されています。材料のライフサイクル中のすべての関連する影響を含めるために、cradle-to-graveアプローチが選択されています（Figure 6）。使用段階では、自動車および航空機部品の例が選択され、アルミニウムと比較した利点が示されています。マグネシウム製ステアリングホイールは乗用車でのマグネシウムの使用を表し、マグネシウム製のドア部品は航空機部品の例として選択されています。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

輸送部門は、排出量の削減とエネルギー効率の向上というプレッシャーに直面しています。軽量設計は、これらの目標を達成するための主要な戦略です。最も軽い構造用金属であるマグネシウムは、車両や航空機の重量を大幅に削減し、使用段階での燃料消費量と排出量を削減する大きな可能性を秘めています。しかし、マグネシウムの製造と加工が環境に与える影響は、ライフサイクル全体を通じて慎重に評価する必要があります。

従来の研究状況:

これまでの評価では、一次マグネシウム生産、特にピジョン法は、エネルギー消費量と温室効果ガス排出量が多く、しばしばアルミニウムのそれを上回ることが示されていました。しかし、生産プロセスの技術的進歩や、ガス燃料の使用と廃熱回収への移行により、近年大幅な改善が見られています。本研究は、これらの変化を反映した最新データを提供します。

研究の目的:

本研究の目的は以下の通りです。

  • 自動車および航空機用途におけるマグネシウム部品のライフサイクル全体を評価する。
  • マグネシウムの生産、使用、および使用済み段階におけるエネルギー消費と排出に関する最新かつ信頼性の高いデータを提供する。
  • マグネシウム部品の環境性能を、同等のアルミニウム部品と比較する。
  • マグネシウムの使用に関する設計および意思決定プロセスを支援するために、生産者、製造業者、および最終使用者に貴重な情報を提供する。
  • マグネシウムの軽量化に伴う生態学的利益と潜在的なトレードオフを特定する。

研究の核心:

本研究は、主に以下の4つの部分で構成されています。

  1. マグネシウム生産: ピジョン法（主に中国）および電解法による一次マグネシウム生産の分析（近年の技術開発を含む）。
  2. 部品生産: 2つの代表的な部品の製造プロセスの評価：乗用車用ダイカスト製マグネシウムステアリングホイールフレーム、および航空機用砂型鋳造マグネシウムドア部品。
  3. 使用段階: マグネシウム部品による軽量化に起因する、車両および航空機の運用寿命中の燃料および排出削減量の評価。
  4. 使用済み段階: 現在の慣行および代替リサイクル経路を含む、マグネシウム部品のリサイクルおよび処分の分析。
    研究全体を通じて、マグネシウム部品は、機能的に同等なアルミニウム製部品と比較されます。評価はISO 14040/14044規格に準拠しています。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究では、ISO 14040および14044規格に準拠したライフサイクルアセスメント（LCA）手法を採用しています。分析は、一次マグネシウム生産、マグネシウム特有の設計と部品製造、輸送用途におけるマグネシウムのライフサイクル性能、および使用済み製品とリサイクルの4つのモジュールで構成されています。

  • マグネシウム生産（ピジョン法、電解法）の分析は、cradle-to-gate（ゆりかごからゲートまで）評価です。
  • 合金および部品生産（ダイカスト、砂型鋳造）と使用済み段階は、gate-to-gate（ゲートからゲートまで）で分析されます。
  • ステアリングホイールのライフサイクル全体は、cradle-to-grave（ゆりかごから墓場まで）で評価されます。
  • 航空機部品については、生産と使用段階の損益分岐点に焦点を当てています。
    同等のアルミニウム部品との比較が行われます。

データ収集・分析方法:

  • データソース: コアプロセスについては、マグネシウム生産者、部品製造業者、および業界専門家（例：国際マグネシウム協会会員、中国マグネシウム協会）からの一次データが使用されました。上流プロセスおよびデータギャップは、文献およびecoinventデータベース2.2を使用して補完されました。
  • 影響評価: 影響評価にはCML 2001法が使用されました。本研究は主に、IPCC特性化係数に基づき、100年間の時間軸でkg CO2換算（CO2eq）で表される地球温暖化ポテンシャル（GWP）に焦点を当てています。評価された他のカテゴリには、酸性化ポテンシャル（AP、kg SO2eq）、富栄養化ポテンシャル（EP、kg PO4eq）、および非生物資源枯渇ポテンシャル（ADP、kg Sbeq）が含まれます。
  • ソフトウェア: ピジョン法の材料およびエネルギーフローモデリングにはUmbertoが使用されました。

研究テーマと範囲:

  • 一次マグネシウム生産: ピジョン法（2011年の中国生産を代表）および電解法（イスラエル、カーナライトベースのサイト固有）の評価。
  • マグネシウム部品製造:
    • ダイカスト：マグネシウムステアリングホイールフレーム（AM50合金）。
    • 砂型鋳造：マグネシウム航空機ドア部品（ギアボックスおよびシールクロージャー、AZ91E合金）。
  • 合金化: AM50およびAZ91E合金の生産。
  • 使用済み段階: 使用済み自動車（ELV）の処理、アルミニウムサイクル内でのマグネシウムのリサイクル（標準シナリオ）、および一次マグネシウムの回収（代替シナリオ）。
  • 使用段階: 乗用車（走行距離20万km）およびA320航空機（飛行距離4,100km）の燃料節約量および排出削減量の計算。
  • システム境界: ecoinventからの上流プロセスを除き、一次マグネシウム生産、加工、およびリサイクルにおける大気への排出に限定。

6. 主要な結果:

主要な結果:

  • 一次マグネシウム生産（2011年データ）:
    • ピジョン法（中国、加重平均）: 25.8 kg CO2eq / kg Mg。廃コークス炉ガス/半コークス炉ガスの使用をクレジットとして計上すると、19.9 kg CO2eq / kg Mgに削減。FeSi生産が影響の主要因。
    • 電解法（イスラエル、天然ガスベース）: 17.8 kg CO2eq / kg Mg。副生成物（Cl2、KCl）をクレジットとして計上すると、14.0 kg CO2eq / kg Mgに削減。電力消費が主要因。
  • マグネシウム部品製造:
    • ダイカスト（ステアリングホイール）: マグネシウム製ステアリングホイールは、gate-to-gate分析において、主に処理材料が少ないため、アルミニウム部品と比較して一般的に環境負荷（例：GWP）が低い。しかし、カバーガスとしてSO2を使用すると、酸性化ポテンシャルが比較的高くなる。
    • 砂型鋳造（航空機部品）: マグネシウム部品の生産は、気候変動と資源枯渇のカテゴリにおいて、アルミニウム部品よりも影響が低い。砂型の生産と鋳造プロセス自体（フラックス、エネルギー）が影響の大きな要因。
  • 使用済み製品とリサイクル:
    • マグネシウムの使用済み製品の標準的なシナリオは、アルミニウムサイクル内でのリサイクル。
    • ELV処理のエネルギー消費は、アルミニウム合金処理よりもはるかに低い。GWPについては、車両処理は、リサイクル用に処理される3.8 kg CO2eq / kg材料の総排出量の約4％を占める。
  • マグネシウム部品とアルミニウム部品の比較（ライフサイクル視点）:
    • ステアリングホイール（乗用車、20万km）: マグネシウム部品は、アルミニウムと比較して正味のCO2eq排出量で優位性を示す。
      • ピジョン法で製造されたMg（コークス炉ガス）の損益分岐点は約15万km。
      • ピジョン法で廃ガス利用をクレジット計上した場合、損益分岐点は4万6千km。
      • 電解法で製造されたMgは、既にアルミニウム基準よりも生産時の排出量が低い。
    • 航空機部品（A320）: 航空における高い燃料節約ポテンシャルのため、マグネシウム部品の生産時の高い排出量の償却は迅速に行われる。
      • ほとんどのマグネシウムシナリオで、遅くとも9回目の飛行で損益分岐点に到達。
      • 副生成物クレジット付きの電解法でMgを製造した場合、部品生産は既にアルミニウム基準よりも排出量が少ない。
      • 分析された部品の航空機運用中の排出削減量は、年間約8トンCO2eq。

図のリスト:

Figure 2: Greenhouse gas emissions of Pidgeon process according to fuel gas used
Figure 2: Greenhouse gas emissions of Pidgeon process according to fuel gas used
Figure 4: Savings of greenhouse gas emissions during life cycle of a steering wheel for different magnesium scenarios
Figure 4: Savings of greenhouse gas emissions during life cycle of a steering wheel for different magnesium scenarios
  • Figure 5: Greenhouse gas emissions of Pidgeon process (ピジョン法の温室効果ガス排出量)
  • Figure 6: Overview of magnesium life cycle for transport applications (輸送用途におけるマグネシウムライフサイクルの概要)
  • Figure 33: Overall balance for magnesium steering wheel compared to aluminium steering wheel based on a mileage of 200,000 km (走行距離20万kmに基づくマグネシウム製ステアリングホイールとアルミニウム製ステアリングホイールの全体バランス比較)
  • Figure 40: Savings of greenhouse gas emissions during use stage for different magnesium scenarios (for steering wheel) (異なるマグネシウムシナリオにおけるステアリングホイール使用段階での温室効果ガス排出削減量)
  • Figure 44: Number of flights for emission amortization for difference magnesium scenarios (for aircraft parts) (異なるマグネシウムシナリオにおける航空機部品の排出償却のための飛行回数)

7. 結論:

本研究は、輸送用途におけるマグネシウムの環境性能が大幅に向上しており、特にライフサイクル全体を考慮した場合、アルミニウムと比較して利点があることを結論付けています。

  • マグネシウム生産: ピジョン法は電解法よりもCO2排出量が多いが、技術的改善により近年ピジョン法の排出量は大幅に削減されている。廃ガス利用をクレジットとして計上することで、その性能はさらに向上する。電解マグネシウムは、特に再生可能エネルギーを使用する場合、CO2排出量において本質的な利点がある。
  • 部品製造: マグネシウム部品は一般的に材料加工が少なくて済むため、gate-to-gate比較で利点がある。カバーガスの種類と生産スクラップ率が主な影響要因である。
  • リサイクル: リサイクルプロセス自体はライフサイクル全体の排出量に大きく寄与しないが、マグネシウムの再利用（例：一次材料の代替）をクレジットとして計上することは、LCAに大きなプラスの影響を与える。
  • 乗用車部品（ステアリングホイール）: CO2eq排出量の損益分岐点は、一次マグネシウムの供給源と使用済み段階の仮定に敏感である。電解法で製造されたマグネシウムは、生産段階から有利となる可能性がある。ピジョン法で製造されたマグネシウムの場合、損益分岐点は通常、車両の寿命内に達成される。
  • 航空機部品: 航空機におけるマグネシウム部品は、高い燃料削減ポテンシャルにより、初期の高い生産排出量を迅速に償却し、CO2排出量において大きな利点を示す。
  • 全般: 既存のマグネシウム生産技術であっても、部品がマグネシウムの特性に合わせて特別に設計されていれば、アルミニウムに対して優位性を得ることが可能である。一次金属の供給源、加工効率、および使用済み段階の管理が、これらの利点を最大化するために重要である。

8. 参考文献:

  • Aghion, E. and S. C. Bartos (2008). Comparative Review of Primary Magnesium Production Technologies as Related to Global Climate Change. 65th Annual World Magnesium Conference. Warsaw, International Magnesium Association.
  • Albright, D. L. and J. O. Haagensen (1997). Life cycle inventory of magnesium. IMA 54: Magnesium Trends, Toronto, Canada, International Magnesium Association.
  • Ehrenberger, S. and H. Friedrich (2013). "Life-Cycle Assessment of the Recycling of Magnesium Vehicle Components." JOM 65(10): 1303-1309.
  • Gao, F., Z. Nie, Z. Wang, X. Gong and T. Zuo (2009). "Life cycle assessment of primary magnesium production using the Pidgeon process in China." The International Journal of Life Cycle Assessment 14(5): 480-489.
  • ISO 14040 (2006). Environmental management – Life cycle assessment – Principles and framework.
  • ISO 14044 (2006). Environmental management – Life cycle assessment – Requirements and guidelines.
  • Ramakrishnan, S. and P. Koltun (2004). "Global warming impact of the magnesium produced in China using the Pidgeon process." Resources, Conservation and Recycling 42(1): 49-64.

（注：参考文献の完全なリストは、原著論文の101-103ページに記載されています。）

9. 著作権:

  • 本資料は、「Simone Ehrenberger」氏による論文です。「Life Cycle Assessment of Magnesium Components in Vehicle Construction」に基づいています。
  • 論文の出典：IMA LCA Study Report (DLR)。（提供された文書にDOIはありませんでした）。

本資料は上記の論文に基づいて要約されており、商業目的での無断使用は禁止されています。
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