環境の事実を素直に見て技術を創る


はじめに

 「空を飛びたい」と希望する人が、鳥の羽を両腕につけて、今、まさに断崖絶壁から飛び出そうとしている。その希望は理解できるし、できれば空を飛ばしてあげたい。しかし、鳥の羽の構造と、人間のもつ瞬間的出力を考慮すると、その試みは失敗し、希望は叶えられないであろう。

 希望が現実になるには工学的な合理性が求められる。そして、崖から飛び降りる前に工学の専門家は流体力学、航空工学などの知見を活かして、空を飛ぶという希望が叶えられないことを指摘しなければならない。学問は将来を予見したり、みずから社会に対して方向性を示すには慎重でなければならないが、事態を正確に把握し、専門の立場からそれを解説することに躊躇してはいけないだろう。

 本稿は循環型社会を検討する時に、希望が先行して工学的な考察が不足することのないように注意しながら環境負荷を考慮したリサイクルのあるべき姿について整理をしたものである。


1.  工業化社会と循環

 まず第一に日本の「資源」の流れを確認しておく。図 1(左)に示すように一年間に日本社会に投入される工業資源の総量は21.6億㌧であり、輸入される代表的な資源は石油・石炭・鉄鉱石、国内からは岩石、砂利などの建設資源が調達される。これらの資源の多くはまず産業で使われるが、その段階でエネルギーとして3.73億㌧が消費され、生産物は13.2億㌧である[1]。

          
図 1 日本社会への物質資源入力(左)と石油・石炭の用途(右)[ ]

 また図 1(右)に石油・石炭の用途を示したが、石油の多くが民生用・輸送用に使用され、石炭は主に産業に向けられていることが判る。港湾、道路、用水路、山野などに用いるので回収が不可能なもの、食料、動物の飼料のように繰り返し使えないものなどを差し引くと、工業原料と呼びうるものは11.3億㌧であり、この原料を使用して産業で生産活動が行われる。その過程で石油や石炭の多くが二酸化炭素として飛散し、再利用できない廃棄物が発生するので、「最終製品として残る物質量」は4.6億㌧と推定される。この数字は今後の研究でより正確に求めていく必要があるが、素原料としての鉄鋼が8,000万㌧、プラスチック1,500万㌧、紙1,500万㌧などを考慮しても、4.6億トンという量はかなり大きい数字である[2]。
製品は家庭や事業所で長い期間使用され、その過程で損耗する。たとえば、鉄の部分は錆びて脱落し、プラスチックや繊維は劣化して飛散する。また、このような一般的な材料劣化とともに、自動車のタイヤの表面磨耗(約15%)、揮発性液体やガスの空中への逃散、土や河川、海洋の中への埋没によって回収不可能な状態に変化する。これらの量もまだ研究が十分ではないために正確に推定することは難しいが、日本やヨーロッパの物流実績を参考にすると、プラスチックの場合には、投入製品重量を100とすると3分の2が回収される。また日本の実績では鉄鋼が6,200万㌧の投入に対して2,500万㌧の回収(回収率40%)[3]、建設資材は、廃棄物として捉えられているアスファルトーコンクリート塊3,800万㌧、コンクリート塊3,600万㌧、建設汚泥1,000万㌧、混合廃棄物1,000万㌧、建設木質廃棄物800万㌧など合計1億㌧程度で,2.4億㌧を分母にとると回収率は同じく40%である[4]。

 これらを考慮すると社会全体に回収システムが行き渡った時の物質回収可能量は図 2に示すように3.0億㌧と計算される。現在はその一部が泥、水2.5億トンなどと一緒に「廃棄物」として捨てられ、その総量は約5億㌧である[5]。

図 2 循環型社会を想定した日本の物流

 さらに、使用後の物質を回収する時に若干の損失が出る。たとえば輸送中のロスや「握るところがプラスチックでライニングされているハサミ」のように分別過程で部分的に廃棄せざるを得ないものがでるからである。回収過程のロスを単純に20%とすると、最終的に得られる日本社会の「最大可能循環物質量」は2.4億㌧と推定される。

 一方、廃棄物貯蔵所の残余年数は年々減少しているので、その面からは、廃棄物そのものを減量するか、あるいは廃棄される寸前に回収してリサイクルするかの選択が迫られている。図 2の右端に廃棄の流れを、下には廃棄物をリサイクルで循環する流れを示したが、リサイクルが合理性を持つかどうかは、使用後の物質をどちらのルートで処理をするのが環境や経済活動という視点から適切であるかということに帰着する。


2.  リサイクルと循環型社会

 「リサイクル」とは英語では「循環」を意味するが、いわゆる「循環型社会が成立するか?」という設問と「リサイクルは意味があるか?」という設問は異なる意味を持つ。

 第一に、循環型社会が成立するためには、社会に投入される一次資源の総量に対して、循環し得る資源量の比(本論では"循環率"と呼ぶ)が意味のある割合でなければならない。すなわち、「投入される資源の大半を循環する社会」を想定するならば、循環率は80%以上が期待されるだろう。また、資源をできるだけ倹約して使うという意味合いで「方向としての循環型社会を向いてればそれでよい」と考えている人は、循環率を50%程度に想定していると思われる。

 これに対して循環率が20%の場合には循環型社会と定義するのは無理である。その程度の変動は景気、人口増減や経済発展などで容易に起こること、仮に3回循環した場合、3回目に残る資源量は(0.2)3=0.008,つまり0.8%しか循環しない。もともと循環型社会を構築しなければならないという必然性は「資源の永続的使用、廃棄物の抜本的減量」にあるので、50%以上の循環率、3 回程度の循環は最低で、できれば80%程度の循環率が望ましいだろう。

 このような視点から、図 2を見ると、現実の循環率は約20%であるので、仮にこの回収された物質の「すべて」を「何も使わないで」一次資源に戻し得る方法を発見しても、80%を使い捨てることになり、この状態を「循環型」と呼ぶのは適切ではない。従って、現在の日本の産業と生活の様式を前提とする限り、日本では循環型社会は成立しないと結論される。

 循環型社会が成立しないことを認めて、せめて20%(2.4億㌧)の物質をリサイクルする場合,その活動が意味を持つためには、それと同量以下の物質でリサイクルが完了することである.ちなみに、リサイクルで獲得できる物質量に対してリサイクルに投入する物質量の割合を「増幅係数」と呼ぶと、リサイクル増幅係数は100以下でなければならない[ ]。つまり、リサイクルの目的は使い終わった物質を資源と考えることであり、「資源」とは「回収される資源量より、回収するために投入する資源量が少ない物質」と定義される。ただし、資源は多種多様であるので、資源量といっても何らかの換算をして合算することになる.具体的な方法としては、石油や鉄鉱石などの主要原料で換算をするか、もしくは価格変動を平均化したコストで評価するのが適切であり、またこれらの方法は相互に相関性がある。

 資源性の評価は天然資源を採取する目的ですでに詳しく研究されており、基本的には分離、精製、運搬などが主要な負荷として計算される。著者の計算によると、スクラップ鉄と銅線、貴金属などの約3,000万㌧はほぼ投入資源量と回収資源量にバランスが取れるが、その他の資源(約2億㌧)は増幅係数が300から1,000程度になった。従って、2.3億㌧の回収物質を資源化するには最低でも7億㌧程度の資源を投入しなければならず、回収しうる資源量より、回収に投入する資源が多くなるので、このようなリサイクルは社会的にも学問的にも、その意味を失う。

 多くの循環物質の増幅係数が100を超える原因は2つある。一つは社会からの回収物質(リサイクル資源)は品位が低い。リサイクル資源の品位を計算する方法はまだ発達していないが、仮に鉄スクラップの資源品位を基準とすると、ペットボトルはその300分の1であり、資源工学の理論計算では回収にかかる負荷(分離作業量。Separative work unit)は約300倍になる。従って、少量生産品はおしなべて資源品位が低くなり、回収負荷がは極端に大きくなるのである[5]。ペットボトル、アルミ缶、家電製品などについてコンピュータ・シミュレーションで計算をしてみると、リサイクル量に比例して資源価値が高まる結果が得られるが、これらの製品はいずれも数10万㌧程度の販売量であり、資源価値は低い。

 第二の原因は材料の劣化である。劣化には二種類あり、プラスチックの劣化で見られるような高分子鎖の切断や、酸化といった材料自体の不可逆的な劣化と、ガラス類や金属に見られる循環混合による劣化がある。前者は古い糸がぼろぼろになることや、庭に置いてあったポリバケツが弱くなることで経験しているように多くの材料にとっては本質的な性質である.後者の例としては、ガラスのリサイクルにおいてアルミニウムやクロム化合物など多種類の物質が混合すること[6]、金属類の混合や結晶粒の粗大化があり、具体的にはスクラップ鉄の中に銅やスズが混入する例があげられる.銅やスズが一定量混入すると成型ができなくなるが、天然の鉄鉱石には銅は存在しないので、現在の製鉄システムで銅を除くことはできず、将来に渡ってもかなり困難であると考えられている[7]。

表 1 循環系における毒性物質による劣化

 リサイクルの必要性が指摘されるようになって、急に「材料は繰り返し使える」と仮定されるようになったが、従来の製品設計の概念はむしろ材料の劣化を認めた上で「できるだけ長い寿命を満足する製品設計」が正しいとされていた。たとえば、テレビのキャビネットの材料は10年程度の寿命を持ち、それも考慮してテレビが設計される。従って、廃棄される製品は、すでに寿命の尽きた材料で構成されており、その材料を再び使うという概念は存在し得なかったのである。


3.  環境負荷とは何か?

 本稿は「環境負荷を考慮した・・・」と題しているが、前節までは物質量を基準にして循環型社会とリサイクルを整理してきた。それを環境負荷という点から見るとどのようになるだろうか?それを論じるには「環境負荷」という用語を厳密に定義する必要がある[8]。しかし、それは数ヶの論文を要する程度に複雑であるので、ここでは象徴的な事例をあげるにとどめた。

 まず環境の"地域性"を取り上げる。

 二酸化炭素を例にとると、地球規模では二酸化炭素の排出量の計算が可能である。しかし、日本という地域を考えると、日本で発生した二酸化炭素は偏西風で太平洋上に移り太平洋に吸収される可能性が高く、その場合には日本では二酸化炭素を出しても良いという結果を得る。

 また、ある製品の環境負荷が大きいか小さいかについての計算では、日本を基準に取ると輸入製品がもっとも環境負荷が少ない。日本で生産していないのだから、生産段階における環境負荷はほとんどゼロになるからである。反対に、もっとも環境負荷の大きい製品は日本の資源を使い、日本で生産するものということになる。ところが、地球規模で環境を計算しようとすると、開発途上国での生産では、その国の発展のために計算対象とする部品の生産は好ましいことがある。そのような場合、日本の環境基準をもとに環境負荷を計算することは適切ではないだろう。

 第二は"環境"という用語の技術的定義である。二酸化炭素、フロン、廃棄物、エネルギー、硫黄酸化物、騒音、微量有毒廃棄物、製品寿命など環境に負荷を与える要因は極めて多い。このような多種類の要素の中から任意に一つまたは数種を選択して計算し「環境負荷が低い」とすることはできない。たとえば、ある製品や材料を「二酸化炭素の排出量が少ない」としても、その製品を作るために膨大な毒物やゴミ、騒音を出す場合には、環境負荷が少ないと言えないからである。

 さらに、"環境"という概念には物質的な豊かさ、安全な環境、心の豊かさなど多種多彩な内容を含み、人生観、価値観と直接的に結びついたものである[9]。そのような領域に工学が踏み込み、社会に影響を与える形で、その方向を示すときにはかなり慎重でなければならない。著者は「ゴミの分別に多くの時間を裂き、時にはいがみ合いが起こる環境と、ゴミをまとめて集めて焼却する環境とどちらが「環境に良いか」を工学的に決めることは危険である」という立場をとっているが、このように環境負荷を決めるときに価値観が入らざるをえないこところも今後の課題である[10]。

 また環境負荷の計算の中には、工学的であり具体的な項目でも、計算するには定義が明確ではないものが多い。その例として太陽電池のいわゆるEPT(energy payback time)がある。定義としては太陽電池の製造に掛かったエネルギーに対して太陽電池で生産されるエネルギーの比率とされるが、これほど簡単な定義でも計算値は2年から30年と大きく異なる。この差の原因は、①「製造の時に掛かった」という「製造」の範囲はなにを示すのか ②太陽電池によって生産される「エネルギー」とはなにか によっている。「製造」と言ってもすべての部品のそろえ、それらをアッセンブルするだけの製造(組み立て)だけをとると製造にかかるエネルギーは小さな数字になり、反対に天然資源から太陽電池を作る過程をすべて製造に含めば大きくなる。「エネルギー」の定義も製造にかかる「電力」のみを対象にするのか、あるいは天然原料からの石油を含むすべての種類のエネルギーを基準にするかで結果は異ってくる。

 このように、定義が曖昧で計算する人によって異なる状態は望ましくなく、はっきりした定義を定めて計算することが環境の学問を進める前提条件であろう。

 以上のことから、著者は「環境負荷が良い」ということ、「活動量をそれにかかるコストで定量化し、同一活動量に対して時間的に平均化されたコストが小さいこと」としている。人間は常に「自ら望む活動」を「自分の保有する資金をどの程度出すか」という比較で選択している。従って、計算する技術者のもつ環境というものの価値観が入らないためにはコストを基準にすることがもっとも学問的な客観性を有していると考えられる。生産技術を中心としたこれまでの工学ではコストを評価の基準にすることが少なかった。しかし、環境は社会が「良い環境」を選択するものであり、そこに技術者が任意の価値観を持ち込むことは不適切である。たとえば、自動車は日本だけで年間1万人近くの犠牲者を出す。環境によって「死者」を出すということを重視すれば自動車は環境に悪い製品と言うことになるが、社会は自動車の価値を認めている。自動車がもたらす環境悪化は道路整備や排気ガス対策として自動車のコストや税金として含まれていると考えて、それ以上の判断を任意に環境負荷に組み込むのは慎重でなければならないだろう。


4.  循環に適した設計とは

 すでに示したように日本全体の物質の流れから、「資源の永続的使用、廃棄物の抜本的減量」という意味での循環型社会は成立しない可能性が高いことが判った。次に、個別の製品、たとえばペットボトル、家電製品、自動車などを対象とした循環が成立するかを検討する。

 家電製品でリサイクルの対象となっている製品は、いわゆる四大家電製品で、具体的にはテレビ、冷蔵庫、洗濯機、およびエアコンである。その中でもっとも簡単な材料構成を持つ冷蔵庫について循環図を図 3に示した。

図 3 冷蔵庫の循環図

 冷蔵庫は1999年に450万台が販売され、一台あたりの平均重量は59kgであるので総量で26.5万㌧である。図 3に示すようにこの製品を作るために使われる素原料は65万㌧、使用後に残るもの23.9万㌧、回収される製品21.5万㌧と推定される。冷蔵庫の場合は回収系が整っており、各段階での損耗は10%と低く仮定した。冷蔵庫に使用されているプラスチックはポリプロピレンやABSであるが、これらのプラスチックは使用後は劣化しており、それを回復する技術的手段はないので、もっとも効率的に利用する方法は償却して電力を取り出すことであると考えられる。回収された鉄は10.5万トンになり、リサイクルに投入される資源を含めて8.5万㌧が資源化される。総合循環率は13%,鉄だけに限定すれば循環率は65%になる。

 したがって、冷蔵庫の循環では「材料全体の循環」は不適当であるが、「冷蔵庫の鉄の循環」は成立すると考えられる。しかし、図 3に示したように循環された鉄はそのまま冷蔵庫に使えるのではなく、電炉で精錬し、圧延しなければ冷蔵庫に使用する鉄にはならない。電炉と圧延にはかなりの物質とエネルギーと使用するので、リサイクルすることによって得られる正味の鉄は8.5万㌧より少なくなることは容易に理解されるだろう。また循環毒としてのCuとSnを含んでいるので冷蔵庫用の鋼板にはならないという問題も指摘する必要がある。

 冷蔵庫の循環率を向上させるには、①循環可能な鉄の比率を高める ②劣化しないプラスチックを発明する などの方法が考えられる。しかし、すべてを鉄で作られた冷蔵庫はリサイクル率を高めることはできるが、伝熱などの点で電力消費を高め、重量が重くなり、また製造時の負荷が大きく全体としてはコストが高くなる。当然ではあるが、「リサイクルできれば環境に良い」と短絡して設計することは不適切である。

 ここに示した一つの例だけで論じることはできないが、二酸化炭素の発生量が少ないとかリサイクル率を高められる設計など一つの指標によって判断すれば「環境に良い設計」という目標を立てることができるが、「真に環境に良い設計」ということを考えると、設計指針を求めること事態が困難であることがわかる。またインバース・マニファクチャリングという点では、使用後の鉄板は「鉄板」として使うことができず、電炉に投入しなければならないことも考慮すべきであろう。


おわりに
 
 熱力学は機械工学の重要な四力学の一つとされ、大学教育でも必須であると考える専門家が多い。その一方で、環境工学では「ゼロエミッション」という用語が使用される。「なにも後に残さないである行為をすることができない」という大原則を講義する学者は「ゼロエミッション」や「ゴミゼロ」という用語を使うことは不可能である。

 また、「リサイクル」とは循環するということであり、焼却を「エネルギーを回収しているから」という理由でリサイクルに分類している。このことに対して、京都工業繊維大学の奥教授は、リサイクルとは材料を再び材料として使用することの真剣な挑戦であり、焼却することをリサイクルと呼ぶのは不適切という意味のことを書いておられる[11]。専門家は技術用語を正しく使用しなければならず、社会が間違って使用したときは看過せずに、間違いを指摘しなければならない。

 20世紀に人類は物質の効率的な生産によって「豊かな生活」を実現したが、一方で地球環境問題を顕在化させた。このことは「現在の時点で正しいと考えられる個別の科学・技術が、全体としては人類を破滅に導く」という矛盾した状況を作り出したということを意味する。特に近年情報機器の機能の桁違いの向上は、個別の科学・技術分野の領域を拡大し、これまで技術が未発達のために抑えられてきた人間の欲望を開放したことによって、全体としての調和を更に難しくする事態を招いている。

 この時代の変革期にあたって、工学は自らの力を示し、社会の方向を定める資料を正しく提供するべきであろう。そのために多くの議論と研究を進める必要があり、当然ながら結論が先にあるわけではなく、真摯な態度で学問の進展に貢献しなければならないだろう。


参考文献

1. 前田さより,"われわれはどう生き,何を子孫に残すのか",(1997, 12)港区教育委員会・芝浦工大生涯学習センター,港区区民講座
2. エネルギー生産・需給年報統計他,通商産業省,(1995)
3. T.Ishibashi, J. Atomic Energy Soc. Japan, Vol.40, 586-597 (1998)
河合 潤, "資源循環型社会における物質・材料技術に関する調査報告書", 未踏科学技術協会 (1999) p.34
4. 総合的建設副産物対策,1997, 4
5. 武田邦彦,「俯瞰的視点からの工学」、日本学術振興会シンポジウム講演,(2000) 東京大学
6. 武田邦彦,「リサイクルしてはいけない」,(2000) 青春出版
7. 武田邦彦,「リサイクル幻想」,(2000) 文春文庫
8. 平成8年度国庫補助事業 カレット高純度再資源化実証プラント実証実験報告書,平成12年3月
9. 坂田直起,日本鉄鋼協会白石記念講座,平成4年11月23日(第23回・東京)
10. William B. Meyer, Human Impact on Earth, (1996), Cambridge University Press
11. 三田和美,"サスティナブルマネジメント",Vol.1, No.1, 63-90 (2001)
12. 武田邦彦,「エコロジー幻想」(2001),青春出版
13. 奥 彬,未踏技術学会,資源循環型社会における物質・材料技術に関する調査報告書,(2001), p.194