Resource Assessment methods in Industrial Ecology and Process Engineering: a critical review towards improved consideration in LCA
この批判的検討は、地質学的希少性と化学的結合を捉えるための最も堅牢な指標として化学的エクセルギーを特定し、資源志向の評価においてシステム境界の定義および副産物の負荷配分を定義するための不可欠な原則としてエクセルギーコスト分析の原則を強調することにより、ライフサイクルアセスメントを強化するために、熱力学的希少性、エクセルギーコスト分析、および統計的エントロピー分析を評価するものである。
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スマートフォンから鋼鉄の梁に至るまで、私たちが使用するあらゆる製品は、地球から取り出された資源としてその生涯を始めます。産業生態学の分野では、科学者たちはこれらの資源を使用することの真のコストを、単なる金額としてではなく、将来への潜在能力の喪失として測定しようとしています。この概念は、天然資源の「保護領域（Area of Protection）」として知られています。それは、シンプルながらも深遠な問いを投げかけます。すなわち、ある原材料の本来の価値のうち、何が別のものへと変化する際に破壊または散逸してしまうのか、という問いです。金属が採掘され、精錬され、使用され、そして廃棄物として捨てられるとき、その再利用される能力は減退します。この潜在的な損失は「散逸（dissipation）」と呼ばれます。より優れたサステナビリティに関する意思決定を行うために、研究者たちは、この損失を正確に測定し、材料が経済の中を移動する中でどれほどの価値が消失していくかを追跡する方法を必要としています。
ルイ・フレボーフ（Louis Freboeuf）率いる研究チームは、この損失を測定するための最善の方法を見つけ出そうと試みました。彼らは、産業工学やプロセス設計で使用されている既存の手法を検討し、それらを「ライフサイクルアセスメント（LCA）」と呼ばれるツールに適応できるかどうかを確認しました。このツールは製品の環境負荷を算出するために広く用いられていますが、研究者たちは、現在のバージョンでは、材料が混合、希釈、あるいは廃棄物となった際の真の価値を考慮することがしばしば困難であることを発見しました。チームは、化学エネルギーに基づくもの、物質の濃縮の難しさに基づくもの、そして混合物の統計的な無秩序さに基づくものという、3つの主要なアプローチを検証しました。彼らの目的は、どの手法が、資源の価値を追跡するための最も信頼性が高く、物理的根拠に基づいた方法を提供できるかを判断することでした。
研究者たちは、最も堅牢な手法は「化学的エクセルギー（chemical exergy）」と呼ばれる概念に依存していることを発見しました。これは、資源が自然の状態に戻された場合に、理論的に実行できる最大の有用な仕事量と考えてください。この尺度は、物質がいかに地球の地殻において希少であるか、そして、いかに複雑な鉱物の中で原子が強固に結合しているかという2つの重要な要素を捉えます。研究によれば、このアプローチは、異なる元素間の化学的な「結合（linkage）」を考慮するため、優れていることが分かりました。例えば、特定の鉱物から金を取り出すには、単純な混合物から取り出すよりも多くの労力が必要であることを認識しています。これは、変動する市場価格や恣意的な時間的推定に依存しない、一貫した物理学に基づいた資源の価値を提供します。
しかし、チームは、この強力な手法を使用する上での重大な障壁も特定しました。化学的エクセルギーを算出するには、製品に含まれるすべての物質について、特定の鉱物やその結合を断ち切るために必要なエネルギーを含む、詳細な化学組成に関するデータが必要です。現在、環境評価に使用されているほとんどのデータベースには、このレベルの詳細さは含まれていません。それらは、材料を単に「鋼鉄」や「銅鉱石」としてリストしており、計算に必要な正確な化学組成や熱力学的特性を指定していないことが多いのです。研究者たちは、このようなデータがなければ、自然環境や参照用鉱物に関する仮定によって結果が大きく変動してしまうことを示しました。場合によっては、計算の参照点を変更するだけで、資源の推定価値が数百キロジュール毎モルも変化してしまうこともあり、結果の比較や信頼を困難にしています。
また、研究では、物質がいかに混ざり合っているかを測定する「統計的エントロピー（statistical entropy）」というより単純な手法についても検討しました。このアプローチは、混合物中の異なる元素の質量を知るだけでよいため、使用が容易です。詳細なデータが不足している場合には有用ですが、研究者たちはこれが信頼性に欠けることを指摘しました。この手法は、すべての元素を等しく価値のあるものとして扱うため、同じ量が存在していても、希少で重要な金属と一般的な金属を区別することができません。また、それらを分離する際の化学的な困難さも無視しています。この手法は不完全なデータを扱う手段を提供しますが、資源価値の損失を真に理解するために必要な物理的な正確さを犠牲にしています。
これらの測定を実世界の評価で機能させるために、研究者たちは、研究の境界設定を行う新しい方法を提案しました。彼らは、事前のサプライチェーンなしにシステムに投入されるあらゆる物質は、固有の価値を持つ資源としてカウントされるべきであり、副産物の価値は市場価格ではなく、その物理的なポテンシャルに基づいて分配されるべきであると提案しました。これにより、プロセスのすべての出力に対して、環境負荷が公平に分配されるようになります。しかし、これを実施するには、データの収集方法における大きな転換が必要です。現在のデータベースは、原材料から最終製品、そして廃棄物に至るまでのあらゆるフローの、具体的な化学組成と熱力学的特性を含むようにアップグレードされる必要があります。
著者らは、資源の散逸を測定するためのツールは存在するものの、標準的な環境報告書で広く普及させるにはまだ準備ができていないと結論づけています。化学的エクセルギーに基づく最も正確な手法は、科学的には妥当ですが、現在は日常的な適用にはデータ集約的すぎます。より単純な統計的手法はアクセスしやすいものの、資源価値の真の複雑さを捉えるための深みに欠けています。この分野が進展するためには、科学界が詳細な化学データの収集を標準化するために取り組む必要があります。そうして初めて、私たちは自然の遺産がどれほど散逸によって失われているかを正確に測定し、私たちの産業システムの循環性について、真に情報に基づいた決定を下すことができるようになるのです。
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