世界が気候変動や環境問題の影響に注目する中、産業界もこれに目を向けています。化石燃料の使用禁止から排出量への課税強化に至るまで、人間の生活のほぼあらゆる側面において、また社会全体として気候変動の進行をどのように抑制できるかという点について、対応策が講じられています。 金属成形業界も例外ではなく、すでに環境に配慮した方向への取り組みが進められていますが、「グリーン産業」を確立するには、まだ多くの課題が残されています。現実的に言えば、「グリーン産業」は、特定のセクターの枠をはるかに超えた多様な要因に依存しており、単一のセクターだけで容易に左右できるものではありません。とはいえ、基盤となる部分での小さな変化が、環境全体の状況に大きな変化をもたらす可能性があります。
本記事では、ビレット加熱の分野において、環境への影響をもたらす主な要因のいくつかと、それらに対処する方法について解説する。
環境
鉄・非鉄金属部門は、世界の温室効果ガス排出量の8％を占めており、これは航空部門の排出量の4倍以上である[1]。気候変動を引き起こす主な要因は、温室効果ガスの放出である[2]。温室効果ガスは、それが引き起こす温室効果にちなんでその名が付けられている。 二酸化炭素（CO2）やメタン（CH4）などのこれらのガスによる断熱層が、大気中の熱を過剰に蓄積させ、その結果、海氷の融解を通じて海面上昇を引き起こしている。
現在の気温上昇ペースが続けば、2050年までに地球の気温は産業革命以前の水準より3°C高くなると言われている。「2050年シナリオ」によれば、このような気温上昇により、2100年までに海面が約3メートル上昇し、オランダなどの国々が大部分水没することになると予測されている[3]。 おそらくさらに憂慮すべきシナリオが、「温室地球（Hothouse Earth）」である。これは、気温が産業革命以前の水準から2°C上昇した場合、その影響は不可逆的となり、海面上昇や生態系への取り返しのつかない被害を食い止めるための措置は一切講じられなくなるという仮説である。そのため、この2°Cという数値が『パリ協定』の基準として設定された[4]。
ビレットの加熱方法
鉄系および非鉄系のビレットの加熱は、エネルギー集約的なプロセスである。最も一般的な方法として、ビレットはガス炉または誘導加熱プロセスのいずれかを用いて加熱される。いずれの方法も、数十年にわたる押出成形の現場でその有効性が実証されており、それぞれに実用上の利点がある。実用的な比較を行うため、公称上の温度および処理能力がほぼ同等のガス式加熱装置1台と誘導加熱装置1台を選定した。
†1m³の天然ガスは、燃焼効率100％と仮定した場合、約10.28kWに相当します。
ガス・IH
歴史的に見て、業界ではガス式ヒーターの使用が一般的により一般的です。ガス式ヒーターは、設備投資コストがわずかに低く、使用国によってはランニングコストも低い傾向にあります。2020年第3四半期時点で、英国におけるガスの1kWhあたりの平均コストは0.180ポンドでした。同じ基準で見た場合、電気の1kWhあたりの平均コストは0.810ポンドです[5]。 こうした低いランニングコストは、短期的には魅力的であると見なされている。しかし、気候変動委員会（The Climate Change Committee）の推計によると、2030年までにこれらの価格は劇的に変化すると見込まれている。予測によれば、2030年までに天然ガスのkWh当たりの価格は100％上昇する一方、大規模製造業における電気のkWh当たりの価格は42％の上昇にとどまるとされている[6]。この格差は、他の欧州諸国においてさらに顕著である。
ガス炉では、ビレットを加熱する前に設定温度に達するまで予熱期間が必要です。この時間は、炉の大きさや適切な断熱状態に完全に依存します。このため、ガス炉では、ビレットの加熱の有無にかかわらず、所定の温度を維持するために長時間にわたりエネルギーを消費し続ける傾向があります。 一方、誘導加熱を利用する場合、エネルギーが消費されるのはビレットを実際に加熱している時だけであり、ビレットが加熱処理を受けていない間は実質的にエネルギーは消費されません。これは、プレスラインのオペレーターにとってより柔軟な方法であると見なされることがあります。なぜなら、エネルギーを無駄にすることなく、プレスの処理能力に合わせて加熱済みビレットの供給量を容易に調整できるからです。
ガス式加熱の利点の一つは、そのシンプルな構造にある。これにより、プラントの従業員による設置や操作が容易になる。これは、企業がより技術的に高度な代替手段ではなく、ガス式ヒーターを選ぶ主な理由としてしばしば挙げられる。ビレットがヒーターを通過するにつれて、設定温度で全体が均一に加熱される。このプロセスには誘導加熱に比べてかなり長い時間がかかり、ビレットの表面にスケールが発生することが多く、それが最終的な押出品質に影響を及ぼす可能性がある。
誘導加熱を利用する最大の利点は、テーパー加熱が可能になることです。テーパー加熱は、ビレットの長さ方向に温度勾配を持たせるために利用されます。これは、プレス金型の摩耗を低減するだけでなく、フルプレス速度での等温押出を実現するための重要な要素です。 ガス炉の設計には、定期的に交換が必要な炉内ライニングが組み込まれており、これがプレスラインの長期にわたる稼働停止につながる可能性があります。同様に、誘導コイルも交換が必要ですが、その作業時間は最短で30分程度です。近年、排ガス回収システムやCO2排ガススクラバーに関する技術が進歩しています。これらにより、それぞれ効率の向上と排出量の低減が可能となっています。
その他の方法
ビレットの加熱方法は、前述の2つのプロセスに限定されるものではありません。この分野では、磁気ヒーターや超伝導体の利用が実用化されつつあります。これら2つの方法はいずれも、化石燃料ではなく電力を動力源としています。
環境への影響
本記事で取り上げたビレット加熱の2つの方法はいずれも、温室効果ガスの排出により環境に悪影響を及ぼす。ガス加熱の場合、CO2は製造施設で排出される。 誘導加熱は、各国の電力網、ひいては現地のエネルギーミックスに完全に依存している。図1を用いることで、各ケースにおけるCO2排出量の推定が可能となる。天然ガスの燃焼では0.185 kg/kWhのCO2が排出される一方、英国における電力生産では0.256 kg/kWhのCO2が排出される[7]。
この2つの手法の間に大きな差が生じているのは、各システムの「稼働時間」に大きく起因している。誘導加熱では、ビレットごとにのみ電力を消費するからだ。英国が再生可能エネルギー源への移行を推進するにつれ、CO2排出量は0.256 kg/kWhから、2030年までに0.100 kg/kWhまで低下すると見込まれている[8]。
図3に示されているように、英国の「2050年までにネットゼロ」という気候変動対策の下では、CO2排出量は減少する見込みとなっている。
図2および図3で算出された値を用いることで、10年間にわたる予想CO2排出量を算出することができる。
図4のデータは、処理能力1000kg/h、1日16時間、週5日、年間52週という前提に基づいています。これらの数値だけでは、個人の視点からは特に具体的に把握しにくいものです。次のように考えると、よりイメージしやすくなります。 満席のボーイング747-400は、飛行1時間あたり乗客1人につき約90 kg/hのCO2を排出する[9]。図1に示された比較的小規模なガス焚きビレットヒーターからの10年間の排出量は、ボーイング747をヒースロー空港からJFK空港まで飛行させる際の排出量とほぼ同じであり、その34倍に相当します。あるいは、アストンマーティンDB9で月まで往復する排出量の27倍に相当します。
これほどの環境への影響は、持続可能とは言えません。
未来
鉄および非鉄金属の押出成形市場は拡大している。 現在の推計によると、アルミニウム押出成形市場の2021年から2027年までの年平均成長率（CAGR）は3.8％と見込まれている[10]。この予測CAGRに基づき、市場規模は2027年までに573億ドルから916億7000万ドルへと拡大すると見込まれている。この分野が拡大するにつれ、環境への影響は必然的にますます大きくなっていくことになる。
英国政府は最近、エネルギー効率の向上とカーボンフットプリントの削減を支援する助成金を大企業向けに提供する取り組みを開始した。第1段階では、「工業プロセスのエネルギー効率を改善する技術を導入するプロジェクト」および「工業プロセスにおけるエネルギー効率と大幅な脱炭素化対策に関する実現可能性調査および技術調査」に対して、最大4,000万ポンドが提供される[11]。 ノルウェーなどの他の国々では、最近、CO2排出量1トンあたりの価格を4倍に引き上げた[12]。ガス焚き炉向けの排ガス回収技術やCO2スクラバーのさらなる開発が進められており、これらは効率の向上とCO2排出量の削減に寄与している。
社会として私たちはこれまで事後対応に頼ってきましたが、それはあくまで一時的な対処に過ぎません。事後対応から事前対応へと転換する必要があります。環境にとってより良い変化を積極的に起こしていくのです。 個人レベルでは、環境に関する意思決定から自分を切り離してしまうのは簡単です。より簡単で安上がりな選択肢を選んでしまうのは、それがまさに「簡単」で「安上がり」だからです。しかし、私たちが地球に与えてきた、与えている、そしてこれから与え続けるであろう被害を直視するのは、そう簡単ではありません。しかし、この被害を食い止めるための変化を起こすことは可能です。人類は気候危機に直面しています。しかし、それを食い止めることは可能です。
トーマス・ポスティンス（工学士）
セールスマネージャー、バニャード – インダクトサーム・ヒーティング・アンド・ウェルディング
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