板ガラス値のマッピング

日付: 2023 年 2 月 9 日

著者: レベッカ・ハートウェル、グラハム・コールト、マウロ・オーヴァーエンド

ソース：ガラス構造と工学 (2022)

土井：https://doi.org/10.1007/s40940-022-00195-9

ガラスは英国の 8 つのエネルギー集約型産業の 1 つです。 そのため、生産量の増加と温室効果ガス（GHG）排出量を切り離すことが精査されている。 カレットとも呼ばれる再生ガラスは、新しいガラス製造の主原料よりも溶解に必要なエネルギーが少なくて済みます。 したがって、カレットの使用は、一次材料資源の需要を削減しながら、出力単位あたりのエネルギー強度を削減します。 しかし、英国では板ガラス回収のための効率的なシステムがまだ確立されていないため、板ガラス市場に利用できるカレットの供給が限られており、環境上の機会を逃しています。 この調査では、英国のガラス産業における既存のサプライチェーンの非効率性を 3 つの段階で特定しています。

まず、容器ガラス、板ガラス、グラスウールという 3 つの主要なガラス部門内の材料の質量流量が、年間生産量の基準年に基づいて、天然資源から一次用途、その後の耐用年数管理までマッピングされます。 このマップは、リソース効率を向上させるためのいくつかの機会に注意を向ける「サンキー」図の形式で表示されます。 それは、板ガラス業界と容器ガラス業界のガラス回収率の顕著な違いです。 英国の板ガラスサブセクターにおける物質の年間質量流量に関して収集されたデータを使用して、強化された耐用年数終了後の収集方法によるエネルギー (MJ) および GHG 排出量 (CO2 換算) の節約可能性が 3 つの項目に基づいて評価されます。代替の回復シナリオ。 これらのシナリオでは、3 つの主要なガラス サブセクターにおける回収された板ガラス カレットの代替流通の使用を考慮しています。

各回収シナリオから得られる排出削減量は、完成した板ガラス製品の推定トン数に基づいて評価されます。 製造歩留まりの向上と併せて、使用済み板ガラスをカレットとして新たな生産に再利用することで、英国の板ガラスバリューチェーンの年間排出量を最大 18.6% 削減できることが示されています。 最後に、受け入れ基準と利用可能な引き取りインフラストラクチャに基づいて、さまざまな種類のガラスのリサイクルに対する既存の障壁を検討し、リサイクル率の向上は、フラットガラスの効率的なシステムを開発するためのビジネスチャンスの確立や政策の支援に依存していることがわかりました。ガラスコレクション。

1.1 ガラス分野

英国および北アイルランド (UK) のガラス産業は、2019 年に英国の総エネルギー消費量の 0.5%、英国の温室効果ガス (GHG) 総排出量の 0.4 ～ 0.6% を占めました (Griffin et al. 2021; Ireson et al. 2019) ; WSP パーソン ブリンカーホフおよび GL 2015)。 したがって、鉄鋼（年間 GHG 総量の 3.6%）、化学（2.7%）、セメント（1.1%）、アルミニウム（0.6%）と並んで、英国の産業部門内でエネルギー集約的なサブセクターの 1 つに分類されています（Centre for低炭素先物 2011; Griffin et al. 2016)。 ガラスの製造は、いくつかの高温プロセスで構成される場合があります。 ガラス業界は過去 30 年間、燃料の切り替え、炉技術の進歩、現場のエネルギー効率の改善、廃熱回収プロセスなどにより、生産時のエネルギー集約度を削減することに成功してきました (British Glass 2021; Griffin et al. 2016; Hammond and Norman 2012; IMPEL 2012; Maria et al. 2013)。

全電融解、水素、バイオ燃料などの代替低炭素エネルギー源の使用による供給側の効率のさらなる向上が、エネルギー集約型産業サブセクターからのさらなる排出量削減の道として特定されています。 しかし、供給側のエネルギー効率の改善だけで気候目標を達成するには、必要なエネルギーシステムの規模が大幅に増加するため、かなりの資金が必要になることが認識されています。英国だけでも、電力システムの出力を 4 倍にする必要があります。 (バレット他、2021)。 したがって、コスト効率が高く、タイムリーでリスクのない「ネットゼロ」目標を可能にするために、再利用やリサイクルなどの材料効率戦略を通じてエネルギーの総需要を削減する経路を早急に調査する必要があると提案されている（Allwood） et al. 2013; Barrett et al. 2021; HM Government 2021)。

ボトルや瓶用の容器ガラス (約 60%) が、大量生産量で最大のガラス サブセクターを構成し、建築および自動車部門用の板ガラス (約 30%) がそれに続きます (BEIS および British Glass 2017)。 グラスウール（断熱製品）と、家庭用ガラス（装飾用ガラスおよび家庭用電化製品）、連続ガラスフィラメント（繊維強化複合材料および光ファイバー）、および医薬品を含むその他の用途が、残りの質量生産量（約 10%）を構成します（BEIS および英国ガラス 2017)。

これらの分野での需要の成長は、次のような動きによって刺激されています。 既存の非効率的なガラスユニットを改修する。 リサイクル不可能な包装材料に代わる、完全にリサイクル可能な代替品を見つける。 耐久性と不燃性のガラス断熱製品を通じて新しいエネルギー性能基準を満たします。 また、自動車製品や風力タービンのローターブレードなど、強度重量比の高い用途向けの複合材料用のガラス繊維強化ポリマーを開発します (British Glass 2021)。 これらの各製品は、アプリケーションの使用段階で大幅なパフォーマンスの向上を実現します。 しかし、これらの性能向上による環境上の利点を最大限に活かすには、ガラス部門の生涯にわたる環境への影響を軽減するための協調的な取り組みが必要です。 これにより、英国のガラス生産の将来の成長が国家の「ネットゼロ」戦略（HM Government 2021）と一致し、国際競争力を維持することが保証されます。

1.2 ガラス製造の環境コスト

ガラス製造において関心のある主な環境側面は、資源消費、製造のエネルギー効率、大気への排出、および水の使用量です。

1.2.1 原材料

ガラスの主成分は、ケイ砂 (SiO2)、ソーダ灰 (Na2CO3)、石灰石 (CaCO3)、ソーダ長石 (Na2O-Al2O3-6SiO2)、ドロマイト (CaMg(CO3)2) です。 使用される原材料と追加の添加物の割合は、板ガラス製品と容器ガラス製品で多少異なります (Gaines et al. 1994; Zier et al. 2021)。 グラスウール製品用の繊維は、珪砂の割合が低く、石灰石、ソーダ灰、そして徐々に割合が減っていく酸化ホウ素の割合が多くなることで補われる、同様の原料組成を使用します (Gaines et al. 1994; Zier et al. .2021）。 これらの原材料の調達と加工にはエネルギーが必要です。 ソーダ灰は、製造に最もエネルギーを消費する原料です。

通常、ソルベイ (合成)、ホウ (合成)、またはトロナ (天然) プロセスを介して製造されます。 英国および欧州連合 (EU) で生産されるソーダ灰の 99% はソルベイ法で生産されていると推定されています (Belis and Tuokko 2016; Brunner Mond 2008)。 このプロセスには、生成されるソーダ灰当たり 6.1 ～ 10.0 MJ が必要です。これは、生成されるソーダ灰当たり 0.7 ～ 1.0 kg CO2 換算/kg に相当します (Belis and Tuokko 2016; Brunner Mond 2008)。 合計すると、ガラス製造のためのすべての主要原材料の調達には、溶融ガラス 1 kg あたり 3.8 ～ 4.8 MJ が必要となり、CO2 換算で 0.33 ～ 0.35 kg の溶融ガラスが生成されます (Guardian Europe 2021; Guardian Europe 2012; Usbeck et al. 2014; Vitro 2022) 。 原材料の調達、加工、ガラス生産に関連するエネルギー入力とそれに対応する排出量を図 1 に示します。

1.2.2 ガラスの製造

図 1 で強調表示されているすべての形式のエネルギー入力は、エネルギー供給と使用される原材料の種類に対応する関連する GHG 排出を生成します。 エネルギーは、化石燃料の燃焼、電気、または両方の供給源の組み合わせによってガラス生産現場に直接供給されます。 すべてのガラス製品のガラス製造の最初のステップには、すべての原材料を慎重に混合して目的の組成にするバッチ調製が含まれます。 カレットとしても知られるリサイクルガラスも溶融物に加えられます。 続いて、投入材料はガラス炉内で高温 (約 1500 °C) に加熱され、溶融ガラスが生成されます。 このステップでは、ガラス炉に電力を供給するための燃料 (通常は天然ガス) の燃焼から GHG 排出が発生します。 さらに、溶融プロセスの副産物として二酸化炭素（CO2）が排出されます。

これらの CO2 排出はプロセス排出と呼ばれることが多く、炭酸塩原料の分解によって発生します。 次に、ガラス溶融物から気泡（原料の溶解プロセスで発生する化学反応によって元々発生したもの）が取り除かれ、「清澄」として知られるプロセスで均質化されます（Müller-Simon 2011）。 溶融ガラスは高温に保たれ、その後フロートガラスタンク（板ガラス）内の錫の溶融床に注がれます。 型に流し込んで吹き込む（容器ガラス）。 または、吹き込み、紡糸し、バインダー (グラスウールと連続フィラメントファイバーグラス) と融合させます。

板ガラスの成形プロセスでは、急激な温度変化が発生し、ガラス内に深刻な内部応力が引き起こされることがあります。 これらの応力を防ぐために、ガラスは 600 °C から 60 °C までゆっくりと冷却される徐冷徐冷炉に通されます。 これもまた、電気直接加熱の形でエネルギーの投入を必要とします。 その後、平板ガラスには電気を利用した一連の二次加工方法 (図 1 のステージ 4) が行われます。 これらのプロセスには、強化処理、コーティングの塗布、および/または中間層製品との積層が含まれます。

1.3 新規生産におけるカレットの使用

製造プロセス全体を通じて、許容できない光学的欠陥や規格外の性能を検出するエッジトリミングや自動品質検査により、ガラスの端材が発生します。 その結果、製造された板ガラスの最大 15% が収集され、新しいガラス製造の内部カレットとして使用されます。 カレット使用の利点は 3 つあります。 まず、同量の原材料の調達と加工に関連するエネルギーと排出量が約 1.2 倍削減されます。 必要な総投入質量の 20% の違いは、第 2 段階での炭酸塩一次原料の溶融プロセス中に発生する分解損失によるものです (図 1 を参照)。

第二に、カレットの溶解に必要なエネルギーが少なくなり、その結果、カレットが 10% 増加するごとに、一次加工段階のエネルギー消費量が 2.5 ～ 3.0% 減少します (Beerkens et al. 2011)。 これにより、図 1 で強調されている関連する燃焼排出量が削減されます。最後に、炭酸塩原料が既に熱分解を受けたカレットに置き換えられるため、プロセス排出量が削減されます。 図 2 は、ガラス製造の各段階でのカレットの使用による CO2 排出量の相対的な削減量を示しています。 この研究では、一次原材料の使用量の削減（図 2 のステージ 1）に関連する一次節約が、「炉で使用できる」カレットの環境輸送および再処理コストによってどの程度相殺されるかを検討します。

実際、ガラス製造には 3 種類のカレットが使用されます。 内部カレットは、ガラスリボンのエッジのトリミング、製品の切り替え、および仕様以下のガラスの切断時に発生する端材により、ガラス生産施設で生成されます。 消費前カレットは、ガラスを含む製品の下流製造を通じて生成されます。 消費者市場に届く前に廃棄物になってしまいます。 消費前カレットの例としては、ガラス加工業者に提供されるジャンボ板ガラスの端材があり、再溶解する前にガラス製造業者に返却することができます。 使用済みカレットは、ガラス製品が一定期間使用された後に寿命に達したときに発生する廃棄ガラスです。 ガラス生産現場（社内カレット）および/または下流メーカー（消費者前カレット）での製造廃棄物の発生により、製造された板ガラスから最終製品までの総生産量が比例的に減少することは注目に値します。

シュミッツら。 2005 年以降の欧州連合 (EU) 排出量取引制度 (ETS) データに基づいて、ヨーロッパのガラス産業の直接的および間接的なエネルギー消費と CO2 排出量 (図 1 のステージ 2 ～ 3 として示されている) の詳細な分析を実施しました。 2007 (シュミッツら、2011)。 平均して、容器ガラス (CG) およびグラスウール (GW) サブセクターは、板ガラス サブセクターよりも、トン当たりのプロセス排出強度の数値がはるかに低いことがわかりました (CG = 0.10 ± 15% および GW = 0.07 ± 16%)。 (FG = 0.19 ± 17%) (当時の EU25 か国全体) (Schmitz et al. 2011)。 したがって、2005 年から 2007 年の EU25 加盟国内では、GW、CG、FG サブセクターは通常、それぞれカレット (社内/消費者前/消費者後) 使用率 55%、45%、5% で運営されていたと推定されました。

現在、使用済みカレットに関する共通の国際規格や仕様はありません。 JRC 欧州委員会 (2011) は、既存の文献と欧州ガラス業界全体の技術専門家からの貢献の包括的なレビューに基づいて、再処理カレットの廃棄物最終基準に関するガイダンス文書を作成しました。 これには、容器ガラス、板ガラス、およびグラスウールのサブセクターにおける金属、有機および無機材料からの典型的な汚染の最大許容レベルに関する「炉対応」カレットの最低品質基準の概要が含まれます。 カレットの品質要件は、板ガラス製造に使用する場合、容器ガラスやグラスウールよりもはるかに厳しいことがわかりました。

たとえば、容器ガラスやグラスウールの製造に含まれる非鉄金属からの不純物は、粒子サイズが 0.1 g 未満で、総量が 20 g/トン (20 ppm) 未満であれば許容されます。 板ガラスの場合、非鉄不純物の合計割合は 0.5 g/トン (0.5 ppm) 未満でなければなりません。 セラミック衛生器具やレンガ製造用のフラックス剤など、再溶解を必要としない二次用途の汚染制限はさらに厳しくありません。 回収されたカレットをそのような「開ループ」二次用途に分配すると、環境上の利点が大幅に低下することがわかっています (Enviros Consulting Ltd 2003)。

1.4 英国ガラス産業の脱炭素化への取り組み

WSP パーソン ブリンカーホフおよび GL (2015)、グリフィン他。 (2021) および英国ガラス業界の主要代表機関である British Glass (2021) は、英国のネットゼロへの取り組みに応えて、2050 年までにカーボンニュートラルを達成するためのガラス部門の業界ロードマップを発表しました (HM Government 2021)。 これらの研究の中で提案されている、2050 年までにガラス生産に関連する排出量を削減するための主要な戦略には、次のものが含まれます。 予備焼成原料および/または代替原料の使用。 燃焼排出物を削減するための代替燃料源の使用（酸素燃焼、液体バイオ燃料、全電気溶解、ハイブリッド炉および/または水素など）。 炭素回収の利用および/または貯蔵 (CCU/CCS) などの修復オプション - 付録 A1 (British Glass 2021) を参照。 ザイアら。 Zier et al. 2021 は、CO2 削減の可能性と経済的実行可能性の観点から、ドイツのガラス部門における脱炭素化オプションの包括的なレビューを発表しました。 彼らは、ガラス炉に電力を供給するためのさまざまな既存および将来のエネルギー調達オプションを調査し、電気溶解および/または水素燃焼が燃焼排出量を大幅に削減する最も有望なオプションであると結論付けました。

燃焼排出物は燃料の切り替えによって大幅に削減される可能性がありますが、プロセス排出物は依然としてガラス製品の原材料組成に本質的に関連しています。 他の産業からの副産物として調達しない限り、焼成原料の使用は単に CO2 排出量をガラス製造バリューチェーンの別の段階に移すだけです。 おそらく、材料を 2 回加熱することにより、プロセスの効率がさらに低下する可能性があります。 CCU/CCS 技術などの排出修復オプションは開発の初期段階にあり、ガラス炉での使用がまだ証明されていません (Anderson and Peters 2016; Butnar et al. 2020; Griffin et al. 2021; The Royal Society 2021）。 したがって、プロセス排出量を削減するために CCU/CCS または焼成原料の使用に依存することは、中期的に世界の GHG 排出量を削減するという望ましい結果を達成するには不十分である可能性があります。

カレットの使用割合を増やすと、プロセス排出量の削減に直接的かつ明確な利点が得られます。 同時に、炉の動作温度を下げ、代替燃料供給からのエネルギー入力の需要を減らす可能性を秘めています。 排出削減戦略を報告する場合、ガラス業界は通常、図 1 のステージ 2 ～ 4 として表される、ガラスの一次および二次加工に関連する排出量を参照します。これらの排出量は、スコープ 1 排出量と呼ばれることがよくあります (GHG プロトコル イニシアティブ 2012) ）。 酸素燃焼、水素燃焼、全電気溶融などの代替燃料源と燃焼方法はすべて、燃料供給に関連する独自のエネルギーコストを必要とします。

購入した電力および燃料調達に関連する対応する排出量 (スコープ 2 ～ 3) は、多くの場合、Well-to-Tank (WTT) 排出量と呼ばれます (GHG Protocol Initiative 2012)。 地球規模の排出削減というより広い文脈では、ガラスのバリューチェーン全体のすべてのプロセスの環境コストを考慮することが重要です。 WTT 排出量に加えて、カレットと比較した一次原料の原料調達および加工段階 (図 1 の段階 1) における環境トレードオフを考慮することも不可欠です。 これにより、ガラス部門の脱炭素化への手段として、代替原料および燃料源の使用について透明性のある包括的な評価が可能になります。

1.5 ガラス製品の耐用年数が終了した用途

二次加工方法を施す前の一次製品としてのガラスは、品質を損なうことなくリサイクルできます。 英国の 3 つの主要なガラス市場における既存の耐用年数終了後の回収ルートを図 3 に示します。

板ガラス (FG) メーカーは通常、新しいガラスの生産に 10 ～ 25% のカレットを使用します。 このカレットの大部分は社内カレットまたは消費前カレットです。英国での新しい板ガラス生産には、消費後の板ガラスが 1% しか含まれていないと推定されています。 平面ガラスを組み込んだ製品には、コーティング、フリット、および接着ポリマーや金属部品などの他の材料との界面が組み込まれていることがよくあります (DeBrincat and Babic 2018)。 使用後のリサイクル率を高めるための主な障壁は、汚染物質がなく、許容可能な品質を備えた平板ガラスカレットを妥当なコストで効果的に回収することです。 新しい板ガラスの製造におけるカレットの使用の許容基準は、生産損失を最小限に抑え、関連する製品規格への準拠を保証し、特に光学的欠陥を最小限に抑えるために非常に高く設定されています (JRC European Commission 2011)。

容器ガラス (CG) 業界は、最初の使用を超えて製品を回収し、回収したカレットを新たな生産に使用し、その結果埋め立てられる廃棄物を減らすために多大な努力を払ってきました。 これは、混合リサイクル可能廃棄物のボトルバンクや家庭での収集を通じた確立された収集システムによって達成されています。 収集された CG は材料回収施設で分離され、再処理装置に送られ、そこでカレットが選別され、顧客の仕様に適合する品質に再処理されます。 カレットが希望の仕様を満たしていることを確認するために品質チェックが実行されます。これには次のチェックが含まれます。鉄金属、非鉄金属、無機物および有機物の最大許容限度。 カレットのサイズ。 水分含量; そして光学品質。

英国は 2019 年にリサイクルのために回収された容器ガラスの率 76.5% を達成しました。これは欧州平均と一致しています (British Glass 2020; FEVE 2018)。 したがって、平均して、新しい CG 製品には通常、英国供給源からの消費者使用後のカレットが約 50 ～ 52% 含まれています (Close the Glass Loop 2020; Lee et al. 2019)。 英国で消費されるガラスと比較して生産される透明、緑色、琥珀色のガラスの割合が著しく不均衡であるため、リサイクル含有量の割合はガラス製品によって異なります (McCoach et al. 2019; Valpak 2012)。

Norman (2013) は、英国産業内のエネルギー集約型サブセクターにおけるエネルギー効率向上の推進要因と障壁について詳しく説明し、エネルギー使用量に関する情報とバリューチェーン全体でのエネルギー使用量削減の動機付けを増やす必要性を強調しました。 ハートウェルら。 (2021) は、建築用ガラスを含むファサード システムの設計における循環経済を実現するための障壁と動機に関する業界横断的なレビューを完了しました。 再使用とリサイクルの環境価値についての理解の向上は、生涯にわたる環境パフォーマンスをより適切に考慮した設計決定に影響を与えたり、効果的な回収サプライチェーンへの財政投資を正当化したりするための重要な手段となることが判明しました。

いくつかの研究は、消費者使用後のカレットを新しい FG 生産に組み込むことの課題を強調し、より適切な収集と分別の実施を求めています (DeBrincat and Babic 2018; Edgar et al. 2008; Leong and Hurley 2004; WSP Parson Brinkerhoff and GL 2015)。 以下に関する機会：ガラス部門のバリューチェーン全体。 二次加工方法の影響。 英国で入手可能なカレット。 回復のための代替経路。 その結果、ガラス部門内でのエネルギーと排出量の削減はまだ評価されていません。 この目的を達成するために、この研究では、既存の資源の流れと耐用年数終了管理の代替シナリオに基づいて、新しいガラス製造における使用済みの平板ガラスカレットの使用が環境に及ぼす影響を評価することを目指しています。

1.6 板ガラスの資源の流れ

FG、CG、GW 部門からのカレットの需要が増加していることはよく知られています。 「炉で使用できる」カレットを入手できることは、新しいガラス製造におけるカレットの使用を増やすための必須の前提条件です。 英国における平板ガラスカレットの総入手可能性と二次用途への適合性に関する既存の知識は限られています。 不明瞭なもう1つの重要な要因は、社内および/または下流の製造廃棄物として生成され、後に新たな生産でカレットとして使用されるガラス端材に関連する実際のエネルギーコストおよび/または節約量です。 カレンとオールウッドは、重量トン数に基づいて、原材料から耐用年数終了までの世界の鉄鋼とアルミニウムの生産に関する有益なマップを作成し、それによって防止可能な歩留り損失を特定し、関連する材料効率戦略への提案を提供しました (Cullen et al. 2012;カレンとオールウッド、2013)。 コエンラードら。 Westbroek et al. 2021) は、世界の生産量の有用な概要を提供する、板ガラス市場と容器ガラス市場の質量別の同様のマップを作成しました。

しかし、サブセクター全体での回収ガラスの使用は考慮されていませんでした。 さらに、製品タイプごとの板ガラス部門の細分化。 関連するエネルギー入力。 対応する排出量は除外されました。 Souviron と Khan (2021) は、ベルギー、フランス、EU の建築用板ガラス部門の環境フットプリントを評価しました。 これらは、以下の有用な概要を提供します。 原材料のトン数フロー。 エネルギーミックス。 エネルギー-; これらの地域における過去 75 年間の FG 部門のみのスコープ 1 排出量に関連した CO2 原単位。

1.7 この研究の目的

この研究では、英国における板ガラスの使用済み回収ルートの既存および将来の可能性、およびカレット使用量の増加による関連する CO2 排出削減の可能性を次の方法で調査します。

2.1 質量数値の組み立て

英国における製品タイプ別のガラス生産量と分布は文献レビューから照合され、その後、英国の 240 サブセクターをカバーする約 21,500 の企業のサンプルから収集されたユーロスタット ProdCom 調査の対象となっている (ONS 2021) 年間生産高データと並行して検査されました。鉱業、採石業、製造業の分野。 ProdCom データベース内の一部の製品出力は、質量ベースではなくカテゴリ単位で測定されているため、他のサポート参照と併せてガイドとしてのみ役立ちます。 この研究に用いたガラス生産量の参考資料を表 1 にまとめます。年間トン数は最終用途との関係で示されています。つまり、新規ガラス生産のトン数は「流入」と呼ばれ、使用済みガラスの生成トン数は「流入」と呼ばれます。年間当たりの金額は「流出」と表記されます。 生産量の数値は、広範な文献レビューとガラスのバリューチェーンとの直接のコミュニケーションから照合されました。

表 1 英国のガラス生産量と英国のガラス収集量のデータソース -フルサイズのテーブル

表 1 で照合されたデータは、自由に入手できる Plotly コード (Plotly Technologies Ltd. 2015) を使用して、Python のサンキー図 (図 5) にプロットされました。 サンキー図に表示されるノードは、製品または処理段階を表します。 ノード間の有向矢印の幅は、各製品および/または処理段階間の質量流量に比例します。 流出フロー (左から右) は、一次原材料の需要を示します。 関連するサブセクター内での最終用途製品の継続的な流通。 最初の適用後の回収/廃棄ルート。 戻りの流れ (右から左) は、回収され、二次用途の新しい生産に利用される材料の量を表します。

2.2 板ガラスの製造から二次用途までのエネルギーバランス

2.2.1 主な用途

エネルギー フロー図は、主な用途 (建築用ガラスまたは自動車) における 1 kg の板ガラス生産に関連するエネルギーの入力と出力に注目するために作成されました。 板ガラス生産量1kgに伴うエネルギーは、FG一次製品の分布に基づいて計算されます。 一次 FG 製品の分布は、EU の典型的な製造生産高に基づいて推定され (Kellenberger et al. 2007; Maria et al. 2013)、図 4 に示されています。

2.2.2 セカンダリ アプリケーションの回復シナリオ

図 4 に示す 3 つの代替回収シナリオは、耐用年数が終了した板ガラスをさまざまな割合で新製品にリダイレクトする効果を比較および評価するために構築されました。 コンテナガラス(CG); グラスウール（GW）。 低級骨材製品（AGG）。 および/または埋立地（LA）。 二次用途への回収製品の比例配分を図 4 に示し、表 2 に詳細を示します。シナリオ 1 は、既存の板ガラスの耐用年数が終了したフローを表しています。 シナリオ 2 と 3 は、既存の収集インフラストラクチャの改善により、より高い割合で使用済みの板ガラスが再処理され、新しいガラス製品に利用されるようになった例を表すために構築されました。 次に、3 つの代替回収シナリオにおける耐用年数が終了した板ガラス (つまり、使用済み板ガラス カレット) の使用に関連するエネルギーの使用量と節約量が評価されました。

表 2 構築された 3 つの回収シナリオにおける耐用年数終了時に収集された板ガラス 1 kg の製品の目的地 -フルサイズのテーブル

2.2.3 エネルギー入力

図 1 に示す、ステージ 1 と 4 に関連するエネルギー入力と対応する排出量は、既存の環境製品宣言と EcoInvent データベースから照合されました (Wernet et al. 2016)。 生産段階 2 ～ 3 のデータは、2005 ～ 2007 年の EU ETS データに基づいて、ヨーロッパのガラス施設 450 か所のエネルギー消費と CO2 排出量の詳細な分析を実施した (Schmitz et al. 2011) から収集されました。 英国政府の燃料源固有の換算係数 (BEIS 2020) を適用して、燃料供給に関連するエネルギーを計算しました (すなわち、供給される総エネルギーを一次エネルギーに換算するため、付録 A2 を参照)。 既存の文献には、さまざまなリサイクル内容物 (RC) を含むガラス製品の内部エネルギーと内部炭素に関するデータが記載されています。 0% RC のデータが利用できない場合、表 3 の内部エネルギーと内部炭素の数値は、新品のカレットを使用することによってステージ 1 と 2 で生じる等価エネルギーと排出削減量 (Beerkens et al. 2011) に基づいて調整されています。 UFG、CG、GWの制作。

表 3 板ガラス、容器ガラス、グラスウール、骨材製品の主な加工工程におけるエネルギー投入量と同等の固化炭素の分布 -フルサイズのテーブル

FGとCGの素材構成は似ています。 GW の場合、組成はわずかに異なります (Kellenberger et al. 2007; Zier et al. 2021)。 この研究の目的のために、各ガラス製品の一次原料の調達と輸送に関連するエネルギーは、4.05 MJ/kg 溶融ガラスおよび 0.32 kgCO2-eq/kg 溶融ガラスと同等であるとみなされました。 これらの数値は、RC 0% を宣言した板ガラス環境製品宣言 (Guardian Europe 2012) から取得したものです。

新しい UFG、CG、GW 製品に許容される品質のカレットを製造するには、中間の再処理ステップが必要です。 これには、追加のエネルギー入力と、同等の回復不可能なエネルギー損失が必要になります。 カレットの調達に関する具体化されたエネルギーと炭素の数値は、Beerkens et al. から取得されました。 EcoInvent データベース (Beerkens et al. 2011; Wernet et al. 2016)。 具体化されたエネルギーの数値は、同様の処理活動が行われる材料回収施設で処理されるカレットの等価生産量に関連するエネルギーとよく一致しています (Denison 1996)。 英国の既存の製造施設と再処理施設の位置に基づいて、使用場所から再処理業者または骨材市場に戻るカレットの輸送距離は、それぞれ 800 km と 100 km と推定されました。 輸送における等価の体内エネルギーと体内炭素の数値は、英国の温室効果ガス報告数値 (GOV.UK 2021) に基づいて計算されました。 骨材の製造にガラスを直接使用する場合、通常、再処理ステップは必要ありません。 生産の各段階に関連するエネルギー投入量の関連計算については、付録 A2 に詳しく記載されています。

表 3 は、コーティングされていない板ガラス製品とグラスウール製品のエネルギー強度の違いを示しています。 グラスウール製品には追加の繊維化および硬化プロセスが必要となるため、最終グラスウール製品の生産にはより多くのエネルギーが必要になります (IMPEL 2012; Maria et al. 2013)。 二次プロセスにより、コーティングされていない板ガラスの内部エネルギーが大幅に増加する可能性があります。 コーティング、ラミネート、および強化プロセスでは、それぞれ、コーティングされていない板ガラスのエネルギーの 10%、49%、および 49% に相当する追加のエネルギー入力が追加されることがわかっています (Guardian Europe 2021; Guardian Europe 2012)。

2.2.4 回収可能なエネルギー

新しい板ガラスの製造におけるカレットの使用によるエネルギーと排出量の削減は、原材料の調達とガラスの溶解段階から生じます。 表 3 に紹介され、付録 A3 でさらに詳しく説明されている数値に基づくと、100% の主要原材料を 100% の使用済みカレットに置き換えることで、原材料調達からの合計エネルギーが 27% 節約され、総排出量が 41% 節約されます。最終的なコーティングされていない板ガラス製品の製造まで。 これらの値は、回収に利用可能な最大エネルギー (MRE) および最大排出削減可能性 (MESP) として採用されます。 コーティング、ラミネート、強化、ガラスや自動車ユニットへの加工など、板ガラス製造のための追加の加工方法を提供するために必要なエネルギー入力を含む、他のすべてのエネルギー投入は、リサイクルでは回収できないエネルギー損失として評価されます。

建築用ガラスまたは自動車製品内で一次使用された後、ガラスは埋め立て地または 4 つの二次用途 (コーティングされていない新しい板ガラス (FG)、容器用ガラス (CG)、グラスウール (GW)、または骨材 (AGG)) のいずれかに移送されます。 埋立処分の場合、MRE は 0% 回収されません。 二次用途の場合、その二次用途内でのカレットの使用から得られる等価回収エネルギー RE に応じて、エネルギーをさまざまな程度に回収できます。

2.2.5 生産収量

生産歩留りは、ガラス生産の次の段階に進む良品のガラスの割合を表します。 この研究で構築された 5 つのシナリオは、表 4 に示されている 2 つの潜在的な歩留まりを評価します。シナリオ 1A、2A、および 3A では、ガラス製造業者とのコミュニケーションからの推定値に基づいて、板ガラス製造の現在の慣行を代表する歩留まりを考慮しています。 シナリオ 1B、2B、および 3B では、歩留まりについてより野心的な見積もりが行われます。

表4 板ガラス製造の各工程における歩留まりと歩留まりの損失の行き先 -フルサイズのテーブル

2.2.6 一次アプリケーションから二次アプリケーションへのエネルギーの流れ

原材料から一次およびその後の二次用途までのガラス製品の質量分布に基づいた、対応するエネルギー フローをサンキー ダイアグラム (図 6 および 7) にプロットして、生産に伴うエネルギー損失と同等のエネルギー損失を視覚化しました。カレットを一次使用した後にリサイクルすることで節約できます。 これから、以下を評価することが可能です。 コーティングされていない板ガラスの製造とその後の加工方法による一次エネルギー損失。 二次応用製品の製造による二次エネルギーの損失。 総エネルギー回収量 (TRE); および総未回収エネルギー (TNRE)。 これらの要素を評価するために使用される計算の概要は、付録 A3 に記載されています。

2.3 エネルギーと排出量削減の可能性

板ガラス市場は過去 20 年間で着実に成長してきました。 2021年（分析基準年）の板ガラスの流出量は60万トンと20万トンで、1996年の年間生産量と板ガラスの耐用年数25年に基づいた上限と下限の推定値として計算された。ガラスユニットの成長と自動車用ガラス市場の着実な成長 (Hestin et al. 2016; Kellenberger et al. 2007; Maria et al. 2013)。 これら 2 つの数値は、新しいガラス製品の製造に使用済みの板ガラスを組み込むことによって達成できる等価エネルギーと排出削減可能性の指標を提供するために使用されています。

3.1 英国のガラス生産フローと関連する CO2 排出量のマップ

ガラスの製造には大量の天然資源が消費されます。 天然資源から一次用途、二次用途への回収までのガラス生産のマスフローを図 5 に示します。

図5にプロットされた質量流量は、2019年の各ガラス市場（板ガラス、容器ガラス、グラスウールおよびその他のガラス製品）内の最終製品の総生産量に関連する流入および流出資源流量に基づいています。各市場における最終製品の詳細を表 5 に示します。

表 5 原材料から一次用途までの各ガラスサブセクターに関連する総トン数と CO2 排出量 -フルサイズのテーブル

原料組成の性質上、各ガラス製品は炭酸塩原料の熱分解によりCO2を排出します。 CO2 排出の形での廃棄副産物の割合 (表 5 ではプロセス排出とも呼ばれます) は、バッチ原材料中のカレットの使用割合に反比例します。

3.2 板ガラス生産のエネルギーバランス

図 6 と 7 は、表 4 に詳述されている同じ保守的な生産収量 (A) に基づいて、回収シナリオ 1 と 2 のエネルギー バランスを視覚化するためにプロットされました。

表 6 は、セクション 6 で紹介した 5 つのシナリオのエネルギー入力、関連するエネルギー損失、回収エネルギー (RE) および非回収エネルギー (NRE) を詳しく示しています。 2.2.

表 6 事前に構築された 5 つのシナリオを参照した、一次製品 1 kg のエネルギー投入量と同等の回収可能および回収不可能なエネルギー フロー -フルサイズのテーブル

3.3 ガラス部門の排出削減

表 7 は、各回収シナリオの排出削減可能性を示しています。各回収シナリオは、一次生産物の二次用途への指定された配分を表しています (図 4 および表 4 を参照)。 各回収シナリオの年間総排出量削減量は、表 5 に示すガラス製品のベースライン年間流入トン数を参照して計算されました。目標収量シナリオでは、保守的な収量シナリオと比較して年間総排出量が 2.7% 削減されます。 表 7 に示す等価排出削減量は、(i) FG 生産の保守的な収量ベースライン、(ii) FG 生産の希望収量ベースラインを参照して計算されました。

表 7 板ガラスの推定年間流出量に基づく代替回収シナリオの等価排出削減可能性 -フルサイズのテーブル

4.1 既存のサポート終了ルート

図 5 に示すリソースの流れは、耐用年数が終了したガラス製品の既存の回収経路と、各ガラス市場が関連するガラス製造プロセスでリサイクルカレットの使用をどの程度活用しているかを明確に視覚化しています。 。 いくつかの外部要因により、過去 25 年間で新しい CG 制作に使用される使用済みカレットの割合が大幅に増加しました。 1997 年の拡大生産者責任 (EPR) 制度の導入により、縁石脇やボトルバンクの回収を含む容器ガラスの効果的な回収メカニズムに多大な投資が動員されました。

これらの計画により、現在英国では容器ガラスの 76.5% がリサイクルのために回収されています (British Glass 2020)。 材料回収施設の技術進歩により、混合家庭廃棄物を効果的に分別して容器ガラスカレットを取得し、その後 CG 市場で許容される品質に再処理できるようになりました。 したがって、CG 市場では、新規生産の約 55% に使用済みカレットが使用されており、これはヨーロッパのガラス メーカーの平均内に収まっています (FEVE 2018)。

その結果、一次原料資源の需要が減少し、CG の場合、エネルギー投入量の最大 28% を占める可能性があります (表 3 を参照)。 しかし、英国で製造された CG の種類と、消費され、その後収集されたガラスの種類との間には、重大な不均衡が存在します (Edgar et al. 2008; Lee et al. 2019)。 英国における透明 CG の生産量は、緑色または琥珀色の容器ガラスの 2 倍以上です (Edgar et al. 2008; WRAP 2008a; WSP Parson Brinkerhoff and GL 2015)。 緑色または琥珀のコレクションから収集されたカレットは、透明な容器ガラスの製造に再導入することはできず、外部市場に輸出されることが多い (Beerkens et al. 2011; JRC European Commission 2011)。

板ガラス市場は、2019 年の英国のガラス生産量の約 23% を占めました。英国の再処理業者の推定によると、リサイクルのために年間約 80 ～ 100 千トンの板ガラスが他の廃棄物とは別に収集されています (Potters Ballotini Ltd. Reprocessors,電話通信、2020 年 12 月 7 日、Potters Ballotini Ltd. 再処理装置、電子メール通信、2022 年 6 月 30 日、URM Ltd. 再処理装置、電話通信、2021 年 11 月 29 日）。 リサイクル可能であるにもかかわらず、使用済みの建築用ガラスが新しい板ガラス製品にリサイクルされることはほとんどありません (図 5 を参照)。 代替手段として、収集および分別された使用済みの板ガラスは、他の用途のために再処理されます。

許容品質を満たす再処理カレットは、板ガラス市場ほど厳格な許容基準がない容器ガラス市場に戻されます (JRC 欧州委員会 2011)。 品質要件を満たさないカレットは、骨材市場やガラスビーズなどの代替市場に販売されます。 英国およびオランダのガラス再処理業者との非公開通信により、消費者使用済みの板ガラスを容器ガラスおよびグラスウール市場に容易に再処理できる既存の能力が明らかになりました（Shark Solutions 2022）（URM Ltd. Reprocessors、電話通信、2021 年 11 月 29 日; Maltha） Glasrecycling Nederland BV、電子メール通信、2021 年 12 月 31 日）。

一部の FG メーカーは最近、地元の断熱ガラスユニット設置業者とのパートナーシップを構築し、消費者使用後の FG を回収して、新しい FG 生産のカレットとして使用しています (Saint Gobain 2020、Morley Glass & Glazing 2019)。 使用現場で他の建築材料と分別されない板ガラスは、他の不活性建築材料と一緒に粉砕してダウンサイクルされ、現場での骨材製造/ハードコアに使用されるか、埋め立て処分に送られます。 ガラスの不活性特性により埋め立て処分が可能です。ガラスは英国の埋め立て税の低い税率 (98.60 ポンド/トンではなく 3.15 ポンド/トン) の対象となります。 したがって、板ガラスを廃棄するコストは、板ガラスを個別に収集してリサイクルに適した状態にするために処理するコストよりも安価であることがよくあります。

グラスウール生産用のグラスファイバーの需要は過去 20 年間で増加しました。 これは主に、建物のエネルギー性能目標を満たす断熱製品に対する需要が高まっているためです。 グラスウールの生産では通常、新たな生産に最大 55% の消費前および消費後のカレットが組み込まれます。 グラスウールの製造に使用するカレットも、板ガラス市場ほど厳しくはありませんが、厳しい合格基準を満たさなければなりません (JRC 欧州委員会 2011)。 したがって、グラスウールの生産に使用されるカレットの大部分は、内部カレットと板ガラス部門からの再処理された消費前カレットです (Knauf Insulation 2021)。

4.2 エネルギーバランスと排出削減の可能性

4.2.1 収量損失の影響

ガラス製造のいくつかの段階での歩留まりの低下から生じるカレットは、内部カレットおよび/または消費前カレットとして新しいガラス製造に組み込まれます。 これらの歩留り損失は、ガラス溶融段階に直接戻されるか、板ガラス製造プロセスからのわずかな端材の場合のように、まず再処理されてから板ガラスまたはグラスウール市場に戻されます。

図 6、7、および表 6 から得られる有益な洞察は、最終生産量が同じ単位であれば、新規生産における消費前カレットの使用は必ずしも天然資源からの一次原料の需要を削減するわけではないということです。 実際、出力単位あたりの総エネルギーと排出量が増加します。ここで、出力単位とは、主な用途を満たす製品のことです。 表 6 に保守的 (A) および希望的 (B) として示されている代替収量は、このことのさらなる証拠を提供します。 保守的な収率シナリオ (A) に基づくと、1 kg の平板ガラス生産量 (ガラスおよび自動車用途内) のエネルギー消費量は 25.9 MJ/kg 生産量および 1.76 kgCO₂-eq/kg 生産量に相当し、これは 9.2% および 8.0 に相当します。これは、より高い収率（すなわち、より低い製造廃棄物発生レベル）を有するガラス製品の同じ分布が考慮される、望ましい収率シナリオ（Ｂ）よりもそれぞれ高い。 ガラス製造業者への消費前カレットの返送に関連するエネルギーコストを考慮すると、このマージンはさらに増加する可能性があります。

エネルギー節約が収量の変化に敏感であることは、使用済みリサイクルガラスをより多くの割合で利用する利点を評価する際に、潜在的な収量損失を考慮することの重要性を浮き彫りにしている(Beerkens et al. 2011)。 使用済みカレットの割合が高くなって収量が低下すると、それに伴うエネルギーの節約が減少する可能性があります。 したがって、ガラスのバリューチェーン全体でエネルギー投入量を削減し、資源効率を高めることを目的として、歩留り率の最適化を継続する必要があります。

4.2.2 二次用途における使用済み平板ガラスカレットの使用

新しい生産におけるカレットの使用は、エネルギー投入量の削減とそれに伴うプロセスおよび燃焼排出量の削減の点で有利であると長い間認識されてきました。 使用済みの板ガラスの既存の収集インフラは十分に確立されていないため、これらの利点は活用されずに放置されることが多く、板ガラスの大部分が骨材として、または埋め立て地に捨てられます。 板ガラスの既存の典型的な回収ルートに関連するエネルギーバランスは、シナリオ 1A を通じて実証されました (二次用途の分布については、図 4 および表 6 を参照)。 シナリオ 1A では、新たな生産に使用されるエネルギーの 0.4% が廃ガラスの再利用を通じて回収され、収集されたガラスの 74% が最終的に骨材製品として使用されることがわかりました。

収集されたガラスカレットの輸送と再処理に伴うエネルギーは無視できないことが判明しました。 表 6 および表 7 に示した結果は、総輸送距離 800 km およびカレットを提供するための再処理方法の推定を参照し、総エネルギー投入量 2.66 MJ/kgreproc-カレットおよび 0.17 kg CO₂/kgreproc-カレットに基づいています。 Beerkens et al.に基づく、FG、GW、または CG に適した品質の (2011)、デニソン (1996)、GOV.UK (2021)。 これらの数値は、主原料の調達と輸送に関連するエネルギーと排出量（それぞれ 4.05 MJ/kg と 0.316 kg CO₂-eq/kg であることが判明しており、ソーダ灰の生産量は以下のとおりです）よりも少ないままです。主な貢献者。

シナリオ 2A は、より高い割合の板ガラスを他のガラス市場に適したカレットに再処理できるようにする、収集方法の改善に伴う利点の一例を示しています。 高価値ガラス市場への収集と流通の改善により、利用可能な回収可能エネルギーの割合は 0.4% (S1A - 炉で使用できるカレットに再処理される収集ガラスの 11%) から 14.2% (S2A - 炉で再処理される収集ガラスの 90%) に増加します。 -準備ができたカレット)。 この数字は入手可能な文献と同等です。 例えば、ある研究では、米国におけるガラス容器リサイクルのエネルギーへの影響を輸送距離も含めて評価し、リサイクルされるガラスの割合が増加すると、一次エネルギー使用量の合計が最大 13% 削減されると計算しました (Gaines et al. 1994)。 収集されたガラスの代替輸送方法と輸送距離は、計算されたエネルギーと排出削減量の感度を評価するために監視すべき重要な要素であり続けるでしょう。 英国の再処理施設、収集場所、ガラス製造施設の場所、およびそれらの関連する生産能力と再処理収率に関するさらなる研究は価値があるだろう。

シナリオ 2A および 2B では、シナリオ 1A および 1B とは異なる、サポート終了後の回復ルートを検討します。 シナリオ 2A および 2B では、収集された板ガラスの 30% が CG 市場に吸い上げられます。 残りは FG、GW、AGG にそれぞれ 30%、30%、10% で分配されます。 シナリオ 3B では、収集されたカレットの 90% が FG に、10% が AGG にサイフォンされる状況を考慮します。 シナリオ 2B と 3B は、それぞれ 15.5% と 16.4% のエネルギー回収率に相当します。 このわずかな違いは、カレットの品質に対する要件がそれほど厳しくない代替市場で収集された FG を使用することが、ガラス部門全体のエネルギー需要の削減に依然として大きく貢献できる可能性があることを浮き彫りにしています。

板ガラス市場は、新しいエネルギー性能目標を達成するために既存のガラスの改修が継続的に推進されている結果、成長すると予測されています。EU の既存ガラス在庫の 44% は単板ガラスであると予測されています (Glass for Europe) 2018）。 図 5 は、推定流出量 485 千トンに基づく板ガラスの既存の収集慣行の代表的な例を示しています。 英国における 1996 年の板ガラス生産量 690 千トン (Kellenberger et al. 2007; Maria et al. 2013) に基づいて、また (Kellenberger et al. 2007) の IGU の割合が 40 トンの間であると推定していることを考慮すると、この推定は合理的であると考えられます。 –建築用ガラス市場の質量ベースの 50% を占め、断熱ガラスユニット (IGU) の一般的な予想寿命は 25 ～ 30 年です。

したがって、図5に示されている485千トンの推定流出量は、(Hestin et al. 2016)が評価した2025年の215千トンの流出予測ともある程度一致しています。この予測では、彼らは、以下に基づいてガラス在庫を推定するトップダウン法を使用しました。断熱ガラスユニット (IGU) 単独の典型的な質量、つまり、これは建築用ガラス市場全体の 40 ～ 50% と考えられます。 表 7 では、1996 年の板ガラスの生産量と、この研究で構築されたさまざまなシナリオのエネルギーおよび CO2 排出削減の潜在力に基づいて、年間の板ガラス在庫の流出に関する 2 つの代替推定値が検討されました。 シナリオ 2A の場合、下限の推定流出量は 200 千トンで、ガラス部門全体で CO2 排出量が 1.9% 削減され、板ガラス部門だけで 5.5% 削減されます。 同じシナリオの場合、600 千トンというハイエンドの流出量の推定では、ガラス部門全体で 5.6%、板ガラス部門だけで 16.5% の排出量が削減されます。 より望ましい製造歩留まり (B) に移行すると、排出量をさらに 1 ～ 2% 削減できる可能性があります。

ガラス流出の予測を正式にするには、既存のガラス在庫のボトムアップ調査が必要です。 表 1 の数値は、市場に投入される最終ガラス製品に基づいています。 自動車用ガラスの生産は英国では行われていないことに注意する必要があります。自動車用板ガラス製品は、最終製品用途に加工するために輸入されています。 それにもかかわらず、完成した自動車用ガラス製品は市場に投入されるため、この研究では考慮されています。 輸出入に伴うガラス製品の流入と流出の正確な値は、この調査には含まれていません。 EU-27 の輸出入は英国の板ガラスの生産と消費の 10 ～ 20% を占めることが判明しています (Glass Alliance Europe 2021)。

4.3 使用済みカレットの使用に対する障壁

板ガラスの製造に使用済みカレットを組み込むことに対する懸念は、ガラスセラミック、有機材料、金属からの汚染に対する懸念から生じています。 未知の制御されていない組成のカレットが混入すると、生産ロスが大きくなり、板ガラスの生産が数日間停滞する可能性があります。 これらの問題には次のものが含まれます。発泡によるガラス溶融の障害、またはポリマーを介して入ってくるカレットの炭素含有量の変化によって引き起こされるガラス溶融物への熱伝達の制限。 ガラス溶融物中での溶解速度が非常に遅いセラミック介在物の蓄積。 ステンレス鋼フレークによるガラス溶融物の汚染により形成される硫化ニッケル含有物の蓄積。 アルミニウム汚染物質の還元効果により、シリカがシリコン含有物に還元される。 および/またはカレット内に存在する金属の溶融物を下向きに掘削する(Beerkens et al. 2011; IMPEL 2012)。

このような問題は、精製の困難につながる可能性があります。 炉の寿命が短くなります。 製品の色の変化。 ガラスと介在物の熱膨張係数が異なるため、機械的強度が低下します。 有機汚染による煙。 主に揮発性バッチ材料の揮発とそれに続く凝縮から生じる粒子状物質の排出（Maria et al. 2013）。 ガラス溶融物の炭素含有量の変化に対するポリマー汚染物質の影響は、ガラスの酸化還元状態を安定化する酸化剤として硝酸ナトリウムまたは硝酸カリウムを添加することによって、ある程度緩和することができる(Beerkens 1999; Maria et al. 2013; Zier et ) al. 2021)。 しかし、これにより窒素酸化物 (NOx) の排出量が増加します (Maria et al. 2013)。

これらの問題を防ぐために、通常、使用後のカレットの予備精製と分別が必要です（Maria et al. 2013; Zier et al. 2021）。 これには一連の再処理ステップが含まれる場合があります。廃棄ガラスは、再処理されたカレットの品質を選別して等級付けするために、磁石、スクリーン、サイクロン、渦電流分離器、カメラ、X線装置などの一連の分離技術を通過します。 必要な再処理方法とその結果得られるカレットの品質は大きく異なる可能性があり、どの二次プロセスが利用されたか、および収集時の条件に大きく依存します。 たとえば、界面物質を含まずにきれいに収集された強化ガラスは、容易に再処理して「炉で使用できる」カレットにリサイクルできます。 また、セラミックフリットガラスは、セラミックの融解温度が高いため、最終ガラス製品にセラミックが混入する原因となり、リサイクルが困難です。

合わせガラスをフロートガラスタンクに直接再導入することに対する懸念は、合わせガラスシートの最大 7 重量％を占める可能性がある有機ポリビニルブチラール中間層が原因で生じており、細かく制御されたガラスの酸化還元状態が変化します（ Beerkens et al. 2011; Beerkens 1999)。 したがって、合わせガラスには、使用前にガラスをポリマー中間層から分離するための、より特殊な再処理技術が必要です。 これには通常、ローラーまたは同様の機械的動作を使用してガラスを粉砕し、続いてガラスを除去することが含まれます (Fernández Acevedo et al. 2008; Tupy et al. 2014)。 再処理ステップが追加されるたびに、追加のコストと歩留まりの損失が発生する可能性があります。 代替の二次用途のオプションとしては、品質要件がそれほど厳しくない発泡ガラス、ガラス研磨材、ガラスビーズなどが挙げられます (Brusatin et al. 2004; JRC European Comission 2011; Kasper 2006; Lebullenger and Mear 2019)。 ただし、これらの用途では、高価値のガラス用途に比べて環境節約効果が大幅に低いことが判明しています (Enviros Consulting Ltd 2003; Hartwell and Overend 2019)。

主要なガラス市場への使用済みガラスの収集と再処理を強化する能力についての理解を深めることが不可欠です。 使用済み平板ガラス カレットの既存のレベルはすべてのガラス市場全体で比較的低いままですが、品質に基づいて使用済み平板ガラス カレットを格付けし、関連する市場に流通させることを検討することは有益でしょう。 さまざまなタイプの板ガラス製品から「炉で使用できる」カレットを生成する場合の再処理収率については、さらなる研究が必要です。 一方、付着したポリマー/シーラントを含む板ガラス製品の選別と再処理の効率を高める技術的方法は、再処理カレットの歩留り向上に役立つでしょう。

許容可能な品質の再処理カレットを安定して確実に供給することは、新しいガラス製造における汚染物質の混入に関連するリスクを軽減し、その後の使用済みガラスの含有率を高める移行を支援するために不可欠です。 表 6 に示されている保守的な収量シナリオ (25.9 MJ/kg 出力) と希望的な収量シナリオ (23.7 MJ/kg 出力) における出力単位当たりに必要な総エネルギーの違いから、使用済みカレットの増加があってはならないことは明らかです。ガラス製造段階での歩留り損失の増加による費用。

環境上の機会とは別に、市場メカニズムや外部の法律を通じて刺激される経済的機会が、今後も消費者使用後の廃ガラスリサイクルの導入を促進する主要な推進力となるでしょう。 使用済み平板ガラスカレットの市場機会を実現し、一次原料との競争力を確保するには、2 つの重要な要素を評価する必要があります。 まず、収集、再処理、輸送にかかるコストを、同量の原材料のマイナスコストと並行して評価する必要があります。 英国および近隣のヨーロッパ諸国には、いくつかの再処理施設が存在します。 関連する場所への収集と輸送に関連する追加コストについては、さらなる調査が必要です。

経済的実現可能性を実証するための 2 番目に重要な要素は、使用済みカレットをより高い割合で使用するガラス製品の生産によって生じる直接的および間接的な経済的節約です。 英国のエネルギー集約型産業では、エネルギーコストが営業支出の大部分を占めています (Griffin et al. 2016)。 許容可能な品質の使用済みカレットを使用すると、炉の動作温度が低下するため、直接的なエネルギーコストが削減されます。 同様に、使用済みカレットの使用による排出量の無効化は、英国の排出量取引制度 (ETS) を通じてガラス製造業者に発生する間接コストを削減する可能性があります。 エネルギーと排出削減の経済的影響については、さらなる研究が必要です。 これは、ETS、炭素税、および必要な回収インフラを支援する必要な補助金/融資に関する英国の政策を方向付けるのに役立つ可能性がある(Norman 2013)。

カレットの市場機会が実現していない場合には、外部法の改正（自主的および/または非自主的）が必要となる。 オランダの VlakGlas Organization は、板ガラス製品に対する拡大生産者責任 (EPR) スキームを推進しています (Vlakglas 2021)。 断熱ガラスユニットの製造業者は、収集場所のネットワークの提供と物流支援をサポートする完成製品に対して賦課金を支払います。 英国の容器ガラスは、1994 年に発表された EU 包装廃棄物指令に合わせて、1997 年に生産者責任義務 (包装廃棄物) 規制法を施行しました (最近 2023 年に更新されました)。この規制は、定期的に更新されることを達成する責任を包装の生産者と取り扱い者に課しています。リサイクル目標。 容器ガラス業界における高いリサイクル率は、部分的にはこの計画の成功を反映しています。

英国の板ガラス分野におけるこれらの計画の有効性については、さらなる調査が必要です。 耐用年数終了段階でのガラス廃棄物の処理に関する追加の法律にも注意が必要です。 Glass for Europe は、EU 廃棄物枠組み指令で提示されている建築廃棄物に関する現在の目標は、ガラスが C&D 廃棄物に占める割合が 5% 未満であるため、ガラスをリサイクルする十分なインセンティブを提供していないとの見解を示しています (欧州議会および評議会 2008; Glass for Europe) 2018）。 彼らは、廃棄物の材料別の目標、および/または建物のガラスを解体および分別するための義務規定の導入を提案しています。 英国を拠点とする BREEAM 認証制度では、建設資材の 95% を何らかの形で再利用することが求められています。 現在、再利用の種類に関する仕様は存在しないため、骨材製品での板ガラスの使用は、より価値の高い製品での使用と同じ評価を受けることになります。

将来的に法律や BREEAM などの認定制度が改正されると、ガラスのバリューチェーン全体で高価値リサイクルの責任を分担することができるようになるでしょう。 このようなアプローチでは、解体または改修の段階で、積層ガラスや強化ガラス製品などのガラス製品の種類と寸法を詳細に検査する必要があります。 このプロセスは、将来的には、BIM モデルでの材料パスポートや RFID 追跡 (RFID タグで使用される材料からの潜在的な汚染を考慮して) の実装を通じて自動化され、ガラスの組成、処理方法、再利用の詳細が提供される可能性があります。リサイクルの可能性 (Honic et al. 2021; Luscuere et al. 2019; Rose and Stegemann 2018)。

骨材税は、一次原材料の開発に対する英国の税です。 これは図らずも、粉砕板ガラスの集合市場からの需要側の引っ張りを生み出します。 ガラスは、その不活性特性により、より低い等級の埋立税の対象となります。 政策の改訂に裏付けとなる情報を提供するには、これらの低価値の耐用年数が終了した用途への板ガラスの既存の回収経路の環境的および経済的コストについての認識を高めることが必要である。 政策は、国内の競争力を低下させたり、製造プロセスのエネルギー効率が低い地域での国際貿易を促進したりしないように慎重に検討する必要がある(Peters et al. 2011)。

4.4 エネルギー入力を最小限に抑えるための代替ルート

表 7 に示されているシナリオ 3B の年間排出削減量は、年間 600 千トンの流出から板ガラスの 90% が収集され再処理された場合でも、年間生産 (950 千トン) に関連する排出量を 1 年間削減できることを示しています。すべてのガラス製造段階（段階 1 ～ 4）を考慮すると、最大 18.6% になります（図 2 および表 3）。 使用済みカレットの使用以外に、さらなるエネルギー節約は以下に依存します。 エネルギー源。 炉の種類/加熱技術。 一次処理の熱回収方法。 二次処理方法の選択。

既存の研究では、酸素燃料溶解、バイオ燃料、水素、全電気溶解、およびハイブリッド炉を含む、炉の種類および代替燃料源を通じて利用可能なエネルギー消費と脱炭素化のオプションが検討されています (Griffin et al. 2021; Ireson et al. 2019) ; Maria et al. 2013; Zier et al. 2021)。 炉の種類、使用年数、容量、スループットがガラス炉のエネルギー効率に大きく影響することがわかっています (Glass Technology Services Ltd 2004; Maria et al. 2013; Zier et al. 2021)。 代替燃料源には、ガラス生産のための現場のエネルギー消費を削減する機能があります。 ただし、入手可能性、生成に必要な電力 (スコープ 2 ～ 3 の排出量)、その他の環境コスト/利点の観点から慎重に検討する必要があります。

現場ではエネルギーを節約できますが、間接的に上流の排出量の増加につながる燃料源は、好ましい選択ではない可能性があります。 例えば、燃料として使用される酸素の精製には電気が使用されます。 酸素燃料炉の使用による CO₂ 削減量は、上流の排出を考慮すると一般的に低いことが示唆されています (Ireson et al. 2019)。ただし、NOx 排出量が大幅に減少していることは注目に値します (Zier et al. 2021)。 間接的な CO₂ 排出量をより適切に考慮することは、スコープ 2 と 3 の排出量が 1995 年から 2015 年の間にほぼ 2 倍になっていることが判明している世界の産業部門において特に重要です (Hertwich and Wood 2018)。

板ガラス製品の既存の分布に基づくと、一次用途エネルギー (PAE) 損失 (一次および二次加工方法から生じる) は、一次用途における 1 kg の板ガラスの総エネルギー入力の 70 ～ 73% を占めます (図を参照) .6、7および表6)。 一次エネルギー損失は、熱回収方法によって回復することができます (Maria et al. 2013; Norman 2013; Zier et al. 2021) ガス燃焼炉に投入されたエネルギーの約 3 分の 1 が、排ガス中の廃熱として排出されます。 British Glass (2021) は、英国のガラス炉の大部分には、燃焼用空気の予熱に使用される廃熱を回収する再生装置が設置されていることを強調しています。 この廃熱をバッチおよび/またはカレット予熱器を使用して原材料を予熱するために利用でき、その結果、溶解プロセスの効率が向上することが提案されています (British Glass 2021)。

この研究で評価した板ガラス製品の典型的な分布 (表 6 を参照) に基づいて、二次加工方法が元のエネルギー入力の最大 23% に寄与することがわかりました。 これは主に強化プロセスと積層プロセスによるものです。 ポリビニルブチラールの製造は、ラミネート加工にかかるエネルギーコストが比較的高くなる重要な要因です。 したがって、より薄い中間層または代替材料を使用するオプションを検討する必要があります。 強化ガラスは加工時に高温が避けられません。 二次処理方法の指定に伴う環境コストに対する認識が高まると、最小限のエネルギー入力で十分な機能を提供するように設計オプションを最適化することが可能になります。

板ガラスの直接再利用などの材料効率の代替オプションは、カレットの再溶解やエネルギー集約的な二次処理方法の必要性を回避することで、PAE の損失を大幅に削減できる可能性があります。 ただし、Afolabi らによって実証されているように。 (2016)、Datsiou および Overend (2017) によれば、ガラスの耐用年数の間に、強度を低下させる傷がガラスの露出したガラス表面に蓄積する可能性があります。 したがって、実行可能な回復オプションとしての再利用の適合性については、パフォーマンスと可能な修復方法における潜在的なトレードオフを評価するためにさらなる調査が必要です。 再利用のための輸送および保管オプションに関連するエネルギーコストも考慮する必要があります。

4.5 データと範囲の制限

この研究の目的のために、提示されたエネルギーと CO₂ 排出量の節約に影響を与えるいくつかの仮定が行われています。 英国のエネルギー データが入手できない場合、各ガラス部門の基準エネルギー入力と年間 CO₂ 換算排出量の計算に使用されるデータは、2005 年から 2007 年の EU における炉技術の平均データセットに基づいています (Schmitz et al. 2011)。 。 ガラス産業内および各サブセクター内で利用可能な炉は、サイズ、処理量、溶解技術、設計、使用年数、使用される原材料、および適用される削減技術が大幅に異なります。 たとえば、より非効率な炉を使用すると、より多くのエネルギーを節約できる可能性があります。 したがって、この研究で計算された回収エネルギーと排出量の絶対値は網羅的であると考えるべきではありません。

カレットの使用は、(Beerkens et al. 2011) に基づいて、カレットの 10% 増加ごとにエネルギー消費量を 3% 削減するために採用されました。 実際には、この数値は異なる場合があります。Glass Technology Services Ltd (2004) は、コンテナ炉でのカレットの使用を評価し、炉のサイズ、使用年数、湿度に応じて、カレットが 10% 増加するごとに 2 ～ 4% のエネルギー節約の変動があることを発見しました。カレットの含有量と合計パーセンテージ。

この研究は、板ガラス製品のライフサイクルの具体化段階および耐用年数終了段階に対する二次プロセスの影響に関する情報を提供します。 最終製品の用途と再利用によるエネルギー投入のトレードオフについてより総合的な視点を得るには、運用や使用などの他のライフサイクル段階を考慮する必要があり、それらの導入により建物の運用エネルギーコストが大幅に削減されます。 、例えば（Maria et al. 2013; O'neill et al. 2020; Rayment 1989）。

効果的な回収および再処理計画を促進するために公共および/または民間投資を開始するには、ガラスのバリューチェーン全体でのカレット使用量の増加による既存の環境機会をより深く理解することが重要です。 この研究は、自然資源から耐用年数終了後の回収と廃棄に至るまで、英国のガラスのサプライチェーンをマッピングすることを目的としました。 これに基づいて、さらに、生産にかかる環境コストを理解し、英国のガラス部門からの温室効果ガス排出量を削減する手段として、板ガラスの回収率とリサイクル率の向上の実現可能性を評価することを目指しました。 続いて、ガラスのサブセクター間で一次原料の代わりにカレットを使用する際の大きな差異につながる主な法律、技術、サプライチェーン、経済的影響が批判的に検討されました。

板ガラス生産単位のリサイクル含有量を考慮する場合、内部/消費前カレットと消費後カレットを明確に区別する必要があります。 使用済みカレットの使用は、新しい板ガラス製造においてエネルギー節約を実現できる可能性がある唯一の要素です。 社内カレットまたは消費前カレットの使用により、埋立地に送られる製造廃棄物の量が減少しますが、代替生産歩留まり率（保守的および希望的）の分析により、社内/消費前廃棄物の生産により、廃棄物ごとに必要な総エネルギー投入量が増加するという証拠が得られます。完成ガラス製品の単位生産量（表 6 を参照）。 したがって、内部廃棄物および消費前廃棄物、つまり一定期間使用されないガラスの生成に起因する追加のエネルギー投入量は、完成ガラス製品の単位出力当たりの総エネルギーの報告に含めるべきである。

新しいガラス製造における使用済みカレットの使用は、プロセス排出量を削減するために技術的にすぐに利用できる唯一の既存の選択肢です。 代替原材料の使用や二酸化炭素除去 (CDR) 技術など、プロセス排出量を削減するための他のオプションは、開発の初期段階にあります。 容器ガラス製造業者は、長年確立されてきた拡大生産者責任制度と収集インフラストラクチャーおよび選別プロセスのサポートの結果として、新規生産において比較的高い割合で使用済みカレットを使用しています。 耐用年数が終了した板ガラス製品のリサイクルのための回収率は、新品板ガラス生産量の 10% と推定されています。

一部の小規模な取り組みを除き、回収された板ガラスが板ガラス市場に戻されることはほとんどありません。 したがって、ガラス製造業者は通常 1% 未満の使用済みカレットで操業しています。 新しい生産に使用済みの板ガラスを高い割合で組み込むことの主な制限の 1 つは、歩留まりの低下を防ぐために存在するカレットの厳しい許容基準です。 英国で生産および消費される CG の種類の不均衡が知られていることから、この研究の結果は、収集された板ガラスを容器用ガラス製品に組み込むオプションにより、市場の需要に支えられて大幅なエネルギー節約がもたらされる可能性があることを浮き彫りにしています。 この研究では、CO2 排出量を 5.6% (FG に対して 30%、GW に対して 30%、CG に対して 30%、AGG に対して 10%) および 5.8% (FG に対して 90%、AGG に対して 10%) 削減できることが判明しました。板ガラス回収率の向上だけでも、ガラス部門全体で 16.5% と 17.3%、板ガラスのサブ部門全体で 17.3% が達成されるはずです。

これらの数値は、回収された板ガラス 600 キロトンの最高級推定流出量に基づいています。 これは、板ガラスの許容基準を満たせない場合に、容器ガラスやグラスウールの用途でカレットを再利用することで、エネルギーと排出量を大幅に節約できるという事実に注目を集めています。 オリジナルの板ガラス製品を製造したメーカーには、関連する奨励金が必要になる場合があります。 より効果的な板ガラス収集ネットワークのための代替メカニズムを調査する必要があります。 達成可能な品質を把握し、最も効果的な回収方法を推進するには、回収されたカレットを回収場所から再処理業者まで追跡することが有益です。

現在、英国における板ガラスカレットへのアクセスは限られており、既存の解体および収集慣行の改善を進めるためには、既存の市場機会についての理解を深めることが必要です。 この研究では、一次原材料の使用から使用済みカレットの割合を高める移行に影響を与える重要な財務要素を特定しました。 これらには以下が含まれますが、これらに限定されません。 カレットの輸送、再処理、保管にかかる追加コスト。 一次原材料コストの節約。 生産排出量の削減による CO2 排出関連税の節約。 埋立税を回避して節約できます。 さらなる研究では、これらの要因を総合的に考慮した経済モデルの開発を検討し、関連する投資を呼び込んだり、必要に応じて政策を支援する証拠を提供したりする必要があります。 英国の競争力を維持し、エネルギー効率の低い製造地域からの輸入促進を避けるために、ガラスメーカーへの追加コストはバリューチェーン全体に分散される必要がある。

ガラスの既存の製造プロセスでは、本質的にカレットを含む構成原材料を溶解するためにエネルギーの使用が必要です。 したがって、リサイクルを超えて排出量をさらに削減するには、間違いなく、低炭素エネルギー源と新しい炉技術への移行が必要になります。 Glass Futures UK の取り組みは、代替燃料源の生産能力の拡大を目指しています。 英国があらゆる分野の脱炭素化を目指す中、英国の再生可能エネルギー源に対する需要は今後も増加するだろう。 したがって、エネルギー効率を向上させるためのすべてのオプションを総合的に検討する必要があります。

ガラス製造に関連するエネルギー投入量と GHG 排出量 (スコープ 1 排出量) のみに焦点を当てた脱炭素化オプションに焦点を当てることで、燃料供給や原材料調達などのバリューチェーンの他の領域の増加によって直接的な削減を相殺できる可能性があります。 この「炭素漏出」効果には、世界全体の排出量の増加が含まれる可能性があります。 このため、この調査には、代替エネルギー源の需要の負担を軽減するために、原材料の調達/加工、燃料供給に関連するエネルギーの投入と排出が含まれています。 エネルギー投入量を削減するための他の有益なアプローチには、次のことが必要です。 再溶解の必要性がなくなるため、板ガラスの再利用を促進する実現可能性をよりよく理解する。 調達、加工、輸送などの一次原材料の調達ルートを最適化します。 最小限の環境コストで十分な機能的パフォーマンスを提供する二次加工方法の認識と利用可能性を高めます。

2023 年 2 月 7 日

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1007/s40940-023-00218-z

この研究は、英国工学物理科学研究評議会 (EPSRC) のケンブリッジ大学将来インフラおよび建築環境における博士課程トレーニング センター (EPSRC 補助金参照番号 EP/L016095/1) によって支援されました。 著者らは、この研究の初期開発段階で物質資源の流れをマッピングした経験を共有してくれたホセ・クルス・アゼベド博士に感謝の意を表したいと思います。

著者と所属

貢献

レベッカ・ハートウェル: 概念化、方法論、資料の準備、調査、データ収集と正式な分析、視覚化、執筆 - 元の草案、執筆 - レビューと編集、プロジェクト管理。 グレアム・コルト: 概念化、方法論、執筆 - レビューと編集。 マウロ・オーバーエンド: 概念化、監修、執筆 - レビューと編集。

対応する著者

レベッカ・ハートウェルへの手紙。

利益相反

著者らは、この論文で報告されている研究に影響を与えた可能性がある既知の競合する経済的利益や個人的関係を持っていないことを宣言します。

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