物質フロー分析

マテリアルフロー分析( MFA ) は、物質フロー分析( SFA )とも呼ばれ、明確に定義されたシステム内の材料または物質のフローとストックを定量化する分析方法です。 MFA は、さまざまな空間的および時間的スケールでの人間活動の生物物理学的側面を研究するための重要なツールです。これは、産業生態学、つまり人為的、都市的、社会的、産業的代謝の中核となる方法であると考えられています。 MFA は、さまざまな産業部門間または生態系内での材料、物質、または製品の流れを研究するために使用されます。 MFA は、たとえば、廃水処理場を通る栄養素の流れを追跡するために、単一の産業施設に適用することもできます。 マテリアルフローに関連するコストの評価と組み合わせると、このビジネス指向の MFA のアプリケーションは、マテリアルフローコスト会計と呼ばれます。 MFA は、循環型経済を研究し、マテリアルフロー管理を考案するための重要なツールです。 1990 年代以降、マテリアルフロー分析に関連する出版物の数は着実に増加しています。 MFA関連の研究を掲載する査読付きジャーナルには、Journal of Industrial Ecology、Ecological Economics、Environmental Science and Technology、Resources, Conservation, and Recyclingなどがある。^[1]

住居、食料、輸送、通信などの人間のニーズには、木材、デンプン、砂糖、鉄鋼、銅、半導体などの材料が必要です。社会が発展し、経済活動が拡大するにつれて、材料の生産、使用、廃棄が増加し、地域的にも世界的にも、環境と社会への望ましくない影響が無視できなくなります。物質フローは、埋立地からの浸出や石油流出など、地域の環境問題の中核をなしています。地球温暖化への懸念が高まるにつれて、以前は重要ではなかった廃棄物フローである二酸化炭素が、政治および科学の議題のトップに躍り出ています。先進国では、一次材料生産から都市鉱山へと徐々に移行しており、人間社会内で使用中および廃止された材料のストックを詳細に評価する必要があります。したがって、科学者、産業界、政府機関、NGOには、経済会計とモデリングを補完するツールが必要です。彼らには、人類圏のさまざまなプロセスに出入りする材料のストックとフローを追跡して表示する体系的な方法が必要です。物質フロー分析はそのような方法です。

MFAは、システムアプローチとマスバランスという2つの基本的かつ確立された科学的原理に基づいています。^{[2] [3]} システム定義は、あらゆるMFA研究の出発点です。

MFA システムは、工業プラント、工業部門、または関心領域のモデルです。システム モデルの詳細レベルは、研究の目的に合わせて選択されます。MFA システムは、常にシステム境界、1 つ以上のプロセス、プロセス間のマテリアル フロー、およびプロセス内のマテリアルのストックで構成されます。システムとその環境間の物理的な交換は、システム境界を越えるフローを介して行われます。システムは特定の工業施設を表すという先入観に反して、MFA のシステムとプロセスは、明確に定義されている限り、はるかに大きく抽象的なエンティティを表すことができます。明示的なシステム定義により、実務者は、特定のプロセス内のストックまたはプロセス間のフローとして、システム内の利用可能な定量的情報を特定できます。MFA システムの説明は、プロセスを分解して洗練するか、プロセスを集約して簡素化することができます。

システム定義におけるプロセス、ストック、フローの配置を指定することに加えて、実務者は、調査対象のシステムの規模と指標要素または材料も示す必要があります。空間スケールは、システムがカバーする地理的エンティティを表します。特定の産業セクターを表すシステムは、米国、中国、世界の特定の地域、または世界全体に適用できます。時間スケールは、システムが定量化される時点または期間を表します。システムの指標要素または材料は、測定され、質量バランスが維持される物理的エンティティです。名前が示すように、指標要素は、カドミウムなどの特定の化学元素、または CO ₂などの物質です。一般に、プロセスバランスを確立できる限り、材料または製品も指標として使用できます。より一般的な指標の例としては、乗用車などの商品、鋼鉄などの材料、エネルギーなどの他の物理量などがあります。

MFAでは、実践者が「材料」、「実体」、「物品」という用語を正確に使用することが求められます。これは、MFA法の主要な参考文献の1つであるBrunnerとRechberger ^[4]の第2.1章などで説明されています。

• 化学元素とは「原子番号によって区別される1種類の原子からなる純粋な化学物質」である。^[5]
• 物質とは「均一な単位から構成されるあらゆる（化学）元素または化合物である。すべての物質は、固有かつ同一の構成を特徴とし、したがって均質である」。Brunner&Rechbergerの第2.1.1章より。^[4]
• 財は「正または負の経済的価値を持つ物質の経済的実体。財は1つまたは複数の物質から構成される」と定義される。BrunnerとRechbergerの第2.1.2章より。^[4]
• MFAにおける「材料」という用語は「物質と商品の両方を表す包括的な用語として機能します」。Brunner&Rechbergerの第2.1.3章より。^[4]

MFA の主な目的の 1 つは、システムの要素の代謝を定量化することです。経済会計とは異なり、MFA は非経済的な廃棄物の流れ、環境への排出、非市場的な天然資源も対象としています。

プロセスバランスは、MFA を強力な会計および分析ツールに変える第一の物理原理です。システム内のプロセスの性質によって、どのバランスが適用されるかが決まります。たとえば、「石油精製所」のプロセスでは、化学元素ごとに質量バランスを確立できますが、原子力発電所ではこれは不可能です。自動車製造工場では鋼鉄のバランスが尊重されますが、製鉄所では尊重されません。

測定または統計データからMFAシステムを定量化する場合、質量およびその他のプロセスバランスをチェックして、定量化の正確性を確認し、フローやプロセスの省略など、システム内のデータの不一致や誤解の可能性を明らかにする必要があります。矛盾する情報は、データ検証と調整を使用して調整することができ、STANソフトウェアは多くのMFAアプリケーションに適した基本的な調整機能を提供します。^[6]

MFA 研究は、さまざまな空間的および時間的スケールで、さまざまな要素、物質、商品を対象に実施されます。研究は、幅広いプロセス チェーンと材料サイクルをカバーします。いくつかの例:

• 国または地域規模のMFA （物質フロー会計とも呼ばれる）：このタイプの研究では、経済と自然環境の間の物質交換を分析します。システムの資源集約度を評価するために、いくつかの指標が計算されます。 ^{[7] [8]}
• 企業のマテリアル フロー分析(MFA) は、産業サプライ チェーンに沿って、多数の企業に関係します。企業内のマテリアル フロー分析の目標は、リサイクルや廃棄物の削減などにより、材料とエネルギーをより効率的に使用できるように、生産プロセスを定量化して最適化することです。企業は、マテリアル フロー コスト会計によって得られた結果を使用して、運用コストを削減し、環境パフォーマンスを向上させることができます。
• 製品のライフサイクルにおいて:ライフサイクルアセスメントの中核となるライフサイクルインベントリは、明示的なシステム定義とプロセスバランスに基づいているため、MFA 方法論に従います。

• 質量バランスや物質保存則は古代ギリシャですでに提唱されており、アントワーヌ・ラヴォアジエ（Brunner&Rechberger ^[4]の第2.1.3章を参照）によって現代化学に導入され、そこから化学工学、そして最終的には環境科学へと広がりました。
• その他の重要な貢献は、サンクトリウスとテオドール・ワイルによってなされました。
• デニス・メドウズは、1971 年にベストセラー『成長の限界』の共著者となり、経済の物理的基盤を広く知らしめました。メドウズらは、資源在庫の分析に基づいて予測を立てました。環境科学の用語集を参照してください。
• MFAの方法論は1980年代から1990年代にかけて開発されました。開発はさまざまな研究グループで同時に行われました。MFA方法論に関する主要な出版物には、Baccini and Bader (1996)、^[9] Brunner and Rechberger (2004)、^[4] Baccini and Brunner (2012)、^[10] van der Voet et al. (2002) ^{[11]などがあります。}
• ヴッパータール研究所で働いていたフリードリヒ・シュミット・ブレーク^[12]は、MFAに関連したサービス当たりの材料投入単位（MIPS）の概念を開発した。^[13]
• ステファン・ブリンゲズは、この概念を経済全体の物質フロー分析^[14]において、クロススケールフレームワーク[ ^16]内の製品ライフサイクル評価^{[15]のスクリーニングツールとして定義しました。彼は、総物質必要量[17]}（旧称総物質投入量）^[18]や原材料投入量^[19]などの指標を定義しました。これらは、製品^{[20] [21]、インフラ[22]、}および国の物質フットプリントを定量化するために使用されます。^[23]
• UNEP資源パネル^[24]は、2007年に国連環境計画によって設立されました。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）^{[25]と同様に}、多くの分野や機関の専門家を集めて、社会代謝に関する研究の現状を検討し、最新の研究結果を政策立案者や利害関係者に伝えています。

• ^{MFAの概念は、EU [26]}や日本^[27]などのいくつかの国や地域の国民経済計算に組み込まれている、または組み込まれつつあります。MFAは、環境経済統合会計システムでも使用されています。
• いくつかの国際会議やその他の会合は、研究者と政策立案者が集まり、結果やアイデアを交換するためのプラットフォームを提供しています。その中には、物質フロー分析と持続可能な開発に関する2年に1度の国際会議である世界資源フォーラム^{[28]も含まれます。}
• 廃棄物投入産出（WIO）-MFAは、経済全体のための包括的なMFAシステムを確立するために設計されたアプローチです。これは、金銭的な投入産出（IO）表を利用し、材料の投入に関連する物理的情報を組み込むことによって達成されます。この方法は、MFAと投入産出モデルをシームレスに統合し、投入産出表内の金銭フローを材料別に分類された個別の物理的フローに変換する簡単な方法を提供します。^{[29] [30] [31] [32]} WIO-MFAは、経済的な投入産出分析に基づくMFAの実例として役立ちます。
• オーストリア・ウィーンにある持続可能なヨーロッパ研究所（SERI）は、material flows.netと呼ばれるデータベースを開発しました。^[33]
• 動的MFAはMFAシステムの長期的な定量化を目的としており、物理的なストックとフローの歴史的な発展パターンを使用して、今後数年から数十年にわたる堅牢なシナリオを作成します。^[34]
• 動的マテリアルフロー分析（MFA）の一種であるMaTraceモデルは、オープンループリサイクルシステム内で、時間と製品全体にわたって材料の軌跡を追跡するように設計されています。^{[35] [36] [37] [38] [39] [40] [41]}このモデルは、損失とスクラップ材料の品質を明示的に考慮します。 MaTraceは、乗用車などの最終製品に最初に含まれていた材料の旅を監視することに重点を置いています。 この追跡は、収集、分解/解体、スクラップへの選別/分離を含む寿命終了（EoL）処理を含むさまざまなライフステージにわたります。 これに続いて、スクラップが二次材料に変換される再溶解や製錬などの冶金プロセスがあります。 その後、材料は乗用車を超えて製品に加工されます。 最後に、モデルはこれらの材料の蓄積をストックと見なし、各変換および使用段階で損失が発生します。
• 日本はMFA研究のホットスポットに発展しました。日本は鉱物資源が乏しいため、エネルギーキャリア、鉱石、その他の原材料を輸入に依存しています。日本政府は物質循環に関する研究を促進し、3Rの概念も導入しました。^[42]

最先端のMFAは次のステップで構成されています。^[4]

• 明示的なシステム定義を確立します。地理的および時間的範囲、プロセス (ストックを含むことができます)、およびフローでシステム境界を指定します。システムを定量化する材料 (製品、物質、または指標要素) を指定します。各ストックがプロセスに関連付けられていること、および各フローが 1 つのプロセスを別のプロセスに接続していることを確認します。フローは、システム境界の外側で開始または終了することもできます。
• システム変数を定義して名前を付けます。システム変数には、プロセス内のすべてのストック、プロセス間のすべてのフロー、システム境界の外部から入ってくるフローとシステム境界の外部に向かうフローが含まれます。ストックは考慮されず、純ストックの変化のみが重要になる場合もあります。各変数について、それがストックであるかフローであるかを明確にする必要があり、この区別は名前と選択した数学記号に反映される必要があります。
• システム変数を文献、測定値、またはモデル化されたデータにリンクして定量化します。
• すべてのプロセスとシステム全体の質量バランスチェックを実行します。
• オプション: 上記のボックスと矢印のスキームを使用するか、サンキー ダイアグラムを使用してシステムを視覚化します。
• 明示的なシステム定義、定量化されたシステム変数のリスト、および質量バランス チェックを報告して、MFA を文書化します。

「物質フロー分析（SFA）」の「物質」という用語は常に化学物質を指しますが、「マテリアルフロー分析（MFA）」の「材料」という用語ははるかに広い範囲を指します。BrunnerとRechberger ^[4]によると、「材料」という用語は物質と商品の両方を含み、この広い範囲の理由は、MFAを化学元素や物質だけでなく、鉄鋼、木材、自動車や建物などの製品にも適用したいという希望によるものです。したがって、使用段階に入る車両と使用段階から出る車両を記録することで、乗用車フリートのMFAを実施できます。

MFAは、ライフサイクルアセスメント（LCA）や投入産出（IO）モデルといった他の中核的な産業生態学手法を補完するものである。^[43]これらの手法はすべてシステムアプローチとある程度のマスバランス原理を共有しているため、いくつかの手法の間には重複が存在している。これらの手法は主に目的、範囲、データ要件が異なる。

MFA の研究では、多くの場合、特定の地理的境界と期間内での特定の物質のサイクル全体 (採掘、生産、製造、使用、廃棄物処理) が対象となります。MFA では物質の在庫が明確に示されるため、この方法は資源の不足や古いスクラップのリサイクルに関する研究に適しています。時系列 (動的モデリング) と寿命モデルが一般的に使用されるため、MFA は物質の使用に関する長期的傾向を評価するのに適したツールとなります。

• IO 分析と比較すると、MFA システムで考慮されるプロセスの数は、通常、はるかに少なくなります。一方、マスバランスにより、MFA 研究では副産物や廃棄物のフローが見落とされないことが保証されますが、IO 表では、これらのフローは経済的価値がないため、含まれないことがよくあります。物理的 IO モデルは、経済表よりもはるかに一般的ではありません。ただし、WIO-MFA を使用すると、IO 表内の金銭フローを、副産物や廃棄物のフローを含め、材料別に分類された明確な物理的フローに変換できます (WIO-MFA の詳細については、上記のセクションを参照してください)。材料ストックは IO 分析ではカバーされず、ストックへの追加のみが資本蓄積の形で含めることができます。
• ライフサイクル インベントリは、個々の製品に関連するさまざまな材料の需要を記録しますが、MFA 調査では通常、さまざまな製品で使用される単一の材料に焦点を当てます。

• バッチーニ、P.ベイダー、H.-P. （1996年）。地域担当者、ストフハウスハルト。 Spektrum Akademischer Verlag、ハイデルベルク（ドイツ）。ISBN 978-3-86025-235-2。

• CSIRO と UNEP のアジア太平洋地域における物質フローと資源生産性データベース
• materialflows.net: 物質フローデータのオンラインポータル。国レベルの物質フローデータセットへのアクセスを提供します。
• MFAは、UNEPの協力を得て共同編集された4巻の紙媒体の最初の巻に166ページにわたって詳細に記述されており、OECDによってオンライン形式で公開されています。
• STAN マテリアルフロー分析フリーウェア
• 経済全体の物質フロー分析と指標
• 環境会計における物質フロー分析
• オンラインマテリアルフロー分析ツール (OMAT): マテリアルフロー分析を実施するためのオンラインソフトウェア