👨‍🏫 2. エネルギーと生活－動力と電力－

エネルギーは、相互に エネルギー変換できます。 エネルギーは保存則でなくなりませんが、有効な仕事として利用できるエネルギー（エクセルギー）の割合は減っていき、廃熱（アネルギー）の割合が増えていきます。 その意味で、熱エネルギーはエネルギーの廃棄物と言えます。

米沢キャンパスの使用電力

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの 電力を使っています。 太陽光発電で賄えるのは、 昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。 再生可能エネルギー の太陽光だけでは、電気が全然足りません。

スマートグリッドでは、 センサーを使って電力を計測し、インターネットの通信を使って、発電量を制御します。気候に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を電池に蓄えます。

米沢キャンパスの太陽光発電量

©S.Okuyama

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの 電力を使っています。 太陽光発電で賄えるのは、 昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。 再生可能エネルギー の太陽光だけでは、電気が全然足りません。

スマートグリッドでは、 センサーを使って電力を計測し、 インターネットの通信を使って、 発電量を制御します。 気候 に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を 電池 に蓄えます。

XMLでデータ交換することもできます。

英語ではエナジーと言う。日本ではドイツ語のエネルギーと言う。１９６３年からアニメ放映された手塚治虫の「鉄腕アトム」でドイツ語の「エネルギー」が国民に定着してしまった。１９９２年からアニメ放映された「 美少女戦士セーラームーン」では、英語の「エナジー」が使われたが、ドイツ語を払拭するには至らなかったようだ。

◇ 低炭素住宅・建築物と太陽電池

住宅の住空間と室割りの例

江戸時代後期の古民家です。 囲炉裏で木炭を燃やして暖を取っていたことでしょう。

産業革命以降、燃料は石炭に変わります。 日本では、明治ごろから石炭ストーブが使われます。 米沢高等工業学校本館 では、学生のために煙の少ない良質な石炭が配給されたそうですが、それでも煙かったそうです。

家電で、生活に必須と思われているのは、冷蔵庫、洗濯機、 スマホなどです。 電気は、そのまま 備蓄ができません。今使っている電気は、今、作っている電気です。

工場やプラントの ユーティリティ としても欠かせません。

酒粕と牛フンで 発電する試みもあります。 ながめやまバイオガス発電所 ながめやまバイオガス発電所 PDF

燃焼は、化学エネルギーを熱エネルギーに変換します。

家電で、生活に必須と思われているのは、冷蔵庫、洗濯機、 スマホなどです。 家庭で使われるエネルギーは、 電気が最も多く、 平均世帯あたり 400～500kWh程度となっています。 次いで、都市ガス、ＬＰガス、灯油となっています。 冷暖房が最も多くなっています。 電気は、そのまま 備蓄ができません。今使っている電気は、今、作っている電気です。

電気機械器具は、 家庭用品品質表示法 で、 品質表示が義務付けられています。

工場、火力発電所、蒸気機関車の 動力としての蒸気、商業施設や家庭の暖房や給湯、ボイラーが活躍します。

密閉容器に水を入れて加熱し、必要な 温度・ 圧力の蒸気または温水をつくる部分をボイラー本体と言います。 燃料 を空気とともに送り込んで燃焼させ熱を発生させる空間部分を 燃焼室といい、 燃料に応じた燃焼装置（バーナー）を備えています ^{6 )} 。

火力発電 では、貯炭サイロからの石炭を微粉炭機で、微粉炭として燃焼し、巨大ボイラーで超純水を水蒸気として、 蒸気タービン を回し、発電します ^{7 )} 。

水の 臨界温度 は374℃、臨界圧力は22.1MPa（218気圧）である。 ハーバーボッシュ法 130気圧、140度。 火力発電の 最新設計の発電ボイラーでは、高価なNi基合金を使い、主蒸気の圧力は30MPaG以上、温度は600℃級超々臨界圧(USC)から700℃級先進超々臨界圧(A-USC)へ至っています。 * PDF * *

アリはなぜ泳げないか？

^{8 )}

人やモノを 輸送するには、道と移動手段が必要です。

交通手段が変わると、道も変わります。 鎌倉時代に馬が使われるようになると関所が移動しました。

蒸気機関の発明で 人類は 動力を手に入れました。

しかし、車両を動かすには平な道が必要です。 動力を使った最初の車両は、蒸気機関車でした。それを走らせるために鉄道網が整備されました。 人荷を積み下ろしするための停車場や駅も整備されました。

自動車が普及するとアスファルトの道路網が整備されました。

拡散は熱移動だけでなく イオン移動や物質移動でも起こります。

熱流量q（伝熱速度）は、フーリエの法則に従い、温度差⊿tと面積Aに比例し、長さlに反比例します ^{10 )} 。

$q=k_{\mathrm{s}}A\frac{(t_1-t_2)}{l}$

住宅では、断熱性能が求められます。 自動車用の電池では、放熱性能が求められます。

熱サイクルでは、冷媒を必要とします。

温室効果ガス排出量tCO₂は、 鉄鋼業、 石油製品 ・ 石炭製品製造業、 窯業・ 土石製品製造業、化学工業、 パルプ・ 紙・紙加工品製造業などで多くなっています。

動力〔W〕とエネルギー〔Wh〕は、絶対に間違わないようにしましょう。

流体輸送に必要な軸動力は、理論動力に摩擦などで消費される動力を加えたものです ^{11 )} 。

動力の水車は、紀元前2世紀ごろに小アジアで発明されたらしい。 以来、再生可能エネルギーの動力として、あるときは製粉、あるときは揚水と使われてきた。 日本では、急勾配の川が多いため、江戸時代にはかなり普及した。 石炭を使う外燃機関の蒸気機関、石油を使う内燃機関のガソリンエンジンやディーゼルエンジン、 そして電気を使うモーターと動力は変遷した。 しかし、二酸化炭素抑制排出で、化石燃料はもう使えない。 水力がマイクロ水力発電などで注目されているが、日本では水利権などの課題があり、なかなか普及しない。

© 2008 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

1872年、新橋から横浜へ、日本最初の鉄道が開業しました。 蒸気機関 は、 石炭 を 燃料とし ボイラー で蒸気を発生させ、シリンダーに送り熱エネルギーを動力に 変換します。 蒸気機関車は、その動力で、人や貨物を輸送します。 変換効率を上げるため、 ボイラー の圧力 は、1873年は8.3kg/cm²でしたが、1935年以降は、14kgf/cm²以上となります。 そのためボイラー は 鋼が使われました * 。 しかし、石炭を積載しなければなりません。昭和になると電車へと変わっていきます。

© 2007 K.Sato

自動車は、 交通機関として使われます。 化石燃料を燃焼する ガソリンエンジンやディーゼルエンジンで 動力を 発生します。

WLTCモードによる 燃費表示が義務付けられています。 ＥＶの電費は、燃費に換算されます 。

自動車はさまざまな部品から成り立ちます。 自動車 タイヤ ボディ 鉛電池 エンジン シャシ・・・ エンジンは鋳造で作りマシニングで仕上げます。キノコバルブは鍛造で作ります。 各種部品は CADや CAEで設計されます。

流体を 輸送するには、流体輸送機（ ポンプや送風機）で、配管内を流れる流体にエネルギーを供給します。

熱機関は、 熱エネルギー（温度差）と運動エネルギー（ 動力）との エネルギー変換 をします。

© 2024 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

1824 年S.Carnotが「火の動力に関する考察」を発表しました。 ^{12 )}

力学エネルギーには、pV, 仕事（Fs）、位置エネルギー（mgh）,運動エネルギー（ 1/2mv2）などがあります。

力学エネルギーは 機器分析 センサー 物性 などと関係します。

熱機関は、 熱エネルギー（温度差）と運動エネルギー（ 動力）との エネルギー変換 をします。

熱力学は、 平衡論です。

熱力学では、物質と 性質を関連させます。 状態量は、性質の状態の 数量的な表現です。

また，質量百分率（質量パーセント），体積百分率，物質量百分率のような用語は用いる べきではない（後述の計量法は例外） ^{13 )} 。

溶媒蒸気圧は、ラウールの法則に従い、 ガスの溶解量はヘンリーの法則に従う。 このよう溶液の溶媒または、溶質の化学ポテンシャル μ( ミュー ) は、濃度表示法に対応して、各々次式で表される ただし、x,m,Cは、注目成分のモル分率、重量モル分率、容量モル分率を各々示す。 ^{14 )}

温度、 圧力、 流量、 液位 （ 液面）、 組成 （成分、濃度） は、プロセス変量（プロセス変数）と呼ばれます ^{15 )} 。 プロセス変量を計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。 PID制御などが使われます。

温度、圧力、組成の関係は、 状態図に表現されます。

熱サイクルにはいろいろな種類があります ^{21 )} 。 エアコンや冷蔵庫の作動流体である冷媒は、 温室効果ガスになります。

• 内燃機関・・・給熱、放熱過程がピストン・シリンダ機構の内側

  航空機 効率化のために燃料にアンチノック剤などを添加

• 外燃機関・・・給熱、放熱過程がピストン・シリンダ機構の外側

  蒸気機関車 原子力発電 バイオマス燃料などが使える。

• 完全気体サイクル・・・作動流体が相変化（液体⇔気体）しない
• 実在流体サイクル・・・作動流体が相変化（液体⇔気体）する

• オープンサイクル・・・作動流体を排気ガスとして環境中に放出

  運転時の環境への懸念

• クローズドサイクル・・・作動流体を機構の内側で繰り返し使用

  廃棄時の環境への懸念

モーターは、 電力から動力への エネルギー変換を します。 *

磁性材料が使われます。

ポンプで流体を輸送したり、 ファンで風を送ったりします。

理想的なコンデンサ（キャパシタ）では、電圧は電気量に比例します。 その比例計数が静電容量です。 理想的な電池では、電圧は一定です。なので静電容量は∞です。 実際の電池では、電池の起電力が、正極、負極の、活物質の残量モル数で 変化します。

静電容量が発生する要因としては、 バルクの 金属の 静電誘導、 バルクの誘電体の 誘電分極、 界面の電気二重層、 界面の配向分極があります。

静電容量が発生する要因としては、 バルクの 金属の 静電誘導、 バルクの 誘電体の 誘電分極、 界面の 電気二重層、 界面の 配向分極があります。

© K.Tachibana ^* , C1 Lab.

電池から電流を取り出すと 過電圧による電圧降下が生じます。 電流に比例する電圧降下を、電池の内部抵抗と言います。

航続距離は、電費×電池のエネルギー容量です。 たとえば、電費が7km/kWhで、電池が40kWhなら、航続距離は280kmとなります。

リチウムイオン二次電池の理論エネルギー密度は、580mWh/gです。 40kWhの 電池の重量は68kg。 一方21km/Lで280km走ろうとしたら、 ガソリンは13L。ガソリンの密度は0.8kg/m3なので、10.4kg。だんぜんガソリンの方が軽くなります。

トヨタコムス（coms）マイクロモビリティ。ＢＥＶ。でも、充電に使う電気を、火力発電でまかなうとしたら、やっぱり 石炭を 燃焼して、 熱機関 で 動力 を得なければなりません。

供給側と需要側で、双方向通信で電力の流れを制御し、最適化できる送電網をスマートグリッドと言います。 スマートグリッドでは、再生可能エネルギーなどの分散型発電を一体化して、電圧や周波数のばらつきの少ない高品質な電力を供給することを目指します。 ^{23 )}

©2023 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

過去１万年、 地球の温度は15±1℃に保たれてきました。主な温暖化ガスとして、 CO2、CH4、フロンなどがあるが、排出量が桁違い多いCO2が原因物質とされています ^{24 )} 。

気象庁のデータ によると 2018年8月23日（木） 昭和51年の観測開始から史上最高の37.7℃を観測しました。 * 山形地方気象台によると、2025年7月26日の最高気温は米沢38.4度と観測史上最高を記録しました。

2025年12月13日の CO₂ 濃度は、 推定451ppm。 この100年間で、地球大気中の二酸化炭素の 濃度は1.4倍になった。 前史時代の二酸化炭素濃度は、280ppmでほぼ一定だった。 石炭 を使い始めた産業革命から指数的に増加を始めた。 石油を使い始めてからは指数項が加わった。

日本の 炭素強度は、580gCO₂eq/kWh

今、地球がヤバい。 脱炭素社会 には 再生可能エネルギー の活用が必須。そのためには、 電気エネルギーを 備蓄 する電池が必須なのだ。

• 国土交通省、気象庁 二酸化炭素濃度の経年変化 https://www.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html
• 東北大学大学院理学研究科　大気海洋変動観測研究センター 過去250年間の大気中二酸化炭素濃度の変動 http://caos.sakura.ne.jp/tgr/observation/co2

© K.Tachibana ^* , C1 Lab.

鉄の 融点は１５００度。 近代製鉄では、 その 温度を光の 色から正確に測ろうとします。 量子力学の誕生です。

ロウソクは、熱エネルギーで煤を高温にして、黒体放射で光エネルギーに エネルギー変換します。 白熱電球は、タングステンフィラメントで、電気エネルギーでを熱エネルギーに変換し、 高温のフィラメントから黒体放射で、光エネルギーに エネルギー変換します。

物体からは、熱や光となって 放射 します ^{25 )} 。 黒体からの放射エネルギーは、ある波長で極大があり、その極大波長は、物体の温度が高くなると短い方へずれる ^{26 )} 。

動力を電力にします。発電された電力は、高圧にして送電されます。

錆びにくい金属を貴金属と言います。 イオン化傾向は、金属と金属イオンの平衡反応の酸化還元電位に関係があります。 電位が卑なほど、 腐食しやすく、 還元しにくくなります。 電位が貴なほど、 腐食 しにくく、還元しやすいです。

直流は、電流の向きと大きさが一定です。 交流 は、電流の向きと大きさが時間とともに変化します。

交流はトランスで変圧できるので、エネルギーロスの少ない 高圧送電 電線には導電性のよい 金属に使われます。

学術情報基盤センター https://ftp.yz.yamagata-u.ac.jp/運用実績より。 通信速度は、実質1Gbps平均です。設計上の最大速度は5Gbpsです．

キャンパスのユーティリティとしての 学術情報基盤センターが消費する電力。

備忘。 7号館のパネルの面積は，忘れました．図面見て計算します． 10kW分のパネルです．7号館は，10kWのシステムが4台，並列でつながっています＜パワコン4台 そのうちの1台が 学術情報基盤センター 米沢分室に送電されています．太陽光の電池は， リチウム電池15kWhです44,730,000円

飢餓（食料）、エネルギー（環境）、水資源、気候変動などに目標を掲げる SGDｓは、各国の政府、自治体、非政府組織、非営利団体、民間企業、個人にも共通の目標だ ^{29 )} 。

すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する。

世界人口のおよそ4分の1が電気のない生活をしており、それ以上の人々が料理や暖房のための現代燃料を利用できない。

• 7.2

  2030年 までに、世界の エネルギーミックスにおける再生可能エネルギーの割合を大幅に拡大させる。

• 7.3

  2030年までに、世界全体の エネルギー効率の改善率を倍増させる。

【📖テキスト・📕参考書】

• 📖 テキスト： 山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学, 丸善 （生協でのみ販売）, 目次 , (2012). genden

  ✍ 予習報告書 ( エネルギー化学 無機工業化学 )

• 📖テキスト： 野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学―持続的社会に向けて― 講談社サイエンティフィク

  ✍ 予習報告書 ( エネルギー化学 無機工業化学 )

• 📖テキスト： 山下省蔵、内藤善文、扇柳政則, 工業技術基礎 、実教出版 (2021).

  ✍ 予習報告書 ( エネルギー化学 工業技術概論 )

• 📕参考書： 松林光男、渡辺弘, イラスト図解　工場のしくみ ,日本実業出版社
• 📕参考書： 鮫島実三郎、 物理化学実験法 、裳華房,1927

  エネルギー化学 化学実験Ⅰ

• 📕参考書： 藤嶋昭, 相澤益男, 井上徹 電気化学測定法 、技報堂出版. 1984

  エネルギー化学 化学実験Ⅰ

• 📕参考書：細見正明　ほか11名, 実教出版, 地球環境化学, (2024).

◇ 参考文献