02.エネルギー化学

◇ エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 水 🕥10:30- 🕛12:00 （暦）仮想教室中示範B C1 zero zoom https://a.yamagata-u.ac.jp/amenity/~host/yz/c1/Education/EChem.asp

講義ノート

図 1 . 山形大学米沢キャンパスの現在（ 2022-5-19）の使用電力

©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。

図ピカッとさいえんす

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。

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水を電気を使わらずに酸素と水素に分解するとしたら、どのような方法が考えられるか？またそのときどのような課題を解決しなければならないか？

スマートリビング・生活	テレワーク、スマート家電、低炭素住宅
スマートエネルギー・環境	インターネットスマートグリッド
スマートエコノミー・経済活動	インターネットオンラインバンキング、キャッシュレス、ＱＲ決済
スマートラーニング・教育	学校、電子教科書、e-ラーニング、STEAM教育、WebClass
スマートモビリティ・交通	電気自動車
スマートガバナンス・行政	マイナンバーカード

図 2 . スマートシティ

06.技術者倫理

◇ 低炭素住宅・建築物と太陽電池

表 1 . 住宅の構成

区分	部品	働き

建物	躯体	木材、鉄骨、ＲＣ
	屋根	ソーラーパネル、ガルバリウム鋼板、瓦、萱
	窓	樹脂サッシ、アルミサッシ
	住宅設備	給湯器、エアコン、トイレ、電池（ＥＳＳ）、パワコン（ＰＣＳ）、ＨＥＭＳ *
基礎	鉄筋コンクリート
外構		カーポート
インフラ		水道、電気、ガス、通信（ネット）

図 3 . 低炭素住宅とＶ２Ｈ

V2Hとは、電気自動車の電池を、住宅の電池(ESS)のかわりに使うことです。電気自動車の電池容量は、 40kWh程度とすれば、住宅の電池10kWhの4世帯分に相当します。

技術者倫理06.未来へ向けて－地球温暖化と人口爆発－
国土交通省、気象庁二酸化炭素濃度の経年変化 https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html

◇ 暖房・給湯と熱量

光熱費を節約したいけど、寒いのはいやですね。家庭で使われるエネルギーは、厨房、給湯、暖房、冷房、照明など。そのうち給湯と暖房が半分以上を占めます。冬の寒い季節に、暖房で室温 T 〔K〕を上げて、ぽかぽかの生活を送りたいと願うのは今も昔も変わりません。熱は温度の高い方から低い方へ移動します。暖かい部屋からは常に冷たい外気へ排熱されているのです。暖房費は排熱費と言っていいです。化学（固体燃料、液体燃料、気体燃料）・電気輸送にかかる力学的エネルギーがあります。エネルギーの場所を移動するのにも排熱が必要です。固体燃料は備蓄に便利ですが、輸送にエネルギーがかかります。

給湯器

熱エネルギー

エネルギー〔Wh〕＝示強変数×示量変数

熱エネルギー（電力量）〔Wh〕＝温度〔K〕× 熱容量〔Wh/K〕

熱エネルギー（電力量）〔Wh〕＝温度〔K〕× 比熱〔Wh/kg〕×質量〔kg〕

水熱容量＝ 4.2J/L・K * 米沢：地域区分3 最低水温：東北地方　5℃

表 2 . 給湯器

種類	方式	エネルギー源

エコキュート	ヒートポンプ	電気
電気温水器	ジュール熱	電気
エコジョーズ	コンデンシングボイラー	ガス
エコフィール	コンデンシングボイラー	石油
エコワン	ヒートポンプ／コンデンシングボイラー	電気／ガス

住宅でエネルギー消費が多いのは、お風呂やキッチンの給湯と暖房です。家電でも、冬場のエアコンです。

沸き上げ温度が約65℃～80℃ 300Lタイプエコキュートの出湯量温度差75 300L=300kg、水の比熱 0.0011676〔kWh/kg・K〕、熱容量 0.35028〔kWh/K〕電力量 26.271〔kWh〕

住宅

表 3 . 住宅の躯体材料

分類	材料	工法	特徴

鉄材（金属）	鉄鋼	軽量鉄骨
鉄材（金属）	鉄鋼	重量鉄骨
木材	木材	軸組工法
木材	木材	２×４工法	気密、断熱、耐震性
石材（セラミックス）	瓦、 ◇ レンガコンクリート	瓦、レンガ、コンクリート

04.無機工業化学 02.エネルギー化学

住宅

熱の移動

表 4 . 熱の移動

形態

対流
輻射	熱エネルギーが、光エネルギーとなって真空中でも移動します。
拡散	温度勾配／拡散係数	エントロピーを最大に拡散方程式

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。

温室効果ガスと人間活動

表 5 . 46 温室効果ガス
温室効果ガス	地球温暖化係数	原因となる人間活動

二酸化炭素	1	エネルギーアンモニアの製造、ソーダ石灰ガラス又は鉄鋼の製造、ソーダ灰の製造、エコキュート
メタン	25	稲作など
一酸化二窒素（亜酸化窒素）N₂O	298	廃棄物等の焼却もしくは製品の製造の用途への使用・廃棄物燃料の使用
HFC(R32)	675	最近のエアコン、ネオキュート、エコワン
HFC(R410A)	2090	古いエアコン

熱サイクルでは、冷媒を必要とします。

◇ 自動車と動力（ＨＥＶ・ＥＶ・Ｖ２Ｈ・Ｖ２Ｇ）－燃費から電費へ－

気体の状態シミュレータ（工事中）

体積と圧力の関係

pV=nRT

熱サイクル

表 6 . 熱サイクル

熱サイクルの種類	性質や特色	応用例

カルノーサイクル		理論・受験
オットーサイクル		自動車（ガソリンエンジン）
ディーゼルサイクル		バス・船（ディーゼルエンジン）
ランキンライクル		蒸気機関・原子力発電ヒートポンプ・冷凍機

熱サイクルにはいろいろな種類があります ^1

) 。作動流体である冷媒は、温室効果ガスになります。

nRT=nFE

ファラデー定数は、電気量とモノの架け橋。96500C/molまたは、27kAh/molです。

電気エネルギーは電気量と電圧の積です。

ここで注意しなければならないのは、右辺のnは、電子の物質量だということだ。

アボガドロ数で割って電子１個あたりに書き直したのが次の式だ。

E=eV

電流と電圧と電気抵抗の関係

時代は電気自動車

自動車の燃費と電費

表 7 . 自動車の燃費と電費

区分 *	車種	実燃費 km/L	電費 km/kWh

HV	アクア	21	7
EV	テスラ	19.2	6.4
PHV/PHEV	プリウスPHV
FCV

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。

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↕ 情報通信

送配電系統管理事業者

↕ 情報通信

電力供給事業者

↕ 情報通信

スマートメーター

↕ 情報通信

室内モニター（ＨＥＭＳ）

↕ 情報通信

家電類・ソーラーパネル

図 6 . スマートグリッドでの情報通信の流れ

©K.Tachibana
02.エネルギー化学 05.無機工業化学 02.情報処理概論 15.情報処理概論 0304

温室効果ガスである二酸化炭素の増加は危機的状況だ。

図 7 . 二酸化炭素濃度

2022年5月19日の CO₂濃度は、 推定438ppm。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。

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://ds.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

二酸化炭素の生成熱を熱化学方程式で表すと下のようになります。

C + O_{2} = {CO}_{2} + 394 kJ

（反応式- 441）

熱エネルギー

図 194
黒体放射

©K.Tachibana

https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/_01/BlackBodyRadiation.asp

電気エネルギー

表 8 . 電気エネルギー（電力量）

モノ	電気エネルギー/ kWh

一日あたりの住宅	11 *
スマホ１回充電	0.001
自動車	40
かつ丼	1

エネルギー（電力量・ワットアワー）と仕事率（ワット）は違います！蓄電池の電池容量は、電気エネルギ―です。

図 8 .

イオン化傾向

©K.Tachibana

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。

直流と交流

図 9 . 交流と直流

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に使われます。

02.エネ化 1224 0304 交流の向きと大きさ電池の直流評価と交流評価

光エネルギー

波長530nmの緑色の光ひと粒が持つエネルギーは、225.7105049531kJ/molです。これは、2.33932449873963eVです。定圧下の対称でない多原子分子なら6786.68338445252K相当です。

低圧水銀ランプ。 253.7 nm( UV-B ) の波長で、472KJ/mol（4.9eV）洗浄

184.9 nm(UV-C,VUV) の波長で、647KJ/mol（6.7eV）酸素分子がラジカルに乖離。オゾン発生。

表 9 . 色

種類	RGB	HSB /HSL	CMYK

概念	加法混色光源色	色相環通信	減法混色物体色（表面色、透過色）蛍光色、金属光沢を除く
表現	Red ff0000 green 00ff00 blue 0000ff		cyan 00ffff magenta ff00ff yellow ffff00
用途	ディスプレイ HTML、CSS、 SVG	通信	印刷プリンター、カメラ
ジャンル	エネルギー	情報	材料

図形 12.無機工業化学 05.情報処理概論色度座標スペクトル

再生可能エネルギー

バイオマス（籾殻）発電

AXIS M1004-Wの映像 7kW 籾殻コージェネレーション（発電・給湯）システム

再生可能エネルギーとして、太陽光、風力、水力、地熱、バイオマスが規定さてれています。山形県東置賜郡高畠町に技術開発拠点をおくグリーンパワーテクノ（株）は、バイオマス発電で、資源問題に取り組んでいます。

表 10 . 2030エネルギーミックス
電源分類	資源	2010実績	2030 目標

再生可能エネルギー		10	22
	地熱	0	1.1
	🧪 バイオマス	0	4.6
	💪 風力	0	1.7
	🌟 太陽光	0	7.0
	💪 水力	10	9.2
原子力（ランキンサイクル）		25	22
火力		65	56
	🧪 ＬＮＧ	29	27
	🧪 石油	10	3
	🧪 石炭	26	26

バイオマスは、カーボンニュートラルという考え方に基づいており、長期的に二酸化炭素の収支に影響を与えないと考えられています。

表 11 . 情報を維持するのに必要なエネルギー

種類	量	説明

情報	100TB	動画（約120分）×1000本×100人ぐらい 2TB×40+4TB×12+600GB×17, キャッシュ用SSD
最大電力	1600W	設計最大消費電力,家庭用〇電子レンジ2台分
実測電力	1600W	←設計最大消費電力(DB接続不可のため)
⚡年間電力量 (電気エネルギー)	14025.6kWh
年間電気代	420768円	1kWhあたり30円で算出
年間排二酸化炭素	7.2792864t	東北電力の基礎排出係数0.000519tCO2/kWhより算出
ソーラーパネル面積	24㎡	1kWあたりに必要なおおよその面積を15㎡として算出
リチウムイオン電池	15kWh	家庭用蓄電池１台分