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02.エネルギーと生活-動力と電力-

山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  仁科辰夫

エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 🕥10:30- 🕛12:00 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
  1 山形大学 米沢キャンパス の現在( 2022-9-26)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。


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。

✏ 平常演習 Web Class

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?


テレワーク、スマート家電、 低炭素住宅
インターネット スマートグリッド
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
学校、電子教科書、e-ラーニング、STEAM教育、WebClass
電気自動車
マイナンバーカード
  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

  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
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、緑地
ライフライン 水道電気電池 )、 ガス、 通信(ネット)

太陽エネルギー 二酸化炭素 蓄電池 ソーラーパネル 電気自動車
  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。


バッテリーの電池容量とサイズ

  2  バッテリーの電池容量とサイズ
用途 平均的な電池容量/kWh
住宅 4~10 *
自家用車 ( EV) 40~60 *
スマホ 0.0012~0.0014 *

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

  4 熱エネルギー
©2022 K.Tachibana

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〕

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

  4 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
鉄鋼 重量鉄骨
木材 木材 軸組工法
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

熱の移動

  5  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

  6 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 製造、ソーダ石灰ガラス又は 鉄鋼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)
数式- 68
数式- 173

体積と圧力の関係

  5 100
©2021 K.Tachibana
ボイルの法則:圧力と体積は反比例:pV=一定
シャルルの法則:体積は温度に比例:V/T=一定
ボイル・シャルルの法則:pV/T=一定
気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT

熱サイクル

  7   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(完全気体を仮定するので、計算が容易)
オットーサイクル 自動車(ガソリンエンジン) タクシー(プロパンガスエンジン)、水素自動車(水素エンジン)
ディーゼルサイクル バス・船(ディーゼルエンジン)
ランキンサイクル 蒸気機関・火力発電・原子力発電
ブレイトンサイクル 火力発電(タービンエンジン)・ジェット機(ジェットエンジン) *
リンデサイクル (冷凍サイクル) ヒートポンプ・冷凍機
アトキンソンサイクル
クラウドサイクル
スターリングサイクル

熱サイクルにはいろいろな種類があります 1 ) 。 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。

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。


電気量と電圧と静電容量の関係

  6 100
©K.Tachibana

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。

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

数式- 174

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
数式- 172

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

  8   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。

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 石炭を燃やし、 熱機関 で動力を得なければなりません。

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1キロワットアワーで走れる距離

✏ 課外報告書 Web Class

節電してみよう

✏ 課外報告書 Web Class

低炭素建築物をチェックしてみよう

スマートグリッドでの情報通信の流れ

↕ 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
  8 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。

石炭 石油 " 産業革命 " 太平洋戦争 " 現在 165017001750180018501900195020002050600500400300200 年代 y / year 二酸化炭素濃度 C / ppm
  9 二酸化炭素濃度
©2020 K.Tachibana, SST

2022年9月26日CO2濃度は、 推定439ppm。 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。

二酸化炭素生成熱 を熱化学方程式で表すと下のようになります。

C + O2 = CO2 + 394 kJ
反応式- 441

熱エネルギー

数式- 70

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

  9   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。


Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd -3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.0 Al Fe Zn Cu Li
  10 金属の イオン化傾向
©K.Tachibana

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。


直流と交流

  11  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。

数式- 27
  10
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

  12 318
バイオマス(籾殻)発電の様子

FMPカンノ(バイオファイナリー)カメラ2(有線LAN接続)です。

©T.Ito
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。

  11   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。

  12 情報を維持するのに必要な エネルギー
種類説明
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 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
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.

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

西暦 y / 年消費電力 P / kW1990200020102020203010.08.06.04.02.00.0 L 555.555555555556 122.819022466918 L 416.666666666666 162.316256027897 L 555.555555555556 122.819022466918 L 416.666666666666 162.316256027897米沢キャンパス全域基幹スイッチ
.山形大学の 基幹通信機器 と 建物までの通信機器 の消費電力の年代別推移

SDGs
06. 技術者倫理

発展: エネルギー変換化学特論 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
次回:セルの組立―電池式の書き方と電極の呼び方―
©2022 Kazuhiro Tachibana

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