HOME 教育状況公表 令和4年7月4日

太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  伊藤智博


太陽電池 Youzan
  1   備蓄と輸送
状態 備蓄 輸送
モノ 野積み(固体)、タンク(液体)・ボンベ(気体) 拡散、対流
エネルギー 電池 送電
情報 ダウンロード・記録 ストリーミング配信・ 通信
カネ 預貯金
  1 山形大学 米沢キャンパス の現在( 2022-7-4)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。

ぼくらがホモサピエンスと呼ばれるずっと前から太陽は照り輝いていた。 そしてこれからも少なくともぼくらがホモサピエンスの殻を脱ぎ捨てたあともずっと 太陽は照り続けているだろう。 太陽定数 =約1.37kW/m2の恵みで全てのDNAの活動が支えられている。 少なくとも今までは。 DNAの活動であまった エネルギーは気が遠くなるような長くて穏やかな時の流れの中で 石炭や石油の化石燃料として地中深くに蓄えられてきた。

  2 となりのトトロ。トマトは70000ルクスの太陽光が必要な典型的な夏野菜。
©2005-2022 STUDIO GHIBLI Inc.

  3 フキの灰汁抜き前の天日干し
© 2022 K.Tachibana
  4

地球の上空で垂直に降り注ぐ太陽のエネルギーは、 太陽定数と呼ばれる。 太陽定数の値は、 1.37kW/m2である。 地球表面全体で平均した太陽放射エネルギーは、0.342kW/m2で、 太陽定数の1/4にあたる。 4323.3912kJ/cm2 : 499.2624kJ/cm2 :1032641.98812cal/cm2

入射した太陽エネルギーのほとんどは、地球から放射され、地球は熱平衡の状態にある。 産業革命以降のの人類の活動による二酸化炭素濃度の上昇で、熱平衡が崩れ、温暖化が進んでいる。

入射した太陽エネルギーの0.1%が光合成に使われる。化石燃料は、この0.1%のエネルギーを何万年もかけて蓄積したものだ。

生産者によって光合成で同化されたエネルギーの半分は、被食量であり、成長量は1/5にもみたない。 食物連鎖によって一次消費者、二次消費者と続く。光合成をしない二次消費者の成長と熱排出が21%を占める。

人々は、さまざまな生活の局面で、太陽エネルギーを利用してきた。 農業における食糧生産はもちろんのこと、 灰汁抜き前の天日干し。塩田での塩づくり。


材料の変遷(出典: 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

それがその平穏な時の流れに大きな渦を巻き起こした。 ヨーロッパの北の辺境の厳しい冬をやりすごすため、 暖を取る燃料として薪より煙のでない石炭に目をつけた。 炭鉱の排水に馬を使うより、石炭を燃やした熱で水を沸騰させて その力で排水するやり方で石炭を掘り出す人件費を節約する工夫を思いついた。

それから50年もたったころ、 大学の技官だったワットが紡績機の動力にその蒸気機関を使う工夫を施した。 石炭を燃やした熱は回転運動となり、糸を紡ぎ、機を織った。 降り注いだ太陽の光が悠久の時を地中深くで静かに眠っていた貯金を 一気に払い出しを始めたのだ。

ぼくらはもはやエネルギーのとりことなり依存し エネルギーなしでは生きられなくなった。 それどころか生物として平均的な一固体が必要とするエネルギーの 何百倍ものエネルギーを費やしても満足できないようになってしまった。 急激に消費するエネルギーを補給するために エネルギーの生産現場ではをより遠くへ早く届けるために 石炭 から石油、そして電気へその形態は変化していった。


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黒体放射
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/_01/BlackBodyRadiation.asp

  2 発電の 歴史
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53202/53202_05.asp#fig_kuro4_dam
年号 出来事
1831年(天保2年) ファラデー電磁誘導の法則
1832年(天保3年) ピクシーダイナモを発明
1881年(明治14年) 世界で初めての水力発電 *
1887年(明治20年) 日本 で初めての火力発電 *
1891年(明治24年) 日本 琵琶湖疏水の落差を利用した「蹴上水力発電所」(水路式、直流、160キロワット)
1963年(昭和38年) 黒4ダム
08.無機工業化学 *

動力から電気を生み出す磁性材料-

動力から電力-発電機と磁石

発電機はモーターの逆をやる。 そうすれば動力から電力を生み出せる。発電機もモーターも磁石を使う。磁石を作るのに必要なのが鉄だ。

火力発電

動力をどうやって作るか? ダムを作って位置エネルギーをそのまま動力として使う水力発電。 石炭 熱エネルギーーとして蒸気タービンを回して動力に使う火力発電。 そして原子力発電。

山形大学米沢地区電力使用状況

琵琶湖疎水のペルトン水車

  5 日本で 初めての水力発電である 琵琶湖疎水の ペルトン水車
© 2009 K.Tachibana

二酸化炭素と電力

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
  6 二酸化炭素濃度
©2020 K.Tachibana, SST

2022年7月4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。


SDGs エネルギーをみんなに そしてクリーンに
発電方式の違い

石炭を燃やして大量の二酸化炭素を排出する。 その破壊活動こそが、今、照明のに使われている電気のモトだ。 製鉄にも使われた化石燃料石炭がここでも使われてゆく。

最新工業化学 のp.79に火力発電について書いてある。


  3   エネルギーの備蓄と輸送
状態 エネルギー資源 備蓄 輸送
固体 石炭 野積み 鉄道、船舶
液体 石油 タンク パイプライン
気体 LNG・水素 タンク・ボンベ パイプライン
電気 エネルギー変換 電池 電線

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。


  4   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。

2030エネルギーミックス

身近な工業製品でモーターが使われているものをひとつ選び、そのモーターの形式と磁性材料の関係について説明しなさい。

無駄なく電気を運ぶ導電材料- 銅とアルミ

伝導性のある金属

  5 導電率 の大きな 金属 材料
金属 元素
🜛 Ag [5s1]
🜠 Cu[4s1]
🜚 Au [6s1]
🜀 アルミニウム Al[3p1]
亜鉛 Zn [4s2]
真鍮 (黄銅) Cu,Zn
電線ばかりでなく、電池の集電体にも使われます。
05, 08.無機工業化学 09.エネ特 0517 20170210 20161124
https://www.hata-cu.com/blog/post-309/

エジソンとテスラ

エジソンとテスラが電力を送電の大論争をやらかした。 直流か交流か? 交流ならトランスで簡単に電圧を変換できる。 高圧で送電すれば電気抵抗に伴う発熱を最小限にできる。 送電に伴う発熱を抑えた交流送電に軍配があがった。

http://bizgate.nikkei.co.jp/smartcity/technology/000689.html


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送電に使われる 鉄塔(鉄鋼)電線(銅、アルミ)碍子(陶磁器)
© K.Tachibana

送電線に使うアルミニウムと銅

材料はその 抵抗率良導体半導体絶縁体に分類される。これは主に 化学結合の種類による。

銅もアルミニウムも金属。導電体である。 でも銅よりアルミニウムは電気をよく流す。導電率が大きいのだ。 でも電気抵抗は導電率だけでは決まらない。長さと面積が効いてくる。 銅の方がアルミニウムより重い。密度が大きいのだ。 鉄塔が支える荷重を最小にしようとしたとき、導電率の大きな銅を細く使うか、それとも密度の小さいアルミニウムを太く使うか。 強度の大きい鉄を芯線に使った、その答えは、送電線にある。

✏ 平常演習 Web Class
アルミニウムは軽いが抵抗率が銅より大きい。 断面積を増やせば電気抵抗を下げることができるが、電線が重くなって鉄塔の過重が増える。 単位長さあたりの銅とアルミの電気抵抗が同じになるようにしたときの断面積と重さを求め、鉄塔の荷重を配慮したときにどちらが電線として適しているかを議論せよ。

安全に電気を守る絶縁材料-セラミックス-

碍子とセラミックス

高圧送電で絶縁体は碍子に使われる。代表的なのがアルミナ。鉄塔ばかりでなく、新幹線の送電にもふつうにみかける。


光から電気を生み出す半導体- 半導体

  7 住宅 の屋根一体型ソーラーパネル(アモルファス シリコン型)
© 2022 K.Tachibana

山形大学の太陽光発電

  8 山形大学の米沢キャンパス2022-7-4の太陽光発電と リチウムイオン電池
©S.Okuyama

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの電気を使っています。 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。


  9 米沢キャンパス

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
  10 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。


ソーラーパネルの廃棄先

ソーラーパネルの寿命は25年。2015年、パネルの排出量は年間2400トンだが、2040年には約77万トンが廃棄される。

✏ 平常演習 Web Class

q.082. パワープラントを支える材料のサプライチェーンを辿ってみよう


燃料の添加剤

クリンカーが減り、保守作業が減るように、 無機系添加剤 が燃料に添加されている。


水力発電

  11 水力発電 奈川渡ダム @長野県 を望む
© 2008 K.Tachibana
04.技術者倫理 08.無機工業化学

風力発電

  12 万世橋から 風力発電いちご 米沢板谷eco発電所 を望む
©2022 K.Tachibana
04.技術者倫理 08.無機工業化学 C1交通アクセス万世橋

蓄電・蓄エネをインフラに頼らない自エネ組。エネルギーマネジメントも自分たちで。


02. データ通信技術からスマートグリッドまで~ライフラインとしてのインターネット~


太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―
エネルギーの種類と物質


IoTとエッジコンピューティング。 インダストリアルIoT(IIot) インダストリアルIoT(IIot)を調査しよう。 エネルギーの地産地消。 太陽光発電の長期安定稼動。スノーソーラー。

テキスト・参考書


無機工業化学
  1. 受講にあたって
  2. 明治43年、旧米沢高等工業学校の設立―産業革命と化学工業の歴史―
  3. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―
    • 高圧容器と蒸気機関
    • 肥料・火薬と空中窒素の固定
    • アルカリと山菜の灰汁ぬき
    • 高純水の製造と下水高度処理による窒素とリンの除去
  4. 3ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―
    • 製塩とイオン交換膜
    • 水と海水の電気分解
    • アルカリと洗浄
    • 水素の製造と燃料電池
  5. 1500℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
  6. 1000℃、4Vが作る新幹線―非鉄金属―
  7. 3000℃が作る航空部材―窯業―
    • 陶磁器と焼成温度
    • ガラス真空管
    • セメントとレンガ
    • ファインセラミックス
  8. ひとり毎日1キログラムの廃棄物―資源と環境とサプライチェーン―
  9. 太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―
    • 石炭と火力発電
    • 磁石と発電機
    • 送電線とアルミニウムと銅
    • 碍子とセラミックス
  10. トイレットペーパーがなくなったら?-パルプ、紙、繊維―
    • 麻、綿、羊毛、絹
    • 織物、編物、不織布、
    • 炭素繊維、 アスベスト 、ガラスファイバー、複合材料
    • トイレットペーパー、ティッシュペーパー
  11. 自動車がなくなったら―目指せカーボンニュートラル―
  12. マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―
    • ケイ素と半導体
    • 活版、グラビア、オフセット、スクリーン、インクジェット印刷
    • 写真技術
    • パターニングとフォトリソグラフィー
    • 半導体の製造工程
  13. スマホがなくなったら―インターネットと光と音―
    • 液晶、エマルション、サスペンション、エーロゾル
    • 顔料と染料
    • バインダと接着剤
    • 液晶パネルの組立
  14. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―
    • 🚂日用品
    • マッチ、電池、センサー
    • 介護とロボット
    • IoT
  15. 食べ物がなくなったら―環境、持続可能な社会に向けて―
    • 上杉鷹山のカテモノ
    • ビール
    • カップラーメン
    • 毒と薬
    • 持続可能な社会
  16. ヒトはなぜモノを作らねばならないのか?-ひとりひとりの幸せを大切にするために-


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