HOME 教育状況公表 令和3年5月14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  立花和宏・伊藤智博

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Youzan

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。

産業革命。


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

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

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
二酸化炭素濃度

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。


  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 電線
無機工業化学

  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 25 22
火力 65 56
LNG 29 27
石油 10 3
石炭 26 26
無機工業化学 エネルギー化学 情報処理概論 技術者倫理

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

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


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。


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

蓄電池 ソーラーパネル 太陽エネルギー 二酸化炭素 電気自動車
低炭素住宅 とV2H

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。


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。


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. 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―
  2. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―
  3. 3ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―
  4. 1500℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
  5. 1000℃、4Vが作る新幹線―非鉄金属―
  6. 3000℃が作る航空部材―窯業―
  7. 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―
  8. 太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―
  9. トイレットペーパーがなくなったら?-パルプ、紙、繊維―
  10. 自動車がなくなったら―目指せカーボンニュートラル―
  11. マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―
  12. スマホがなくなったら―インターネットと光と音―
  13. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―
  14. 食べ物がなくなったら―環境、持続可能な社会に向けて―
  15. 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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