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ビークルからモビリティへ。 電気自動車から電気自転車、そして自動車よりもはるかに小さい超小型モビリティ。 化石燃料からバッテリーにパラダイムシフトするとき、必要なことは既成概念に囚われない豊かな想像力だ。
LCCM住宅（ライフ・サイクル・カーボン・マイナス住宅）とは、ZEH（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）よりさらに省CO2化を進めた先導的な脱炭素化住宅で、建設時、運用時、廃棄時において出来るだけ省CO2に取り組み、さらに太陽光発電などを利用した再生可能エネルギーの創出により、住宅建設時のCO2排出量も含めライフサイクルを通じてのCO2の収支をマイナスにする住宅です。 ※
V2Hとは、 電気自動車の電池を、 住宅の電池(ESS)にリユース することです。 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。
しかし安全に リユース するには、バッテリーのインスペクションが欠かせません。
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。
| 状態 | エネルギー資源 | 燃焼 | 備蓄 | 輸送 | 用途 |
|---|---|---|---|---|---|
|
固体燃料
|
🏞 石炭。 | 火格子燃焼、微粉炭と重油による微粉炭燃焼など | 野積み | 鉄道、船舶 コンベヤー | 火力発電の ボイラー 蒸気機関 |
| 木炭、薪、バイオマス、 蝋 | 暖炉、囲炉裏、ローソク | ||||
| 可燃ごみ、 廃タイヤ、廃プラスチック | 発電、 キルン | ||||
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液体燃料
|
🏞 石油 (重油、軽油、灯油)など。 バイオディーゼル燃料 | バーナーで霧状にして、燃焼。 | タンク 1 ) | ポンプ パイプ ライン | ボイラー エンジン |
| 荏胡麻油、 菜種油、ＳＡＦ | 法灯 | 甕 | |||
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気体燃料
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ＬＮＧ・ 液化石油ガス（ＬＰＧ）、都市ガスなど。 水素は将来的に期待。 | 拡散型バーナーや予混合型バーナーで燃焼。 | タンク・ ボンベ | パイプ ライン | ボイラー エンジン |
| 電気 | エネルギー変換 （ 電池 ） | 電線 | ヒーター、 ヒートポンプ | ||
| 核燃料 | ウラン | ボイラー 原子炉 |
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。
2 )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。
化石燃料 備蓄と輸送 👨🏫 化石燃料（炭素資源）―石炭と石油―| 分類 | 項目 | 説明 |
|---|---|---|
| 金属工業 | 鉄鋼 | 鉄道レール、鉄骨 |
| 非鉄金属 | 銅線、サッシ | |
| 金属製品 | ボルト、ナット | |
| 化学工業 | 化学製品 | 洗剤、 🚂 医薬品 、 🚂 肥料 |
| プラスチック製品 | ||
| 🚂 石油製品 | 🚂 灯油 | |
| ゴム製品 | タイヤ | |
| 機械工業 | 機械 | 産業用ロボット |
| 電化製品 | 🚂 冷蔵庫 、 🚂 テレビ | |
| 情報通信機器 | 📱 スマホ 、 💻 パソコン | |
| 電子部品 | 🚂 液晶パネル | |
| 輸送用機械 | 🚂 自動車 | |
| 食品工業 | 🚂 加工食品、飲料 | 🚂 ビール カップラーメン |
| 繊維工業 | 繊維、 🚂 衣服 | 🚂 シャツ 🚂 下着 🚂 靴下 |
| その他の工業 | 窯業 | ビン、 ガラス、 🚂 食器 レンガ |
| 🏞 木材 | 椅子、 🚂 机（テーブル） 🏞 、 🚂 箪笥（たんす） | |
| 🚂 家具 | ||
| ◇ パルプ ・紙 | トイレットペーパー | |
| 印刷業 | マンガ本 🚂 本 🏞、 チラシ | |
| 皮 | 🚂 かばん 革靴、皮財布 | |
| 楽器・ 🚂 日用品 (JIS.S) | 🚂 ピアノ 、ギター、 電池 | |
| 建設・そのほか | 住宅、ビル、塔、橋、 ダム |
いかなる工業製品も サプライチェーンをさかのぼってゆけば、 最後は地球上の資源にたどり着く。 どこかの鉱山で掘られた石か、農業あるいは狩猟採取によって殺した生き物か、そんな 天然資源 から工業原料は出発する。
製紙、鉄鋼、アルミニウム・・・はプロセス型、見込み生産。 自動車は組み立て型、受注生産。
| バーコード | ＱＲコード | ＲＦ-ＩＤ | |
|---|---|---|---|
| 用途 | 在庫管理（セルフレジ） | 在庫管理（ＱＲコード決済） | 在庫管理（セキュリティ） |
| センサー | スキャナ | スキャナ、カメラ | 受信装置 |
現代物流でのバーコードによる情報管理はほぼ必須。 自動車部品の管理などにも応用。 薬品管理にも応用。
カンバン方式、５Ｓ、ＱＲコード。
アメリカでアメリカ人が作っても、日本人が設計した車は、日本車。 トヨタで日本人が作っても、Googleが設計した車は、アメリカ車。
日本の動きは「性急」どころか、世界の動きに今頃になって追いつこうとしている状況だ。 中国、米カリフォルニア州などは、ガソリン車・ディーゼル車の新車販売を2030～2040年ごろに禁止する政策を数年前から検討し、打ち出している。 ヨーロッパでも、先頭を走るノルウェーは、2025年までにガソリン車・ディーゼル車の新規販売を禁止する。 イギリスは、これまで、ガソリン車新車販売禁止の時期を2035年としてきたのだが、2020年11月に計画を5年早め、2030年に前倒しした。 注目すべきなのは、日本では「電動車」に含まれているハイブリッド車（HV）に関しても2035年には新車販売が禁止されることだ。 EV化の面で日本は遅れている。ＥＶ推進を加速する一方で、ハイブリッド車に頼った環境対策からの卒業、いわば「卒HV」が急務になっている。 世界ではガソリン車とともにハイブリッド車も禁止される方向にある。 仮に、日本市場ではハイブリッド車販売が今後も認められたとしよう。 だが、世界市場のわずか5%に過ぎない日本市場でハイブリッド車を売っていても、日本の自動車メーカーが競争力を維持していくことはまず不可能である。
日本車があぶないより引用
| 大分類 | 中分類 | 小分類 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 鉄鋼 | 鋼板 | ボデーパネル、フレーム | ||
| 鋼材 | 炭素鋼 | クランクシャフト、ボルト、ナット | ||
| 特殊鋼 | ||||
| 鋳鉄 | ||||
| 非鉄金属 | アルミニウム | シリンダーヘッド、ホイール | ||
| 銅 | ワイヤーハーネス、 モーター | |||
| 錫・亜鉛 | ハンダ、 めっき 、装飾品 | |||
| 貴金属 | 排ガス 浄化 触媒 電子部品 | |||
| 非金属 | プラスチック | 熱可塑性樹脂 | バンパ | |
| 熱硬化性樹脂 | バンパ | |||
| ゴム | タイヤ | |||
| 繊維 | シート、フロアカーペット | |||
| 塗料 | 表面、防錆 | |||
| その他 | セラミックス | |||
| ガラス | フロントウインドウ | |||
自動車の材料のうち７割が鉄鋼、 ２割が非金属材料、１割が 非鉄金属です。 リサイクルで資源を有効活用しましょう。
👨🏫 ＪＩＳ．Ｄ―自動車の規格 👨🏫 自動車館＠トヨタテクノミュージアム 👨🏫 交通機関| 金属材料 | 非金属材料 | 複合材料 | ||
|---|---|---|---|---|
| 鉄鋼材料 | 非鉄金属材料 |
セラミックス ガラス |
||
|
炭素鋼
合金鋼
鋳鉄
鋳鋼
|
金・銀
・
銅
マグネシウム
ニッケル
チタン
亜鉛
|
🏞
石材
|
繊維強化プラスチック
繊維強化金属
金属強化セラミックス
|
|
材料は、その材質の違いにより金属材料と非金属材料に分類されます 3 ) 。
狭い意味で、材料といったとき、常温常圧で固体の 状態の 物質を指すことがあります。
純物質としての 金属は、柔らかすぎるので、混合物の合金が使われます。広い意味での混合物の固体材料を複合材料と呼ぶことがあります。
機能性材料と 建築材料があります。 機能性材料には、 良導体、絶縁材料、誘電材料、 磁性材料、半導体材料などがあります。
日本の産業革命 とも言える明治時代に発展した 繊維産業 を支えた機械産業は、自動車産業へと発展を遂げました。
明治44年、トヨタグループの創始者・豊田佐吉が自動織機開発のための実験工場として「豊田自働織布工場」を名古屋に開設しました。その工場が旧豊田紡織（株）本社工場となり、さらに（株）豊田自動織機製作所やトヨタ自動車工業（株）の設立総会が開催された、トヨタグループ発祥の記念すべき場所です。そこに、大正時代の赤レンガ造りの工場建屋がそのまま残されてきましたのでそれらを貴重な産業遺産として保存するとともに、産業技術記念館として活用しています 6 ) 。
👨🏫 トヨタテクノミュージアム産業技術記念館＠愛知県名古屋市 👨🏫 トヨタ博物館＠愛知県長久手市 👨🏫 クラシックカーミュージアム函館＠北海道 👨🏫 ＪＩＳ．Ｄ―自動車の規格| 機能 | 区分 | 部品 | 働き |
|---|---|---|---|
| 走る | 動力発生装置 | エンジン（ガソリン・ディーゼル）、モーター、ECU * 、 電池 | |
| 動力伝達装置 | クラッチ、変速機 | ||
| 走行装置 | 車軸、ホイール、タイヤ、フレーム | ||
| 懸架装置 | スプリング、ショックアブソーバ、リンク機構 | ||
| 曲がる | 舵取り装置 | ステアリング | |
| 止まる | 制動装置 | ブレーキ | |
| 支える | 車体・その他 | ボデー、外装、内装、（ガラス、ランプ、メータ）・その他 |
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。
👨🏫 ＪＩＳ．Ｄ―自動車の規格 👨🏫 自動車館＠トヨタテクノミュージアム 👨🏫 交通機関タイヤは、 天然 ゴム、合成ゴム、硫黄、炭素をニーディングして、 スチールのワイヤーとともに型に入れて成型して作ります。
自動車は数多くの部材からなる。 無機工業化学で取り上げてきた、 化学薬品、 電気化学化成品、 鉄鋼、 非鉄金属、 セラミックス、 繊維を材料とする自動車部品をひとつ取り上げ、自動車の燃費向上のため材料をどのように改善するのがよいか議論せよ。
鋳造は鋳型に溶かした金属を流し込んでカタチを作る方法です。 鋳造 鍛造 研削 表面処理
鋳型は3DCADで設計します。 鋳造は有限要素法でシミュレーションします。
材料を３次元的な形状を持つに加工する方法には機械加工、鍛造、鋳造などの方法がある。 このうち鋳造は、金属の可融性を利用して、作ろうとする製品と同じ形状に作られた空洞部に、 溶かした金属を流し込んで固めてつくる方法である。 鋳造法の代表的な種類として砂型鋳造法、シェルモールド鋳造法、インベストメント鋳造法、ダイカストなどがある。 このうちシェルモールド鋳造法は、熱硬化性の合成樹脂を被覆した鋳型砂を加熱した金型に振りかけ、硬化させて鋳型を作る寸法精度の高い方法である。
| 西暦年 出来事 |
|---|
| 水車 |
| 室町時代 朝鮮使節が日本の水車の驚く |
| 江戸時代 日本で水車が普及 精米・小麦・蕎麦の製粉 |
| 1891 琵琶湖疎水 ペルトン水車で発電 |
| 1776 ワット蒸気機関（外燃機関）の発明 * |
| 1816 スターリングサイクル（外燃機関） |
| 1823 電磁石の発明 |
| 1824 カルノーサイクル |
| 1831 電磁誘導の発見 |
| 1831 発電機の発明 |
| 1872 ブレイトンサイクル |
| 1877 オットーサイクル |
| 1897 ディーゼルサイクル |
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。
| 🧪 化学 | ⚡ 電力 | 💪 力学 | 🌟 光 | 🔥 熱 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 🧪 化学 （ G ） | 化学反応 |
👨🏫
二酸化炭素センサー
湿度センサー
|
◇ 鉄砲 （ 火薬） | 👨🏫 化学発光 | 👨🏫 燃焼 バーナー ◇ 暖炉 ◇ 燃料 |
|
⚡電力
eV, FE |
◇ 蓄電池 （電解） | 変電、 インバータ |
👨🏫
モーター
9
)
🔊スピーカー |
◇ ＬＥＤ |
👨🏫
ヒーター
電気炉
Q=I2R |
| 💪 力学 （pV） | ◇ 高圧合成 |
👨🏫
発電機
🎤マイク |
リンク、カム | ◇応力発光 | 👨🏫 ヒートポンプ pV=nRT |
| 🌟 光（hν） | ◇ 光合成 銀塩写真 フォトレジスト |
👨🏫
太陽電池 イメージセンサー |
◇蛍光 | 👨🏫 ◇ 電子レンジ | |
| 🔥 熱（RT, kB T） | ◇ 加熱合成 | 👨🏫 熱電変換 温度センサー |
👨🏫
🚂
熱機関
pV=nRT |
◇
白熱電球
（ 黒体放射） |
オットーサイクル、 ディーゼルサイクル オットーサイクルでは圧縮比を上げることでエネルギー変換効率が上がりますが、 ノッキングを起こすとエンジンが壊れてしまいます。 そこでオクタン価の高いハイオクガソリンを使います。
| 向き | 熱サイクルの種類 | 性質や特色 | 応用例 | |
|---|---|---|---|---|
| 温度差 ⇒ 力学 | カルノーサイクル 11 ) 12 ) | 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 | 火花点火式式容積型 内燃機関 （燃料＝ガソリン、プロパン、水素） （作動流体＝排気ガス＝二酸化炭素、水） | 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 | 圧縮着火式容積型 内燃機関 （燃料＝軽油） （作動流体＝排気ガス＝ 二酸化炭素 、水） | バス・船（ディーゼルエンジン） | ||
| ランキンサイクル | 実在流体サイクル （流体＝水、 冷媒 ） | 蒸気機関・ 火力発電 13 ) ・ 原子力発電 | ||
| ブレイトンサイクル | オープンサイクル：燃料 ＝（灯油、軽油、化石燃料） クローズドサイクル：作動流体＝（ヘリウム） | 火力発電、複合発電 （タービンエンジン）・ジェット機（ジェットエンジン） * | ||
| 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 | 外燃機関 | |||
| 力学 ⇒ 温度差 | 逆ランキンサイクル | 作動流体： 冷媒 （有機流体） | ヒートポンプ * （ 🚂 エアコン 14 ) 、冷蔵庫）・冷凍機 | |
| リンデサイクル 15 ) | 液化、酸素の製造 |
熱サイクルにはいろいろな種類があります 16 ) 。 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。
効率化のために燃料にアンチノック剤などを添加
バイオマス燃料などが使える。
運転時の環境への懸念
廃棄時の環境への懸念
1824 年S.Carnotが「火の動力に関する考察」を発表しました。 17 )
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。
👨🏫 １９世紀 髙橋
オットーサイクル、ディーゼルサイクル、ブレイトンサイクル、アトキンソンサイクル、冷凍サイクルからひとつ選び、ｐＶ線図とＴＳ線図の概形とカルノーサイクルとの違いについてノートに書いて写真に撮り、ｊｐｇ形式でアップロードしなさい。
| 例 | 説明 | 用途 | |
|---|---|---|---|
| ガス分 | メタン、エタン、 水素 | アンモニア合成 燃料電池 | |
| 石油ガス（ ＬＰＧ） | C1～C4留分、沸点３５℃以下 | ||
| 軽質ナフサ | C5～C9留分、沸点150℃以下 | 溶媒 ガソリン | 自動車の エンジンの 燃料 |
| 重質ナフサ | C8～C11留分、沸点180℃以下 | 接触改質（リホーミング） ＢＴＸ ガソリン | |
| 灯油 | C10～C14留分、沸点170℃～250℃ | 水素化脱硫 灯油 | ファンヒーター、航空機のジェット エンジンの c |
| 軽油 | C13～C18留分、沸点240℃～300℃ | 軽油脱硫 軽油 | ディーゼルエンジン 燃料 |
| 重質軽油 | C17～C21留分、沸点300℃～350℃ | 水素化脱硫 重油、硫黄 | 重油ブレンド原料 |
| 常圧残油 | C22～留分、沸点350℃～ | 減圧蒸留 溶剤抽出 | 潤滑油、 ろう アスファルト |
油田から採掘された原油は、タンクに備蓄されます。 精留塔で 分留し、ガソリンや灯油などの 燃料にします。 原油は植物の化石なので、 化石燃料と言われます。 燃焼したあとは、 二酸化炭素として大気中に排出されます。
石油製品中の硫黄は、装置の腐食、悪臭の発生、大気の汚染など悪影響をもたらす。 公害は、 四日市ぜんそくを引き起こした。 *
18 ) 👨🏫 四日市公害と環境未来館＠三重県四日市 石油化学工業会 👨🏫 JPCA 石油化学工業協会オクタン価とセタン価について述べ、ハイオクガソリンをレギュラーエンジンに給油したときどうなるか議論せよ。
