大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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A.①ユーティリティ、用役(用水、電気、ガス、圧縮空気、水蒸気)、各種発電方法について学んだ。 ②変圧器鉄心に使用される磁性材料はケイ素銅であり、特性は高い飽和磁束密度、安価で加工性がよい。 ③火力発電は、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料を燃焼させて水を加熱し、高温高圧の蒸気を発生させる仕組みである。この蒸気でタービンを回転させ、その回転エネルギーで発電機を動かし電気をつくる。発電効率が高く、安定した電力供給が可能なため、現在も主要な発電方法の一つとなっている。
A.①講義では、エネルギープラントとエネルギー源について学んだ。エネルギープラントとは、火力や原子力などでエネルギーを生産するプラント設備を指し、これには製造設備、処理設備、電気設備、配管など複数の設備が含まれる。廃棄物の再利用や処理を行う「環境プラント」も存在し、地球環境の維持を目的としてる。エネルギー源には石炭、石油、原子力、再生可能エネルギーがあり、特に太陽光発電が注目されている。太陽光発電は太陽光を電気に変換する技術で、再生可能でクリーンなエネルギー源である。しかし、初期費用の高さ、天候依存性、エネルギー密度の低さが課題である。これに対し化石燃料は高エネルギー密度で効率的ですが、環境への影響や枯渇が懸念されています。原子力は高い発電能力を持ちますが、放射性廃棄物の処理が課題となっている。 ②パワープラントを支える材料のサプライチェーンについて調べた 。 ③パワープラントを支える材料として、鉄塔の山形鋼のサプライチェーンについて調べた。鉄やスクラップなどから、以前学んだ製鉄を経て鋳造、圧延していることがわかった。
A.①ユーティリティー、用役について学びました。用水や電気、ガス、圧縮空気、水蒸気、水力、太陽光などがあると分かった。火力発電は熱エネルギーを機械エネルギーに変えており、高温高圧にして海水で冷やしていると分かった。臨界点とは液体と気体のどちらか曖昧な状態であると分かった。ブレイトンサイクルや外燃機関のランキンサイクルなどについて学んだ。磁性材料は常磁性体、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体の４つに分類されると分かった。固体と固体の接続は点接続になりやすいため平面にして接続することが重要だと分かった。②機能性材料として銅について議論した。銅は高電気導電性であり、機械的強度と柔軟性のバランスがよく、腐食耐性と接続安定性、性能劣化なしで繰り返しリサイクルが可能などのメリットがあると分かった。③ユーティリティーは用役と訳され、プロセスプラントの運転に必要な電気、水、空気や燃料で、人間の生活になくてはならないライフラインと同義だと分かった。ブレイトンサイクルは断熱圧縮、等圧加熱、断熱膨張、等圧冷却から構成される熱力学サイクルであると分かった。
A. ユーティリティ設備とは用水、電気、圧縮空気、水蒸気、ガスなどのインフラを供給する設備のことである。電気の供給方法は、火力や原子力などを用いて電力を供給すると、資源の枯渇がデメリットであるが、質力を自由に変更できるというメリットがある。水力や太陽光などを用いると、再生可能でエコというメリットがあるが、天候に左右されるというデメリットがある。発電機では磁性材料が利用される。磁性体にはフェロ磁性、フェリ磁性、反強磁性、常時性、反磁性がある。 グループワークではパワープラントを支える材料のサプラーチェーンを辿った。工業製品としてシリコンを選んだ。シリコンは二酸化珪素から製造する。二酸化珪素を電気炉の中で木炭とともに加熱・融解する。この作業には大量の電気を要する。この作業によって金属珪素を製造する。高純度化し、インゴット引き上げを行い、ウエハー製造およびIC・太陽電池への加工を行う。シリコンの物性としては、バンドギャップが約1.12eVで、結晶構造はダイヤモンド型である。 事後学習では工場内の発電設備について調べた。発電所を所有する工場としてLIXIL株式会社を選んだ。5拠点での工場で太陽光発電設備を導入している。製品製造時の原材料であるアルミの製造に膨大な電力を使用するため、太陽光発電では青天時に年間エネルギー消費量の30％を、既存メガソーラーの非化石価値と組み合わせると100％使用エネルギーを再生可能エネルギーに転換することができる。
A.①?③を以下に示す。 ①ユーティリティとは日本語で実用性、有用性といった意味を持つ。ユーティリティの例として、用水・電気・ガス（燃料）・空気・水蒸気などが挙げられる。 発電量が多い電力には火力、原子力などがあるがこれらの電力は枯渇する。。 火力発電では石炭を用いてボイラーで加熱して高温高圧の水蒸気を作り、この水蒸気を利用してタービンを回すことでエネルギーを生み出すことができる。タービンを回すのに使った水蒸気は復水器で冷却される。このように水を利用した外部からの熱によって回るサイクルをランキンサイクルという。超臨界状態を利用するとき、超ランキンサイクルという。この際、冷却水として海の水が使われる。そのため火力発電所は海の近くにある。 火力発電の効率を上げるには水蒸気の温度を上げる必要がある。臨界点を超えると臨界状態となり、液体と気体の区別がつかなくなり、温度を低くしても液体に戻らない。 磁性について、不対電子を常磁性、不対電子を持たないものは反磁性を持つ。スピンの向きによってさらに細かく分類され、向きがそろっていないものを(a)常磁性、向きがそろっているものを(b)強磁性、向きがお互いに打ち消し合っているものを(c)反常磁性、大きさが異なるものを(d)フェリ磁性という。工業的には(b)か（ｄ）が多く使用される。 ②グループ名 左前 役割 責任著者 共著者 加藤さなみ、大坂琉音、島貫乃愛、鈴木結惟 火力発電に関連した材料として石炭を挙げる。 石炭は発電の他に製鉄にも使われる。鉄はおもに酸化鉄）を高炉（blast furnace）を用いてコークスで還して製造される（図 2.8）・まず、コークス炉（coke oven）に粘結性のある石炭（原料炭とよばれる）を入れ、約1000°Cで24時間蒸し焼きにしてコークスを製造したのち、これと焼結・整粒した鉄鉱石とを高炉に入れ、1000°C以上の熱風を吹き込み鉄鉱石を還元する。反応は発熱反応であるため、高炉の最下部の温度は約1500°Cまで上昇する。 ③トピック名 工場のユーティリティと社会インフラを支える材料について議論してみよう ユーティリティと社会インフラを支える材料としてクボタの鋼管を挙げる。 大規模な建造物の建設や、臨海地帯での海洋土木工事で活躍するクボタの鋼管は優れた性能や高い信頼性・施工性を持ち、建築物や橋梁の基礎、港湾構造などに広く活用され、多くの建造物を支えている。またサプライチェーンの観点から、設備予算や工期など、お客様の要望に合わせた施工が可能な点が優れていると考えた。クボタの鋼管製品は国内の社会インフラの老朽化更新に役立てられているほか、海外新興国のインフラ整備の一助にもなっている。
A.第八回の授業では日常的なエネルギーについて学びました。発電の仕組みは様々で、電磁誘導や原子力発電、太陽光発電などがあります。電磁誘導は発電機でコイルの中に磁石を回転させることで電気を生成します。原子力発電は核分裂反応を利用して熱を生み出し、その熱で水を蒸気に変え、タビーンをまわして発電します。太陽光発電は太陽電池を用いて太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換します。光が半導体に当たると、電子が移動し電流が生まれます。 グループディスカッションでは半導体材料について調べました電気的機能性材料にはシリコン、ガリウム、ヒ素があり光的機能性材料にはインジウムガリウム亜鉛酸化物、高い透明性と電子移動を持ち、ディスプレイに利用されています。 復習の内容として半導体開発の背景について調べました。半導体の歴史は、1947年のトランジスタ発明から始まり、集積回路の登場を経て、現代の高度な技術へと進化しました。日本の半導体産業は、トランジスタラジオの成功を皮切りに世界をリードする存在となりました。
A.①エネルギープラントについて学んだ。火力発電は、600℃で熱し、ランキンサイクルという蒸気を使用して電気を発生させるサイクルで発電している。発電機は、磁性材料を使用し、フェライト系が用いられる。ネオジウム系はさびるため使用しない。太陽光発電は、固体と固体の張り合わせが難しく、高度な技術が必要とされる。P接合とｎ接合を作る際に膜を作成するため効果となることが分かった。 ②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た。サプライチェーンというグループで、山中麻央、渡邉陽菜、荒井巴瑠、青木優菜と議論し、私は、調査を担当した。太陽光発電を選択した。化合物としてCu,Iu,Ga,Seが挙げられる。発電効率が低下しにくいという利点がある。例として、銅のサプライチェーンを示す。鉱石から採取し、溶鉱炉で高温処理し、粗銅を生成する。電解精錬により、純銅を生成する。銅を用途に合わせて形成し、電気製品や配線などに組み込まれる。 ③工場のユーティリティと社会インフラを支える材料について調査した。水を通す排水管の材料について調査した。排水管は、ステンレス鋼管、鋼管、ポリ塩化ビニル管、配水用ポリエチレン管などがある。強度や維持管理の条件などが異なるため、施工場所に最適な材料を選択する必要があると考える。これらの設備は、建設から40?50年が経過して、漏水事故が増加している。工事を行う人材の不足も問題となっている。 また、工場内の発電設備について調査した。住友化学株式会社が、温室効果ガス排出削減に向けて石油コークス発電設備を廃止し、液化天然ガス(LNG)を燃料とする高効率なガスタービン発電設備を新設した。LNG発電では、二酸化炭素排出係数が低い。年間24万トン以上の二酸化炭素排出が削減される。液化天然ガスを燃やして蒸気を出し、その蒸気の膨張力を利用して蒸気タービンの羽根車を回転させる。それにより、タービンにつないだ発電機を動かして発電する。 さらに、ごみ発電の経済性について考えた。ガス化溶融発電を選択した。ガス化炉と溶融炉からなり、ごみを焼却すること以外にも資源を回収して有効活用することができるシステムである。また、不燃物から、鉄・アルミを選別回収して有効活用できるという利点があり、市場価格に応じた収益が期待でき、再資源化することで埋め立て処分コストの削減ができると考える。
A. シリコンは半導体材料として電気のサプライチェーンに不可欠であり、SiO?（シリカ）から高温還元によって製造される。高純度化されたシリコンはインゴット引き上げ法で結晶化され、ウェハーとして加工される。これらはICチップや太陽光発電パネルに使用される。シリコンはバンドギャップ1.12eVのダイヤモンド型構造を持ち、加工性と純度の高さから半導体に最適な材料である。 石油化学工場では、コジェネレーションシステムを活用して自家発電を行い、余剰電力を電力会社に供給している。発電設備は蒸気タービンやガスタービンを用い、副生ガスや反応熱を有効活用することで、製造工程と発電が連携し、エネルギー効率を高めている。これにより、工場の電力需要を満たしつつ収益も得られる。 スーパーごみ発電システムの採算改善には、発電効率の向上、運用コストの削減、売電収益の最大化が重要である。複合発電システムの導入や再生可能エネルギーの活用、定期的な保守によって効率化が図られる。さらに、FITやFIP制度の活用、地域の脱炭素化への貢献により、安定した収益と持続可能な運用が可能となる。
A.①火力発電所は、主に海の近くに建てられる。これは、発電で生じる高温を冷ますために大量の水が必要で、海水がその冷却に使えるからである。発電の効率は、熱源の高温と冷却側の低温の差によって決まり、超臨界状態という、気体か液体か区別がつかないほどの高温・高圧の領域も利用される。発電と送電は別で、電柱にはトランスがあり、家庭用に100Vや200Vへ変換されている。太陽光発電も注目されているが、いくら高性能でも、いかに安く作るかが重要であり、良い研究でもコストや実用性を考えなければいけない。 今回のグループワークは、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ましょうである。 ②演題は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ましょうであり、グループ名は後ろ、属した人は、石毛翼、長橋昂汰、前田悠斗、久保明裕、鈴木奏逞、須藤春翔であり、役割は調査係。 今回は機能性材料として、山形鋼を選んだ。 製銑や鋳造、圧延などの工程によって作られていることが分かった。 ③私は、太陽光発電のメリット、デメリットを調べまとめた。 太陽光発電の最大のメリットは、再生可能エネルギーであり、発電時にCO?を排出しない点である。また、設置後は燃料が不要で、運転コストが比較的低いことも利点である。一方で、デメリットとしては、天候や時間帯によって発電量が不安定になる点や、大規模に設置するための土地や初期費用が高くつくことが挙げられる。また、発電効率が低く、パネルの廃棄やリサイクルの問題も将来的な課題になっていることが挙げられた。このことから、省スペース化、再資源化の仕組みづくりが必要であるのだと感じた。
A.【講義の再話】 化学プラントに必要なユーティリティには溶液、用水、電気、燃料、圧縮ガス、水蒸気があります。電気を作る発電には、火力、原子力、再生可能エネルギーである水力、太陽光などがあります。太陽光発電などの再生可能エネルギーによる発電は効率が悪くコストがかかるという欠点があります。発電でタービンを回すとき、水を加熱して水蒸気にし体積の増加を利用してまわしますが、この時水は超臨界流体になっています。超臨界流体は反応性が上がり配管が腐食しやすいため、設計の際には注意が必要です。 【発表の要旨】 演題: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ましょう グループ名：後ろ 共著者名：石毛翼、長橋昂汰、前田悠斗、須藤春翔 役割：調査 電気のサプライチェーンとして、鉄塔に使用される山形鋼を調査した。山形鋼は鉄鉱石やスクラップを材料として、製銑、溶解、製鋼、鋳造、圧延、鍛造という工程を経て製造される。 【復習の内容】 山形鋼についてさらに調査した。山形鋼はL字型の断面を持つ鋼であり、SS400などの鋼材が用いられる。鋼材は鉄鉱石と石灰石を焼結し、石炭とともに高炉で熱し銑鉄とし、溶銑予備処理工程で硫黄やリンなどを除去し、さらに転炉で炭素を除去し、圧延により成形することで作られる。このようにして製造された鋼をもとに、調査設計、仮設工事、基礎工事、鉄塔組立を経て送電塔が建設される。 鋼の製造に使われるエネルギーは、1tあたり2600万kJである。
A.①授業では、火力発電の仕組みとエネルギー変換効率の考え方について学んだ。効率は1－T?/T?で表され、温度差が大きいほど効率が上がる。火力発電では蒸気を高温高圧にするため、超臨界状態にまで加熱し、超ランキンサイクルで高効率化を図っている。また、ユーティリティとして発電は産業活動を支える基本インフラであることを確認した。「現代の電気化学」では、太陽光発電素子の模式図が紹介された。 ② 銅 白澤拓磨、松田天、坂本彩夏、平方誠二郎、内藤樹 自分の班では、機能性材料として銅について調査した。銅は高い電気伝導性を持ち、電気的サプライチェーンに不可欠な材料である。また、機械的強度と柔軟性のバランスにも優れ、加工しやすい点も利点である。腐食耐性や接触安定性の面で優れており、長期間の使用でも性能が維持される。こうした特性により、銅は電気機器や配線など多くの分野で活用されている。 ③ 火力発電は、燃料を燃やして蒸気を作りタービンを回す仕組みで、効率は1－T?/T?の式で温度差に依存する。効率化のために、蒸気は超臨界状態にまで加熱され、超ランキンサイクルが用いられている。ユーティリティとは、電力や水道など社会や工業を支える基盤設備のことがわかった。「現代の電気化学」P236には、太陽光発電素子の構造が模式図で示されており、再生可能エネルギーの理解にもつながった。
A.①ユーティリティとは何か。それは用水、電気、燃料、圧縮空気、水蒸気だったり工業製品を作るにあたって必要なものである。火力発電を見るとボイラ、タービン、海水といったユーティリティがある。火力発電は外燃機関を用いるそれがランキンサイクルである。 ②「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ましょう」グループ名：右後ろ、福田、宮入、久田、五十嵐、役割：可視化 送電線を選んだ。材料の種類は鋼心アルミや鋼心耐熱アルミがある。直径は38.4㎜で鋼線を加工用にアルミが保護している構造である。 ③火力発電のうちコンバインドサイクル発電を選んだ。コンバインドサイクル発電には地中送電線、変圧器、蒸気タービン、空気圧縮機、ガスタービン、焼却機、排熱回収ボイラー、脱硝装置、パイプがある。電気はLNGを燃料とすることでタービンを回し発電し、送電線で送られ、熱や光に変わる。上流はLNG、下流は電気製品であると言える。 変圧器は鉄心材料、導電材料、構造材料、絶縁材料などで構成されている。電線はエナメル線、紙巻線、フィルム巻線、ガラス巻線などがあり、電気用アルミシートや銅シートも使われている。 変圧器の鉄芯には鉄損の少ない材料が用いられている。一般的には3.5%程度のケイ素を含有させたG級電磁鋼板が使われている。JFEスチールでは方向性電磁鋼板という高磁束密度、低鉄損、低磁歪などの磁気特性がある電磁鋼板を製造している。 エネルギーとしては鉄から鋼板へ加工する工程でエネルギーを主に消費している。
A. ユーティリティと発電をテーマに授業を行った。ユーティリティとは工業において用水、電気、ガス（燃料）、圧縮空気、水蒸気などの原料以外の必要なモノを指す。発電についても触れ、火力発電や原子力発電の仕組みを学んだ。これらの仕組みは燃料を燃やすことによる熱を使ってボイラーで水蒸気を作りタービンを回すことで発電する。 今回の授業の演題はパワープラントを支える材料のサプライチェーンをたどってみましょうであり、共同著者は中澤、宮内、山口であった。私たちの班では変圧器について調べた。変圧器は交流電力の電圧を上下させることで発電所から家庭、工場などに送電を可能にする必要な材料はケイ素、銅板、アルミナなどであることが分かりコア、コイル、絶縁体から主に構成されていることが分かった。 復習では以下の内容を行った。発電設備を持つ工場として製鉄所を選んだ。原理としては鉄鉱石とコークスで銑鉄工程を行った際に発生する副生ガスのうち製鉄所内での燃料として使われなかった分の燃料と炉を熱した際の排熱を使うことでボイラーを加熱して蒸気を作りタービンを回して発電する火力発電と同じ仕組みである。副生ガスの消化をしつつ電力を作る省エネルギーをしている。
A.シリコンは半導体材料として電気のサプライチェーンに不可欠であり、SiO?（シリカ）から高温の還元によって製造される。以下は、製造の流れである。 ①シリコンはSi02から製造する。 ②高度化する。 ③インゴット引き上げを行う。 ④ウェハー製造およびIC・太陽電池への加工を行う。 ＜物性＞ 結晶構造：ダイヤモンド型 バンドギャップ:約1.120Vで励起が可能！ 加工性：高純度単結晶がつくりやすい。 また、高純度化されたシリコンはインゴット引き上げ法で結晶化され、ウェハーとして加工される。これらはICチップや太陽光発電パネルに使用される。加工性と純度の高さから半導体に最適な材料である。 石油化学工場では、コジェネレーションシステムを活用して自家発電がおこなわれ、余った電力を電力会社に供給している。発電設備は蒸気タービンやガスタービンを用い、副生ガスや反応熱を有効活用することで、発電と製造工程が連携し、エネルギー効率を高めることができる。よって電力の需要を満たしつて利益も得られる。 ごみ処理は、環境・資源・エネルギーの重大課題である。その中でごみ発電は、エネルギー回収とごみ削減を両立できる手段であるが、現状は効率が低く、採算が悪いという問題がある。 ごみ発電の方式：スーパーごみ発電システムの採算改善には、発電効率の向上、運用コストの削減、売電収益の最大化が重要である。 スーパーごみ発電↓ 特徴:高温燃焼（850?1000℃）でタービン回転 ◯:効率高め（10?20％）、施設多数 ×:燃焼時の排ガス処理コスト、燃料成分のばらつき ?主なコスト要因 高額な建設費（数十?数百億円） 排ガス処理・排灰処理費用など。 ごみの性状（湿り気、金属混入）による燃焼効率の変動や発電効率の低さ（約10?20％） → 売電収入が限定的 である。運転・維持管理の人件費、装置の老朽化も含む。 ?改善策 ①高効率ボイラーやタービンを導入 ②灰やスラグの再利用 ③炭素クレジット制度や再エネ認定制度での収益化 ④周辺地域との連携などがある。
A.１．講義の再話 太陽の光のエネルギーが何万年と蓄積したものが化石燃料 温室効果ガスの排出を抑えるため、化石燃料よりも、電気で動く機関が増えている。 その電気は化石燃料から得ているが再生可能エネルギーを推奨 再生可能エネルギーを利用するためには、化石燃料による エネルギーを使って装置を作る必要がある。これがいまの課題である。 ２．発表 グループ名 アジフライ メンバー 今山華百 鈴木純奈 松本碧衣 鈴木悠馬 発電について 使用例 変圧器 鉄心 使用される磁石性の材料 ケイ素鋼 主成分 鉄、ケイ素 特性 高い飽和磁束密度 安価で加工性が良い ３．復習 弟に再生可能エネルギーを使うことは環境にいいけれど、そのエネルギーを開発するためにたくさんの化石燃料を消費しているということを教えて一緒に今後について考えた
A. 火力発電は、ボイラーと蒸気タービンを主な構成要素としている。発電には温度差が必要である。火力発電所が湾岸に建てられている理由として海水の利用も挙げられる。海水を取り込むことで低熱源を確保する。それに対してボイラーで高温高圧を生み出すことで高熱源を確保する。この２つの温度差が大きいほど、1-(T2/T1)で表される熱変換効率は大きくなり、発電力が増す。熱力学サイクルにはいくつか種類があるが、この火力発電はランキンサイクルによるものである。他に、ブレイトンサイクルはガスタービンやジェットエンジンで利用される熱機関の理論であり、高温高圧のガス膨張によりエネルギーを得る。 鋼のサプライチェーンは石炭から始まる。まず石炭をコークスにするためにコークス炉を通る。その際に、コークス炉ガス、副生硫安、コールタールなども発生する。できたコークスは高炉、銑鉄、転炉により鋼となる。 エネルギーを生み出す方法は複数あるが、太陽のエネルギーの1.3kW/m^2から全ての生物が始まり、現在に繋がっている。生活のためにはエネルギーが欠かせないため、なるべく環境に配慮した効率の良い発電法を開発し普及させることが重要である。
A. 太陽光発電とは、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する発電方法である。太陽光パネルに搭載された太陽電池が光を吸収し、電気を発生させる。環境に優しく、再生可能エネルギーとして注目されている。またら火力発電はボイラーが重要である。海水で冷やす必要があるため、海がない米沢では不可能である。 演題は「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ましょう」、グループ名はアジフライ、共同著者は鈴木純奈、鈴木佑涼、松本碧衣、私は発表を担当した。発電について、使用例は変圧器鉄心、使用される磁性材料はケイ素鋼である。ケイ素鋼の主成分はFe,Siであり、特性は高い飽和磁束密度、安価で加工性がよいことである。 復習として、ランキンサイクルについて述べる。ランキンサイクルとは、蒸気を使って熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する熱機関のサイクルで、主に火力発電で利用されている。水を加熱して蒸気にし、タービンを回して発電し、その後冷却して再び水に戻す。効率的なエネルギー利用が可能な点が魅力的である。エネルギー変換の過程を学ぶことで、発電の仕組みや省エネルギーの重要性を理解する良い機会となった。
A.1/講義の再話：当日の授業では用水、電気、ガス、燃料などというユーティリティについて学んだ。ユーティリティは工業におけるすべての過程を支えている。そのほかに、火力発電についても学んだ。その発電ではボイラーは大事な役割を果たしている。 2/発表の要旨：「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ましょう」 選んだ機能性材料：アルミニウム（Al）-導電材料 アルミニウムは、軽量で耐食性が高く、優れた導電性と熱伝導性を持つ金属である。導電性では銅に劣る、比重が小さい（約2.7 g/cm?）ため、単位質量あたりの導電性能が高いという利点がある。このため、高圧送電線や航空機、建設部材などに幅広く使われている。 また、酸化皮膜による自然な防錆性も持ち、メンテナンスの面でも優れている。コストも銅に比べて安価で、導電材料としての使用が経済的である。 アルミニウムは比重が約2.7 g/cm?で、とても軽い金属だ。電気伝導率は約3.77×10? S/m（20℃）で、銅よりは低いけれど、軽いため送電線に使われることが多い。熱伝導率は約237 W/m?Kで、熱をよく伝える性質がある。融点は約660℃で、加工しやすいという利点がある。 また、空気中で自然に酸化皮膜ができるので、耐食性に優れている。加工性もよく、押し出しや圧延などの加工方法にも適している。そのため、構造材としても導電材料としても、いろいろな分野で使われている。 アルミニウムの製造は、特に電解精錬（Hall-H?roult法）において膨大な電力を必要とする。その主な工程は以下の通り： ボーキサイト鉱石の採掘 → アルミニウムの原料となるボーキサイトを掘り出す。 アルミナ（酸化アルミニウム）への精製（バイヤー法） → 高温の苛性ソーダ処理を行い、不純物を除いて白い粉末状のアルミナにする。 電解精錬（Hall-H?roult法） → 約950℃の溶融状態で大量の電力をかけて酸化アルミニウムから金属アルミニウムを分離する。 この電解プロセスが非常に電力依存度が高く、1トンのアルミを作るのに約14,000 kWhの電力が必要とされる（地域により異なる）。そのため、アルミニウムの製造は再生可能エネルギーの活用が重要視される分野である。 3/復習の内容：工場では、電力のほかに、用水、燃料、圧縮空気、蒸気などのユーティリティが必要である。これらの供給には、配管やタンク、構造材などが用いられ、その多くが金属材料やコンクリートなどで作られている。例えば、水道管には鉄や銅、ステンレス鋼、最近では樹脂製の管も使われることがある。しかし、鉄の管は錆びやすく、長期間の使用で腐食が進むと漏水事故が起こる可能性が高い。コンクリートも、長年の風雨や振動の影響でひび割れや劣化が進み、崩落の原因になる。こうした事故を防ぐためには、材料の選定だけでなく、メンテナンスの体制も重要である。また、これらの材料は多くの場合、鉄鋼業や化学工業などの他産業に依存しており、原料の確保から製造、流通まで多くの段階を経て供給されている。サプライチェーン全体での品質管理や安定供給が求められている。今後は、より耐久性の高い新素材の開発、再生材料の活用、省資源化の推進が必要であると考えられる。また、AIやセンサーを用いた予兆保全の技術も重要になってくるだろう。材料と技術の両面からインフラを支える体制の強化が求められている。
A.ユーティリティという言葉は用水、ガス、電気、水蒸気が該当します。これらはエネルギーとして活用されていますね。日本の電気エネルギーをつくるのは主に火力、水力、原子力、太陽光です。火力発電所に注目すると、ボイラーで発生した水蒸気でタービンを回します。その水蒸気は海水で冷却されます。また、使用した炭はセメントに使われます。火力発電の発電温度は６００℃ほどで、これは水が超臨界状態になるので管理が難しく、パイプの強度が求められます。水の状態変化を伴うランキンサイクルがあります。タービンの回転を電気エネルギーに変換するのはファラデーの電磁誘導の法則によって求められます。設備は磁性材料が使われています。磁性体には向きがあり、送電は交流で行われます。送電する鉄塔は絶縁体で作られています。電線はアルミで作られています。電気を通すかどうかは結合間の電子の自由度で決まります。自由度によって絶縁体と半導体と誘電体などに区別されます。 アルミニウムは電気伝導性が高く、ボーキサイトからアルミニウムは製造され、加工されます。水道管に使われている硬質塩化ビニルのサプライチェーンについて調べました。製造プロセスでは、塩化ビニルモノマーを重合させてPVC樹脂を作ります。この過程は懸濁重合法が使われています。懸濁重合法はモノマーを液滴にし、開始剤を使って反応を促進させる仕組みです。完成した樹脂は溶融されて方に流し込まれ、成形されます。
A. ユーティリティな燃料として、ガス、電気、用水、空気、圧縮空気、水蒸気などがある。火力発電ではガスなどを燃料と発電しており、火力発電の仕組みとして、まず、ボイラーでガスなどの燃料を燃やし、高温の水蒸気を発生させる。この水蒸気を利用してタービンを回す。この時発生する水蒸気は海水などの冷えた水で冷やす。この一連の流れで作られる石炭灰は、セメントなどの材料として再利用されている。 パワープラントを支える材料として、グループワークでは、送電線を選んだ。送電線はアルミや鋼芯耐性アルミでできており、鋼芯耐性アルミは外枠をアルミ、中心部を鋼線で形成している。アルミはボーキサイトを主原料として、ボーキサイトを苛性ソーダなどで処理し不純物を除去することで得ることで送電線などに利用されている。 また個人ワークとして発電、送電にかかわる工業製品である電子基板を選んだ。電子基板は、半導体と外部機器をつなぐもので、電子基板は半導体チップを機能させるための中核部材である。電子基板のサプライチェーンの上流をさかのぼると、絶縁材料として電子基板に用いられるポリイミドを選んだ。ポリイミドは、高温でも物性が安定し、機械的強度や化学的耐久性も高いため、特に高電圧や高温環境下の電気絶縁に不可欠な材料として用いられる。ポリイミドは、パラフェニレンジアミン（PPD）やピロメリット酸二無水物（PMDA）が原料であり、ポリイミドフィルムは、熱硬化性樹脂で使用後に燃焼または埋立を行うのが一般的で、リサイクルが難しい。樹脂はリサイクルが困難であり、環境に与える影響が大きい。電子基板は、電解製錬に多量の電力を必要とするため、製造に要するエネルギーが大きい。
A.①講義の再話 第8回の授業ではユーティリティについて学んだ。ユーティリティとは、本授業では、設備として必要なものであると捉え、その具体例として用水、電気、ガス、圧縮空気、水蒸気を例としてあげた。最新工業化学29ページでは、ランキンサイクルを学びその圧力と温度の関係を表すグラフを見た。そのPTのグラフでは、超臨界状態があり、それは液体と期待を区別できない状態、反応が高すぎる状態であるという説明をされていた。また、石炭火力発電の設備概要を学び、最新工業化学80ページの図から、気体の流れについて学んだ。 ②発表の要旨 平常点課題ではパワープラントと工場をつなぐさ材料のサプライチェーンを辿ってみようという内容で、グループではシリコンに着目しその製造プロセスや物性について調べてまとめた。シリコンは太陽光パネルやICチップにつかわれ、その物性は、結晶構造はダイヤモンド型、バンドギャップは約1.2eV、加工性は高純度結晶が作りやすい都のことであった。 ③復習の内容 ユーティリティの具体例や役割、ランキンサイクルにおける圧力と温度の関係、超臨界状態の特徴、石炭火力発電の設備構成を復習し、理解を深めた。
A.今回の授業では、ユーティリティについて学びました。ユーティリティとは用水、電気、ガス、水蒸気などのことでした。また、磁性材料についても学びました。電磁気材料のことであり具体的には遷移金属酸化物であり、Al2O3,SiC,MaSi2などがありました。また、常磁性、強磁耐性、反磁耐性、ふぇり磁耐性があると分かりました。 今回は半導体材料について調べた。半導体の物性としてバンドギャップが高いほど高温 高電圧耐性が高いというのがあげられる。また、キャリアの動きやすさを示す移動性や、高 いと発熱を抑えられる熱伝導性などを持つ。半導体材料のうちの 1 つ目は電気的機能性材 料である。例として、シリコンやガリウムヒ素があげられる。2つ目は光機能性材料である。 具体的にはインジウムガリウム亜鉛酸化物が挙げられる。 ランキンサイクルは、蒸気タービンを用いて熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する熱機関の理論モデルです。主に火力発電所で利用され、水を加熱・蒸気化→膨張→凝縮→再加熱のプロセスを循環します。効率向上のために再熱や過熱などの工夫が加えられることもあります。
A.①ユーティリティ、火力発電所、磁性、グラファイトと半導体、太陽光発電の成膜技術などについて学びました。ユーティリティとは用役のことで、用水、電気、ガス、水蒸気などの、プラントを稼働させるために必要なもののことをいいます。火力発電所は、ボイラー、蒸気タービン、火、発電機などで構成されており、高温、高圧の超臨界状態で、火力の熱エネルギーを電気エネルギーに変換しています。焼結で生じる石炭灰はセメントなどに再利用され、蒸気タービンで生じた高温の水（高熱源）は低熱源の海へ排出されます。発電機は、ファラデーの電磁誘導の法則が応用されており、この法則はコイルに磁石を入れることで電気が流れるような仕組みになっています。磁石にはハード磁性材料、ソフト磁性材料があります。また、磁性には、常磁性体（電子スピンの向きがバラバラ）、強磁性体（向きがそろっている）、フェリー磁性体（一個一個の磁力の大きさが異なり対になった組が集合している）、反強磁性（向きが正反対の同じ大きさのスピン同士が打ち消しあって磁力がゼロになっている）の4種類があります。グラファイトなどは、共有結合性の絶縁体です。π電子が非局在化しているために電気が少し流れます。絶縁体は、電場を掛けることで分子内が分極する誘電体として働くため、半導体などに使われています。太陽光発電にはn型半導体とp型半導体が用いられており、この二つの半導体の接着（p-n接合）によって機能を発揮します。この接着は隙間ができないようにしなければいけないため、高度の成膜技術が必要になります。 ②グループ名は一番前です。グループメンバーは小野翔太、鈴木晴琉、黒沢行博です。パワープラントと工場をつなぐ材料としてタービンを選び、サプライチェーンについて調査し、まとめました。タービンは、ニッケル超合金という、高温での強度に優れた合金（アルミやチタンなどの添加元素）を材料としていることが分かりました。ニッケルを溶かして他元素を混合し、原料金属の粉末を混合して焼結させることで作ることができることが分かりました。 ③復習では、磁区と結晶粒界について調べました。磁区とは、金属などの強磁性体（電子スピンの向きがそろっている）の中で、電子の磁気モーメントがそろっている領域のことです。しかし、隣の磁区ではスピンの向きが違うため、全体として打ち消しあい、外から見ると磁性が小さいです。外部磁場がかかることで磁区が成長、変化し、全体の磁石化が進みます。結晶粒界とは、金属やセラミックスなどの多結晶材料で、隣り合う結晶粒（結晶の最小単位）同士の教会のことです。各結晶粒は規則正しく並んでいるが、隣同士で向きがずれており、そのずれた部分を粒界といいます。
A.①火力発電は、ボイラーで石炭などの燃料を高温・高圧で燃焼させ、その熱エネルギーによって水を蒸気に変えることで始まる。発生した高圧蒸気は蒸気タービンを回転させ、回転運動が発電機に伝えられることで電気エネルギーへと変換される。熱から運動、そして電気へとエネルギーが段階的に変換される仕組みである。ボイラーの温度は600℃ほどである。送電は交流であり、送電線を通って行われる。太陽光発電のソーラーパネルは固体同士の張り合わせでできている。 ② 鹿島製鉄所を選んだ。鉄をつくる過程で発生する高炉ガスやコークス炉ガスなどの副生ガスや排熱を活用して、送風発電設備や高炉炉頂圧回収タービン、コークス乾式消火設備、ガスタービン複合発電などの設備を用いて自家発電を行い、その電力を工場内の圧延機や炉などの設備に供給している。 工場の運営に不可欠な電力、用水、燃料、圧縮空気、蒸気といったユーティリティは、鋼管、ステンレス、樹脂、コンクリートなどの配管・構造材料がある。サプライチェーンの視点からは、原材料の調達から製造、施工、保守、更新に至るまでの各段階でのトレーサビリティの確保や、耐久性・環境負荷を考慮した新素材の導入、さらにはデジタル技術を活用したインフラの状態監視と予防保全の仕組みづくりが求められており、今後は持続可能でレジリエントな社会インフラを実現するために、材料開発とサプライチェーン全体の最適化を一体的に進めていくことが重要であると考えられる。 ごみ発電システムの中からガス化溶融発電を選んだ。高温でごみをガス化し、可燃性ガスを燃料として発電する方式で、焼却灰をスラグ化して無害化・減容化できるという利点がある。設備が複雑で建設・運転コストが高く、採算性が課題である。採算を改善するためには、発電効率の向上が必要である。
A. 第8回の講義では、火力発電とそこで活用されるサイクルについて学んだ。火力発電所では、船で運ばれてきた石炭を微粉砕し、ボイラーで燃焼する。するとボイラー内のチューブを通る水が加熱されて高温高圧の水蒸気が作られ、この水蒸気によってタービンが回される。このように熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、さらに発電機で電気エネルギーに変換する。この過程では、ブレイトンサイクルとランキンサイクルと呼ばれる熱力学サイクルに基づいて設計を行っている。また、モーターや自発電機に用いられる磁性材料（常磁性体、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体の4種）についても学んだ。 グループディスカッションでは、「演題：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（グループ名：あふこ、共著者名：大濱風花、近ありす、役割：発表者）」について議論を進めた。私たちは、発電、送電に関わる工業製品としてガスタービンを選んだ。タービンは、熱エネルギーを回転運動のエネルギーに変換し、機械的仕事を生み出す装置である。火力発電などに用いられることから、タービンには高温強度に優れたロータ材料が使用されている。これには、Ni基超合金を適用しており、主蒸気温度600℃（超臨界状態）にも耐えられる発電プラントの開発もすでに開発されていることが調査により明らかになった。 復習として、講義で取り上げたランキンサイクルについてよく理解できなかったため、自分でも調べてみた。ランキンサイクルとは、ボイラー、タービン、復水器、ポンプで構成され、燃料がもつ化学エネルギーを水蒸気を介して仕事に変換する蒸気サイクルのことである。これをT－S線図やP－V線図で表すことによってその動向が見えやすくなる。ランキンサイクルの熱効率は【（タービンの仕事－給水ポンプの仕事）/ボイラーで加えられた熱量】により導かれると分かった。火力発電の熱効率を上げるには、まずこれらのサイクルを理解し、どういった原理で成り立っているのかを知ることが大切なのだと感じた。
A.①前回の復習としてサプライチェーンマネジメントについて復習をした。原料から廃棄する過程において水やエネルギーがどのように使われているか学んだ。今回の授業ではエネルギーについて学んだ。具体的にどんなエネルギーがあるのか話し合い、他の人の知識を学んだ。授業においては電気、ガス、圧縮空気、水蒸気などのエネルギーがあり、電気はさらに火力、水力、原子力、太陽光などからエネルギーを得ている。水力とか太陽光はなど再生可能エネルギーの分類であり、雨の日などは太陽光はできないなどの欠点がある。他にも火力や原子力は枯渇性であり資源が限られているが自由にコントロールできる電力である。最新工業科学の80ページには石炭火力発電所の設備概要について載っており海水で冷却しているなどが分かった。また、物質について臨界点とは、液体でも固体でもなくいくら圧縮しても液体に戻らないということがある。ランキンサイクル、オルタネーターなどの単語を学んだ。 ②発電と送電の仕組みが違い鉄塔を用いているということを学んだ。グラファイトはなぜ電気を流かについては共有結合で電気が流れているからであるということが発表から分かった。 ③今回の授業ではサプライチェーンマネジメントについて前回の復習として学び、さらに電力に焦点を当てて、電気を使うにはどのような発電方法があるか一つ一つ確認した。また、物質の臨界点について調べて、臨界点の状態について勘違いしていた部分を改めて教科書等を用いて理解した。
A.①第八回はユーティリティーについての授業だった。ユーティリティーとは工場を作るために原料以外に必要なもののことであり、用水、電気、燃料、圧縮空気、水蒸気、ボイラーなどがあげられる。工場に併設されている発電所は火力発電所が多い。これは持続可能エネルギーは発電できる頻度や量が限られてくるため、安定したエネルギー供給ができる火力や原子力を用いることが多いからである。火力発電の仕組みは、石炭を微粉炭機で粉塵にし、ボイラーで燃焼させ高圧の水蒸気にする。その水蒸気を利用してタービンを回して発電している。この時の水蒸気温度は600℃ほどでこれは超臨界状態である。超臨界状態とは高温高圧で液体と気体の区別がつかない状態のことであり、いくら圧縮しても液体には戻らない。ここで低熱源として必要な用水は海水を利用している。よって火力発電所は海の近くにあることが多い。また、プレイトンサイクル、ランキンサイクルの話もあった。プレイトンサイクルは断熱圧縮、等圧加熱、断熱膨張、等圧冷却から構成される熱力学サイクルのことであり、ランキンサイクルとは水蒸気を作動流体とした蒸気サイクルの一種で、復水器、給水ポンプ・ボイラ・タービンなど装置から構成されるものである。 ②授業最後の演習ではガスタービン用耐熱剤について調べた。班は大濱風花、近ありす、立花小春の三人で、班名はあふこ、役割は記録だった。ガスタービンには高温強度に優れたロータ材料が用いられており、これはＮｉ基超合金にＡｌとＴｉを足した材料で作られている。向凝同合金や単結晶合金が開発されたことでより高温強度が上がった。 ③復習として、工場内の発電設備について調べた。工場では電力を安定して供給させるため、排熱・排ガスを有効活用するために発電設備を持っている。種類はガスエンジン発電、ディーゼルエンジン発電、ガスタービン発電、燃料電池、太陽光発電、風力発電などがある。また、、発電と同時に発生した排熱を蒸気、温水、冷水などに変換して利用するコージェネレーションシステム(熱電併給)も存在する。
A. ユーティリティとは、用水や電気、ガス、燃料、圧縮空気、水蒸気などの工場稼働に必要なもののことをいう。このユーティリティの中で、電機は火力発電や水力発電、原子力発電、太陽光発電など様々な方法でつくられている。基本的に発電方法はすべて同じであり、タービンを回すことによって発電を行っている。火力発電においては、石炭をボイラーで燃焼、ボイラー内のチューブを通る水が加熱され高温高圧の水蒸気の発生、それによりタービンが回る、という仕組みになっている。最新の火力発電所ではこの高温は約600℃となっている。また、発電とともに送電の技術も必要であり、電線にアルミ、ガイシに絶縁体などが用いられている。 「パワープラントと工場をつなぐ材料のサプライチェーンを辿ってみよう」「グループ名：アルミ班」「共著者名：佐藤優生、佐々木悠杜、HUYNHVINH KHANG」「役割：書記」。送電にかかわるものとしては、電線に用いられるアルミニウムなどがある。アルミニウムの物性は電気伝導性が3.77×10^7s/m、融点660℃、密度2.7g/cm^3であり、軽量、単色、加工しやすいという特徴を持っている。アルミニウムはボーキサイトの採掘から始まり、製造、流通を通して電線などに加工されている。 ユーティリティを正しく機能させるためには、それを供給する設備をしっかりと管理する必要がある。これがうまく機能しないと、工場の危機となるためメンテナンス、不具合等の点検、周囲環境の整備などが重要になる。きれいな水が必要な工業などでは、近辺の水の質を保つ必要があるなど、工場を正しく機能させるためにも第一に気を使わなくてはいけない項目であるとわかった。
A.講義ではまずソーラーパネルの仕組みについて調べ、晴天時に太陽から届く豊富な太陽エネルギーを活用する太陽光発電プラントが再生可能エネルギーの柱とされていることが分かりました。ソーラーパネル（太陽電池モジュール）で光エネルギーを電気に変換し、それを送電するためには、電線や電路用品などの高信頼な部材が不可欠です。次いで電力発電の動力として使われるものについて考えました。燃料として使われるものとして、電気、ガス、圧縮空気、水蒸気が挙げられました。 また、火力発電の仕組みについても調べ、ボイラーで熱された水蒸気でタービンを回すことが分かりました、また、 磁性材料、半導体が何かについても学びました。 発表では半導体に使われている材料とその物性を調べ、半導体材料として電気的機能性材料と光的機能性材料が調べられました。(グループ名：りかちゃむ 共同発表者 榎本理沙 川端萌菜 羽生胡桃 遠藤由里香 白坂茉莉香 電気的機能性材料はシリコンやガリウムが代表的で光的機能性材料にはインジウムガリウム亜鉛酸化物があり、これは高い透明度と電子移動度を持ちディスプレイに利用されているそうです。 バンドキャップは高いほど高温電圧耐性が上がり、移動性はキャリアの動きやすさ、熱伝導率は高い発熱を抑えられると言う特徴があることがわかりました。について議論しました。 復習として、太陽光の発電効率の上昇方法について学びました。太陽光を安定供給につなげるためには、パワーコンディショナや蓄電池、配電盤など、電子・電気機器全体の性能調和が必要です。そのすべてがJIS C規格に準拠し、設計・運用・保守に生かされています。
A.火力発電の最高温度は６００℃である。その発電過程は石炭を揚炭機で陸揚げや微粉砕され、ボイラーで燃焼する。ボイラー内のチューブ内を通過する水が熱されて高温高圧の水蒸気が作られる。その水蒸気によりタービン発電機が回されることで発電する。また、超臨界状態は期待と液体の区別ができない状態であり、これを越えると圧縮しても液体にならない。 ワークショップの演題は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であった。グループ名はサプライチェーンで共著者名は、笹原里音、山中麻央、渡辺陽菜、荒井巴瑠で、自分の役割として調査者であった。私たちの班は太陽光発電について取り上げて、これを支える化合物系の材料としてCu、Iu、Ga、Seが挙げられた。これらは、発電効率が低下しづらい利点があることが分かった。 復習として、製鉄所の発電工程と電力の関係を調べた。鹿島製鉄所では、製鉄工程で発生する副生ガスや重油・石炭を使って火力発電を行い、工場設備に電力を供給し、余剰分は家庭にも提供している。また、ごみ発電の採算を良くする方法も考えた。直接加熱方式発電は可燃ごみを燃焼して蒸気で発電する方法で、採算性向上にはごみ分別を徹底し燃焼効率を高めることが重要で、生活の中で実践可能な工夫であると考えられる。
A.１．スマートフォンから金属（レアメタルである金）を取り出す。→エネルギーが砂金から集めるより小さく済む。→このようなサプライチェーンが成り立つ。また、ユーティリティーとして、工場を稼働するのに必要なインフラは、水、電気、ガス、圧縮空気、水蒸気とボイラー、火力、水力、原子力、太陽光が挙げられる。 火力発電所は、温度が高いほど効率がよくなるが、ランキンサイクルから見るように、超臨界状態は反応性が非常に高いため、今以上に効率を上げようとすると、配管が耐えられなくなる。また、何でもかんでも温度を上げるだけではだめで、不純物を取り除かないといけない。 ２．私たちのグループでは、グループ名を一番前として、タービンのサプライチェーンについて、調査しディスカッションした。タービンは、いくつかの部品から構成され、その原料として使用される金属はニッケル基超合金であった。これは、高温での強度に優れている。今回は高温での耐久力が高いタービンを調べたが、議論で出た話として、他にどのような種類があるのか、原料は違うのかなどが出た。 ３．発電機に使われる磁石について調査した。よく使われるのは、フェライト系であり、その種類は、常磁性体、強磁性体、フェリ磁性体に分けられる。これらは電子の向きによって分けられている。
A.①ユーティリティとは工場やプラントの運転に必要な電力、水、ガス、空気、蒸気などのことをいう。水力や太陽光は再生可能エネルギーといわれ、火力、原子は枯渇エネルギーといわれる。火力発電は装置としてボイラーを用いる。また、燃料は石炭である。 磁性材料には大きく分けて常磁性体、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体がある。また、ハード磁性材料はえいきゅうじせきとして小型モーターなどに利用される。酸化物系と金属系に分される。ソフト磁性材料は保持力が小さく透磁率も高い。磁気ヘッド、トランスの鉄心、磁気ディスクのための磁性材料として利用される。これは金属系と酸化物系に分類される。 ②発表では、発電について変圧器鉄心を調査した。使用される磁性材料はケイ素鋼である。ケイ素鋼の主成分は鉄とケイ素である。特性として、高い飽和磁束密度と安価で加工性が良いことが挙げられる。 ③復習では、ガイシについて詳しく調査した。ガイシとは電気を送る際に電線とそれを支える柱や鉄塔などを絶縁するために使われる器具のことである。ガイシの主成分として長石質磁器、アルミナ質磁器、ガラスが挙げられる。
A.
A. 今回の授業ではユーティリティ（用水・電気・ガス・圧縮空気・水蒸気）について学び、石炭を用いた発電の仕組みを理解した。石炭をボイラーで燃焼し蒸気を発生させ、蒸気タービンを回して発電する。復水器で海水を用いて温度調整を行う。発電方式には超臨界発電もあり、液体と気体の区別がつかない状態で高効率を実現する。これらはランキンサイクルと呼ばれる熱力学サイクルに分類される。 今回は半導体材料について調べた。半導体の物性としてバンドギャップが高いほど高温高電圧耐性が高いというのがあげられる。また、キャリアの動きやすさを示す移動性や、高いと発熱を抑えられる熱伝導性などを持つ。半導体材料のうちの1つ目は電気的機能性材料である。例として、シリコンやガリウムヒ素があげられる。2つ目は光機能性材料である。具体的にはインジウムガリウム亜鉛酸化物が挙げられる。 ガスタービンサイクルは高温高圧の燃焼ガスでタービンを回す方式で、航空機や一部の発電所に用いられる。ディーゼル発電は内燃機関で発電する方式で、小規模施設や非常用電源に適している。燃料電池は化学反応で直接電気を得る高効率な方式で、水素社会の中核技術として注目される。さらに、太陽光や風力などの再生可能エネルギーも、熱サイクルを介さず直接電力を得る非熱機関型発電として重要である。
A.①今回の講義では、地球に降り注ぐ太陽の恵み、すなわち1キロワット毎平米という膨大なエネルギーが、いかにして私たちの生活を支えるエネルギープラントで活用されるかを学びました。エネルギーの用益を最大化するため、特に火力発電における最高効率の追求が重要となります。その鍵となるのが、水が液体と気体の区別なく振る舞う超臨界状態を利用した発電技術です。これにより、従来のランキンサイクルの効率が飛躍的に向上します。また、ガスタービンなどで用いられるブレイトンサイクルも、熱エネルギーを電力に変換する重要な熱力学サイクルとして紹介されました。 ②太陽がもたらす1キロワット毎平米のエネルギーを電力に変換する上で、シリコンは極めて重要な材料です。シリコンの製造は、主に石英を高温で還元して粗シリコンを得ることから始まり、これをさらに精製して高純度の多結晶シリコンを作り出します。この高純度シリコンは、太陽光発電パネルの太陽電池や、あらゆる電子機器の頭脳である半導体の基板として広く使用されています。エネルギープラントの効率向上や、再生可能エネルギーの普及において、シリコンの製造技術と応用は不可欠な要素となっています。 ③今回の講義で復習すべきは、まず太陽から得られるエネルギーがエネルギープラントでいかに利用されるか、その用益を理解することです。次に、電力供給の主要な手段である火力発電の仕組みと、その最高効率を追求するための技術、特に超臨界状態の概念を深く理解する必要があります。さらに、発電の根幹をなす熱力学サイクルであるランキンサイクルとブレイトンサイクルの基本的な原理と違いを整理することが、この分野の理解を深める上で不可欠となります。
A. 第8回のテーマは「太陽がくれた１キロワット毎平米―エネルギープラントー」であった。その中でも「ユーティリティー」について学んだ。ユーティリティーの例として、電気、ガス、圧縮空気、水蒸気などがあげられる。また、電気について詳しく学んだ。火力発電に使用されている機械としてボイラーやタービンがある。ボイラー内は超臨界圧になっており、温度は５４０~５６５℃である。 第8回のテーマは「太陽がくれた１キロワット毎平米―エネルギープラントー」であった。その中でも「ユーティリティー」について学んだ。ユーティリティーの例として、電気、ガス、圧縮空気、水蒸気などがあげられる。また、電気について詳しく学んだ。火力発電に使用されている機械としてボイラーやタービンがある。ボイラー内は超臨界圧になっており、温度は５４０~５６５℃である。 第8回のテーマは「太陽がくれた１キロワット毎平米―エネルギープラントー」であった。その中でも「ユーティリティー」について学んだ。ユーティリティーの例として、電気、ガス、圧縮空気、水蒸気などがあげられる。また、電気について詳しく学んだ。火力発電に使用されている機械としてボイラーやタービンがある。ボイラー内は超臨界圧になっており、温度は５４０~５６５℃である。
A.①ユーティリティとは水、電気、燃料、空気、水蒸気(ボイラーで沸かす)などを居給する設備のことである。この中の水力、太陽光は再生可能エネルギーと言われている。火力、原子力は出力を自由にコントロールすることができるため、水力と太陽光などの再生可能エネルギーであるが枯渇したときに補うことができる。電気は貯めることができないためこのように再生可能エネルギーと組み合わせる必要がある。 ②グループワークでは電気のサプライチェーンに関連した機能性材料として半導体材料を選んだ。例として電気的機能性材料としてシリコン、ガリウム砒素がある。シリコンはトランジスタ、ダイオード、ICに使われ、ガリウム砒素は高速電子デバイス、LEDに使われる。また、光的機能性材料としてIGZO(インジウム・ガリウム・亜鉛・酸化物)がある。これは高い透明性と電子移動性を持ちディスプレイに使用される。 ③半導体材料にシリコンが使われる理由を調べた。理由は4つある。1つ目は、シリコンは地球上で酸素に次いで豊富であり、安価で供給が安定していることである。二つ目は、高純度化が可能であり半導体性能の安定性と信頼性が確保されていることである。3つ目は酸化膜を自然に形成することで絶縁膜として機能することである。4つ目は不純物を添加することで性質を制御することができ、p型・n型半導体の形成が容易であることである。これらの特性が評価されシリコンが半導体に使われている。
A.１．火力発電の設備と仕組みについて学んだ。最新工業化学79-80ページによると、まずボイラーで 微粉砕された石炭を燃焼し、水を加熱する。これにより、高温高圧の水蒸気を発生させ、これをタービンに吹き付けることでタービンを回し、発電することができる。水蒸気は海水によって冷却されて復水器に貯められ、この火力発電設備を循環する。これをランキンサイクルという。半導体の製造に、火力発電で生産された多量の電力が使われており、二酸化炭素の排出の問題が生じている。 ２．演題：パワープラントを支える材料のサプライチェーン 共著者：永井日奈、山?紀々香、山根寿々、金子乃々楓、向田有稀 自身の役割：書記 半導体材料であるシリコンを選んだ。シリコンは太陽光発電パネルやICチップに使われている。次に、製造プロセスを調査した。まず、シリコンはSiO2（石英）からつくられ、これを高純度化する。そしてインゴット引き上げを行い、ウェハー製造や加工を経て製品が完成する。 ３．シリコン製造工程では、およそ200-300kWh/kgのエネルギーを消費することがわかった。さらに、この過程で使用するほとんどの電力は火力発電によって生み出されたものであることがわかった。今後、産業の発展や技術革新に伴って二酸化炭素排出量がさらに増加していくと考えられる。各企業は、新しい技術を生み出す際に環境問題との両立をはかりつつ開発を進めていく必要があると感じた。
A.工場を稼働させるには、水や電気、ガス、蒸気、圧縮空気などのユーティリティが不可欠である。発電は、石炭などを利用する火力発電、水力、原子力、太陽光などがあり、火力や原子力は枯渇資源、水力や太陽光は再生可能エネルギーを用いている。多くの工場は自家発電設備として火力発電プラントを所有しており、その稼働には低熱源として海水が必要となる。火力発電はランキンサイクルで計算される外燃機関であり、電磁誘導の法則を利用した発電機で電力が作られる。発電所のモーターにはフェライト磁石が使われている。発電された電力は、ロスを減らすために高電圧の交流で送電される。送電線にはガイシが用いられ、電柱にはコンクリートなどの構造材料が使われている。固体同士の接合には点接触で隙間が生じるが、その隙間を埋めるための技術はコストが高くなる傾向にある。誘電体の一種である焦電体は、人感センサーなどに利用されている。 変圧器とは、交流電流の電圧を上下させることで、発電機から家庭や工場などに送電を可能にする機会である。コアにはケイ素・銅板、コイルに銅、絶縁体にアルミナやセラミックを利用して作られている。
A.①今回の授業では、まずユーティリティについて学んだ。ユーティリティとは、設備に必要なものとして考えられる。続いて発電について考え、電気は保存できない資源であるため、太陽光など日照時間に左右される発電に比べ、火力発電は安定して電力を供給できるため、現代ではよく使われている。また、超臨界状態とは、液体とも気体とも区別がつかない状態であり、超臨界状態の水が火力発電に使われている。また、ランキンサイクルとは、熱を機械的仕事に変換する熱力学サイクルの一つである。また磁気機能性材料について学んだ。磁性体には、常磁性体、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体という種類がある。 ② グループワークでは電気のサプライチェーンに関連した機能性材料として半導体材料を選んだ。例として電気的機能性材料としてシリコン、ガリウム砒素がある。シリコンはトランジスタ、ダイオード、ICに使われ、ガリウム砒素は高速電子デバイス、LEDに使われる。また、光的機能性材料としてIGZO(インジウム・ガリウム・亜鉛・酸化物)がある。これは高い透明性と電子移動性を持ちディスプレイに使用される。 ③今回の授業では、初めにユーティリティと言う単語について復習する。ユーティリティとは、水、燃料、空気、水蒸気などを供給する設備のことを言う。水力原子力は出力を自由にコントロールすることができる。一方、水力や太陽光などの再生可能エネルギーは枯渇するエネルギーである。そのため現代は火力発電が多く使われている。また磁性材料について復習する。電気誘導の法則は磁石が使われており、これは磁性材料である。
A. ユーティリティとは有用性、役に立つ性質のことである。ユーティリティ設備とは、プラントを稼働させるために必要であるものを供給するための設備のことを言う。工業の観点では、用水、電気、燃料、圧縮空気、スチーム、ボイラーなどが挙げられる。 火力発電について、石炭が揚炭機で陸揚げされ、微粉砕してボイラーで燃焼される。ボイラー内のチューブ中を通る水が加熱され、高温高圧の水蒸気が作られる。この水蒸気が、タービン発電機が回され、発電される。海水は低熱源として、必要であり、水蒸気が冷やされる。よって、火力発電は海沿いに多い。 臨界とは、物質が固体、液体、気体の境界において、特定の温度と圧力で存在する特異な点である。液体と気体の区別がなくなると、物質が超臨界流体として存在する。 ランキンサイクルとは蒸気を用いて、電気を発生させる時に利用される熱サイクルのことを言う。 常磁性体は磁性原子、イオン、分子間に働く相互作用に基づく、スピン配列の様式によって変わる。主に、強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体に分離できる。 実用磁性材料として、軟鉄、ケイ素銅、パーマロイなどが挙げられる。 常誘電体とは、電場を取り去ると分極が消失するものである。圧電体とは、圧力を印加すると分極するものである。焦電体とは、温度を変化させると分極するものである。強誘電体とは、電場の印加によって、その方向に自発電極するものである。 グループワークでは火力発電のサプライチェーンについて取り上げた。石炭から始まり、コークス炉を通過し、コークス、鉄鉱石まで加工するということが調査して分かった。
A. ① 今の日本では発電方法として、太陽光、水力、風力、火力発電が中心になっている。しかし、太陽光、水力、風力発電は電力が安定しないため、必要な時に必要な分電力を供給できる火力発電がメインになっている。そんな火力発電の原理は、石炭や石油を用いてボイラーに火をつけ、高温高圧の水蒸気を発生させることでタービンを回し、発電し、石炭灰を生成する。この時発生した蒸気は、復水器内で海水などに冷やされ水に戻る。 ② グループでは、パワープラントを支える材料のサプライチェーンとして、送電線のサプライチェーンを調査した。送電線は、アルミ線束の中心に少量の銅線束が存在する構造をとっており、アルミ線は、ボーキサイトを表晶析とともに溶かしたのち、融解塩電解によって、得られたアルミを細く延ばすことで得られ、銅線は、黄銅鉱をコークス、石灰石とともに炉に加え加熱して得られた粗銅を電気分解することで、得られる銅を細く延ばすことで得られる。 ③ 復習として、ランキンサイクルとブレイトンサイクルの違いについて調査を行った。ランキンサイクルは、外部から得た熱を用いて水を加熱し得られた水蒸気によってタービンを回すのに対して、ブレイストンサイクルは、内部に高速の気体を通過させることでタービンを回すことを学んだ。つまり、ランキンサイクルは外部からの熱をエネルギーに変え、ブレイストンサイクルは、外部からの風の運動」をエネルギーに変える点が異なっているのだと考えた。
A.発電の1つとして火力発電のプラント図を調べた。火力発電のプラントは燃やすボイラー、それから生じた水蒸気で回す蒸気タービン、蒸気を液体にする復水器から成り立っており、水が沸騰せずにいられるギリギリの温度こと超臨界温度こと600℃で加熱する。超臨界は圧力と温度が高い状態でなる固体とも液体とも言えない状態を指し、反応性が高いため腐食性が高く溶かしこむ力が強いため周りも溶かしてしまうことから純度が高いまま保つのにコストがかかるとされている。 演習で電気のサプライチェーンに関連した磁性材料、導電材料、絶縁材料、半導体材料のような機能性材料をひとつ選び、機能性材料と材料と物性について調べた。機能性材料として銅を上げた。銅は高い電気伝導性・機械的強度・柔軟性・腐食耐性といった性質を持つことがわかった。 別の演習で製鉄所、 石油化学工場、 製紙工場などの発電設備を持つ工場をひとつえらび、その工場の工程と電力の関係について調べるものがあった。工場として製鉄工場を取り上げた。製鉄工場ではコークスを作る操作で送風発電を行なって生成ガスを共同火力発電所で使い、昼間の高負荷時は電力会社に送電し夜間の低負荷時は電力会社から受け取っているとあった。
A.
A. ユーティリティーについて学んだ。ユーティリティーとは工場を作るうえで設備として必要なものであり、ガスや電気、水蒸気などがある。また、石炭火力発電所の設備としくみについても学んだ。石炭をボイラーで燃やしたときに水が過熱されて水蒸気になることで、蒸気タービンが回され発電されている。燃やした石炭は石膏やセメントに有効利用されている。火力発電のタービンの温度は600℃で圧力は24.5MPaである。それから、磁性材料について学んだ。磁性材料にはハード磁性材料やソフト磁性材料がある。発電機にはフェライト系が良く使われていることが分かった。 グループで議論した演題は、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で、グループ名はあふこでメンバーは近ありす、大濱風花、立花小春であった。自分の役割は、発言であった。私たちのグループはタービンについて調べた。タービンは、蒸気が持つ熱エネルギーを回転運動のエネルギーに変換し、機械的仕事へと変化している。ガスタービン用耐熱剤は、Ni基と超合金にAlとTiを足して、向凝固合金や単結晶合金が開発され、高温強度が向上したと調べることができた。 発電に関わる工業製品として、蒸気タービンを選んだ。蒸気タービンは蒸気が持ち熱エネルギーを回転運動のエネルギーへと変えて機械的仕事へと変換する装置のことである。ボイラーで燃料を燃やし、その熱で水を蒸気にする。ボイラーで発生したこの蒸気でタービンを回転させ、発電機から電気を得る。タービンは耐熱材料が使用されていて、Ni基超合金にAl、Tiを添加すると強度改善が進み、活性元素の多量添加で恒温強度が飛躍的に向上した。一方凝固合金や、単結晶合金が開発されて恒温強度はさらに向上している。ニッケル基超合金は極めて高い耐久性と耐高温性であり、過酷な使用環境に直面する分野で使用されている。ニッケル基超合金はニッケル、クロム、コバルト、モリブデン、アルミニウムを主成分とし、チタン、タングステン、レニウムなどの他の元素が添加されている。組成は特定の合金とその用途によって大きく異なる。
A.①テーマは太陽光を中心としたエネルギーについてである。工場におけるユーティリティには用水、電気、ガス、圧縮空気、水蒸気がある。火力発電や原子力発電は枯渇性エネルギーが用いられていて、ボイラーで熱せられた水蒸気がタービンを回すことで発電している。このような、蒸気サイクルをランキンサイクルという。また、太陽電池はn型とp型シリコン半導体を貼り合わせた素子に太陽光が当たると、固体素子の中で光エネルギーを電気エネルギーに変換することで電気を発生させている。 ②パワープラントを支える材料のサプライチェーンの発表では、鉄鋼を選んだ。グループ名は後ろで、グループのメンバーは私を含めて前田悠斗、久保明裕、長橋昂汰、須藤春翔であり、私の役割は調査であった。鉄鋼は鉄鉱石をスクラップし、製銑、溶解、製鋼、鋳造、圧延、鋳造を経て製造されていることが調べられた。 ③08Y【平常演習】「工場のユーティリティと社会インフラを支える材料ついて議論してみよう」で取り組んだ内容を次に示す。ユーティリティと社会インフラを支える材料としては、コンクリートや鋼材などがある。今後の在り方としては、より耐久性が高い新素材の研究が進み少しずつ既存のものと置き換わっていく、または組み合わされていくだろう。また、製造時に排出される二酸化炭素の量が少ない材料や、繰り返しリサイクルが可能な材料の開発も進んでいくだろう。
A.?石炭火力・水力・原子力・太陽光発電の特徴、臨界点やランキンサイクルの原理、発電から送電までの設備構成を学び、?各発電方式のエネルギー効率と設備概要を図表で発表し、?臨界点の性質とサイクル効率比較を復習しました。
A.① 工場やプラントの運転には、電気・水・ガス・蒸気・圧縮空気といった「ユーティリティ」が欠かせない。発電方法には主に火力、水力、原子力、太陽光などがあり、このうち火力と原子力は枯渇性資源に、太陽光や水力は再生可能エネルギーに分類される。火力発電では、燃料を燃やして発生させた高温の蒸気を用いてタービンを回し、電気を生み出す。冷却には海水などが用いられ、燃焼後に出る石炭灰はセメント原料として再利用される。発電や送電の技術には、エネルギー効率の向上やリサイクルの視点も求められている。 ② 送電に用いられる「変圧器鉄心」に注目し、磁性材料として使われているケイ素鋼について調査を行った。ケイ素鋼は、鉄にケイ素を添加した合金で、磁気特性に優れ、加工もしやすく、コスト面でも優れている。発電所での電力は高電圧に変換して送電され、これにより電力損失を抑えて広範囲への供給が可能になる。 ③ 「ガイシ」と呼ばれる送電設備に必要な絶縁部品について調べた。ガイシは送電線を支える柱との間に絶縁性を確保する役割を持ち、主にアルミナ質磁器やガラス、長石質磁器などの材料で作られる。さらに、発電やモーターに使われる磁性材料の種類として、常磁性体・強磁性体・反強磁性体・フェリ磁性体などがあり、それぞれの特性によって用途が分かれている。 また、変圧器の構造には鉄・銅・セラミックなど多様な材料が用いられており、これらの素材選定は絶縁性や耐熱性、コスト面も含めた工業設計の重要な要素となっている。
A.?ユーティリティとは、プラントを稼働させるために必要な電気、水、蒸気、空気、ガス、熱媒、窒素などの供給設備を指します。これらのエネルギー源には火力、水力、原子力、太陽光などがあり、再生可能資源の活用が重要視されています。発電にはランキンサイクルや電磁誘導の法則が関与し、特に超臨界流体は高温高圧下で特異な性質を持ち、反応性や耐食性に優れています。磁性材料は常磁性、強磁性、反強磁性、フェリ磁性に分類され、ハード磁性材料は永久磁石に、ソフト磁性材料は磁気ディスクなどに使用されます。また、電気を流さない誘電体にもさまざまな性質があり、圧電体や焦電体、強誘電体はセンサーや電子材料に活用されています。太陽からは1.3kW/m?のエネルギーが注がれ、太陽光発電として活用されるなど、持続可能なエネルギー利用が今後の鍵となります。 ?「工場内の発電設備について」 サプライチェーン 山中麻央(執筆)、荒井巴瑠、渡邉陽菜、青木優菜、笹原里音 太陽光発電に着目した。太陽光発電は化合物系(Cu,In,Ga,Se)を含んでおり、変換効率が低下しづらい利点がある。 ?発電設備を持つ工場として製鉄所を選んだ。その中でも日本製鉄を例として説明する。日本製鉄などの製鉄所は大量のエネルギーを必要とするため、自社内に大規模な発電設備を持っている。製鉄工程では、鉄鉱石やコークスを用いて高炉で銑鉄を生産し、その後転炉で鋼に精錬し、圧延や表面処理を行う。これらの工程は多くの電力と熱エネルギーを消費するが、製鉄所では副産物として発生する高炉ガスや転炉ガス、コークス炉ガスを回収し、ボイラーで燃焼させ蒸気を発生させることでタービンを回して自家発電を行っている。また、高温の排ガスや廃熱を利用した廃熱回収発電も導入しており、燃料投入なしで熱エネルギーを電力に変換している。こうして発電した電力は主に製鉄所内の各工程で使用されるが、工場の稼働状況により余剰電力が発生すると、その分を電力会社に供給して売電している。このように、製鉄所は製造現場での電力需要に応じて効率的にエネルギーを自給自足しつつ、環境負荷の低減と収益向上を両立させている。つまり、製鉄所は単なる製造工場であると同時に、自家発電所としても機能している。
A. 私たちが生活していく上で必ず欠かせない電気・ガス・水道などのエネルギー消費に対してエネルギーの生産では石炭から石油・電気へと形態変化していったことを学びました。太陽光発電は再生可能エネルギーで火力発電と原子発電は枯渇状態にあります。またランキンサイクルや外燃機関・電磁誘導の仕組み、半導体・絶縁体などについても学びました。 グループワークでは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議論しました。私たちのグループでは太陽光発電について調べました。太陽光発電の化合物系はCu、In、Ga、Seで変換効率が低下しずらいという利点があることがわかりました。 今回の講義を通して、エネルギー資源は無限ではなく有限なため、私たちが生活していく上で欠かせないエネルギーをどのように供給させていくのか、エネルギー資源が枯渇しないために今の私たちにできることは何なのか、今後のエネルギー資源問題にきちんと向き合っていくべきだと考えました。
A.現代のエネルギー社会を支えるには、熱・電気・光・磁気といったさまざまな物理現象を理解し、それを応用した材料・デバイスが必要である。たとえば、超臨界状態とは、物質が臨界温度と臨界圧力を超え、液体と気体の区別がなくなった状態である。超臨界水は、溶解力が高く、廃棄物処理やエネルギー変換に応用される。火力発電などで用いられるランキンサイクルは、熱エネルギーを蒸気としてタービンで回収し、仕事に変える熱力学サイクルである。超臨界水を用いることで効率を向上させた超臨界ランキンサイクルも開発されている。一方、電気や磁気の性質を制御する材料も重要である。磁性体は磁石の性質を持つ物質で、その内部は磁区と呼ばれる微小領域に分かれており、それぞれに磁化の向きが揃っている。外部磁場により磁区の配向が変化することで、永久磁石や磁気記録などに応用される。電力設備にはガイシと呼ばれるセラミック部品が使われる。これは絶縁体であり、送電線と鉄塔の間で高電圧でも電気が漏れないようにする役割を持つ。また、温度変化で電圧を生じる焦電体は、赤外線センサーや温度検知デバイスに使われる。これは結晶構造の変化によって生じる電位差を利用したものだ。近年では、再生可能エネルギーとして太陽光発電が注目されている。太陽光発電素子は、主にシリコンなどの半導体を用い、太陽光のエネルギーで電子を励起し、電流として取り出す技術である。これにより持続可能なクリーンエネルギーの供給が可能となっている。
A.
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大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
