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案A 002a
基礎からわかる東大教養の講義鳥居寛之 小豆川勝見 渡辺雄一郎
著
中川恵一執筆協力
放射線科学的に理解する
を放射線
基礎からわかる東大教養の講義
案A 002b
鳥居寛之 小豆川勝見 渡辺雄一郎著
鳥居寛之 小豆川勝見 渡辺雄一郎著
中川恵一執筆協力
放射線科学的に理解する
を放射線放射線
多種多様なエネルギー 化石燃料と火力、熱機関 再生可能エネルギー 太陽光・風力・水力・地熱ほか
放射線と原子核エネルギー 放射線の物理/化学/生物学 原子力と核融合 エネルギー工学と物理学
東京農工大学工学部 物理システム工学科ほか ３年生ほか対象
東京農工大学非常勤講師（東京大学 教養学部／大学院総合文化研究科）
2014 / 11 / 18（火）
エネルギー科学
東京農工大学工学部2014年度 後学期
第６回 熱機関とヒートポンプ熱力学の応用。エンタルピーとエクセルギー、冷暖房の賢い利用法、
地熱・太陽熱による発電や熱利用、バイナリー発電鳥居 寛之 (Hiroyuki A. TORII)
1. エネルギー科学概論：エネルギー工学と物理学、エネルギーの種類、エネルギー需給。2. 化石燃料と火力：動力と発電、蒸気機関とガスタービン、石炭・石油・天然ガス・シェールガス。3. CO2 と地球温暖化：地球のエネルギー収支、二酸化炭素の回収貯留、バイオマス。4. 太陽光：地球を育む太陽の恵み、太陽のエネルギーとスペクトル、太陽電池と太陽光発電、固定価格買取制度。5. 風力・水力：風力発電、ダムと水力、小水力発電、潮力発電など。発送電問題も。6. 熱機関とヒートポンプ：熱力学の応用。エンタルピーとエクセルギー、冷暖房の賢い利用法、 地熱・太陽熱による発電や熱利用、バイナリー発電など。7. エネルギーの効率的利用： 燃料電池と水素社会、コジェネレーション、次世代自動車、揚水発電。エネルギー政策。 8. 放射線と放射能の基礎：放射線の種類、放射性崩壊、身の回りの自然放射線。9. 放射線物理学・放射線化学：放射線と物質（原子・分子）との相互作用。10. 放射線計測学・環境放射化学： 放射線の単位と測定原理（空間線量・土壌／食品検査）、福島原発事故と環境汚染問題。11. 放射線生物学・放射線防護学・リスクコミュニケーション： 放射線の細胞への影響、人体への影響、防護の考え方、リスクの理解（放射線は安全か危険か、怖くないのか）。12. 原子核物理学： 原子核の構造と安定性、強い相互作用と弱い相互作用、中性子の性質と反応、核分裂反応と原子力発電の原理。13. 原子力工学： 原子炉の仕組み、臨界、核燃料の冷却、原子力事故、高速増殖炉、核燃料サイクル、高レベル放射性廃棄物処理問題。14. 核融合：核融合の原理と課題、プラズマ物理学入門、ITER 計画。15. 期末試験 および 講義のまとめ
「エネルギー科学」講義内容10/ 710/1410/28 11/25 12/ 212/ 912/16 1/ 6 1/13 1/20 1/27 2/ 3
11/ 411/11 11/18
10/21 は休講
補講日
冷暖房の賢い利用法
灯油
灯油
家庭部門
エネルギー消費
Cf. 一次エネルギー供給：21,000 PJ
15℃の水から 65℃のコップ１杯 (200 g) のお湯を沸かすのに必要なエネルギーは？水の比熱は 1 cal / (K g) = 4.2 J / (K g)
熱力学：給湯
200 g × (60 – 15) K × 4.2 J / (K g) = 38 kJ
もっといい方法はないか？
Carnot cycle W = QH – QL
TH = 333 K
TL = 288 Kη = 1 – ––––––––– = 0.14
333 – 288
333
η–1 = ––– = 7.4QH
W
inverseCarnot cycle
V
pT = TH = const.
T = TL = const.
QH
QL
Q=0Q=0
A
B
C
DW
V
pT = TH = const.
T = TL = const.
QH
QL
Q=0Q=0
A
B
C
DW η = ––– = ––––––– = 1 – ––– = 1 – –––
QH – QLWQH QH QH
QL
TH
TL
(heat pump) 投入した仕事量 W の 6.4 倍（理想値）の熱量を、環境温度の低温熱源からただで手に入れることができる。
V
pT = TH = const.
T = TL = const.
QH
QL
Q=0Q=0
A
B
C
DW
S
TT = TH = const.
T = TL = const.
QH
QL
Q=0Q=0
A B
CD
WS = const.S = const.
ΔS = –––dQT∫ Entropy エントロピー
inverseCarnot cycle
heat pump
dQ = T dS
エアコンのエネルギー効率は 100% を超えている。成績係数 COP (Coefficient of Performance) で評価する。
熱力学：冷暖房
QH = 35˚C, QL = 27˚C COPc = ––––––––– = 37.5300
308 – 300
inverseCarnot cycle
V
pT = TH = const.
T = TL = const.
QH
QL
Q=0Q=0
A
B
C
DW
COPc = ––– = –––––––TL
TH – TL
QL
W
COPh = ––– = –––––––TH
TH – TL
QH
W= COPc + 1
heat pump
冷房運転
暖房運転 QH = 20˚C, QL = 7˚C COPh = ––––––––– = 22.5293
293 – 280
逆カルノーサイクルヒートポンプの理想値
蒸気圧縮式ヒートポンプの実現値 家庭用エアコン（現行市販製品）の場合 COP = 5~7.
COP
エアコンのしくみと効率
地中熱利用ヒートポンプ
暖房運転
除霜運転が不要
外気より高い温度の地中熱を熱源
冷房運転
ヒートアイランド現象の抑制
外気より低い温度の地中熱を排熱源
高効率高効率
100~150 m のボーリング：コストがかかる 北海道・東北を中心に日本で 1000件ほどの導入実績
発電効率が 45%, 電力の伝送損失分が 5%、正味 40% とする。ヒートポンプの COP = 3 だとすると、
ガスを燃焼させて熱を直接利用する場合一次燃料 100 に対し、ボイラー損失 5~10%、利用可能熱量は 90~95.
火力発電による電気でヒートポンプを運転する場合
一次燃料 100 に対し、ヒートポンプのモーター動力 40
＋ 外気から汲み出す低温熱量 80 ＝ 合計 120.
ヒートポンプを使った方が、 省エネ（資源の節約）になる 一次燃料の使用を抑える コストも安く済むことが期待できる CO2 の排出を減らせる
エコキュートCO2 を作動媒体とする給湯用ヒートポンプ
Enthalpy & Exergy
エネルギーを節約する？エネルギーは保存する！使えるエネルギーと使えないエネルギー exergy = available energy, vs. anergy
熱力学第２法則（エントロピー増大の原理）
動力
電力
熱エネルギー
運動エネルギー
電気エネルギー
熱機関・エンジン・タービン
発電機
ヒートポンプ
モ
タ
ー ー
熱
変換効率温度差
エネルギーの語源エネルギー < (D) Energie < (F) énergie < (LL) energia
< (Gk) enérgeia = ἐνέργεια < ἐν + ἔργον (in work)
エクセルギーの語源エクセルギー < ex- + -ergy
エクセルギー (exergy)
ある温度，圧力にある一定量の物質が、与えられた環境において原理的に発生できる仕事量の上限（最大仕事）。これは環境と熱平衡にある状態からその状態にもってくるのに必要な最小仕事に等しいが、エネルギー利用の見地から、物質中に蓄えられている利用可能なエネルギーという工学的な概念として使われる。
(1956)
η(Carnot) = ––– = ––––––– = 1 – ––– = 1 – –––QH – QLW
QH QH QH
QL
TH
TL
( )1 – ––TT0W = Q
T0 = 298 K (25˚C)：環境温度
( )1 – ––TT0Q = Q + –– QT0
Tエクセルギー
有効エネルギーアネルギー無効エネルギー
η(Carnot) = ––– = ––––––– = 1 – ––– = 1 – –––QH – QLW
QH QH QH
QL
TH
TL
( )1 – ––TT0W = Q T0 = 298 K (25˚C)：環境温度
ガスストーブ（火炎温度 2000 K）で部屋を暖房する（利用温度 37˚C、周囲温度 25˚C）場合のエクセルギー効率を求めよ。熱損失はない（つまりエネルギー効率は 100%）とする。
W(2000K) = Q ( )1 – –––––––2000 K298 K
W( 310K) = Q ( )1 – ––––––– 310 K298 K
ε = ––––––– = 4.5%W( 310K)
W(2000K)
= 0.85 Q
= 0.04 Q 37˚C では exergy は energy のわずか 4%（環境温度 25˚C を基準として）
エクセルギー効率
熱源温度と利用温度が違いすぎるので、エクセルギーを無駄にしている。温度差を利用して熱機関を動かせば、遥かに効率の良いエネルギー利用ができる。高温の熱源は、高温のまま利用すべき。
熱源の熱を利用する系
温度が変化する場合
エクセルギー
エネルギー アネルギー
定圧過程では
W = ΔU – T0 ΔS + pV = ΔH – T0 ΔS
H = U + pV
エクセルギー
エンタルピー アネルギー
Enthalpy エンタルピー
定積過程では ΔS = –––dQT∫ Entropy エントロピー
エネルギー変換機 エネルギー効率 エクセルギー効率
火力発電所（蒸気タービン）石炭 ⇒ 電力
ca. 40%ca. 80%
捨てるのは主に低温の温水（質の低い熱エネルギー）
家庭用湯沸かし器（風呂給湯）都市ガス ⇒ お湯
90% +10~20%
燃焼温度と利用温度に大きな差
エネルギー効率とエクセルギー効率
高エネルギー加速器研究機構 技術セミナー (2014) での (株)ゼネシス エンジニアリングG 岡村盡 氏のスライド「未利�用用熱利�用用とバイナリー発電」から表を借用。一部改変。
高温の熱源は、高温のまま利用すべき。
熱の段階的（カスケード）利用環境温度から離れるほど、エクセルギー（有効エネルギー）は大きくなり、エネルギーの質が高くなる。
都市ガスを燃やして風呂を沸かすのはエクセルギーの無駄使い！⇒ ヒートポンプを使ったほうが効率がよい。
冷熱の利用も同様。 火力発電の燃焼温度の上昇とともに発電効率が向上してきた。
高温ほど効率が高い
低温廃熱の利用
熱い温泉に水を混ぜて適温の湯を作るのは無駄！⇒ 温度差を利用して発電できる。
Combined cycle
発電効率：ガスタービン のみ 30 – 40%
蒸気タービン のみ 40% +
コンバインドサイクル 50 – 60%
ガスタービンの排熱で水蒸気タービンを回す
発電機のエネルギー変換効率（力学的エネ → 電気エネ）= 98 – 99%
1300 – 1500˚C ⇒ 入口：ガスタービン：出口 ⇒ 600 – 800˚C
さらに低温蒸気の熱も利用したい。
ブレイトン・ランキン複合サイクルの T-S 線図
Rankine cycle
Brayton cycle
飽和水蒸気線
飽和液線
S
TQBin
QBout
WB
WR
QRin
QRout
放熱量
地熱発電・太陽熱発電
原子物理学、物性物理学すべての化学反応 燃焼、電気化学、生体内反応
electromagnetic force
strong interactionweak interaction
gravity
非常に弱い地球上で重要天体間では支配的
原子核物理学（核力） α 崩壊素粒子物理学
原子核物理学 β 崩壊素粒子物理学
量子色力学(QCD)Quantum Chromodynamics
量子電磁力学(QED)Quantum Electrodynamics
������
電弱統一理論Electroweak theory
電弱統一理論Electroweak theory
ニュートン力学Mechanics (Newton)
一般相対性理論General Relativity (Einstein)
水力
������
核融合太陽
太陽光火力
電気
自然界の４つの力
地熱の主な源
原子力
熱
エネルギー源
動力
電力
熱エネルギー
原子核エネルギー
運動エネルギー
光エネルギー
化学エネルギー
位置エネルギー
運動エネルギー
電気エネルギー
熱エネルギー
熱利用
太陽光
地熱
太陽
地球マントル
太陽電池
水力
風力
位置エネルギー
月の重力
潮汐力
潮力
化石燃料、バイオマス
火力 (燃焼) 熱機関・エンジン・タービン
原子力
燃料電池 発電機
モ
タ
ー ー
水力
風力電熱器太陽
熱
熱電発電
地熱
エネルギー利用
電灯
光合成
水素
電気分解
ヒートポンプ
地熱
発電
地熱発電
地熱発電
シングルフラッシュ方式
シングルフラッシュ方式で分離した熱水をさらに減圧して低圧の蒸気を作り、発電に利用する方式。
生産井（蒸気井）によって地下深部の地熱貯留層から取り出した地熱流体を気水分離器で蒸気と熱水とに分離する。
ダブルフラッシュ方式
ドライスチーム方式噴出する地熱流体が天然の乾燥蒸気のみの場合。
地熱貯留層から取り出した蒸気でタービンを回し発電する。温水は還元井により地中に戻す。
高温岩体発電天然の熱水や蒸気が乏しくても、地下に高温の岩体が存在する箇所を水圧破砕し、水を送り込んで蒸気や熱水を得る
バイナリー発電
ペンタン・アンモニアなど低沸点の媒体を加熱し、媒体蒸気でタービンを回し発電する。150℃程度以下の中低温の地熱流体も利用可能。地熱発電ができない温泉地でも適応可能。既存の温泉の源泉の湯温調節設備（温泉発電）として有望。
binary cycle
日本第１号の「松川地熱発電所」（東北水力地熱）
日本で最大の地熱発電所「八丁原発電所」（九州電力）出力 11万 kW = 110 MW. うちバイナリー発電が 2000 kW.
60万 kW, 40億 kWh
発電効率 15~20%設備利用率 70~80%
日本の再生可能エネルギーの導入ポテンシャル
太陽光発電 120~240 GW 住宅の屋根・屋上 20~52 GW 未利用地・耕作放棄地 35~97 GW
風力発電 110~185 GW 陸上風力 110~140 GW 洋上風力（経済的可能性） 0.2~45 GW
バイオマス発電 16 GW
地熱発電 23 GW 自然公園内 18 GW 自然公園外 5 GW
中小水力 15 GW 河川部 14 GW その他 0.5 GW
波力発電 5~25 GW
合計 290~504 GW
大規模発電可能
太陽光・風力より一桁少ない
（大規模水力を除く）
導入実績 0.6 GW温泉地では温泉の質や量の変化に対する懸念に対し、地元の理解を得る必要がある。
万 kW
日本は世界第３位の資源量を誇る
太陽熱発電
米国、スペインが先進的に導入を進めている。タワー型 ディッシュ型 トラフ型
太陽光を集光して液体（熱媒体）を加熱し、その熱で水蒸気タービンあるいはスターリングエンジンを回して発電する。熱媒体：オイル類や溶融塩加熱された熱媒体に蓄熱されることで、曇天や夜間も一定時間の発電が可能。
日本では 1980年代に実証試験がなされたが、十分な日射量が確保できず、実用性は低いとされて中止。
太陽熱による温水利用日本でも数十年前から利用されている。
Solar tower at the Gemasolar plant, Andalucia, Spain Solar thermal power plants near Sevillia, Spain.
PS10 & PS20 (10 & 20 MW)
20 MW
Solar TwoCalifornia,
USA
Tessera SunCatchers, Arizona, USA
