化学プラント大全 
課目Ⅰのエネルギー概論の論点を、表と例題で並べました。単位と接頭語、変換効率、資源の分類、貯蔵、エネルギーの質を扱います。
エクセルギーとヒートポンプは熱分野の論点です：エクセルギー／ヒートポンプ
エネルギーの単位と接頭語 ── 量はJとkWh、速さはW
| 量 | 単位 | 組み立て |
|---|---|---|
| エネルギー・仕事・熱量 | J（ジュール） | 1 J＝1 N·m |
| 電力・動力（仕事率） | W（ワット） | 1 W＝1 J/s |
| 電力量 | kWh | 1 kWh＝1,000 J/s×3,600 s＝3.6 MJ |
| 力 | N（ニュートン） | 1 N＝1 kg·m/s²（組立単位） |
| 温度の差 | K と ℃ | 1℃の差＝1 K の差 |
なぜ：W は「1秒あたりの J」なので、時間を掛けると量に戻ります。kWh の 3.6 は、時間から秒への 3,600 倍と、k から M への 1/1,000 が重なった係数です。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 1 kW の機器を1時間動かしたエネルギーは 3.6 MJ | ○ | 1,000 J/s×3,600 s＝3.6×10⁶ J |
| 熱量の単位がワット、動力の単位がジュール | × | 逆。量が J、速さが W |
| SI の7つの基本単位には、力のニュートンが入る | × | 7つ目は物質量 mol。N は kg·m/s² の組立単位 |
| 大気圧 1.01325×10⁵ Pa は、約 101 kPa、1,013.25 hPa とも書ける | ○ | h は 10²、k は 10³ |
| 比熱は J/(kg·K) で書いても J/(kg·℃) で書いても数値が同じ | ○ | 目盛りの間隔が同じで、原点だけが違う |
例題
15 kW の電動機を 8 時間運転したときの電力量を、MJ と GJ で表します。
①量にする：速さ×時間で、15 kW×8 h＝120 kWh。
②熱量の単位に直す：1 kWh＝3.6 MJ なので、120×3.6＝432 MJ。
③接頭語を上げる：G は M の 1,000 倍なので、432 MJ＝0.432 GJ。
④桁を確かめる：1 kWh は約 4 MJ。120 kWh なら数百 MJ で、432 MJ と合う。
- 接頭語は h＝10²、k＝10³、M＝10⁶、G＝10⁹。換算はいったん基本の単位（J・Pa・s）に戻すと桁を落とさない。
- 温度そのものを使う式（状態式・放射）は T＝t＋273.15 で K に直す。温度差だけを使う式は℃のままでよい。
- kWh を 3.6 MJ で直すのは熱量としての換算。省エネ法の使用量の換算は、発電の損失まで含めた別の係数を使う。
関連：購入した電気の熱量換算
エネルギーの形態と変換効率 ── 段を重ねると効率は掛け算で下がる
| 火力発電の段 | 変換と効率の例 | 燃料 100 から残る量 |
|---|---|---|
| 燃焼（ボイラ） | 化学 → 熱：0.9 | 90 |
| タービン | 熱 → 力学：0.4 | 36 |
| 発電機 | 力学 → 電気：0.98 | 約35 |
| 全体 | 化学 → 電気：0.9×0.4×0.98≒0.35 | どの段の効率よりも低い |
なぜ：前の段で残った分だけが次の段の入力になるので、全体の効率は各段の効率の積です。1 より小さい数を掛けるたびに値は小さくなり、落ちた分は熱として周囲へ出ていきます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 燃料電池は、燃料の化学エネルギーを燃焼でいったん熱にしてから電気に変える | × | 化学 → 電気を熱を経ずに直接変える |
| 各段の効率が 0.9・0.4・0.98 の火力発電の全体効率は約0.35で、どの段よりも低い | ○ | 効率は掛け算 |
| 核分裂では原子核の質量が増え、増えた分がエネルギーになる | × | 質量は減る（質量欠損）。減った分が E＝mc² |
| 使ったエネルギーが最後に熱となって散らばるのは、変換の損失も使い終えた電気・動力も熱になるから | ○ | 摩擦・電気抵抗で熱になる |
例題
ボイラ 0.85、タービン 0.35、発電機 0.97 の発電所で、燃料 100 GJ から得られる電気を求めます。
①段の順に掛ける：0.85×0.35＝0.2975、×0.97＝0.2886。
②量にする：100 GJ×0.2886≒29 GJ が電気になる。
③残りの行き先：100−29＝71 GJ は、各段の損失として熱になって周囲へ出る。
④桁を確かめる：全体の約0.29 は、いちばん低い段（タービンの 0.35）より低い。掛け算なので、どの段より大きくなることはない。
- エネルギーの形態は、力学・電磁気・光・化学・熱・核の6つに分けて整理する。
- 熱機関は熱 → 力学、発電機は力学 → 電気、電動機は電気 → 力学、燃料電池は化学 → 電気。
- 総量は保存されるが、熱以外から熱への変換は摩擦・電気抵抗などで自然に起こり、逆向きには熱機関のような仕組みが要る。
- 核エネルギーだけは、エネルギー単独ではなく「質量とエネルギーの和」が保存される。
エネルギー資源の分類と資源量 ── 原子力は非化石、可採年数は埋蔵÷生産
| 区分 | 資源 | 性質 |
|---|---|---|
| 化石エネルギー資源 | 石油・石炭・天然ガス・オイルサンドとオイルシェール | 生物が長い年月で蓄えた太陽エネルギー。使えば減る |
| 非化石：自然エネルギー | 水力・地熱・太陽・風力・海洋（波力・潮流・潮位差・海洋温度差） | 再生可能。枯渇しないが、密度が低く、時間・気象・地理に左右される |
| 非化石：バイオマス | 生物源 | 再生可能 |
| 非化石：原子力 | ウラン | 化石ではない。核分裂で熱を出し、使えば減る |
| 残りの目安 | 可採年数＝確認可採埋蔵量÷年生産量 | 今のペースで掘り続けたら何年もつか |
なぜ：化石燃料は、太古の生物が取り込んだ太陽エネルギーが地中で燃料になったものです。ウランは生物由来でも燃焼でもないので、使えば減る資源でも化石には入らず、非化石に分類されます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 原子力は、石油・石炭・天然ガスと同じ化石エネルギー資源に入る | × | 原子力は非化石エネルギー資源 |
| 可採年数は確認可採埋蔵量÷年生産量なので、埋蔵量が同じなら生産量が増えると短くなる | ○ | 分母が年生産量 |
| 再生可能エネルギーの利用が難しいのは、使い続けるといずれ枯渇するから | × | 枯渇はしない。密度が低く、時間・気象・地理に左右される |
| 新しい埋蔵が見つかり確認可採埋蔵量が増えると、可採年数は長くなる | ○ | 分子が増える |
- 可採年数は、資源が実際に何年で尽きるかの予言ではない。埋蔵量（分子）と生産量（分母）が動けば変わる。
- 例：確認可採埋蔵量 1,000、年生産量 20 なら 50 年。生産量が 25 に増えると 40 年に縮む。
- 化石燃料の中で可採年数がいちばん長いのは石炭。ただし灰分・硫黄分が多く、発熱量あたりの CO₂ も多い。
- 再生可能エネルギーのうち、いちばん多く使われているのは水力。
エネルギーの貯蔵 ── 揚水は位置、電池は化学、氷は潜熱で貯める
| 方式 | 貯める形 | 押さえる点 |
|---|---|---|
| 揚水発電 | 位置エネルギー（高さ） | 余る時間に水を上部の調整池へくみ上げ、需要の多い時間に水力発電。可逆ポンプ水車 |
| 二次電池（NaS 電池など） | 化学エネルギー | 電気と化学の変換を両方向にできる |
| 圧縮空気エネルギー貯蔵（CAES） | 圧力 | 余る電力で空気を圧縮して貯め、需要の大きい時間に発電 |
| フライホイール | 運動エネルギー（回転） | 貯まる量は周速度の2乗に比例 |
| 水蓄熱・氷蓄熱 | 熱（顕熱・潜熱） | 氷は凝固の潜熱が上乗せされ、同じ質量で多く貯まる |
| スチームアキュムレータ | 熱（蒸気の潜熱を熱水の顕熱に置き換え） | 工程用の蓄熱 |
なぜ：電気は発生と消費が同時で、そのままでは大量に貯められません。余る時間に別の形へ変えて貯め、足りない時間に戻せば、ピークに合わせた発電設備を減らせます。ただし変えて戻すたびに損失が出ます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 昼夜・季節の電力需要の差を埋めるには、余った電力を別の形で貯める技術が要る | ○ | 電力は発生＝消費 |
| 揚水発電は、くみ上げた水に化学エネルギーとして蓄える | × | 位置エネルギー。化学は二次電池 |
| 比熱 4.18 kJ/(kg·K)・凝固潜熱 334 kJ/kg なら、20℃の水を0℃の氷にする熱は、10℃の冷水にする熱の約10倍 | ○ | 顕熱に潜熱が上乗せされる |
| フライホイールの貯蔵量は周速度に比例し、周速度2倍で2倍 | × | 周速度の2乗に比例。2倍で4倍 |
例題
15℃の水 1,000 kg に蓄えられる冷熱を、0℃の氷にする場合と 5℃の冷水にする場合で比べます。比熱は 4.18 kJ/(kg·K)、凝固の潜熱は 334 kJ/kg とします。
①冷水：4.18×(15−5)＝41.8 kJ/kg。1,000 kg で 41.8 MJ。
②氷：顕熱 4.18×15＝62.7 kJ/kg に潜熱 334 kJ/kg を足して 396.7 kJ/kg。1,000 kg で約397 MJ。
③比べる：396.7÷41.8≒9.5 倍。
④桁を確かめる：潜熱だけでも 334÷41.8≒8.0 倍あり、差の大部分は凝固の潜熱から来ている。
- 貯蔵に求める性能は、貯蔵密度・貯蔵効率・貯蔵できる時間・耐久性・応答性・安全性・経済性。
- NaS 電池は、負極にナトリウム、正極に硫黄、固体電解質にベータアルミナを使い、300〜350℃の高温で運転する。
- フライホイールは周速度を上げるほど密度が上がるが、遠心力に耐える材料が要る。
関連：蒸気アキュムレータ
エネルギーの質と熱のカスケード利用 ── 高温の熱から順に使い回す
| 量・考え方 | 式・中身 | 向き |
|---|---|---|
| エネルギー有効度指数 I | I＝(E−X)/E（E：プロセスへの入力、X：低質化の損失） | 大きいほどよい |
| 損失の割合 | X/E | 小さいほどよい（I と逆向き） |
| 熱のカスケード利用 | 高温の熱 → 電力・動力 → 工程の蒸気 → 冷暖房・給湯（温度の高い順） | エクセルギーの消失が小さい |
| 低温の用途へ直接 | 燃料の高温の熱をいきなり給湯・暖房に使う | 仕事に変えられた分を捨てる |
なぜ：エネルギーの総量は保存されますが、使うたびに周囲の温度に近い熱へ散らばり、仕事をさせる能力（質）は下がります。高温の熱ほど仕事に変えられる割合が大きいので、温度の高い用途から順に割り当てると無駄が少なくなります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| エネルギー有効度指数は、入力 E と低質化の損失 X で I＝X/E | × | I＝(E−X)/E。X/E は損失の割合 |
| 高温の熱をまず発電・動力に使い、排熱を温度の高い用途から順に回すと、エクセルギーの失われ方が小さい | ○ | 熱のカスケード利用 |
| エネルギー保存則があるので、燃料を使っても質は下がらない | × | 量は保存、質は下がる（低質化） |
| 入力の3割が低質化の損失になったプロセスの有効度指数は 0.3 | × | (1−0.3)/1＝0.7 |
例題
入力 200 GJ のプロセスで、50 GJ が低質化の損失になりました。有効度指数を求めます。
①生かせた分：E−X＝200−50＝150 GJ。
②割る：I＝150/200＝0.75。
③損失の割合：X/E＝50/200＝0.25。
④確かめる：0.75＋0.25＝1。I は損失の割合ではなく、残った割合。
- 電気や軸動力はほぼ全部を仕事に変えられるので、エクセルギーがエネルギーに等しい。熱は温度が高いほどエクセルギーが大きい。
- コージェネレーションは、高温側で発電し、排熱を蒸気・温水で使うカスケード利用の代表。
- ヒートポンプは電気を熱そのものではなく、熱を運ぶ動力として使うので、消費電力より多くの熱を届けられる。
関連：有効エネルギー・最大仕事とエクセルギー／コージェネレーション／ヒートポンプと一次エネルギーでの評価
出典：エネルギー管理士試験講座 共通Ⅰ（省エネルギーセンター）2編2章「エネルギー概論」
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