2-3-3 風力発電
最近では、太陽光発電に変わって石油代替エネルギー供給システムとして、その主役の座は風力発電に移りつつある。風力発電の発電単価は25円/kWh程度であり、太陽光発電に比べてかなり廉い事から、石油利用効率において太陽光発電より優れていることが推測される。
しかしながら、風力発電の特性から、一概にこれが優れたエネルギー供給システムかどうかは単純に判断できない。まず、風力発電の特性からみることにする。
a． 風力エネルギーないし風力発電の特性
風力とは、空気という気体の流れの運動エネルギーである。流体のエネルギーについては、Bernoulli（ベルヌーイ）の定理が知られている。これは、渦の無いスムースな流れに成り立つエネルギー保存則の表現だと考えられる。具体的には次の式で表される。
v2/2g + P + Ω ＝ 一定
v2/2g ： 単位質量の持つ運動エネルギー、ｖは流速、gは重力加速度．
P ： 圧力．
Ω ： 位置エネルギー．
今、風力発電装置を通過する上流側の値には添字１、通過した後の下流側の値には添字２を付け、風力発電装置で捕捉された仕事をｗで表すと、
w ＝ （v12/2g + P1 + Ω1） - （v22/2g + P2 + Ω2）
となる。ここでは簡単のために圧力、位置エネルギーは変化しないものとすると、
w ＝ （ｖ12 - ｖ22）/2ｇ
風力発電装置のブレードの回転する範囲の面積をAとすると、ここを通過する気体の流量Qは Av1となる。気体の密度をρとすると、Aを通過する質量はAv1ρとなる。今、 ｖ2 ＝ cｖ1 、（ 0 < c < 1 ）とすると、風力発電装置が捕捉するエネルギー量Wは以下で表される。
W ＝ Av1ρ（ｖ12 - ｖ22）/2ｇ ＝ Aρv13（1 - c2）/2g
つまり、風力発電装置で捕捉されるエネルギー量は、上流側の風速の3乗に比例し、入力としての上流側の風力に対する効率は（1 - c2）で表される。効率は、c = 0 のとき、即ち、下流側の風速がゼロのとき、最大となる。
ここでは、理想的な状態について示してきたが、風力発電装置でエントロピー（例えばブレードの振動や回転部分の摩擦などによる発熱など）が生成され、また、自然風が乱流である事から、実際の効率はこれよりも小さくなる。これらを無視して、重要なのは、風力発電装置の捕捉する仕事＝発電能力が、上流側風速の3乗に比例することである。
さて、自然風は絶えず風速が変化している。通常風速とは、10分間平均の値を示す。風速自体も絶えず変化するが、短期的には10分平均風速の数倍の風速が発現する。（瞬間最大風速）/（10分平均風速）で与えられる突風率は、通常1.5～2程度といわれるが、乱れの大きい場合にはこの値が3を超えることも稀ではない。
これを風力発電装置で捕捉される仕事に当てはめると、突風率が2の場合、発電量は2の3乗倍の8倍になり、突風率が3の場合は3の3乗倍の27倍にも達する。逆にその次の瞬間風が止まれば、発電量はゼロになる。
この風力発電の特性を考えれば、発電出力が短時間で激しく変動することは容易に推測できる。以下に原子力図面集に掲載された、『太陽光･風力発電の出力変動』から、実際の発電出力の時間変動の例を示す。
風力発電は、太陽光発電以上に時間変動の激しい発電方式である。風力発電を大規模に電力供給システムに導入した場合、発電出力の変動があまりにも激しいため、風力発電からの出力をそのまま配電することは考えられない。風力発電からの電力は、蓄電システムを介して送電することが必要になる。
風力発電の出力は、短時間の変動だけでなく、立地によってその場所の年間を通した風況の特性によっても大きく変動する。次に示すのは、新エネルギー財団のホームページから、山形県立川町の400kW×2風力発電施設の年間稼動実績の変動について示したものである。
このように、発電出力の季節変動は非常に大きく、また、立地によっても大きく異なることが推測される。蓄電システムの長期運用は太陽光発電より以上に難しいものになると考えられる。
さて、環境省もこうした風力発電の発電特性の条件の悪さを考慮して、新たな蓄電システムを考えているようである。それは、洋上の浮体構造物上に風力発電装置を作り、そこで水の電気分解による水素製造プラントを作るという方法である。製造した水素は、勿論燃料電池システムで利用しようというのである。
これは、石油利用効率を無視したとんでもない構想である。まず第一に、陸上においてすら発電コストが25円/kWhと高価な風力発電装置を、環境の厳しい洋上に浮体構造を建設してその上に風力発電装置を作れば、コストは更に跳ね上がるのは検討するまでも無い。ここで発電した電力によって水素を製造し、更に石油利用効率の低い燃料電池システムに投入すれば、最終的に得られた電力の石油利用効率はきわめて低いものになるのは当然である。
また、潮風に曝される厳しい環境中に曝された風力発電装置の劣化は陸上の比ではなく、保守･点検に投入されるエネルギー･資源量が増えるばかりでなく、耐用年数も大幅に短くなる。風力発電～水素製造プラントの『実証』試験など、税金をドブに捨てるようなものである。
b．エネルギー･コストないしエネルギー産出比（対石油消費）
ここでは、石油火力発電との比較で、風力発電の価格構造を少し詳しく見ておく。
（１）石油火力発電
石油火力発電は、最も主要な発電方式の一つであり、実績も多く、データの信頼性が高いと考えられる。まずこの発電方式に対する試算を試みることにする。
石油火力発電の総合的な熱効率は0.35である。これに対して、燃料としての重油の燃焼熱に対する発電装置の熱効率は0.4程度である。
重油１L（リットル）の燃焼によって得られる熱量は9Mcal/L程度である（1Mcal＝1,000kcal）。よって、重油１Lによって電力生産に有効に利用できる熱量は次式のとおりである。
9Mcal/L×0.4＝3.6Mcal/L＝3.6×4.2MJ/L＝15.12MJ/L （∵１cal≒4.2J）
一方、１kWh＝1k・（J/sec）・3,600sec＝3.6MJである。以上から、重油１Lの燃焼によって得られる電力量は次式で求めることが出来る。
15.2÷3.6＝4.22kWh/L
電力量1kWhを生産するために必要な重油量は、
1/4.22L/kWh＝0.236L/kWh＝P1
これが、電力量１kWhあたりの石油コスト＝エネルギー・コストである。重油の単価は20円/L程度であるから、石油の経済コストは次式で求められる。
0.236×20円/kWh＝4.72円/kWh
石油火力発電の総合的な熱効率は、0.35であった。石油火力発電に投入される全石油量をP0 、その内、燃料として消費される石油量をP1とすると、
0.35P0＝0.4P1 ∴P1＝0.35/0.4P0＝0.875P0
つまり、石油火力発電に投入される全石油量の約88％が発電のための燃料として消費されていることになる。残りの12％は、火力発電の施設建設や運転・保守などの自家消費分として消費されていることになる。
さて、次に石油火力発電による電力の価格構造を考えてみることにする。石油火力発電の発電単価は8円/kWh、その内、燃料の経済コストは60％程度であるとする。実際に計算してみると、
8円/kWh×0.60＝4.80円/kWh
となり、前述のエネルギー・コストから算出した値4.72円/kWhとよく対応している。
次に、石油火力発電の燃料費以外のコストとは、発電所の施設建設、運転、保守などに必要な経費である。その内、20％を発電用燃料以外の投入エネルギー（石油）の経済コストと仮定すると、
8円/kWh×0.4×0.2＝0.64円/kWh
火力発電の投入エネルギーの経済コストの合計は、
4.80円/kWh＋0.64円/kWh＝5.44円/kWh
燃料費、自家消費の割合は、
燃料費 ： 4.80円/kWh÷5.44円/kWh＝0.88
自家消費 ： 0.64円/kWh÷5.44円/kWh＝0.12
となり、エネルギー・コストから算出した比率と良い対応を示す。
以上より、以下に示す風力発電のエネルギー・コストの推定において、燃料以外の発電費用の20％を投入エネルギーの経済コストとしても、それほど大きな誤りはないものと考えられる。
（２）石油火力発電と風力発電の比較
石油火力発電と同様に、風力発電の発電単価を25円/kWhとして風力発電の投入エネルギー（石油）の経済コストを算定すると、
25円/kWh×0.2＝5.00円/kWh
となり、火力発電と大きな違いはない。以下、石油火力発電、風力発電とも、対石油エネルギー産出比を0.35として説明する。
以上の二つのモデルのエネルギー産出比の構成を次の図に示す。
投入エネルギー（石油）量と、最終的に産出される電力量を『総量』で比較すると、当然のことながらエネルギー産出比を0.35で同じと仮定しているので、いずれの発電システムでも同じである。これでは見かけ上、自然エネルギー（風力）発電における電力の『原料』であるはずの風力は何も生み出していないのと同じである。
二つの発電システムの違いは、投入される石油の使途の構成にある。火力発電では投入する石油の大部分が発電のための燃料として消費されるのに対して、自然エネルギー発電では発電のための燃料として石油を消費しないので、全て設備の建設や運用・保守に投入されることになる。
投入された石油に占める自家消費分は施設規模に反映される。モデル・ケースでは火力発電では投入石油の12％であるのに対して、自然エネルギー発電では 100％になる。つまり、同量の電力を供給するために自然エネルギー発電の方が圧倒的に大量の資源を消費し、したがって、発電システムから排出される廃物量や廃熱量が大きくなると考えられる。
電力生産図
生産図では、横方向に『原料』から『製品（ここでは電力）』への流れを示し、縦方向に生産システムに投入され、消費されるエネルギー資源、その他資源の流れを示す。投入されたエネルギー資源は最終的に廃熱として環境中に廃棄され、その他資源は施設の耐用年数が経過すると固体廃棄物となる。
石油火力発電では、石油0.88が発電のための原料としてシステムに投入される。発電の熱効率を40％程度とすると、60％（0.88× 0.6≒0.53）は廃熱として環境中に廃棄され、最終的に0.35の電力を生産する。更にシステムの運用のために自家消費される石油（≒0.12）が廃熱となり、合計0.65が廃熱として環境中に捨てられる。また、火力発電所の設備を作るために、1単位の資源が投入され、廃棄される。
これに対して、風力発電では『原料』として風の運動エネルギー（風力）を捕捉し、これが発電機を介して電力に変換される。運動エネルギーはエントロピーを持たないエネルギーであるが、発電装置の摩擦や振動によってロスが生じ、これが廃熱となって環境中に廃棄される。その値をαで表しておく。最終的に風力発電においても0.35の電力が生産される。
ここで多少説明を加えておくと、生産図に示した風力は風力発電のブレードを介して捕捉できた正味の運動エネルギーである。風力発電装置のブレードの回転面を通過する風力とは全く別物である。
風力発電では、システムの運用のために自家消費される石油（＝1.00）とαが廃熱として環境中に廃棄される。また、自家消費するエネルギー量に応じた資源が設備建設に投入されるとすると、1.00／0.12≒8.3単位の資源が投入され、耐用年数経過後に固体廃棄物として廃棄される。
独立行政法人経済産業研究所の戒能一成氏による『電源構成試算モデルと発電コスト比較について』（平成１５年７月）の資料によると、平均的な火力発電と風力発電の発電能力当たりの設備費は次の通りである。
風力発電 21.5～28.0 万円／kW
LNG火力発電 20.8 万円／kW
石油火力発電 28.7 万円／kW
風力発電に対して、設備利用率20％、耐用年数を17年、火力発電については設備利用率70％、耐用年数40年と仮定して、耐用期間中に発電される単位電力量当たりの設備費用を算定する。耐用期間中に単位発電能力当たりの設備によって生産される電力量、及び、単位電力量あたりの設備費用は次の通りである。
風力発電 17×365×24×0.2＝ 29.8kWh 7.2～9.4 円／kWh
LNG火力発電 40×365×24×0.7＝245.3kWh 0.8 円／kWh
石油火力発電 40×365×24×0.7＝245.3kWh 1.2 円／kWh
風力発電では、単位発電電力量当たり、火力発電の6～12倍程度の設備が必要ということになる。ここで行った試算、火力発電の設備を1.0単位としたときの風力発電の設備8.3単位は妥当な推定値であると考える。
以上の検討より、発電システムで消費される石油以外の資源量、あるいは発生エントロピー量まで視野に入れて評価すれば、圧倒的に火力発電の方が優れた発電方式だと考えられる。更に自然エネルギー発電固有の時間的不安定性やそれに伴うバックアップ施設の必要性を加味すれば、風力発電の利用は全く無意味である。また、太陽光発電など全く論外であることは今更説明の必要はない。
【参考】コンバインドサイクル発電
最新の火力発電方式では、ガス・タービンの廃熱を蒸気タービンの熱源にすることによって、熱効率で50％以上を達成していると言う。既存火力発電の設備更新の選択肢として、風力発電と競合するのはこのコンバインドサイクル方式の火力発電になると考えられる。コンバインドサイクル火力発電システムはどこにでも建設可能であり、送電ロスも小さい。また、需要の変動に対する熱効率の変動も比較的小さいと言う。時間変動に対するバック・アップ施設の必要な風力発電システムを選択することは考えられない。
三菱重工高砂製作所HPより
それにもかかわらず、風力発電を導入しようとする背景は何であろうか？これまでの検討で明らかなように、自然エネルギー発電は、燃料として石油を消費しない代わりに火力発電に比較して、圧倒的に施設規模が大きくなる。発電施設を生産する装置メーカーにとって、これは市場の拡大を意味しており、非常に魅力的な発電方式であるはずである。この辺りに真相があるのではないだろうか？。
(2005/01/18追記)
（３） エネルギー・ペイバック・タイム（EPT）New!
エネルギー・ペイバック・タイム（EPT）とは、発電システムを運用するために投入したエネルギーを、その発電システムからの出力で賄うために必要な期間のことである。投入エネルギーの評価が問題になるが、発電システムとしての対石油消費に対する性能を比較するという意味において、火力発電では燃料用の石油も含み、その他施設建設、運転、保守、廃棄の全ての段階にかかわる投入エネルギー（石油）を、対象にすべきである。
既に冒頭で述べたとおり、石油火力発電は勿論、石油代替エネルギー（発電）システムの対石油エネルギー産出比は、1.0を越えることはない。これは、耐用期間中に、投入エネルギーを出力エネルギーで賄うことは出来ないことを意味している。つまり、石油代替エネルギー（発電）システムでは、EPTは定義できないはずである。
ところが、色々なところで、盛んに自然エネルギー発電のEPTの数値が一人歩きしている。ここでは、最も権威のある例として、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のホームページの風力発電に対する数値を検討する。
NEDOのホームページによると、『風力発電の場合は、年平均風速に影響を受けるが、年平均風速が4m/s以上、あるいは、利用率が 24%以上であれば、EPTは1年以内となる試算例がある。』としている。これを基に試算する。比較対照は、石油火力発電である。
①石油火力発電の価格構成（合計投入金額をC1円とする）
石油以外の費用：0.32×C1（円）
石油費用：0.68×C1（円）
対石油エネルギー産出比：0.35
※C1の内、6割を発電用石油燃料の費用とする。その他の費用には、設備建設、運転、点検・補修などの費用、人件費などを含む。4割をその他の費用とし、その他費用の内の2割を発電用燃料以外の石油の費用とする。つまり、
石油以外の費用＝（0.4×0.8）×C1
石油費用＝（0.6＋0.4×0.2）×C1
②風力発電の価格構成（合計投入金額をC2円とする）
石油以外の費用：0.8×C2（円）
石油費用：0.2×C2（円） ※燃料はないので、その他エネルギーのみ。
対石油エネルギー産出比：20 ※耐用年数20年、EPT1年とした場合。
③石油の単位価格あたりのエネルギー量
a＝0.525（kWh／円）※重油：9Mcal/L、20円/L、1cal＝4.2Jとした場合。
以上の仮定で、発電電力量と発電単価を試算する。
石油火力発電
0.68×C1×0.35×a＝0.24×C1×a（kWh）
C1／（0.24×C1×a）＝4.17／a＝7.9（円／kWh）
風力発電
0.2×C2×20×a＝4×C2×a（kWh）
C2／（4×C2×a）＝0.25／a＝0.5（円／kWh）
となり、発電単価は風力発電の方が圧倒的に安くなる。
風力発電をはじめ、自然エネルギー発電の導入に対して、『経済コストは高くても、石油節約的である』ということがよく言われる。しかし、これは石油を使って物を製造するという工業生産の本質的な構造を理解していないために起こる誤りである。
ここで示したように、もし風力発電のEPTが1年で、耐用年数が20年（＝対石油エネルギー産出比20）だとすれば、風力発電の発電単価は0.5円／kWhという、極めて廉価になるはずである。しかし、実際の風力発電による発電単価は25円／kWh程度と非常に高価である。
次に、風力発電において、エネルギー産出比を20、発電単価を25円／kWhとした場合、投入金額に占める石油の経済コストの比率Aを求めてみる。発電電力量は、
A×C2×20×0.525＝10.5×A×C2（kWh）
発電単価は、
1／（10.5×A）＝25（円／kWh）
∴A＝0.0038
もし、エネルギー産出比が20、発電単価が25円／kWhだとすると、投入金額のうち、石油に対する費用の割合は、僅かに0.38％になる。これは、現在の工業的な生産物を使った施設による電力生産ではとても考えられない非現実的に低い値である。もしこの数値が実態を反映しているとすると、風力発電装置メーカーはとんでもない大儲けをしていることになる。
最後に、風力発電の発電単価が25円／kWh、投入金額に対する石油費用を20％とした場合のエネルギー産出比（g）を試算してみる。発電電力量は、
0.2×C2×g×a（kWh）
発電単価は、
C2／（0.2×C2×g×a）＝1／（0.2×g×0.525）
＝1／（0.105×g）＝25（円／kWh）
以上より、対石油エネルギー産出比は、
g＝1／（25×0.105）＝0.38＜1.0
ほぼ、既存の石油火力発電と同程度である。この程度の値が実態に近いのではないだろうか？石油エネルギー産出比が1.0未満であれば、EPTは定義不能（∵EPT＞耐用年数）である。
NEDOのホームページのEPTを元に試算を行った二つのケースでは、いずれも現実には有り得ない結果となった。これはEPTの値が非現実的なものであることを示している。その原因は、投入エネルギー算定において重大な積み残しがあると考えられる。あるいは恣意的なデータの捏造によって、新エネルギーの導入を是が非でも行おうとする、環境問題対策以外の強力な意思が働いているものと考えられる。
(2005/06/24追記)
c．最終評価
風力発電は、発電絶対量に対する石油利用効率は、既存の石油火力発電と同程度と考えられるが、発生エントロピー（廃熱と廃物）量まで考えると、圧倒的に石油火力発電に劣っている。更に、極めて不安定な風力発電を運用するために必要な蓄電装置などの付帯設備まで考えれば、風力発電の導入は無意味である。尚、具体的な事例に基づく評価については、『APU学生起業家による風力発電計画を考える』と『ＡＰＵ風力発電計画総括』を併せてご覧頂きたい。
(2004/06/11)
【参考】二酸化炭素排出量からのエネルギー・コストの推定New!
原子力発電のセクションで紹介した電力中研の『ライフサイクルCO2排出量による発電技術の評価』の石油火力発電の二酸化炭素排出量から、エネルギー・コストの試算を試みる。
グラフによると、石油火力発電で１kWhの発電を行うために、742ｇの二酸化炭素が発生する。重油の主成分をオクタデカンC18H38（分子量254、比重0.9）だと仮定する。
二酸化炭素CO2の分子量は44より、発生するCO2のモル数は、
742/44＝16.7mol/kWh
である。C18H38が１mol完全燃焼した場合、発生するCO2は18molである。CO2が16.7mol発生するために必要なC18H38のモル数は、
16.7/18＝0.93mol
である。C18H38（重油）0.93molの重さは、
0.93×254＝236ｇ
である。重油の比重は0.9であるから、単位発電量当たりに投入される石油の量は、
236/0.9＝262ml/kWh＝0.262L/kWh＝P0
である。
b．エネルギー･コストないしエネルギー産出比（対石油消費）（1） で試算した値から、0.35P0＝0.4P1、P1＝0.236L/kWhより、
P0＝0.4P1/0.35＝0.4×0.236/0.35＝0.270L/kWh
二酸化炭素排出量から求めたエネルギー・コストと、よい対応を示す。以上より、b．エネルギー･コストないしエネルギー産出比（対石油消費）でもとめた石油火力発電の推定値は、概ね妥当なものであろう。
しかし、電力中研の『ライフサイクルCO2排出量による発電技術の評価』の火力発電以外のデータから求めたエネルギー産出比は、残念ながら非現実的な値であり、信頼できるものではない。
（2005/07/05追記）
2-3-4 海洋温度差発電
http://env01.cool.ne.jp/ss02/ss022/ss0225/ss02254.htm
これまで、太陽光発電･風力発電という、自然エネルギーを使った代表的な発電システムについて検討した。この他にも、波力発電や潮汐力発電などの発電システムが考えられているが、その基本的な問題は同じなので、ここでは敢えて取り上げない。波力にしても潮汐にしても、海水を扱うことから装置の保守･点検により多くのコストがかかり、耐用年数も短いものになる点に留意しておくべきであろう。
さて、以上で紹介してきた自然エネルギー発電システムの共通の欠点の一つが発電能力の不安定性であった。これを克服するシステムとして登場したのが、『海洋温度差発電』システムである。果たして海洋温度差発電は発電方式として有効であろうか？
a． 海洋温度差発電の仕組みと効率
海洋温度差発電とは、熱機関の一種である。熱機関とは、温度差のある二つの熱源の間を巡る作動物質の継続的な循環運動によって力学的な仕事を取り出す装置である。火力発電で使われている熱機関である蒸気タービンの構造模式図を以下に示す。
出典／槌田敦著『熱学外論』朝倉書店 p.110
高温熱源から熱エネルギーq1を受取った蒸気発生器で、高温高圧（T1，P1）の水蒸気を発生させる。この高温高圧の水蒸気を蒸気タービンを介して力学的な仕事w2を取り出し、タービンを通過した水蒸気は復水器でq3を放出して冷却されて水に戻る（T3，P3）。高温側の蒸気発生器で高温高圧の水蒸気を作るために、循環ポンプが復水器側の水を蒸気発生器に高圧で送り込む。この循環ポンプの行う仕事をw4とする。
この蒸気機関におけるエネルギー収支とエントロピー収支を求めると、
q1 + w4 ＝ q3 + w2
q1/T1 + gs ＝ q3/T3
ここに、gsは、この熱機関内で生成するエントロピー量である。
この熱機関によって産出される力学的なエネルギー量w0は、水蒸気タービンから取り出される仕事w2から、循環ポンプで消費される仕事w4を差し引いた値となる。
w0 ＝ w2 - w4 ＝ q1 - q3
q3 ＝ q1T3/T1 + T3gs
∴ w0 ＝ q1（1 - T3/T1） - T3gs
通常、熱機関の産出する仕事は、最終式の右辺第一項で表される場合が多いが、これは理想効率に対する仕事量であって、実際には無限大の時間を要する。効率を犠牲にして能率（仕事率）を上げることによって、系内に発生するエントロピー量に比例して効率は低下する。
発電システムの効率を高める方法が明らかとなった。つまり一つは、最終式右辺第一項の値を大きくすること、つまり、高温熱源と低温熱源の温度差を大きくすることである。そしてもう一つは、同じく右辺第二項で表されるシステム内の発生エントロピーを減らすことである。
炭化水素系火力発電では、ガスタービン･水蒸気タービン併用型の発電装置では、熱効率は0.6程度を達成しているようである。
さて、そこで海洋温度差発電である。これは、海面近くの水温と深海の低い水温の20℃程度の温度差を利用して熱機関を駆動しようというものである。仮に、海面付近の水温を25℃、海底の水温を5℃として、この熱機関の理想効率を求めると、
η ＝ 1 - T3/T1 ＝ 1 - (273+5)/(273+25) = 0.067
これは、最新の火力発電の熱効率の1/10程度、標準的な火力発電に比べても1/5以下という低い効率である。
熱効率とは、高温熱源の持っている熱エネルギーの内、どれほどが仕事として取り出せるかを表した値である。海洋温度差発電の場合、既に環境温度まで拡散したエネルギー密度の低い熱エネルギーを利用するため、熱効率以前に絶対的なエネルギー量を確保するために莫大なエネルギー投入が必要になるであろう。
火力発電では、燃料の燃焼熱によって高温熱源を作り出し、蒸気発生器で高温･高圧の水蒸気を作り、復水器で環境温度付近で廃熱を捨て去る。これに対して、海洋温度差発電では、環境温度（＝海面付近の海水温）で熱エネルギーを受取り、深海の冷水に環境温度よりも低い温度で廃熱を捨て去る。海洋温度差発電では、仕事の原動力は、環境温度の海水の持つ熱エネルギーというよりも、深海の冷水の持つ廃熱を熱の穴として拡散させる能力にある。この冷却水を得るために投入される仕事、具体的には冷却水を循環させるための循環ポンプに投入される仕事は非常に大きくなる。この冷却水の循環ポンプで消費される仕事をw5 、発電所施設建設あるいは操業時の運転･点検･補修などに投入される仕事をw6とすると、実質的なエネルギー産出量wは次式で表される。
w ＝ w0 - （w5 + w6） ＝ q1（1 - T3/T1） - T3gs - （w5 + w6） ＜ 0
低効率の熱機関の出力w0に対して、冷却水循環ポンプの運転に投入される仕事と、巨大な発電施設建設などに投入される仕事の合計 （w5 + w6）は、非常に大きくなるため、実質的なエネルギー産出量はマイナスになる。
海洋温度差発電は、環境温度という既に拡散した、通常では廃熱としか考えられない質の低い（＝エントロピーの高い）エネルギーから仕事を取り出そうと構想したところに既に致命的な問題がある。拡散したエネルギーから有効な仕事を取り出すためには、莫大な仕事の投入が必要になる。同じエネルギーを投入するならば、環境温度を低温熱源とし、冷却水を得るために投入されたエネルギーw5を高温熱源の加熱に使ったほうが、はるかに効率が良くなるであろう事は容易に想像できる。つまりそれが石油火力発電なのである。
b． エネルギー･コストないしエネルギー産出比（対石油消費）
報道によると、佐賀大が実証試験をしている海洋温度差発電システムは、定格出力30kWで、建設費30億円だという。仮に、耐用年数を20年、施設のランニングコスト（循環ポンプの投入エネルギーを考えると莫大なものになると推測される）、保守･点検コストを無視した、控えめな発電単価を試算してみる。
30kW×24h/日×365日/年×20年＝5,256,000 kWh
3,000,000,000円÷5,256,000 kWh＝570.8円/kWh
予測どおり、石油火力に比較して極めて低効率であることを反映して、とてつもなく高価な電力であることが分かる。投入エネルギーの経済コストは、これまで通り発電コストの20％と仮定すると、
570.8円/kWh × 0.2 ＝ 114.2円/kWh
石油火力の23倍程度のエネルギー・コストということになる。エネルギー産出比を算定するまでもなく、石油代替になることは有り得ない。
c． 最終評価
海洋温度差発電に限らず、常温熱として存在する莫大な量の拡散した熱エネルギーを何とか使いたいという欲求は心情的には理解できる。しかしながら、拡散した熱エネルギーは非常に高エントロピー状態にあり、そこから力学的エネルギーというエントロピーを持たない質の高いエネルギーを取り出すためには、常温熱エネルギーの持つエントロピーを全て取り去るだけでなく、更にプロセス中で新たに発生するエントロピーをも取り去らなければならない。そのためには、常温よりも低い温度の大量の冷却水が必要になることは、当然予測されることである。
熱エネルギーの量にのみ着目し、熱エネルギーの質を考慮せず、熱効率、石油利用効率を無視して行うエネルギー開発は全て無駄である。
(2004/06/12)
2-3-5 自然エネルギーの工業的利用と技術の限界
これまで、太陽光発電、風力発電、そして海洋温度差発電について考えてきた。しかし、いずれの発電システムも自立することはおろか、石油火力発電に比較して石油節約的になる可能性も全くないことが示された。
自然エネルギーに過大な期待を抱かせる一つの要因は、希少なエネルギー資源、つまり石油を消費せずに、どこにでも存在し、莫大な絶対量を持っているからであろう。しかし、それはエネルギー密度の低い、不安定なエネルギーだという性質を併せ持っている。
自然エネルギーという、どこにでもあるが、拡散したエネルギーを、工業的に利用できる、高度なエネルギーにするためには、多くの仕事と資源を投入することが必要になる。更に、制御不能な時間的不安定性を持つ自然エネルギーを利用するためには巨大なバッファ装置が必要になる。多くの人々は、自然エネルギーを利用できるようにするために投入されるこれらの工業的エネルギー（＝石油エネルギー）と鉱物資源を見落としている。
自然エネルギーについて語るとき、『現状ではまだ高価だが、技術開発が進めばもっと廉くなり、効率も向上するはずだ』という反発を受けることがよくある。また、『技術の本質を語るためには、個別技術を詳細に検討してから判断すべきだ』ともよく言われる。果たしてそうであろうか？
エネルギー技術において、利用するエネルギーと捕捉手段が決まれば、最大効率、つまり技術の上限は既に定まってしまう。工業的な技術の改良とは、その系内で発生するエントロピーを減らすことによって、如何に理想効率に近づけるということである。いかなる技術開発を行っても、理想効率を上回ることは有り得ないことを理解しなければならない。個別技術の評価に埋没することによって、全体像を見失っているのが現状である。
ここでは、代表的な３つのタイプの発電システムについて検討した。一つは、太陽放射をそのまま利用する太陽光発電であり、二つ目は運動エネルギーを利用する風力発電である。運動エネルギーを利用するタイプには、その他に水の運動エネルギーを利用するタイプもあるが、その基本的な特徴は同じである。そして 3つ目は、常温熱エネルギーを利用するタイプである。以下、この３タイプの発電方式の限界についてまとめておく。
a． 太陽光発電
太陽光発電の問題は、既に検討したように二つに要約される。一つは太陽光発電の低効率性である。ここで言う低効率には二つの意味がある。一つは、自然環境中における運用に当たって、入力としての太陽放射に対する発電効率が低いことであリ、もう一つは、その結果として石油利用効率が低いことである。そしてもう一つの問題は、制御不能な発電能力の不安定性である。後者は、技術では解決できない問題であるから、ここでは、発電効率について検討する。
入力としての太陽放射sに対して理想状態の発電効率をηとする。太陽電池は太陽放射を全て捕捉出来るわけではない。表面による反射、あるいは表面に塵が積もったり、汚れたりすることによる透明度の低下によって太陽放射の捕捉効率は低下する。その低下率をαとする。太陽放射を受けた太陽電池パネルはかなりの高温になる。これは太陽放射の一部が熱化してエントロピーgsが生成されていることを示す。
更に、太陽光発電の実際の運用のためには、巨大な『土地集約的な』太陽光発電装置が必要である。これを建設し、運転･点検･補修するために投入される仕事をw1とする。
野外の運用における太陽光発電装置からの出力としての発電量w0は、
w0＝η(1-α)s-Tgs
2-3-2の検討から、現在の太陽光発電のエネルギー産出比（対石油消費）は0.1程度であるから、
w0/w1＝0.1 ∴w0＝0.1w1
以上をまとめると、太陽光発電の正味の発電量wは以下の式で表される。
w ＝ w0 - w1 ＝η(1-α)s-Tgs-w1＝ -0.9w1＜0
つまり、太陽光発電は、エネルギーを生産するのではなく消費するシステムであるから、石油代替は不可能である。しかも、エネルギー産出比が0.35以下であれば、石油火力発電に対して、石油節約的でもないのである。
さて、では将来的に技術開発で、どの程度の改善が可能であろうか。既に理想的な発電条件における発電効率は、η＝0.2程度であり、発電効率の改善は頭打ちであるから、今後10％オーダーの改善は無いであろう。太陽放射の野外の運用における捕捉量の低下率αは、技術開発では克服することは難しい。また、システムの熱エントロピー発生量にしてもそれほどの改善は考えられない。もし、冷却システムを追加することになれば、gsの改善よりもw1の増加につながり、有効とは考えられない。w1に関しては、多少の改善はあるかもしれないが、劇的な変化は考えられない。
以上を総合すると、技術開発によって、今回2-3-2で行った太陽光発電の評価を覆すような可能性は皆無である。更に、蓄電システムの問題を考慮すれば、太陽光発電システムの大規模導入は将来にわたって妥当性を持つことは有り得ない。
b． 風力発電
風力発電の野外の運用における発電量は、2-3-3の表現を使うと、
w0 ＝ Aρv13（1 - c2）/2g - Tgs
エネルギー産出比は、石油火力と同程度とすると、
w0/w1＝0.35 ∴w0＝0.35w1
風力発電の正味の発電量は、
w ＝ w0 - w1 ＝Aρv13（1 - c2）/2g - Tgs- w1＝ -0.65w1＜0
風力発電も、エネルギーを消費するシステムであり、石油代替は不可能である。
風力発電はシンプルな発電装置である。cは、風を受けるブレードの形状によって定まると考えられるが、今後画期的な改善は無い。風力発電においてエントロピーの発生する部分は、可動部の摩擦や振動であり、それほど多くは無い。つまり風力発電装置はほとんど完成された装置であり、今後の技術開発によって発電効率が顕著に改善することは無い。
現実に、風力発電システムでは、風力発電装置そのものの発電効率の改善の研究は既に放棄されている。現在の主流は、見かけの発電出力の制御技術である。これは、風力発電には本来必要無い付帯設備の増加を意味するものであり、w1を増加させ、本質的な発電効率を更に悪化させることになる。
風力発電の激しい出力変動を考慮すれば、将来的にも大規模導入は有り得ない。
c． 海洋温度差発電
これについては既に2-3-4で検討したとおりである。熱機関の効率ないし、エントロピー増大則を無視して、常温熱から有効なエネルギーを得ようとした発想そのものが誤りである。よって、将来的にも使い物になることは有り得ない。
自然エネルギーという拡散した時間的に不安定なエネルギーを工業技術によって捕捉する事によって、現行の石油によるエネルギー供給システムを代替し、あるいは石油利用効率を改善することは不可能である。全ての自然エネルギーによる石油代替エネルギー技術の開発は、石油資源の浪費である。
(2004/06/13)
2-4 燃料電池
http://env01.cool.ne.jp/ss02/ss022/ss0225/ss02256.htm
自然エネルギー以外の新エネルギー技術として、なぜか注目されているのが、燃料電池である。燃料電池の仕組みは、大雑把に言って水の電気分解の逆反応によって電気を得るというものである。
しかし、燃料電池の本質は、電力供給というよりは、蓄電装置、それも非常に高価で効率の低い蓄電装置でしかない。その非効率性は、政府機関が導入した本田やトヨタの燃料電池車が極めて高価なものである事からも容易に推測される。
燃料電池の利点として、運用段階における排気ガスが水蒸気であり、『クリーン』であり、発電効率が高いことが挙げられる。しかしこれはまやかしである。まずクリーンというならば、電力供給システムで配電される電気は、運用段階で水さえ出さないのであるから、よりクリーンで扱いやすい。また、燃料電池の発電効率は、『燃料』としての水素に対する効率であって、工業的に燃料電池システムを成り立たせているのは石油による工業生産システムであって、燃料電池システムに投入される石油に対するエネルギー産出比で比較しなければ現実的な評価は得られないのである。
燃料電池は、例えば、宇宙空間であるとか、極めて特殊な環境において、エネルギー効率以外の使用価値がある『かもしれない』が、通常の社会生活のおいて利用する必然性は存在しない。ここでは、燃料電池を一般的な電力供給システムとして運用する場合における、対石油消費におけるエネルギー効率の視点から考えることにする。
2-4-1 燃料電池システムの構成要素
a． 水素製造プラント
燃料電池の『燃料』は水素である。水素は極微量ではあるが大気中に存在する。しかしながら、大気組成における割合は、5×10-5 ％程度であり、極めて拡散したエントロピーの高い状態にある。大気中から水素を取得するためには膨大なエネルギー投入が必要であるため実質的に不可能である。
そこで、工業的に水素を製造することが必要になる。水素製造は、水を原料とした電気分解法や、メタノールや炭化水素ガスを原料とした熱化学水素製造法等がある（脱炭化水素燃料を目的とするならば、炭化水素ガスの改質による水素製造は論理矛盾であり、後述するようにバイオマスを使ったメタノール製造は別の深刻な環境問題を引き起こす。）。燃料電池を一般的に運用するためには、巨大な水素製造プラントが必要になる。水素製造プラントの建設に投入されるエネルギーをw11とする。ここでは、電気分解法を前提に議論を進めることにする。水素製造プラントで使用される電力は、勿論最も効率的な火力発電による電力を使用するので、発電におけるエネルギー産出比はα＝0.35、投入される石油エネルギーをw12とする。
水の電気分解では、理論的には2個の電子で１水素分子が得られるはずであるが、工業的な生産における水素製造効率をβ＝0.7～0.8程度と仮定する。
水素は軽い気体であり、そのままの利用ではあまりにもエネルギー密度が低く、また体積が大きすぎるため、高圧容器に充填しなければならない。通常 200～300気圧で運用されているようである。この圧縮工程には莫大な仕事が必要であり、充填する水素の持つエネルギーに対する投入仕事の比率は、γ＝ 0.3～0.4程度と仮定する。
b． 燃料電池
こうして得られた水素を『燃料』として『発電』を行う。現在の燃料電池システムが非常に高価であることから、燃料電池そのものの製造に対して、莫大なエネルギー w13 の投入が必要であることが推測される。高いといわれる燃料電池の水素燃料に対する発電効率であるが、せいぜいη＝0.4～0.6程度と、それほど高いとは言えない。燃料電池の運用で、電熱併給（コジェネレーション）で効率を稼ぐといっていることからも発電段階の熱エントロピー gsの発生量は少なくない。ここでは、純粋に発電効率を算定することが目的なので、電熱併給は考慮しない。
c． インフラストラクチャー
更に、家庭・事業所などにおける分散型の電力供給システムとして燃料電池システムを運用するためには、水素ステーションをはじめとする多くの社会的インフラの整備が必要になる。ここに投入されるエネルギーを w14 とする。
2-4-2 燃料電池システムの『発電』効率
まず、水素製造プラントに投入される電力は次式で与えられる。
αw12
水素製造プラントにおける水素（気体水素に蓄えられる電気エネルギー）の産出は次式で与えられる。
αβw12
製造された水素を高圧容器に充填するために消費される仕事は次式で与えられる。
αβγw12
以上より、燃料電池に投入される水素燃料の持つ電気エネルギーは次式で与えられる。
αβw12 － αβγw12 ＝ αβ（1-γ)w12
燃料電池から出力される電気エネルギーw0は次式で与えられる。
w0 ＝ αβ（1-γ)w12 － Tgs ＝ αβ（1-γ)ηw12
ここに、
α ＝ 0.35
β ＝ 0.7～0.8
γ ＝ 0.3～0.4
η ＝ 0.4～0.6
以上より、
∴ w0 ＝ （0.056～0.118）w12
ここから、水素製造プラント建設に要する仕事w11、供給電力の生産に投入された仕事w12、燃料電池製造に投入される仕事w13、インフラ整備に投入される仕事w14を差し引くことによって、燃料電池からの実質の電気エネルギーの産出 w は以下の通りである。
w ＝ （0.056～0.118）w12 － w11 － w12 － w13 － w14
＝ （-0.882～-0.944）w12 － w11 － w13 － w14 ＜ 0
エネルギー産出比は、
w0／（w11 + w12 + w13 + w14） << （0.056～0.118）
2-4-2 燃料電池システムの効率改善の可能性
再び、燃料電池からの産出の式を以下に示す。
w0 ＝ αβ（1-γ)w12 － Tgs ＝ αβ（1-γ)ηw12
さて、燃料電池の発電効率の改善とは、上式における η の改善である。α、β、γについては、燃料電池に投入される圧縮水素製造プロセスに関する効率であり、大幅な改善はない。今後 η が如何に改善されようとも、総合的な効率の低さが劇的に改善される可能性は皆無である。燃料電池を『発電装置』として考えた発想そのものが誤りであった。
2-4-3 燃料電池システムの考察
a． 燃料電池システムは高価で低効率な蓄電装置
荒っぽい見方をすれば、燃料電池システムとは、何らかの他の発電システムで産出された電力を、水素イオンに蓄電して、水素を分子レベルの蓄電装置として使うということである。その水素という蓄電装置から蓄電した電力を回収する装置が燃料電池である。
さて、燃料電池は、電力として供給されたエネルギーを何段階もの迂回過程を経て、最終的に再び電気エネルギーとして出力する。供給される（あるいは蓄電する）電力は、前出の表現を使うと、0.35w12であり、これに対して燃料電池からの出力は w0 ＝ （0.056～0.118）w12であり、蓄電量の１/3以下しか回収できない。燃料電池は、蓄電装置としても極めて低効率だと言わねばならない。
b． 燃料電池の使用価値
通常の電力供給システムによって電力を供給できる環境にある住宅や事業所において、わざわざ蓄電装置、それも極めて低効率で高価な蓄電装置を使う必然性はない。
では、燃料電池の使用価値とは何であろうか？考えられる一つの理由は、既に紹介した環境省の『風力発電～水素製造プラント～燃料電池システム構想』で示されるように、極めて不安定な自然エネルギー発電システムからの低品質の電力に対する蓄電装置としての利用である。この環境省のアイディアが妥当性を持つためには、第一条件として、自然エネルギー発電など、石油代替エネルギー供給システムが、文字通り石油消費なしにエネルギー供給システムとして成立しなければならない。しかし、既に検討してきたように、石油消費を前提としない限り、これらの『石油代替』エネルギー供給システムは存在できないのである。
自然エネルギー発電の低品質の電力を燃料電池システムに投入可能であるということは、石油消費が行われていることを意味する。それならば、既に見てきたように、石油浪費的な発電システムである自然エネルギー発電システムに石油を投入せず、石油火力発電を用いるのが最も効率的である。石油火力発電による高品位の発電システムには蓄電装置は不要である。故に、分散型エネルギー供給システムとしての燃料電池利用は、全く無意味である。
現在、トヨタ、本田はじめ自動車メーカー各社の行っている、燃料電池という蓄電装置を用いた電気自動車開発も全く同じである。石油が枯渇すれば、石油代替エネルギー供給システムは利用不能であるから、移動用動力源としての燃料電池蓄電システムも全く無駄である。燃料電池車とは、石油文明下の高価なおもちゃに過ぎない。
2-4-3 結論
燃料電池システムは、高価＝資源浪費的で、低効率な蓄電装置でしかない。このようなシステムを敢えて使わなければならない必然性のある状況は地球上に存在しない（宇宙空間については知らないが・・・）。
(2004/06/18)
2-5 バイオマス
http://env01.cool.ne.jp/ss02/ss022/ss0225/ss02257.htm
2-5-1 バイオマス利用の歴史的教訓
バイオマスとは、生物起源の物質の総称である。動植物の体組織、それに動物の糞もバイオマスである。歴史的にみると、工業化以前の主要なエネルギー源は、ほとんど全てバイオマスであったと考えられる。日本の木炭は、非常に優れたバイオマス燃料である。
非常に長い歴史を持つバイオマス燃料であるが、これは既に触れたように主として工業化以前に、炊飯や採光などに用いられていた。
産業革命後、ヨーロッパにおいてバイオマスを工業用燃料として組織的に利用した一時期があった。産業革命後の鉄鋼生産において、木炭は優れた還元剤として、高品質の鋼を得るために大量に利用され、ヨーロッパの広大な森林を食い潰したことは周知の事実である。
環境問題として、現在最も憂慮すべき問題の一つは、生態系の回復速度を超える森林消失であり、あるいは農地の消失である。つまり、バイオマスの再生産性の低下であり、絶対量の減少である。
このような状況下において、エネルギー効率を云々する以前に、石油代替エネルギーとしてバイオマスあるいは、燃料用バイオマスを栽培するために農地を、組織的かつ大量に利用することは、まったく愚かな発想と言うほかない。
2-5-2 炭素循環
地球上の炭素循環の概略を次の図に示す。
上図に赤色で示されている通り、年間の炭化水素燃料（化石燃料）の燃焼による二酸化炭素に含まれる炭素量は約６Gt（＝ギガトン＝ 1,000,000,000トン）程度といわれる。これに対して、バイオマスと考えられる地上生物に含まれる炭素量（ストック）は約５５０Gt、生物死骸に含まれる炭素量（フロー）は年間約６０Gtである。つまり、平均的に炭素量として年間約６０Gtの地上生物が新たに生まれ、それに見合うだけ死んでいることになる。
この６０Gtの炭素に対応する生体物質＝バイオマスのうち、多くは食糧になり、また植物を育てるための土壌を形成することになる。もしここから工業的なエネルギーを得るために、炭素量にしてGtオーダーでバイオマスを利用することになれば、かつての木炭製鉄の例を引くまでもなく、生態系の物質循環は急速に衰えることは明らかである。
生態系の物質循環に基づく定常性を維持しつつ、これを乱さない範囲で行われるバイオマスの燃料としての利用まで否定する必要はないであろうが、莫大な石油消費に支えられた現在のエネルギー供給システムの代替として、組織的かつ大規模な利用は直接的な環境破壊であり、行ってはならない。
バイオマスの燃料としての利用において、バイオマスの燃焼によって発生する二酸化炭素は、再び光合成生物によって固定されるので、大気中二酸化炭素量が増えることはない、という説明がされることがあるが、これは正しくない。
光合成によって生物体に固定された炭素は、一旦地表へ堆積して土壌を形成し、その後徐々に風化作用によって分解されて二酸化炭素として大気へ戻って行く。
バイオマスを燃料として消費することは、生態系の物質循環を衰えさせるばかりでなく、バイオマスの燃焼を起源とする二酸化炭素は、地表に土壌として堆積することなく、速やかに大気中に放出されるため、堆積と風化のバランスを乱す。大気中への二酸化炭素の放出という意味では、石油の燃焼と同じである。
2-5-3 結論
バイオマス利用の基本は、生態系の物質循環を豊かにするものでなくてはならない。バイオマスの燃料としての使用は、生態系の物質循環への適切な還元方法のない廃棄物の処理法として、最小限に止めるべきであり、石油代替を目的とした大規模かつ組織的な使用はしてはならない。
(2004/06/23)
2-6 ヒートポンプ
http://env01.cool.ne.jp/ss02/ss022/ss0225/ss02259.htm
2-6-1 ヒートポンプの理論 ～企業の宣伝ＨＰから～
まずはじめに、企業の説明を見ておくことにします。ここでは、社団法人日本冷凍空調工業会のＨＰの説明の一部を紹介しておきます。
http://www.jraia.or.jp/product/heatpump/saving_01.html
2-6-2 熱エネルギーと力学的エネルギー
御存知のように、初等物理学で習う（今はどうなのでしょうか・・・？）4.2J≒１calという関係が知られています。この関係を用いると熱エネルギーと力学的エネルギーは同じ単位で表すことが出来ます。
しかし熱エネルギーと力学的エネルギーは質的に大きく異なっています。熱エネルギーはS=Q/T（ここに、Qは熱量で単位はJあるいはcal、Ｔはその温度で単位は絶対温度K、Ｓはこの熱量の有するエントロピー）というエントロピーを持つエネルギーです。しかし力学的エネルギーはエントロピーを持たないエネルギーです。
その結果、力学的エネルギーは熱エネルギーに100％変換することが可能ですが、熱エネルギーを力学的エネルギーに変換する場合にはエントロピーを除去するために必ず『廃熱』という形で環境に熱を捨てなければならないため100％を力学的エネルギーに変換することは出来ないのです。詳細につきましては後述するとして、ここでは熱エネルギーと力学的エネルギーは質的に異なるという点を理解しておいてください。
エントロピーについて少し触れておくと、エントロピーの大きなエネルギーほど利用価値の少ないエネルギーと理解すればよいでしょう。100℃（＝ 373K）、100calの熱と、0℃（＝273K）、100calの熱のエントロピーを比較すると、前者のエントロピーは100／373＝ 0.268cal/K、後者は100／273＝0.366cal/Kです。つまり100℃の熱＝高温の熱ほど有用なエネルギーということが出来ます。
地球の表面環境では大気温度は平均的に15℃（288K）程度であり、地球大気全体に含まれている熱エネルギーは膨大な量になります。しかし、この大気に含まれる熱エネルギーは温度が低く拡散したエネルギー（＝エントロピーの大きい熱エネルギー）なので、利用価値は余りありません。また、熱エネルギーは温度差がなければ力学的なエネルギーとして取り出すことが出来ません。そのため、残念ながら大気に含まれる熱エネルギーを利用することはそれほど簡単なことではないのです。
ヒートポンプとは、大気の持つ常温熱エネルギーを利用するために力学的な力を加えて温度の勾配を作り出す装置です。
ヒートポンプの説明の中に示されているCOP（Coefficint Of Performance）という数値に惑わされている方が多い様です。COP＞1.0であることを『エネルギーの拡大再生産』＝永久機関が可能と勘違いする人も多いようです。
また、説明では『COP＝3.7』としていますが、これでは説明不足です。この値は大気温度と供給熱の温度によって大きく変動する数値なのです。
確かに、電気によって熱を供給する場合、通常の電熱器ではCOP＜1.0、ヒートポンプは理論上COP＞1.0なので、ヒートポンプのほうがすぐれているように見えます。しかし、供給熱の温度が高温になるほどヒートポンプのCOPは小さくなり1.0に近づきます。おそらくある温度を越えれば、装置の複雑さまで考えた総合的なエネルギー利用効率では電熱器のほうが有利になるはずです。それ故、調理用のＩＨヒーターにヒートポンプ利用の調理器具が取って代わることはないのです。
どのような技術にも適用限界があるものです。ヒートポンプは電気冷蔵庫、エアコンにおいては有効ですが、特段画期的な技術ではなく、あまり大きな期待をすべきではありません。
2-6-3 電動機ヒートポンプ
さて、熱エネルギーの特性が分かったところで話を元に戻します。まず社団法人日本冷凍空調工業会の説明で問題となるところは、ヒートポンプへの入力するエネルギーとして力学的エネルギーから話を始めているところです。これでは現実のエネルギー的な評価は出来ません。工業的な技術を成立させている本質的なエネルギーとは石油あるいは石炭の燃焼熱のエネルギーです。まずここまで遡って議論を始めることにします。
社団法人日本冷凍空調工業会の説明にあるヒートポンプは、電動機から得られる力学的な仕事を利用しています。電動機を動かす電気は火力発電所で作られています。電気を作るまでの素過程の概略を示すと以下の通りです。
燃焼熱↑→熱機関↑→力学的エネルギー↑→発電機↑→電気
※『↑』は環境への熱エネルギーの散逸を示す。『→』は有効なエネルギーの流れを示す。
次に、ヒートポンプで大気から高温熱を取り出すヒートポンプの素過程の概略を次に示します。
電気↑→電動機↑→力学的エネルギー↑→ヒートポンプ↑→熱
この二つの過程を直結することによってヒートポンプの本質的な効率を論じることが可能になります。
2-6-4 温度条件によるCOPの変化 ～ヒートポンプの適用限界～
さて、ヒートポンプについて熱学的に考えてみることにします。熱学の基本的な条件は、エネルギー保存則とエントロピー増大則です。ヒートポンプについてこの二つの条件を表すと次式になります（槌田『熱学外論』p.111）。
q2 + w = q1
q2/T2 + gs = q1/T1
ここに、
q2,T2 ：低温側の熱量及びその温度
q1,T1 ：高温側の熱量及びその温度
gs ：ヒートポンプのエントロピー発生量
w ：ヒートポンプに加える仕事
高温熱を取り出す場合は、上の２式からq2を消去して、
q1 = {T1/(T1-T2)}(w-T2*gs)
となります。ヒートポンプから得られる高温熱エネルギーq1は、ヒートポンプにおけるエントロピー発生をゼロとすると、
q1 = {T1/(T1-T2)}w
となります。社団法人日本冷凍空調工業会のＨＰの給湯器の定格運転の条件、外気温度（＝低温側温度）T2=16℃＝289K、給湯温度（＝高温側温度）T1=65℃=338Kだとすると、
q1 = {338/(338-289)}w = 6.9w
つまり、ヒートポンプに投入した仕事の6.9倍の熱量が得られることになります。これは、ヒートポンプの理想的な効率であり、COP＝6.9に相当します。実際のヒートポンプは、ＨＰのデータではCOP＝q1/w＝3.7となっていますので、ヒートポンプにおける発生エントロピーは小さくないようです。
発生エントロピーは装置の特性と外気温と供給熱の温度によって変化することになりますが、ここでは、実際のCOPと理想的な場合のCOPの比率を便宜的に発熱効率η＝3.7/6.9＝0.54に固定して推定することにします。ηを用いると、実際の発熱量は次の式で与えられます。
q1 = {T1/(T1-T2)}(w-T2*gs) ≒ 0.54{T1/(T1-T2)}w
∴COP = q1/w = 0.54{T1/(T1-T2)}
外気温度T2をT2=16℃＝289Kに固定すると、
COP = 0.54{T1/(T1-289)}
になります。
ヒートポンプを利用したほうが、燃料の燃焼熱を直接利用するよりも有効である範囲を求めることにします。社団法人日本冷凍空調工業会のＨＰによりますと、現在の発電の効率は37％ですから、COP＝1/0.37＝2.7以下であれば燃焼熱を直接用いた方が省エネルギーになるということになります。この温度を求めるとT1＝361K＝88.3℃になります。
沸騰水を得るためにはヒートポンプを用いるより、燃料の燃焼熱を用いるほうがすぐれているのです。つまり、調理用の器具程度の温度を得ようとすれば、最早ヒートポンプを使用する意味はないのです。勿論、省エネルギーという観点からは、ヒートポンプよりも更に効率の低い電熱器を用いる調理器を使う意味は全くありません。
省エネルギーという観点から電熱器を用いる合理性は全く存在しないのですが、とりあえずここでは熱を得るために電気を使用するという条件下で、ヒートポンプと電熱器による効率の分岐点を推定しておくことにします。
COPが1.0になる温度T1を求めると、T1＝628K ＝355℃になります。通常の電熱器ではCOP＜1.0ですが、ここではこれを便宜的にCOP≒1.0だとすると、355℃程度がヒートポンプの使用限界と考えてよいでしょう。実際には通常の電熱器に比べてヒートポンプは装置の機構が複雑になりますから、装置製造に関わるエネルギー投入を含めた総合的な判断としてはそれほど妥当性を欠くものとは考えられません。この特性から、ヒートポンプを調理用の電熱器の代替とする可能性もありません。
以上検討してきたように、ヒートポンプを高温熱を供給する装置とした場合に有効な範囲とは極めて限られていることが分かります。ヒートポンプが有効なのは冷却装置と低温熱の供給、具体的には暖房、給湯（？）程度に限られるのです。給湯に関しては熱湯（沸騰水、100℃）の供給や寒冷地の使用などの条件下では、最早ヒートポンプを利用すべき妥当性は失われますので『？』です。結局、ヒートポンプが確実に有効である電気器具とは、冷蔵庫とエアコン程度しか存在しないのです。それ故この二つの電気製品は早くからヒートポンプを使って製品化されていたのです。
蛇足ですが、給湯器に関しましては、従来の電熱器を用いた電気温水器に比べれば省エネルギーですが、石油やプロパンガス、天然ガスの燃焼熱を直接用いる瞬間湯沸かし器に比べれば明らかに、あるいは普遍的にすぐれているとはいえないのです。
2-6-5 ヒートポンプの効率改善
ここでは、ヒートポンプの効率を改善することを考えます。これまで考えてきたヒートポンプは、圧縮機に対する入力としての仕事を電動機で得ることを前提として考えてきました。その過程をもう一度確認しておきます。
燃焼熱↑→熱機関↑→力学的エネルギー↑→発電機↑→電気↑→
電動機↑→力学的エネルギー↑→ヒートポンプ↑→熱
この図を見て分かるように、電動機ヒートポンプでは、燃料の燃焼熱を熱機関を用いて力学的エネルギーに変換し、発電機を回して一旦電気に変換した後に、また力学的なエネルギーに戻すという無駄なプロセス（水色の着色部分）が含まれています。この各段階で有効なエネルギーの一部が廃熱として捨て去られています。
そこで、この無駄なプロセスを省くとヒートポンプの効率はかなり改善することが出来ます。改善されたヒートポンプの素過程の概略は次の通りです。
燃焼熱↑→熱機関↑→力学的エネルギー↑→ヒートポンプ↑→熱
しかし、家庭で使用するためには熱機関は小型化が難しいので現実的ではないかもしれません。そこで熱機関の代わりに熱化学機関、例えばガソリン・エンジンやディーゼル・エンジンで置き換えてやるのが現実的です。
熱化学機関↑→力学的エネルギー↑→ヒートポンプ↑→熱
発動機（ここでは熱化学機関）からの廃熱は、力学的なエネルギーを得るには低温すぎるのですが、水を加熱する給湯器の熱源として用いるには十分な温度を持っています。発動機ヒートポンプでは、発動機の冷却を水冷にしてやれば、これを給湯器の熱源として回収出来るという利点があり、システムに投入された燃料に対する熱効率は飛躍的に改善されることになります。
迂回度を減らすことによってシステムの効率は改善されるのです。したがって、電気を使わなくてすむことは電気を使わずに行うほうが圧倒的に効率が良くなるのです。つまり逆に考えれば電力化は一般的にエネルギー利用効率を落とすのです。
2-6-6 熱エネルギーの『質』を考える
熱エネルギーはエントロピーを持つエネルギーであり、エントロピーの大きな熱＝低温の熱ほど利用価値が小さいことを既に述べました。ここでは熱を力学的なエネルギーに変換する熱機関の効率について考えてみることにします。
熱機関、ここでは水蒸気タービンの熱効率を考えます。水蒸気タービンとは、作動物質として水を利用する熱機関です。通常の火力発電で用いられる水蒸気タービンでは、500～600℃、200～300気圧程度の高温高圧水蒸気を利用し、100℃程度で廃熱します。
熱機関のエネルギー収支とエントロピー収支は次の式で与えられます。
Q1 = Q2 + w
Q1/T1 + gs = Q2/T2
ここに、
Q1,T1 ：高温熱源の熱量及びその温度
Q2,T2 ：廃熱の熱量及びその温度
gs ：熱機関のエントロピー発生量
w ：熱機関から得られる仕事
この２式から熱機関から得られる仕事量を求めると次のようになります。
w = Q1{(T1-T2)/T1}-T2*gs
上式の右辺の第一項は、熱機関で得られる理想的な仕事量（力学的エネルギー）を示し、熱機関に投入された熱量Q1の係数η0＝{(T1-T2)/T1}＝(1-T2/T1)は理想状態の熱効率です。これはカルノー・サイクルの熱効率として知られていますが、現実にはこの過程を実現するため（発生エントロピーgs＝0にすること）には無限大の時間を要することになり実現不可能です。熱機関の効率改善とは、発生エントロピーを出来るだけ小さくすることです。
火力発電の高温水蒸気温度をT1＝600℃(=873K)、廃熱温度をT2＝100℃(=373K)として理想状態の熱効率を求めると、
η0＝(1-T2/T1)＝(1-373/873)≒0.57
になります。実際の火力発電では、熱効率はη1＝0.4 程度です。実際の熱効率と理想的な熱効率の比を求めるとη＝η1/η0＝0.4/0.57≒0.7になります。便宜的にこの数値は一定としておくことにします。このとき、熱機関から得られる仕事量は次の式で求めることが出来ます。
w = Q1(1-T2/T1)-T2*gs≒η*Q1(1-T2/T1)＝0.7Q1(1-T2/T1)
上式から分かるように、熱機関で得られる仕事量は、熱機関に加えられる高温熱源の温度と廃熱の温度によって決まり、温度差が大きいほど熱効率が高くなります。作動物質が水である蒸気タービンでは廃熱の温度は100℃程度ですから、熱効率を上げるためには高温熱源の温度をいかに高くするかが問題になります。
例えば、高温熱源の温度を200℃（＝473K）まで下げると、得られる仕事量は
w ＝0.7Q1(1-T2/T1)＝0.7Q1（1-373/473）＝0.15Q1
にまで減少します。これが『低温の熱ほど利用価値が低い』という意味なのです。
2-6-7 第二種永久機関は可能か？
ヒートポンプを用いることによって投入仕事wを得るために投入する電力量（≒w）に対して、q1＝COP*wの熱量を得ることが出来ます。q1＝COP*wがヒートポンプに投入された電力量wを得るために必要な熱量Q1よりも大きければ、電力の拡大再生産が可能ではないか？
この疑問点で見落とされていた視点は、熱の温度の問題です。言い換えれば熱エネルギーの持つエントロピー量による『質』についての視点が欠落していたのです。
現状の熱効率の電動機ヒートポンプでは、得られる高温熱の温度T1が88.3℃以上になれば、発電に投入された燃料の燃焼熱を直接用いたほうが効率が良いことを示しました。88.3℃では水を沸騰させることが出来ませんからそもそも水蒸気タービンは成り立たないのです。
では、電動機ヒートポンプから通常の火力発電と同程度のT1＝600℃の高品質の熱エネルギーを得る場合のCOPを求めてみると以下の通りです。
COP = 0.54{T1/(T1-289)}＝0.54{873/(873-289)}＝0.8
社団法人日本冷凍空調工業会のＨＰで示された発電効率0.37を用いると、電動機ヒートポンプから得られた高温熱で得られる電力量は、
w'＝0.8w*0.37＝0.296w≪w
となり、永久機関どころか1/3以下にまで減少してしまうのです。
例えば、熱機関として作動物質として水以外を用いることも考えられますので、高温側温度をT1、低温度側温度をT2とした一般的な議論をしておきます。前回示したヒートポンプの給熱量と今回示した熱機関の仕事量の式
q1＝0.54{T1/(T1-T2)}w 電動機ヒートポンプからの熱量
w＝0.7Q1{(T1-T2)/T1} 熱機関を用いた発電電力量
から、q1＝0.378Q1となり、電動機ヒートポンプから得られる熱で投入した仕事を再生産することは出来ないことが分かります。
現状では、まったくお話にならないのですが、それでも発電効率や電動機ヒートポンプの改良で、発生エントロピーを極限まで減らした場合はどうなるのでしょうか？これは両システムの発生エントロピーをgs→0とした場合の極限として表すことが出来ます。この時の熱機関を用いた発電装置の発電量はw = Q1{(T1-T2)/T1}、ヒートポンプの供給熱量はq1 = {T1/(T1-T2)}wになります。この場合、次の等式が成り立ちます。
Q1＝q1
つまり、発生エントロピーをゼロとした極限状態において初めて単純再生産になるのです。一般的には、Q1＞q1であって、電動機ヒートポンプでは、投入熱エネルギーQ1に対して、供給熱エネルギーq1の方が大きくなることはないのです。永久機関は存在しないし、したがって電力を拡大再生産することは有り得ないのです。
2-6-8 ヒートポンプの実像
以上の検討から、ヒートポンプは冷却ないし比較的低温の熱を供給する場合において有効な技術であり、それ以上ではないことが分かりました。
具体的に利用の妥当性のある電気器具は冷蔵（冷凍）庫とエアコン（冷暖房機）だけであり、これは当初からヒートポンプを利用している技術です。
給湯器に関しては、電熱器を用いる従来の給湯器に比べれば確かにエネルギー節約的ですが、灯油やＬＰガス、天然ガスを用いる瞬間湯沸かし器タイプの給湯器に比べると明確な優位性は存在しません。
特に、ヒートポンプを利用する場合、瞬間湯沸し器タイプの給湯器は作れないでしょうから、タンクに溜めた温水からの環境への放熱を補うために常時運転が必要になり、しかも装置構造が複雑であることも含めて、おそらく灯油やＬＰガス、天然ガスを用いる瞬間湯沸かし器タイプの給湯器の方がすぐれていると考えられます。
更に、電動機ヒートポンプはあまりにも迂回度の高い技術であり、条件が許すならば熱化学機関を用いた発動機ヒートポンプを用いる方がはるかに効果的であることを付言しておきます。家庭で利用するには振動音、排気ガスなどの処理の問題などが考えられますが、事業所などでは可能な技術であろうと考えられます。
最後にもう一度確認しておきます。電気を使用しなくても実現できることは電気を使わないことが最も省エネルギー的なのです。電力化はエネルギー資源と鉱物資源の利用効率を低下させます。COPなどというイカガワシイ数値に惑わされないでください。
(2008/01/15)
※このレポートはHP管理者からNo.300、301を整理したものです。
§３．結論
3-1 石油文明・工業生産システム
石油文明とは、文字通り石油（石炭、天然ガスなどの炭化水素燃料も含む）によるエネルギー供給システムの能力による工業生産によって成り立っている。
通常、工業生産技術とエネルギー供給システムは分離して考えられている。その結果としてエネルギー供給システムとしての石油の枯渇、ないし最近では二酸化炭素地球温暖化の原因とされる石油の使用に替わって、別のエネルギー供給システムによって工業生産システムを運用しようという発想が生まれた。
しかし、工業生産システムの本質とは、あくまでも石油によって供給されるエネルギーによって運用することを前提に成り立っている、究極的には石油の利用技術の総体なのである。これを石油なしに運用することは論理矛盾であり、不可能である。
3-2 鉱業と工業
これまで見てきたように、石油代替エネルギーと呼ばれる全ての技術は、石油によるエネルギー供給システムなしで自己再生産することが不可能である（対石油エネルギー産出比＜1あるいはエネルギー収支＜0）。それどころか、発電システムとして石油火力に対して石油節約的ですらない。石油文明下の技術としても、石油利用効率において既存の石油火力発電に劣る事は勿論、その他の鉱物資源を大量に浪費する技術なのである。
石油がエネルギー資源として優れている理由の一つは、それが本質的には地下資源であり、石油が潜在的に有する優れた物性的な性質を獲得するために、何ら工業的なエネルギー投入が必要ない点である（より使いやすくするための精製工程は必要であるが）。我々は、ただその石油を採掘して運んでくることによって、その優れた資源の能力を利用することが出来るのである。石油は鉱業の産物なのである。
これに対して、現在提案されている石油代替エネルギー技術は、全て工業の産物である。既に述べたように、あらゆる工業生産過程は石油エネルギーの消費によって成り立っている。つまり、石油エネルギーを消費して、産出されるものもエネルギーなのである。工業生産過程の生産効率は100％にはなり得ないのであるから、工業生産過程に投入されたエネルギー量に対して産出されたエネルギー量がこれを上回る可能性はほとんどないといってよい（例えば、火力発電や燃料電池システムにおける電気分解による水素製造）。また、エネルギーを得るまでの工業的な工程が複雑かつ多段階になるほどエネルギー損失は大きくなる。
もし、仮に産出エネルギー量が投入エネルギー量を上回ることがあるのならば、それはエネルギーの原料資源の優れた潜在的な能力によるものである（例えば精製された石油燃料）。
これに対して、自然エネルギーの利用は、石油と同じように、もともと自然エネルギーの持つ潜在能力を利用するシステムであるから、投入石油エネルギーに対してエネルギー産出が上回る可能性はある。しかし、既に検討してきたように、自然エネルギーはエネルギー密度があまりにも低く、あるいは時間的な不安定性を制御できないという困難さのため、これを工業技術によって捕捉し、安定運用するためには莫大な石油と鉱物資源の投入が必要となり、現実的には石油火力発電の石油利用効率を上回る可能性はない。
工業生産システムを運用するためには、エネルギー産出比の高いエネルギー（鉱物）資源が必須であり、採取可能な炭化水素系の資源の枯渇によって、今日的な工業生産システムは終息する。全ての『石油代替』エネルギーシステムは、名前とは裏腹に、石油によるエネルギー供給システムの効率の悪いサブ・システムにすぎず、石油の枯渇とともに消滅する。石油文明下における石油代替エネルギー供給技術は、石油と資源の浪費であり、無意味である。
(2004/06/26)
【補足】
今回の連載の途中で、何人かの閲覧者の方から疑問や意見を頂いた。幾つかについて簡単に触れておく。
Q1 石油代替エネルギーシステム運用に投入されるエネルギーを石油としているのはおかしいのではないか？
A1 既に述べてきたように、現在提案されている石油代替エネルギー供給システムの対石油消費のエネルギー産出比は１よりも小さい。これは、このシステムがエネルギーを消費していることを意味し、正味のエネルギー産出量はマイナスである。故に、石油代替エネルギー供給システムのエネルギー『産出』を他のいかなるプロセスに投入することも不可能である。
Q2 揚水発電による蓄電システムを利用した場合の太陽光発電の発電単価はどの程度になるか。
A2 水力発電の発電単価は、14円/kWh 程度とされている。揚水発電では、上下二つのダムが必要であり、更に揚水用のポンプ施設などの付帯設備が必要なので、少なくとも倍程度の発電単価になるであろう。ここでは、25円/kWh と仮定する。太陽光発電によって供給される電力による揚水効率を70％と仮定すると、揚水発電で１kWh を発電するために必要な水を汲み上げるために必要な電力量は、1/0.7＝1.43（kWh）となり、その価格は 70×1.43＝100.1円となる。合計すると、太陽光発電～揚水発電システムによる供給電力の単価は、少なくとも 125円/kWh 程度であろう。
Q3 燃料電池の使用する水素製造において、光触媒を使った光化学反応による水素製造が実用化すれば、燃料電池システムの利用の可能性があるのではないか？
A3 これは、電力供給において太陽電池を用いるのと基本的に同じ発想である。単に水を日向に置いておくだけでは水素が発生することはない。太陽光の持つエネルギーを利用して光化学反応で水の分解を行う装置が必要になる。太陽光の持つエネルギーを利用する点で、既に失敗している太陽熱発電や太陽光発電と同様に、太陽光エネルギーが工業的な利用を前提にする限り、あまりにもエネルギー密度が低いという問題を克服することは出来ない。既にこの段階で成功はおぼつかないと考えるべきであろう。
太陽光発電では太陽光の電気への変換効率は理想状態で20％程度であるが、果たして光触媒を用いた光化学反応でどれほどの太陽光エネルギーが有効に利用されるであろうか？仮に40％の効率を達成したとしても、実際の野外での運用において、光触媒を用いた土地集約的な水素製造プラントの面積は広大なものになる。
更に燃料電池システムの運用のためには水素の圧縮工程が必要になり、そこで膨大なエネルギー損失を生む。更に、燃料電池システムそのものが高価であることからも分かるように、燃料電池の製造に莫大なエネルギーと希少資源を含む鉱物資源の投入が必要になる。総合的な効率が太陽光発電を上回るのは困難だと考える。石油の代替になる可能性はない。
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最終更新日 : 2006/3/22
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