工学

エネルギー問題・不足を解決する方法はあるのか?

現代のエネルギー消費

日本の人口は減少の一途をたどっていますが、地球規模で見れば人口増加は止まらず、国際連合の「世界人口予測・2017」の報告によると、2030年までに86億人、2050年に98億人、そして2100年には112億人に達すると言われています。(インド、インドネシア、ナイジェリアなどの人口増加が目立っています)。人口増加によって様々な不足が起こりますが、その一つにエネルギーがあります。高度に情報化が進んだ社会では、身の回りに電子機器が増え、大量の電力、エネルギーを消費します。基本的にこの膨大なエネルギー消費を支えているのは石油を始めとして化石燃料です。

これは、化石燃料の化学エネルギーを燃焼によって熱エネルギーに変換し、この熱エネルギーを蒸気機関によって力学的エネルギーに変換し、力学的エネルギーを発電機により電気エネルギーに変換します。

このように化学エネルギーから電気エネルギーを取り出すのにいくつものエネルギー変換を繰り返します。

大量の化石燃料の燃焼は、多くの二酸化炭素の排出などをもたらし、世界的に問題になりました。特に、大気中の二酸化炭素濃度が増加したことによる、地球温暖化が問題になりました。また、1970年代に起きたオイルショックにより、石油輸入危機が起こると、石油依存への危機感と環境問題への対応が必要だと考えられるようになりました。

そこで、「省エネルギー」という概念を打ち出し、環境問題やエネルギー消費問題に取り組むことになりました。

「省エネルギー」とは、目的のエネルギーを効率的に取り出すこと(エネルギー変換効率を挙げる)、むだなエネルギー消費をしないことです。

エネルギーの使い方を考える

エネルギーには質の高いエネルギーと質の低いエネルギーがあります。

質の高いエネルギーとは、熱で言えば、800℃など高温のエネルギーです。質の低いエネルギーとは40℃など低い温度のエネルギーです。40℃の水をいくら集めても(40℃水が持つ熱エネルギーをいくら集めても)水を沸騰させることはできません。質の高いエネルギーはたくさんの使いみちがあるということです。例えば太陽光の熱エネルギーで水を沸騰させるのは大変ですが、ぬるま湯程度にすることは簡単です。風呂の水を質の高いエネルギーを使用して温めるのはエネルギーの無駄遣いではないか?という見方もできます。

またエネルギーの形態によって、その取扱やすさも変わります。化学エネルギーは物質の形をしているので、運ぶのは簡単です。一方で熱エネルギーは運ぶのは難しいです。

もう一度火力発電の仕組みを思い出してください。火力発電では、化学エネルギーを一度燃焼させて熱エネルギーに変換し、電気エネルギーを得ています。

この熱エネルギーの損失を防ぐために、湯沸かしの燃焼と発電をセットで行うコージェネレーションシステムという考え方もうまれています。火力発電のようなスケールメリットは少ないですが、分散、小型化されたシステムはそれぞれのエネルギー消費量に応じたエネルギー生産を効率的に行えるというメリットがあります。

エネルギーの源を考える

エネルギーの消費の効率化以外にも、エネルギー源の枯渇や環境負荷について考える必要があります。

例えば、石油等の化石燃料は燃料以外での資源としての利用、世界で拡大し続ける消費により枯渇する可能性があり、エネルギーの持続性に問題があります。さらに化石燃料の燃焼によるエネルギーの取り出し方は、環境負荷が高いという欠点もあります。

エネルギー源として求められるのは、環境負荷が少なく、無尽蔵なエネルギー源です。

そこで、未来のエネルギー、代替エネルギーが注目されています。

・核融合

・風力

・地熱

・太陽光

・波力

・バイオマス

・廃棄物燃料

・燃料電池

これらのエネルギーは、持続性があり、石油に依存しないエネルギー源として重要です。

先進国の取り組み

・ドイツ

ドイツは積極的な再生エネルギー導入国です。2017年ドイツは再生可能エネルギーが発電割合で33%と最多で、原子力は減少、火力発電は60%を占めています。再生可能エネルギーは風力が多いです。

・スウェーデン
スウェーデンは水資源に恵まれているために、発電の約半分は水力発電です。残りの殆どは原子力発電で賄われています。

 

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こめやん
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こめやんは理学博士です!化学の面白さと学ぶメリットを少しでも伝えるために日々頑張ります! ツイッターにて疑問点や依頼などを募集しています! 論文の和訳やレポートのチェックなどでもお気軽にお待ちしております