R1年 機械部門、熱・動力エネルギー機器の答案について添削致しました。

答案の一覧>


この答案についての講評

 現在の技術士試験は応用力の傾向が強いので、毎年問題は予想不可能な形で変化します。その出題傾向が予測できずに、いきなり現れた新規の問題に付いていけなかったように感じます。T-1のSDGsもそうですし、U-2-1では副生ガスのご経験に基づく本質的議論がないと得点できません。一方、U-1-4は大変良くかけていました。見識は十分です。それだけに惜しいです。見識問題ではあまりエネルギーを費やさないようにしましょう。

 答案の良いところ、悪いところ、それから得点する上での注意は音声でご説明いたしますのでお聞き願います。

 技術士試験の難しさは、何を求められているかわからないところにあります。一方、このような試験に対して、技術経営、マーケット志向の視点から考えると間違いがありません。音声ガイドコーチングでは、予想問題練習で問題への対処法をご説明しますので必ず合格できます。


この指導の音声ガイドを聞く

 音声ガイドによるコーチング指導内容(30分34秒)がダウンロードされますのでお聞きください>


問題  

I−2 持続可能な社会実現に近年多くの関心が寄せられている。例えば, 2015年に開催された国連サミットにおいては, 2030年までの国際目標SDGS(持続可能な開発目標)が提唱されている。このような社会の状況を考慮して,以下の問いに答えよ。

(1)持続可能な社会実現のための機械機器・装置のものづくりに向けて,あなたの専門分野だけでなく機械技術全体を総括する立場で,多面的な観点から複数の課題を抽出し分析せよ。

(2)抽出した課題のうち最も重要と考える課題を1つ挙げ,その課題に対する解決策を具体的に3つ示せ。

(3)解決策に共通して新たに生じるリスクとそれへの対策について述べよ。

(4)業務遂行において必要な要件を機械技術者としての倫理の観点から述べよ。

 


解答

(1)持続可能な社会の実現に向けたものづくりの課題

(1)-1 労働力不足

このような身近な視点ではなく、世界的な視点で答えるべきかと思います。

 少子高齢化か進み労働者人口減少は深刻であり,即時対策を講じる必要がある。リタイヤした労働者の再雇用や女性の更なる活躍が期待される。

(1)-2 IT技術の活用による高度化・効率化

IT化ありきの議論になっていませんか?

 IoTやビックデータ,人工知能などの最新のIT技術をものづくりの分野に積極的に取り込んでいく必要がある。その為には,各分野間の技術交流が積極的に行われることが効果的である。

(1)-3環境保全・地域環境への配慮

着目点は◎ですが、原則論のみで特に提案にふさわしい答えがありません。

 従来の技術では環境負荷は低く,安全とされている物質や手法でも,将来に渡って安全であるとは断言できない。常に最新の知識得られる体制を確保する。

 (1)-4労働者の安全とライフワークバランス

 労働者の衛生環境をしっかりと整備しなくては,労働者離れにより,生産現場を維持する事は出来ない。そこで業務の標準化や機械による自動化が期待される。

これは社会ではなく企業経営(会社の中の話)の問題に過ぎません。

 

(2) IT技術の活用による高度化に対する解決策

(2)-1 オープンイノベーションの積極的な活用

 モノづくりの現場においてIT技術の活用に対して最も高い障壁となるのは,知識や技術の不足である

これをすればすべて解決みたいな楽観的な議論に感じます。オープンイノベーションとは本来の使い方はこのような目的ではないでしょう。

 

これを解決する手法としてオープンイノベーションが挙げられる。これにより,社内リソースを掛けず,多岐に渡る最新の技術を用いる事が可能とな。

(2)-2 技術管理のアウトソーシング

マネジメントの問題であって機械技術の提案ではありません。したがってこれでは点の取れる提案になりません。

 

IT技術は,その進歩は目覚ましく,従前のものづくり現場におけるスピード感とは全く異なる。一方,    ウィルス対策にも代表されるように,当該技術は常に最新の状態に更新されている必要がある。この様な状況から,アウトソーシングの活用が有効である。

(2)-3 ビックデータの利用

 IT技術の導入により,大量のデータを取り扱う事になり,この管理と活用はものづくりの発展・持続のカギとなる。ここで,ビックデータ解析を活用する。これにより現場での判断は効率化し,生産性が向上する

このようなことが有効なことは今の時代は常識ではないでしょうか。むしろどう使うかというテクニックが必要だと思います。マーケットの動きを引用しただけで、そこに機械技術があるのでしょう。

 

(3) 新たに生じるリスク

(3)-1 組織内における抵抗

昔のラッダイト運動みたいなものですか。しかし機械技術で解く問題ではなく、釈迦問題かと考えます

 

 ものづくりの世界,特に機械を中心とした産業界において,IT技術に対する抵抗感が強い場合が多い。特にオープンイノベーションにより導入された技術には更なる強いNIHが働く事が予想できる。

間違いではありませんが、機械技術の提案ではないのでどうにも評価できません。

 これに対し,有効な解決策となるのは,相互の技術に対する理解を深める活動である。更に,最終的に判断するのは人”であり,人とITのコミュニケーションの重要性を理解する事が,解決の助けとなる。 

(3)-2 情報漏洩と技術流出

(2)項に述べた手法には,社外とのインターフェイスが多く発生する。これにより,ハッキング等による情報漏洩や技術の流出が発生した場合,その被害は多大である。これに対し解決策の一つとして挙げられるのは契約による保護である,例えイノベーションパートナーが大学等の機関であっても互いの利益を守る契約を取り交わす必要がある。また,ITと人による二重の監視体制にすることも効果がある。

(3)-3 ITの暴走による被害

システムのエラーのみならず恣意的な操作によって装置が暴走し,物的・人的被害が生じる恐れがある。これに対しても,ITと人の二重監視が必要である。

(4) 業務遂行における必要案件

これの何処が技術者倫理といえますか。?

 

(4)-1 人命および環境保全に対する危機意

「モノは壊れるもの,人はミスをするもの」との認識を常に持っている必要がある。これにより「このポンプが壊れたらどの様な環境影響があるか」「このタンクが破裂しても作業員はケガをしないか」に考えが及ぶ。生産性を考慮しつつ,この様な配慮を行う事が,統括する立場には必要である。

配慮することは正しいですが、それだけでは技術者とは言えません。危険があるなら、技術者なら放置できないはずなので、対処法まで示すべきかと思います。

 

(4)-2 広い視野で,周りを見渡し

 モノづくりの現場において,一度重大な不適合や災害が発生すれば,影響の及ぶ範囲は多岐に渡る。例えば,潤滑油の河川流出が起これば,自治体・警察・消防への届け出が必要となる。また停電時に自家発電設備に余剰があれば,電力会社に逆潮流を申し出られる。こうした,有事の際であれ,落ち着いて周囲を見渡せる素養は必要な要件である。 

つまり何を言いたいのですか。これだけではよくわかりません。社会の持続性の視点から、「業務を行う上で」必要な要件を述べるようにお願いします。

 


U-1-4    

 作動流体を理想気体としたブレイトンサイクルにおいて,タービン及びコンプレッサで等エントロピー変化と仮定した場合のサイクル熱効率を,圧力比と比熱比を用いて示せ。また,再熱ブレイトンサイクルの各過程を説明せよ。


解答

1.ブレイトンサイクルのP-V,T-sサイクル

 ブレイトンサイクルの理論サイクル図を図1に示す。

ブレイトンサイクルのP-V,T-sサイクル ブレイトンサイクルは一般的にガスタービンに用いられるサイクルで,次の4つの工程から構成される。 断熱圧縮,等圧加熱,断熱膨張,等圧冷却

ブレイトンサイクルは一般的にガスタービンに用いられるサイクルで,次の4つの工程から構成される。

1→2:断熱圧縮(定エントロピー)

2→3:等圧加熱→ボイラ 圧縮機

3→4:断熱膨張(定エントロピー)

4→1:等圧冷却→復水器 タービン

2. サイクル熱効率

ブレイトンサイクルの理論効率ηは次式で示される。

 η=1/φ(κ―1)/κ

ここで φ;圧力比,κ;定圧比熱

3.再熱ブレイトンサイクル

 サイクル図を図2に示す。ブレイトンサイクルに対し,3→3’が再熱工程となる。タービン部を多段とし再加熱することでサイクル効率の向上を図る。

また,排ガス熱を利用し吸気を加熱する再生サイクルにより更にサイクル効率の改善が可能である。

再熱ブレイトンサイクル サイクル図

 


U-2-1

  石油化学工場で,石油精製工程から得られた副生ガス(主成分:水素,副成分:一酸化炭素)を利用した発電設備導入を計画している。技術責任者として,本工場で使用する発電システム選定も含めた設備導入の計画業務を進めるに当たり,下記の内容について記述せよ。

(1)調査,検討すべき事項とその内容について説明せよ。

(2)導入する発電システムを1つ選定し,業務を進める手順について,留意すべき点,エネルギーの有効利用の観点から工夫を要する点を含めて述べよ。

(3)業務を効率的,効果的に進めるための関係者との調整方策について述べよ。



解答

(1)            調査・検討すべき事項

(1)-1 副生ガスの発生量と変動

間違いではありませんが、初期段階での検討項目に過ぎません。前提事項かもしれません。

 

 副生ガスの利用となる為,発生量および変動量は生産設備の稼働状況に依存する事となる。これを把握し,導入する発電システムに与える影響,即ち,発電装置の運用性と発電電力量を検討する必要がある。

(1)-2 副生ガスの取り扱いに対する安全性

これは水素に対する常識的な対処方法にすぎません。既知のこと、わかりやすいことではないでしょうか。

素は非常に燃焼速度が早く(メタンの6.6倍), 

一酸化炭素は極めて毒性が高い(数ppmで致死量)。 

その為,副生ガスの移送および利用設備で,十分な安全性が担保されるよう,検討が必要である。

(1)-3 設備導入から保守に対する経済性

これは前提事項でしょう。副生ガス発電に関する本質的な検討事項はありませんか?

生ガスの発生量に合わせた発電設備を導入した場合,買電に対する経済合理性を検討する必要があり, 

導入から設備廃棄までのLCCを考慮すべきである。場合によっては,燃料の外部調達先の確保も検討する。

(1)            導入するシステムと業務手順

(2)-1 導入システムについて

なぜSOFCなのか。どういう場合にGTFCとなるのか?2つとも挙げたらどちらが答えかわかりません。

 副生ガスの成分(H2,CO)および目的(発電)より,固体酸化物方燃料電池(SOFC)の導入を検討する。

当該石油化学工場における電力デマンドによっては,GTFCの導入も検討の範囲とする。

(2)-2 業務手順について

設備規模および性能の決定

(1)-1項で検討したSOFCの燃料となる副生ガスの消費に

より発電出力を決定する。

コンバインド発電の提案は◎です。ただし何をどうするのですか?触れただけでは説明不足です。

手順はこの2つしか無いのでしょうか。しかも1つ目は前提。

 

その際SOFCの反応温度は600-1,000℃と非常に高く,ボトミングとして蒸気タービン発電が行える事を考慮する。これによりエネルギーが有効に使われ,発電効率も70%程度となる。

A運用方法の確認 

 発電設備は系統事故等による停電時こそ効果を発揮する。そこで,上流設備のBCP方針に合わせた設備運転計画の検討や,BOS設備の導入を考える必要がある。

一般的な注意点に過ぎません

 

(3)関係者との調整方策

(3)-1 社内における調整

設問の前提や提案内容と関係のない事項です。一貫性があるとは言えません。

 当該発電設備の発電量は工場の生産量に依るものであり,更に保守や故障も想定する必要がある。従って,常に系統電力や,その他発電設備によるバックアップを用意し,主生産設備に対する影響を最小限としなくてはならない。また,運転員や,保守費,買電価格の変化などに常に注視し,当該設備の経済的運用メリットを更新しなくてはならない。

(3)-2 社外における調整

これも同じです。いつでも、どこでも、どんな物件でも言える便利な解答です。そのような一般事項は答えじゃないと考えるべきでしょう。

 発電設備は,運転・保守に対し非常に専門的な知識と経験を必要とする。場合に応じて,サプライヤへの委託も効率的となる。突発的な不適合対応を含めた包括契約を結ぶなどすると,コストダウン効果だけでなく,発生費用の平準化が図れる。但しその際は情報漏洩に対する覚え書きを交わす事が求められる

 


 V−2

 将来の脱炭素社会を見据えたエネルギーシステムには大きな改革が求められており,現在政府では,あらゆる選択肢の可能性を追求する野心的な複線シナリオとした取組を進めている。資源の少ない日本にとっては,今後も技術力で世界をリードし,エネルギー選択の多様性を確保することが,この問題に関するリスクを最小化し,工業先進国として生き残る道であると考えられる。このことから,革新的なエネルギーシステムや要素技術が,今後一層求められているといえる。これらを踏まえて,以下の問いに答えよ。 

(1)動力エネルギー技術分野(内燃機関,水車,ボイラ,発電機,蒸気タービン,ガスタービン,風力発電,太陽光発電,燃料電池,及びこれらの複合システム)の中で,あなたが今後重要と考えるシステムを1つ挙げ, 2020年から10年ごとの到達目標を設定した2040年までのロードマップを示せ。また,各到達目標を達成するための技術課題を提示してその内容を述べよ。 

(2)(1)のロードマップを実現する上で,あなたが重要と考える技術課題を1つ挙げ,それを解決する方策を提案せよ。 

(3)あなたの技術的提案がもたらす効果を示すとともに,提案の実施において発生する可能性のあるリスクと課題について述べよ。


ロードマップとは、下の図のように政府や企業が将来どのような技術的取り組みをしていくかという計画を時系列でまとめた図、あるいは表のことです。

 

ブレイトンサイクルのP-V,T-sサイクル ブレイトンサイクルは一般的にガスタービンに用いられるサイクルで,次の4つの工程から構成される。 断熱圧縮,等圧加熱,断熱膨張,等圧冷却 ブレイトンサイクルのP-V,T-sサイクル ブレイトンサイクルは一般的にガスタービンに用いられるサイクルで,次の4つの工程から構成される。 断熱圧縮,等圧加熱,断熱膨張,等圧冷却


解答

(1) 2030年度目標の実現に向け重要な技術分野と課題

 最も重要な技術分野として,「水素の有効利用」を 挙げる。水素は,エネルギーとしての利用過程でCO2を発生せず,従来の化石燃料の代替えとなれば,温室効果ガス削減の助けとなる。

ロードマップが文章で書かれており時系列での工程が読み取れません。

(1)-1 インフラ整備

 水素利用の普及に対し最も高い障壁となるのは,インフラ整備である。特に輸送に対する課題解決が大きなカギとなる。水素の液果は非常に大きな電力を必要とし比重も小さい事から輸送効率化が極めて悪い。

 パイプラインの利用が効果的ではあるが,国内で水素が移送できるパイプラインは,一部のコンビナートに限られる。

(1)-2 安定利用

 水素は燃焼速度が時報に早く,メタンの6.6倍にも及ぶ。そのため,従来のガスタービンやガスエンジンでは安定的に燃焼させるのが困難である。更に穂遠距離が短い,局所燃焼してしまう等も水素の扱い難さの要因である。

(1)-3 生産量の確保

 現在,水素を利用する際,その入手経路は以下であり,その課題を併せて示す。

@    水の電気分解;大量の電力を消費する。再生可能エネルギー由来の電力を用いた場阿合,水素の生産コストは非常に高くなる。

A    コークスや苛性ソーダ等の生産に際する副産物

;水素生産量が,主生産物の生産量に依存してしまう。またコークス生産では水素は既に熱源として組み込まれている。

B    バイオマスの改質;原料となるバイオマスの確保

(2) インフラ整備に対する解決策

 エネルギー自給率向上の観点から,国内での生産・移送に焦点を当て検討する。

メタンを利用した化学技術です。用途としては合っていますが、しかしこれで機械技術と言えるでしょうか。機械部門で受験することを考えると、やや領域外のように感じます。2も同じです。

 

(2)-1 メタネーション 

 (1)-2 項でも述べたように,エネルギーの移送には,既存パイプラインの利用がコスおよび安全の観点から最とも合理的である。そこで水素をメタンに変化させ既存のパイプライン設備を用いる手法が考えられる。  反応式は 3H2+CO2→CH4+2H2O で示される。

これを一般的にメタネーションと称し,CO2をエネルギー利用する副次的なメリットも得られる。

(2)-2 水素キャリアとしてのアンモニア

 分子に水素を含み,比較的容易に扱える物質としてアンモニアの利用も有効である。アンモニアは液化に必要なエネルギーが少なくて済む。

想定される発電設備では,脱硝装置の反応剤としてアンモニアを用いており取り扱いになれている。

(2)-3 発生地でのエネルギー変換 

水素やめて電気にしたら、そもそも熱・動力エネルギーでもなくなって、電気ではありませんか。電気電子部門の提案ならともかく機械部門としては領域外に感じます。

 エネルギーは変換を行なう毎に熱損失や機会損失により,利用可能熱量は目減りしていく。

 従って,発生場所に置いて最終利用形態に変換させるのが最とも効果的となる。一方,エネルギー形態としては,やはり電力が最も汎用性が高い。

から,水素の生成場所に効率の良い電力変換設備を配し,系統を介してエネルギー供給する手法が合理的である。電力変換設備としては,2030年度を念頭に置くとSOFCが現実的である。

(3) 新たに生じうるリスクと対策

(3)-1 水素の十分な確保

(3)は(2)の解決策に依頼するリスクとその対応です。しかしそのエネルギー源、水素をを対象とすると、解決法のいかんによらず水素をエネルギー源とする限りいつでも当てはまることです。しかもそれは石油と同じであるというであれば、まったく旧来のリスクと同じで、新たにリスクを議論する意義が薄いです。

 

 水素利用の普及に重要となるのはコストダウンである。産業界で広く用いられる為には既存のエネルギーより,有利な入手性が求められる。水素の主たる入手先を現在の化石燃料同様に輸入に依存した場合,地政学的リスクは避けられない。 

 対策としては,水素の国内生産が必須となる為には,水の電気分解を普及させる必要がある。従って,水力・風力・太陽光等の再生可能エネルギー由来の電力設備を補強し,これにより得られた電力の夜間利用などにより,合理的な水素生産を可能とする。


 

(3)-2 水素に対する利用書の理解 

 水素は未だに「取り扱いが難しく,危険なもの」と認識している人も多い。これにより産業界への普及が滞る事が考えられる。これに対しては,エネファームや燃料電池自動車など既に確立された技術製品の更なる展開・普及が効果的である。

ここもほとんど留意点みたいな内容になっており、リスクを求めている出題意図に答えているとは考えにくいです。また内容としては技術士としての提案内容はありません。これでは得点しにくいと思われます。