H29年 機械・熱工学 U-1-3 模範解答と解説

問題  

  大気中の二酸化炭素、メタン、フロン類などの温室効果ガスが増加して、地球の気温が上昇するといわれている。そのメカニズムについて、ガスによる温室効果の相違を含めて説明するとともに、考えられる地球温暖化対策技術を3つ挙げ、現状を踏まえて述べよ。


模範解答(答案形式)  添削履歴 4回   専門とする事項 燃料電池


1.地球の気温上昇のメカニズム

太陽からの日射エネルギーの内、地表面から放射された赤外線の周波数が、大気中のCO2等の分子間振動と共鳴し、熱に変換される。熱が大気圏に滞留し地球を包むことで温度上昇を招き温室に似た効果を生む。

温室効果の大きい順にCO2、CH4、N2O、フロン類となる。CH4やフロン類はGWPが大きく大気寿命が短いため、削減効果に即効性がある。一方、N2OはGWPが大きく大気寿命が長いため長期的に影響を及ぼす。

2.地球温暖化対策技術

@省エネ技術 製品や生産プロセスの高効率化によって、化石燃料の使用量を抑制することで、CO2の排出量を低減する。エネルギー消費の大きい分野に対して、総合熱効率向上の観点からヒートポンプの展開が進んできている。

A再生可能エネルギー利用技術 太陽光や風力、地熱等で化石燃料を導入せずに発電する。特に太陽光発電は、日本では固定価格買い取り制度の影響で高コスト体質となり、普及の足かせとなっている。

BCCS技術 CO2を吸着法や膜分離法を用いて回収し、地中への圧入や帯水層への貯留を行う。現状はCO2の分離技術は日本が先行しているが、CO2の貯留性能については、濃度や圧力分布等の解析を行いながら安全性の実証を行っている。


H29年 機械・熱工学 U-1-4 模範解答と解説

問題  

  冷凍機は、物体を冷やす装置であり、産業界で広く用いられている。代表的な冷凍機の種類とその冷媒を説明せよ。また、冷凍サイクルの1例について、冷媒の状態変化を説明するとともに、その特徴について述べよ。


模範解答(答案形式)  添削履歴 2回   専門とする事項 燃料電池


1.冷凍機の種類と冷媒

1−1.圧縮式冷凍機

往復式と、旋回しながら圧縮空間容積を減少させて圧縮するスクロール式が挙げられる。圧縮機の駆動には、電気式、タービン式が存在する。冷媒は、自然冷媒では、アンモニア、二酸化炭素が、フロン類では、HCFC、HFCが挙げられる。

1−2.ターボ式冷凍機

羽根車によって生じた遠心力で空気を圧縮する。圧縮機の駆動は、タービン式のものとなる。冷媒は、フロン類であるHCFC、HFCを用い、冷水を作る。

1−3.吸収式冷凍機 

蒸発、吸収、再生、凝縮のサイクルが存在し、吸収工程では、吸収液へ冷媒を溶解させる。また、再生工程では、吸収液から冷媒を蒸発させることで吸収液を再生する。冷媒としては水を用いる。

2.圧縮式冷凍機の冷凍サイクルの例と特徴               

冷媒を圧縮(高圧ガス)、凝縮(高圧液)、減圧(低圧液)、蒸発(低圧ガス)と状態変化させて冷凍作用を行わせる。

特徴は、吸収式や電子冷却式と比較すると、COPが4.0〜6.5と高い。また、容量あたりの質量や体積が小さいため、装置の小型化や、コストを低減することが可能である。さらに、冷凍サイクルが閉回路であるため、点検周期を長くすることができる。


H29年 機械・熱工学 U-2-1 模範解答と解説

問題  

  冷凍機は、物体を冷やす装置であり、産業界で広く用いられている。代表的な冷凍機の種類とその冷媒を説明せよ。また、冷凍サイクルの1例について、冷媒の状態変化を説明するとともに、その特徴について述べよ。


模範解答(簡易答案形式2)  添削履歴 6回   専門とする事項 燃料電池


1.太陽熱利用システム

1−1.太陽熱発電 太陽熱で生成した水蒸気でタービンを回して発電する方式と、太陽熱で高温空気を生成し、高圧にしてタービンを回して発電する方式がある。

1−2.給湯暖房システム 太陽熱で生成した高温熱媒を循環し、蓄熱槽内の水を湯にする。また、貯湯槽から温水の一部を循環し、床暖房等に使う。

1−3.冷房システム 太陽熱を吸収式冷凍機に投入し、再生器での吸収液の再生時に水蒸気の気化熱として有効に利用し、冷房を行う。

2.普及状況と普及に向けた技術的解決策

2−1太陽熱発電 普及比率1%。

十分なエネルギーを得るための集光効率向上と蓄熱の高性能化が重要。

2−2給湯暖房システム 

普及比率50%。システム簡素化による施工費低減が鍵。                                

2−3冷房システム 

普及比率2%。システム簡素化による設備費低減が鍵。

3.CSP 集光型太陽光発電

日射量変動における発電出力の変動抑制の為、集光装置および、蓄熱装置を用いる。

3−1 集光装置 分割した鏡を平面に配置して傾きを変化させながら集光するフレネル型及び、太陽を追尾して太陽光を常時一定方向へ反射するヘリオスタットで集光するタワー型を組み合わせたシステムを用いる。 

3−2 蓄熱装置 熱媒として融解塩を利用し相変化によって、蓄熱槽に蓄熱を行う方式及び、蒸気を飽和水の状態で蓄熱するアキュムレータを用いる。

 


模範解答(答案形式)  添削履歴 1回   専門とする事項 燃料電池


1.太陽熱利用システム

1−1.太陽熱発電

太陽熱で生成した水蒸気でタービンを回して発電する方式と、太陽熱で高温空気を生成し、高圧にしてタービンを回して発電する方式がある。

1−2.給湯暖房システム

太陽熱で生成した高温熱媒を循環し、蓄熱槽内の水を加熱して温水にする。また、貯湯槽から温水の一部を取り出して循環し、床暖房等に用いる。

1−3.冷房システム 

太陽熱を吸収式冷凍機に投入し、再生器における吸収液の再生時に水蒸気の気化熱として有効に利用し、吸収式冷凍機の効率化を実現しながら冷房を行う。

2.普及状況と普及に向けた技術的解決策

2−1.太陽熱発電

 普及比率は1%程度である。太陽光から十分な熱エネルギーを得るため、集光効率の向上と、熱エネルギーを蓄えておく蓄熱の高性能化が重要である。

2−2.給湯暖房システム

 普及比率は50%程度である。導入の際には施工費が障壁となることが多いため、システム簡素化によるコスト低減が重要である。

2−3.冷房システム

 普及比率は2%程度である。導入の際には冷凍機の設計にも大きく関わることから、設備費を低減するシステム簡素化によるコスト低減が重要である。

3.CSP 集光型太陽光発電

 日射量変動による発電出力の変動を抑制する目的で、太陽熱を効率的に集めるための集光装置、そして昼間に集熱した熱を蓄熱することで夜間の電力安定供給を実現する蓄熱装置の2点を用いる。

3−1.集光装置

 分割した鏡を平面に配置し、太陽高度の変化に合わせて傾きを変化させながら集光を行うフレネル型と、ヘリオスタットと呼ばれる、多数の鏡を同心円状に配置し、太陽の動きを鏡が追尾して太陽光を常時、一定方向へ反射して集光するタワー型の2つを組み合わせたハイブリット型システムを用いる。集熱量の7割を低コストのフレネル型で集め、残りを集熱効率の高いタワー型で集めることで従来のCSPよりも低コストで高効率化が可能となる。

3−2.蓄熱装置

 熱媒としてプラスイオンとマイナスイオンからなる物質が液体状になる融解塩を利用し、相変化時の潜熱を用いて、集熱した太陽熱を蓄熱槽に直接あるいは間接的に蓄熱する方式がある。また、スチームアキュームレータと呼ばれる方式は、昼間は集熱した太陽熱を用いて蒸気を生成しておき、加熱飽和水の状態で蓄熱しておく。夜間の蒸気が必要な際には器内の圧力を下げて飽和蒸気を発生させて使用する。


H29年 機械・熱工学 V-1 模範解答と解説

問題  

 エネルギー自給率が低い日本においては、特定のエネルギー源への依存を過大としないことが求められており、地球温暖化対策と合わせて再生可能エネルギーに一定の期待がされている。このような現状を背景として、技術的観点から、以下の問いに答えよ。

(1)エネルギーセキュリティ向上及び地球温暖化対策のためには、国産の再生可能エネルギー利用促進が期待されるが、どのような国産の再生可能エネルギーが考えられるか。3つ挙げて説明せよ。

(2)日本において、エネルギー源の一定量を海外から導入する場合、地球温暖化対策を考慮して何が将来のエネルギー源となるか考えを述べよ。(3)(2)のエネルギー源を使用した発電システムを1つ挙げ、その構成例と特徴及び課題について述べよ。


模範解答(簡易答案形式2)  添削履歴 1回   専門とする事項 燃料電池


1.国産の再生可能エネルギー

1−1.太陽光発電 

半導体の一種である太陽電池によって、太陽光エネルギーを直接電気に変える。太陽光を直流に変える太陽電池と、直流から交流に変換するインバータで構成する。

1−2.風力発電 

風の運動エネルギーの最大40%程度を電気エネルギーに変換することができる。効率は周速比によって異なることから、風速に適した回転速度が重要となる。

1−3.地熱発電

地熱貯留層から高温の蒸気と熱水を取り出し、気水分離器で分離した後、蒸気でタービンを回して発電するため天候に関係なく安定して発電が可能である。

2.地球温暖化を考慮した将来のエネルギー源

地球温暖化が深刻化する中で、電気や熱への変換時において水素が以下の理由で有力であると考えられている。

2−1.無尽蔵かつハイパワー 水や化合物として存在し、単位重量当たりの発熱量がガソリンの2.7倍。

2−2.エネルギー媒体 大容量の電力を長時間貯蔵する電力貯蔵媒体に適している。

2−3.エネルギーセキュリティ 水電解や燃料改質、自然エネルギーから製造可能でエネルギー自給率向上につながる。

3.水素を利用した発電システムの構成例と特徴及び課題

発電システムとしては燃料電池システムが挙げられる。

3−1 構成例 

アノード側に水素、カソード側に空気を供給し、化学反応を発生させて直流電力を出力する燃料電池スタックと、水素と酸素の化学反応を安定化するために燃料電池スタックの温度を一定に保つ冷却水回路と冷却水ポンプと、燃料電池スタックから出力された直流電力を交流電力に変換するインバータから構成される。 

3−2 特徴及び課題 

燃料電池システムは水素の持つエネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、エネルギー損失が非常に少なく、発電効率が高い。また、携帯用電源として持ち運べる程、小型化が可能であるので、自動車や家庭において自立型分散電源として使用できる特徴がある。

課題としては、燃料電池スタックにおいて使用している触媒中の希少金属の価格が高価であり他の化石燃料を使用した発電システムよりも高価となるため、発電コストの低減が挙げられる。

 


模範解答(答案形式)  添削履歴 1回   専門とする事項 燃料電池


1国産の再生可能エネルギー

1−1太陽光発電

国内では再生可能エネルギーの12.5%を占めている。固定価格買取り制度を推進力として今後も普及が進むと考えられるが、発電コストは依然として火力発電の2倍近くあり、本体自身や施工も含めた低コスト化が必要である。

1−2風力発電

発電コストは火力発電と同等レベルまで安価になっているため、一定以上の風速を得られる地域において導入が進むと考えられる。今後は導入地域における出力変動に対する受入能力を高めるため、大型蓄電池を合わせて導入することが必要である。

1−3地熱発電 

資源量としては世界3位の賦存量を誇っており、出力が安定的でかつ発電コストが火力発電に匹敵するほど安価である。今後は普及拡大のために、地熱開発において温泉事業者などの地域の理解を得ながら、地域と共生した持続可能な開発を進めていくことが必要となる。

2「LNG」

2−1CO2排出量の観点

LNGの気体状態である天然ガスは石炭や石油と比較した場合、燃焼時のCO2排出量は最も小さくなる利点がある。また、天然ガスからLNGにする過程において硫黄酸化物の除去・脱水処理を行うため、CO2以外の温暖化係数の高い温室効果ガスについても主な化石燃料の中で最も少ない。

2−2エネルギーセキュリティの観点

LNGの元となる天然ガスの埋蔵量は石油の3倍以上と推定されており、豊富に存在していることから安定的に供給できると考えられる。また、LNGの供給元は世界に広く分布しているため、調達ルートに偏りが少なくより安全に日本へ導入できると考えられる。るため、LNGの輸入は長期契約によって天然ガスの液化から輸送・日本での受け入れまで一貫したプロジェクトで進められるので将来に渡り安定確保がし易いと考える。

3.発電システムの構成例と特徴及び課題

3−1構成例

 発電システムとしてはコンバインドサイクルが挙げられる。1段目にガスタービン、2段目に蒸気タービンを設置し、さらに発電機、復水器、排熱回収ボイラから構成される。

3−2特徴及び課題

3−2−1特徴

 燃料を運動エネルギーに変換する工程と、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する工程の2工程が存在する。

 また、本システムは熱効率が54%と非常に高いため、CO2削減効果が高い。

3−2−2課題

3−2−2−1冷熱利用

 輸出国におけるLNGの生成工程、あるいは輸入国である日本において貯蔵しているLNGから都市ガスとして活用する工程において、加温や昇圧を行う必要があるため、非常に多くのエネルギーを消費する課題がある。

 LNGから都市ガスを製造する際の冷熱による、液体酸素や液体窒素の製造や、LNGの冷熱を活用した冷熱発電によって、消費エネルギーの削減ができる。

3−2−2−2輸送コスト

 LNGは埋蔵拠点が世界各地に分散しているため、一国当たりの産出量が少なく、一度に輸送できる量が少量になることで輸送コストが高額になるという課題がある。

 今後は、一度に輸送できるLNGの輸送船への搭載量の増加。また、輸出国あるいは日本において、LNG従事者によるLNG生産設備や貯留設備の共用化を行う。これによって、LNG生産量を拡大することによるメリットとして、輸送コスト削減ができると考える。


 

H29年 機械・熱工学 V-2 模範解答と解説

問題  

 熱システムは空調や発電など多岐に渡る分野で活用されており、近代社会の基盤を支えてきた。一方、市場のグローバル化や製品の多様化に伴い、従来の熱工学に基づくシステムと、通信技術・人工知能・バイオテクノロジーなどの異分野の技術を融合し、新たな価値を生む製品開発が積極的に行われてきている。異分野融合による製品力の向上に努めないと、いずれ競争力を失ってしまう可能性がある。このような状況を考慮して、熱システム設計者として以下の問いに答えよ。

(1)最新の異分野融合が行われている熱システムを1つ選び、その熱システムにおいて生み出される新たな価値を3つ挙げ、その内容を多面的な観点から説明せよ。

(2)(1)で挙げた価値のうち1つ選び、製品競争力をさらに強化するために、熱システム設計者として、将来必要になると考える異分野技術融合の提案を示せ。

(3)(2)の提案の効果と想定されるリスクについて論述せよ。

 


模範解答(答案形式)  添削履歴 1回   専門とする事項 燃料電池


1冷蔵庫のIoT連携

1−1冷蔵庫内の在庫削減

外出先からIoT連携によって冷蔵庫内の在庫の状況を確認できるため、余分な買い物によって、冷蔵庫内の在庫を必要以上に増えることを防ぐことができる。在庫削減によって、食費の削減を実現できる。

1−2省エネ

IoT連携によって、1日の冷蔵庫の扉の開閉回数や庫内温度の変動の可視化が可能となる。現状の冷蔵庫の使用状況を顧客が把握することによって、使用方法による余分な消費エネルギーを削減することが可能となり、顧客のライフスタイルに合わせた省エネが実現できる。

1−3調理サポート 

冷蔵庫にAIを搭載し、さらにIoT連携によって、冷蔵庫内の在庫や食品の賞味期限の状況から、調理可能なメニューを顧客に提案することが可能となる。顧客は冷蔵庫内の在庫を全て把握できていなくても、最適な調理メニューを検討できる。

2エネルギーマネジメント

製品競争力を向上させるために、冷蔵庫に留まらず、家の中に存在する家電製品や太陽光エネルギー、蓄電池をIoT連携し、統合的に消費電力を最適化するHEMSや、BEMSと呼ばれるエネルギーマネジメントが今後必要になってくると考える。

2−1.HEMSによる高効率運転制御

太陽光発電は再生可能エネルギーとして有望であり、一般家庭においても普及が進んできているが、HEMSや、蓄電池の設置がない場合、夜間における家電製品の電力は新たに買電をする必要があり、効率的でないという課題があった。

HEMSは夜間各家電製品と連携することによって、夜間に消費する電力量を見積もりながら、昼間、太陽光発電で発電した電力を蓄電池に蓄えておくことによって、夜間に新たに電力を購入することなく、太陽光発電で自己完結する制御方法の提案が可能となる。

2−2.BEMSによる熱融通

ビルなどの商業施設では、近年データサーバからの排熱量が非常に増えており、排熱を処理するための冷却装置に非常に多くの電力を消費している。

一方で、熱システムとしては排熱によって、吸着材に吸着した水分を蒸発する際の蒸発潜熱を活用することで、周囲から熱を奪う吸着式ヒートポンプが開発されている。

商業施設内の熱システム設備について、BEMSによって統合的に制御を実施することで、排熱の流量や温度等を詳細に把握し、吸着式ヒートポンプによって生成した冷却水を排熱設備の自己冷却や他の空調システムへ活用できる。

3.提案の効果と想定されるリスク               

3−1.提案の効果

 HEMSによる高効率運転制御の場合については、家電商品の消費電力を昼間、夜間問わず、太陽光発電と蓄電池によって完全に賄うことが可能となるため、買い電力をゼロにすることが可能となり、エネルギーとして自立したシステムを提供できる。

 BEMSによる熱融通については、排熱を吸着式ヒートポンプによって冷却水を生成するため、排熱設備の自己冷却や他の空調システムへ活用することが可能となり、ビルや商業施設全体で消費する消費電力を大幅に削減することが可能となる。

3−2想定されるリスク

 エネルギーマネジメントシステムによって、家庭内、あるいは商業施設内の関連機器や熱システムを統合制御するため、エネルギーマネジメントシステムがサイバー攻撃を受けた場合、一部だけではなく、最悪の場合は全ての機器について意図通りに動作できなくなるというリスクがある。

 対策として、エネルギーマネジメントシステムにつてもウイルス対策機能を有効化し、外部からの不必要な接続をすべて遮断したり、エネルギーマネジメントシステムに接続する機器についても同様に脆弱性が無いようにウイルス対策機能を有効化することが必要である。