エネルギーの品質とエントロピー

本日11月22日午前7時よりスカパーによってエネルギー科学研究会があった。 そのときに、小生が配布した資料を多少編集したものです。

一次エネルギーの基本  
 一次エネルギー資源は、環境の中に存在し、環境から取り出して、有効利用するもの。人工的な一次エネルギーはありえない。原子力発電エネルギーをはじめ、人工的なエネルギーは、必ず一次エネルギーを消費せねばならない。
一次エネルギーの品質を決める要素として次の4つが挙げられる。
① 低エントロピー資源(エネルギー凝集度、エネルギー密度が高い)であるかどう
か。これは資源としての存在特性にかかる要素である。
② 環境の中から取り出すのに必要するエネルギーが小さいかどうか。
③ エネルギーの使い道が多様であるかどうか
④ エネルギー使用によって発生するエントロピー(廃熱・廃物)が小さいかどうか

一次エネルギー収支比(EPR)は、①/②で表す。EPRの値が大きいほどエネルギーの品質は高い。
 ・品質の低いエネルギーは、品質の高いエネルギーを代替できない。  
・品質の低いエネルギーは、品質の高いエネルギーに部分的に依存し、自立でき
ない。  
・エントロピーの高いエネルギー資源ほど、必要エネルギー、廃熱・廃物エントロピー も大きい。


一次エネルギーの品質(特に石油)  
 
一次エネルギーには、石油、石炭、天然ガス、非在来型石油、非在来型天然ガス、ウラン、太陽、風、地熱、地中熱、木材等があり、エネルギーの品質を評価する。
石油は、何種類もの炭化水素成分の混合流体で、産地ごとにの成分比率が違っている。しかし、超重質油を除いて、平均的には石油の比重は0.9程度で、その1トン当たりの燃焼カロリーは107kcalと高く、環境温度15℃に対して、拡散能力の高い凝集した低エントロピー資源である。
石油生産に必要なエネルギーは、油層へ坑井掘削し、地上へ採油して油とガス、不純物を分離処理するためのエネルギーである。坑井掘削に要するエネルギーは陸上油田、大陸棚海洋油田、深海油田で、それぞれ1桁ずつ高くなるとみてよい。
採油に要するエネルギーは、自噴ではほとんどゼロであるが、ポンピング採油、二次回収(水やガスを注入して油層の流動動力を高める操作)だと、その分、採油に要するエネルギーを大量に消費する。
自噴する陸上油田ではEPR>100であったが、少なくない海上油田ではEPR<10である。 石油の使途として、分留して、輸送燃料、発電燃料、化学原料に広く使用されている。分留に要するエネルギーは生産に要するエネルギーよりも小さい。しかも、エネルギーの使用価値が多様になり、石油文明社会のあらゆる場面で使用されている。
エネルギーを消費することによって生ずるエントロピーは、輸送および発電ともに、二酸化炭素と熱量を排出する。主なエネルギー資源の燃焼熱量の概数を示す。
・石油1トン:107kcal
・石炭1トン:6.67×106kcal  かさ比重:0.8~1.0
・天然ガス:1トン=1,415m3 1.27×107kcal 
・ウラン1トン(純度0.3%):1.49×104kcal 濃縮・成型加工
低エントロピー資源は、凝集度が高く、高温の熱を大量に発生できる。拡散能力 発熱能力が高い。


エントロピーが根本法則
 
 物理学の3つの法則は、①物質保存の法則、②エネルギー保存の法則、③エントロピー発生・増大の原理である。閉じた系(保存系)の中で、
・物質、エネルギーが変化すると、エントロピーが発生する。
・物質、エネルギーの変化の自然な変化は、エントロピーが増大の方向である。  
・物質、エネルギーを、エントロピーの低い方向へ変化させるためには、エントロピ
ーの低いエネルギーの助けが必要である。 
・エントロピーは物と熱に付随して移動する。
・仕事は熱や温度の変化がなく、エントロピーを持っていないエネルギーである。 以上より、物理学の3つの法則の中で、エントロピー則が最も根本的な法則だと分かる。

モノの製造におけるエントロピー  
 原料資源は、エントロピーが高い。  製造製品は、エントロピーが低い。  原料から製品製造には、低エントロピーのエネルギー資源が必要である。  製造過程で、必ずエントロピーの高い廃棄物(廃熱、廃物)が生ずる。  
原料のエントロピーが高いほど、    
・質的、量的に低いエントロピーエネルギーが必要である。    
・廃棄物のエントロピーは高くなる。  

製造により生じる高いエントロピーの廃棄物によって、自然と生態、社会のエントロピー増大を避けねばならない。
地球の生物生体が受け入れることのできない有毒な廃物として、塩素化合物、放射能がある。塩素化合物の中には、オゾン層を破壊するものもある。放射能は半減期の何倍もの期間にわたって生体を攻撃する。 それ以外の通常の廃棄物は、    
・廃熱は、地球の大気・水の循環によって地球外に排熱される。    
・廃物は、空気・水・土壌・動植物の中を適正に循環して低エントロピーになる。

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