技術・家庭科

技術分野

エネルギーと技術（ 4 ）エネルギーを有効に使う技術

1 の電力＋▢5 の大気熱▢

冷媒（気体）

源からつくることができるので、エネルギー安定供給の点から重要なエネルギーシステムになると期待されている。燃料電池自体の発電効率は約 30〜60％であるが、e-

水酸化イオン

水酸化イオン

約 80％まで高めることができる。発電の際に水しか排出せず、二酸化炭素や硫黄酸化物などを排出しないなど、火力発電

インフラ面で多くの課題があるが、将来的にはすでに実用化段階にある定置用燃料電池や燃料電池自動車だけでなく、船舶や鉄道などを含む他の運輸分野、水素発電な燃料電池

化学エネルギー

今現在、水素の活用には技術面、コスト面、制度面、が見込まれている。大幅な省エネルギー、エネルギーセキュリティの向上、環境負発電所荷低減に大きく貢献できる可能性があると期待されて。
いる（62 ページ参照）

燃料電池

出力 200kW の大型燃料電池システム（慶應義塾大学湘南藤沢キャンパス）●コージェネレーションシステム
コージェネレーションとは、天然ガスや石油、石炭、ボイラー

タービン

発電機

熱エネルギー力学的エネルギー

電気エネルギー

電気エネルギー

燃料のエネルギー（100％）

電気エネルギー

燃料のエネルギー（100％）

電気エネルギー

利用 40％

熱エネルギー

利用40％

排熱20％

約 70〜85％という高いエネルギー利用効率が実現できの高度利用が図られる
（565％

廃熱60％

発電効率

35〜60％

総合エネルギー
効率

ガス化率100％
気化装置に二酸化炭素を排出しない、多様なきる。ガソリン車とくらべてエネル費を減らし、効率よく走る自動車でエネルギー源から製造された水素をギー効率がよく、走行時に二酸化炭ある。プラグからの充電ができない使用できるという特徴を持っている。

素を排出しない。電気を多く蓄電でハイブリッド自動車にくらべ、プラ
H2

充てん時間が 3 分程度とガソリンきるリチウムイオン二次電池の開発

H2
H2
グインハイブリッド自動車は家庭な車とほぼ変わらない。現在は水素をにより、今では長距離走行が可能にどでも充電ができるので、電気自動充てんできるステーションが少ないなるなど性能が向上している。

車とハイブリッド自動車の両方の長ことが課題となっている。また、車所を持っている。

両価格が高額なことから、普及に向家庭に電気を供給する機能を備えているので、停電時に電源として利けて製造コストの低下につながる技用が可能である。

術開発が進められている。
バッテリー

電気エネルギー：25〜48％

利用困難な排熱：15〜30％

電源

バッテリー

電動機・発電機

バッテリー

H2
H2

電源
電動機・発電機85

内燃機関

電動機・発電機

ガソリン
燃料タンク

水素タンク

（出所）一般社団法人次世代自動車振興センター HP を基に作成

プラグインハイブリッド自動車

燃料電池自動車

エンジンとモーター

モーター

動力源

電気

電気とガソリン水素

補給方法

H222,167 か所
家庭の電源、充電ステーション全国に
H2（GoGoEV2018
H2年5月10日の情報）

ガソリンスタンド

水素ステーション全国に 100 か所（2018年8月現在）

航続距離

約 400km

EV 走行距離：68.2km
ガソリン走行距離：1599.6km（燃料消費率 37.2km/l）

約 750km

環境性能

走行中に排気ガス、二酸化炭素を排出しない

エンジンを利用しているときは排気ガス、二酸化炭素を排出する走行中に排気ガス、二酸化炭素を排出しない

関連するページ※LHV基準FC スタック

モーター

充電・充てん時間

H2

水素電気自動車
動力70

有効利用可能排熱：30％〜50％

燃料電池で作った電気でモーターを組み合わせることで化石燃料の消●次世代自動車の比較

LNG

1次エネルギー：100％●燃料電池自動車（FCV）である。家庭用の電源でも充電がで80％

熱エネルギー

パイプライン●プラグインハイブリッド
自動車（PHV）

電気と熱電気エネルギータンク

15℃を回し、走る自動車である。走行時

電気（都市ガスの場合）

ガスホルダー

20℃-10℃
急激に圧力を下げると温度が低下

ガソリンエンジンと電気モーター

35％●コージェネレーションシステムのしくみページ参照）。
高効率ガスコージェネレーション発電機を導入し、発生した電力や熱エネルギーを施設全体で活用（東京イースト 21）

35％

6
▢

源としたモーターを回し走る自動車（出所）独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 HP

た地域に近接してシステムを設置すると、エネルギー30〜53％

総合エネルギー効率〜 ％る。熱需要のある病院や宿泊・商業施設などが密集し熱エネルギー利用
送電ロス

コージェネレーション

用するシステムである。電気と熱を同時に利用するため、発電効率

燃料電池

LP ガスを燃焼させ、発電をおこなうと同時に発生する熱を温水や蒸気の形で取り出し、冷暖房や給湯として利バッテリーに蓄電した電気を動力

1H2＋ーO2 ➡ H2O＋電気
2

ど、日本のエネルギー消費分野の多岐にわたっての活用

ヒートポンプ・蓄熱センター資料
膨張弁●電気自動車（EV）●燃料電池のエネルギー効率環境面で優れている。

5▢

ガソリンなど化石燃料をほとんど使わない自動車を次世代自動車とよぶ。

燃料極 H2 ➡ 2H+＋2e1+
空気極 ー O2＋2H ＋2e- ➡ H2O
2

ステムとして活用することで、エネルギー利用効率を急激に圧力を下げると温度が低下を得ることができる（最新型ヒートポンプエアコンの場合）。

空気など 15℃
圧縮機（出所）一般財団法人
からの吸熱

0℃

OH-

同時に発生する熱も利用するコージェネレーションシ

20℃◆次世代自動車e-OH-燃料電池の化学反応

-10℃

0℃

e-

水素と空気中の酸素を化学反応させて、直接電気を発生させる電池である。水素はさまざまな一次エネルギー

熱60℃
0℃
最新のヒートポンプエアコンは
1 の投入エネルギーで 6 の熱エネルギー

普通充電：4〜8 時間程度※／急速充電：30 〜 45 分で 80％程度まで充電○電気の安定供給と再生可能エネルギー ･････････････ P.50
○これからのエネルギー利用と技術 ･･･････････ P.56 〜 57

考えてみよう3 分程度※航続距離は一充電、または一充てん時の数値。EV は日産自動車リーフ、PHV はトヨタ自動車プリウス PHV、FCV は本田技研工業クラリティ FUELCELL の数値（一般社団法人次世代自動車振興センター HP の補助金対象太最新車両情報より転載）※ EV・PHV に搭載されている電池容量により、充電時間は大きく異なる。

燃料電池の性質を調べ、どのような用途で使うとよいか考えてみよう。

技術科 ❹ エネルギーと技術e-

冷媒（液体）

内e-e-

冷媒（気体）

圧縮機で冷媒をト（ヒートポンプ給湯器）などにも利用されている。
1▢
圧縮すると温度が上昇 25℃

室

e-酸素

6
▢

-10℃

膨張弁

外

技術科 ❹ エネルギーと技術

52

水素

5▢

室

e-（家庭用エアコン暖房の一例）する技術のことである。エアコンや冷蔵庫、エコキュー
電力

酸素

電池

●燃料電池

燃料電池の原理

どから熱をかき集めて、大きな熱エネルギーとして利用

圧縮機
内

水素

⬇

6 の熱エネルギー▢

空気などからの吸熱

ヒートポンプとは、少ない投入エネルギーで空気中な25℃

60℃

0℃

外

電気分解の原理

1 の電力＋▢
5 の大気熱▢圧縮機で冷媒を圧縮すると温度が上昇

室●燃料電池のしくみ

1
▢

-10℃

室

技術という。

熱冷媒（液体）●ヒートポンプ

電力（家庭用エアコン暖房の一例）

多様化に寄与する新技術をエネルギーの高度利用◎その他の教科：・理科…電流とその利用（電流、電流と磁界）
・理科…化学変化とイオン（化学変化と電池）
・理科…科学技術と人間（エネルギーと物質）⬇

6 の熱エネルギー▢◆エネルギーの高度利用
エネルギー効率の飛躍的向上やエネルギー源の◎技術分野：・エネルギー変換の技術

53

技術・家庭科

技術分野

エネルギーと技術◎技術分野：・エネルギー変換の技術◆火力発電の高効率化●コンバインドサイクル発電
コンバインドサイクル発電は、ガ●コンバインドサイクル発電のしくみ

スタービンと蒸気タービンを組み合排熱回収ボイラー

わせて発電効率を高めた発電方式でできる。燃料を燃やして高温のガス発電機

IGCC は石炭をガス化することによりガスタービンと蒸IGCC をさらに高効率化する発電方式として期待されているのが IGFC である。IGFC は石炭のガス化によっ気タービンを回すコンバインドサイクル発電ができるたて発生する可燃性ガスの中に含まれている一酸化炭素とめ発電効率が高くなる。また、ガス化する際に硫黄酸化水素ガスを利用し燃料電池による発電をおこなった後、物の除去、窒素酸化物を抑制 ･ 分解できる。従来は利用ガスタービン、蒸気タービンで発電をおこなう。3 種類されていない発電に適さない低品位の石炭も利用できる。の発電形態を組み合わせたトリプル複合発電で、二酸化炭素排出量を従来の石炭火力から約 3 割低減できる。

復水器を発生させ、ガスタービンを回して発電をおこなった後、ガスタービン

水

水から出る排ガスの余熱で水を沸騰さ
燃料タンク

う。コンバインドサイクル発電の熱●石炭ガス化技術の特徴

海水
海水

燃料ガス

効率は、日本の火力発電所の熱効率が平均 45％程度であるのに対し、60％以上のものも開発されている。

●ガスタービンの高効率化と技術開発●クリーンコールテクノロジー

火力発電所で使われている蒸気タービンの蒸気温度は石炭は埋蔵量が豊富で産出地に偏りがないというメ

約 600 ℃程度であるのにくらべ、ガスタービンのガスリットがあるが、LNG や石油に比べて二酸化炭素や硫温度は最新型で約 1600℃と非常に高温である。

黄酸化物（SOx）、窒素酸化物（NOx）の排出量が多い

ガスタービンは高い温度で燃料を燃やした方がより多のがデメリットである。

くのエネルギーを取り出せるため、燃焼ガスの温度を上その石炭の弱点を克服する技術を「クリーンコールテげていくことがエネルギー効率の向上につながる。しかクノロジー」と呼ぶ。現在、発電分野で研究開発が進めし、燃焼温度の高温化にはタービンのブレード（翼）のられているものには、石炭をガス化して燃料にする「石耐熱性、耐久性という課題があり、つねに研究開発がお炭ガス化複合発電（IGCC）」や IGCC と燃料電池を組こなわれてきた。現在、日本で開発された最新のガスタみ合わせた「石炭ガス化燃料電池複合発電（IGFC）」

ービンのブレードはニッケルをベースとした超合金を鋳などがある。

石炭灰の容量減少が可能

発電による複製品（石炭灰）をガラス状の固化物として排出するため、灰の容積を従来の石炭火力発電と比べて半分程度まで減らすことができる。

蒸気
石炭ガス化設備

可燃性ガス（CO、H2）

酸素

二酸化炭素
排出量

空気分離設備

複合発電設備

煙突燃焼器
石炭約40％（ベース）

ガス精製設備熱回収

ガス化炉 ボイラ

蒸気ガス
タービン タービン

硫黄回収設備

空気分離設備新設排水処理設備

46％

約約15減

％

CO、H2

約％
55％ 約30減※発電効率の数値は送電端、高位発熱量基準（HHV）（出所）経済産業省「次世代火力発電に係る技術ロードマップ

技術参考資料集」
をもとに作成大崎クールジェンプロジェクト

H2リッチガス

IGFC の実証試験が進められている大崎クールジェンのプラント設備。現在は第 1 段階の IGCC 実証試験を終了。第 2 段階では二酸化炭素を分離・回収する実証試験、更に第3 段階では燃料電池を加えた実証試験を予定している。（広島県大崎上島町）

水蒸気（H2O）

写真提供：大崎クールジェン株式会社

シフト
反応器

石炭ガス化燃料電池
複合発電（IGFC）
蒸気タービン＋ガスタービン＋
燃料電池で発電

燃焼させる前の高圧石炭ガスの状態から二酸化炭素を分離すれば 90％以上を回収できる。

排熱回収ボイラ

発電機

蒸気タービン＋ガスタービンで発電

効率的な二酸化炭素分離・回収

酸素吹IGCC実証

圧縮機

石炭ガス化複合発電（IGCC）

写真提供：新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

第1段階

空気蒸気タービンで発電

従来の石炭火力発電には不向きなあまり活用されていない低品位炭（亜瀝青炭など）を利用できる。

●石炭ガス化燃料電池複合発電（IGFC）のしくみ

空気発電効率1500℃級ガスタービンのローター

日本初の IGCC による発電所。2007 年から実証実験を続け、2013 年より商用運転中（出力 25 万 kW）。現在の発電効率は 42％程度だが、将来は燃焼温度を現在の 1200℃から1500℃以上に引き上げて発電効率を 48〜50％まで向上させる計画である。
（福島県いわき市）写真提供：常磐共同火力株式会社●クリーンコールテクノロジーの発電効率
従来型
石炭火力発電（USC）

利用炭種の拡大

蒸気高温に耐えられるようになっている。

発電効率を従来型の約 40 ％から約 55 ％に高めることにより、二酸化炭素の排出量を約 3 割減らすことができる。

勿来発電所 10 号機

ガス化造してつくられ、さらに遮熱コーティングなどによってな こそ二酸化炭素排出量の削減

CO2

関連するページ

CO2、H2○地球温暖化 ･･･････････････････････････････････････ P.16 〜 17
○燃料電池･････････････････････････････････････････････････ P.52

燃料電池

CO2分離・回収
第2段階

第3段階

CO2分離・回収型酸素吹
IGCC実証CO2分離・回収型IGFC実証（出所）大崎クールジェン株式会社

調べてみよう二酸化炭素を回収する技術について調べてみよう。

技術科 ❹ エネルギーと技術

技術科 ❹ エネルギーと技術

54

空気圧縮機

蒸気

蒸気
タービン

排ガス

せ蒸気タービンによる発電をおこな●石炭ガス化燃料電池複合発電（IGFC）

従来の石炭火力は石炭を固体のまま燃焼させるが、蒸気

ガス
タービン料で同じ量の電力を作ることができ、二酸化炭素の排出量を減らすことが●石炭ガス化複合発電（IGCC）

空気燃焼排ガスある。通常の火力発電より少ない燃◎その他の教科：
・理科…電流とその利用（電流、電流と磁界）
・理科…化学変化とイオン（化学変化と電池）
・理科…科学技術と人間（エネルギーと物質）

55