Vol.25No.2 (2004)

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エクセルギー評価設計について
LectureonExergyBaseDesign

喜角徳＊久YoshinoriHisazumi

これらの疑問は，熱力学第 1法則の熱量保存則では，答

1. まえがきえることができない．熱力学第 2法則すなわちエントロピ

二酸化炭素の排出を抑制するには，省エネルギーの促進ーの理解が必要になる．そこで，エントロピーを含めたエと非化石燃料エネルギーの導入が最も重要である．省エネ

ネルギーにおける損失の概念を，類似（アナロジー）や比ルギーは，従来，産業部門および民生部門で積極的に推進喩でわかり易く説明したい．

が図られてきたが，今後は環境に対する影響をいっそう小図 1に給料の［支給額］・［控除］と［有効熱］・［燃料さくする観点からさらに強化し，社会全体を省エネルギーの発熱量に占める損失］との類似性を示す．支給額（手取型に変えていく必要がある．そのためには，これまでのエり）は，総支給額から税金・保険料などを引いたものであネルギー変換尺度を熱量保存則から，エクセルギー評価則る．有効熱は，燃料の発熱量から機器放熱や排ガスを引いに変えることが重要である．本誌においても，エクセルギたものである．

ーとエネルギー有効利用において，エクセルギー損失低減

支給額が多くても，必要経費や消費税が高いと豊かな生の研究成果がまとめられている叫最近では，大学での講活は送れない．必要経費は何かをしようとすると必ず生じ

義はもちろん，中高生の体験学習のなかでも，エクセルギる．また消費税は生活する地域や社会情勢で変わる．

ー解析の意義やエントロピー増大の問題を取り扱う時代に現実の社会では，豊かに生活するため，必要経費や消費なってきた汽また web
上にもエクセルギー計算の手法3) や税を議論し，公平な税金制度で，必要経費を押さえること気体・液体燃料の高発熱量とエクセルギー 4) が掲載されてに努めている．しかるに発熱量と有効熱の熱量保存則によいる．そこで，エクセルギー評価則の理解をさらに深めてる評価では，必要経費や消費税が議論できない単に目に見いただくため，エネルギー（エンタルピー）とエクセルギえる一部の経費だけ（機器放熱と排ガス損失）を扱うエネ‑(エントロピー）の関係を小遣いと給料の関係に当てはルギー変換尺度である．

め，熱力学の意味するところを考えてみたい．またエネル
ギー事業におけるエクセルギー評価設計の一例を紹介する．

所得税

10%

2. エクセルギーの基礎

保険料

排ガス

5%

15%

貯金のエネルギー変換も，熱量保存則から脱却し，ェクセルギ則が必要なのか．エネルギー倫理の問題として，エントロ

5%

5/%

ti

日本の政治の世界では，今変革が叫ばれている. 2
1懺紀

ー評価則への変革が必要である．なぜ，エクセルギー評価

機器放熱

住民税

5%支給額‑‑‑‑‑‑...̲...
75%

ピーの増大は，再生不可能な環境破壊の後始末を未来世代

有効熱80%

図 1 給料の支給額・控除と発熱量に占める損失・有効熱との類似性に押し付けるからである si, 熱量保存則では，このエントロピー増大の評価ができないのである．
たとえば

一方，エクセルギーは必要経費や消費税が議論できるエ・ヒートポンプの成績係数 (COP) は，どこまで上がる 6) ?

ネルギー変換尺度である．そのため， 2
1枇紀のエネルギー・等量の水温の異なる温水のエネルギー価値は 7) ?

変換効率の向上は，エクセルギー評価則の理解からはじまるといってよい．

＊大阪ガス昧エネルギー技術研究所 シニアエンジニアE‑
mail:yoshinori‑hisazumi@osakagas.
co.
jp
〒554‑
0051大阪市此花区酉島 6‑
19‑
9ここで，エクセルギー（有効仕事）とはカルノー効率に熱量をかけたものである．すなわち，カルノーサイクルで‑1‑

98

エネルギー・資源得られる有効仕事量Workは，理解しやすくなる．
そこで，図 3のモリエル線図を用いて，回転機の効率ロ（カルノー効率） r
J=(T‑To)/ Tに（単位熱最 q)を掛け e=(h‑ho)‑To(s‑so)スに伴う損失およびバルブの絞りによる損失によるエントさらに（利用できる流量F)を掛けて，有効仕事はロピーの増大を説明する．縦軸は，圧力変化 pl p2, 横Work=Q‑To△Sとなる．

軸はエンタルビー変化，また図中には，等温曲線Tl, T2

ここで hとsは，エンタルピーとエントロピーであり，と等エントロピー曲線 (sl<s2<s3) を示す．バルブによ添え字oは外界の基準条件（大気圧，たとえば 15℃)を表す．

りplから p2に断熱で減圧操作を行うと，等エンタルピー

さて，エクセルギー評価則の理解を深めるため，エクセで変化（垂直降下）し，エントロピーは， slから s3に増大

ルギーとエンタルピー（プロセスに取り込んだ熱最）の関する．圧縮機により p2から plに昇圧すると，等エントロ係を小遣いと給料（手取り）の関係に当てはめ，熱力学のピー曲線sl上で変化せず， plとs2で決まる右上がりの変化

意 味 するところを考えてみたい．図 2に小遣いと手取りをする．タービンにより plから p2に減圧すると，等エン（支給額）の関係とエクセルギー（有効仕事）と機器投入

トロピー曲線sl上で変化せず， p2とs2で決まる左下がりの有効熱量 Qとの関係の類似性を示す．

変化をする．このように操作した後の状態量 sは，操作前小遣い＝手取り一 (1+消費税） x(必要経費）で表される．

より大きくなる．このことは，何かをやると必ず経費が発

必要経費には，食費，レジャー・車費，教育費，教養生するのと同じである．
熱力学第 2法則では，エントロピーは増大すると教えて費・交際費，光熱費・雑費，住居費などがあり，サラリーマンの小遣いは，手取りの約 10%になってしまう．

いる．この教え方では，良い比喩で原体験をさせないため，

一 方 ， エ ク セ ル ギ ー は ， 投 入 熱 Qから外界条件 Toを加教わった者は，熱量保存則の域を脱しない．原体験とは，小学校での社会見学や九九の暗記みたいなものである．

味した損失を差し引き，エクセルギー (Work)=Q‑Tox△S で表される．

地球環境問題が取り上げられる時代にあって，なぜ小，中学校や高等学校でエクセルギーを教えないのか．また，大学でなぜエクセルギーの原体験をさせないのか．エント

有効仕事

20%

レジャ
ー・
住居費

25%

車費

燃焼35%

混合

10% 5%
教育費

力を身につけさせるには，エネルギーの使用のあり方に，伝熱10%10%

活に役立たないといわれるが，知識と知恵は別物である．
本質を見抜く力を養うのが教育である．ゆとり教育でこの減圧

20% 5%

10%

ロピーやエクセルギーという言葉は知っていても，社会生変革が必要ではなかろうか．

25%

具体的なエネルギー使用のあり方の理解とは，外界温度と比べて，夏の冷房，冬の暖房温度のありがたみや，電気

図 2 小遣いとエクセルギーとの類似性

で直接お湯を沸かすとエネルギー利用効率が悪いことを知エクセルギー評価則においては，損失△ Sは，熱損失とは異質な「エントロビー損失」である．

ることである．同様にガスで風呂を沸かすとエネルギー利用効率が良くない．なぜなら，図 2の伝熱と燃焼のエント

ここで，有効仕事とは，動力や蒸気・温水・冷水などであり，一方，エントロピー損失とは，燃焼，伝熱，回転機

ロピー損失が極めて大きく，風呂のお湯の持つ有効仕事は，燃料の持つ化学工クセルギーの 5 %程度になるからだ．の効率ロス，減圧や混合といったプロセスにより発生する．
これらの損失は，熱量保存則では，現れてこない．したがって，図 1の有効熱 80%は，図 2の有効仕事ではわずか

p1

ふ｀20%となってしまう．例えば，発電効率35%, 総合熱効率75%のコージェネレーションの有効仕事は，熱の利用形態によって数値は変わるが，約 50%となる．
さて，大学の教育では，エントロピーは「熱量」を「その流体の絶対温度」で割ったものと教えられた．そのため，

Enthalpy

訳がわからず，熱力学が嫌いになった方が多いのではなかエ ン 印 ピーが増加

ろうか．エントロピーの実体は，熱巌を有効仕事に変換する際の損失評価のためのエンタルピーと同じ「状態量」で

図 3 回転機の効率やバルブによるエントロピー増加ある．このように説明されると，エントロピーの大切さが‑2‑Vol.25No.2 (2004)

99COけ 2比 0のho,soを用いることになる. Toは，周囲環3. エントロピー損失の低減策

境の温度であるため，燃料の化学エクセルギーは，外界温それでは，伝熱や燃焼におけるエントロピー損失を低減度に応じて変わる．宇宙や極地で燃料を燃やすと，周りのさせる方法について説明する．図 4に熱交換におけるエン温度が低いから，化学エクセルギーは大きな値となる．

トロピー損失低減策を示す．高温流体 (EH) が低温流体

通常の空気で燃焼させると，化学エクセルギーの 30%以(EC) と熱交換する過程で，熱交換温度差を小さくする程，上が燃焼に伴うエントロピー損失となる．理由は，空気燃エントロピー損失が低減する．そのためには，伝熱面積を焼では，約 79%含まれる窒素を常温から昇温させる必要が増やすとか伝熱促進の技術を採用する必要がある．どれだあるため，大きな損失が生じる．そのため，理論空気燃焼，け金をかけて損失を減らせるか，またそれによる LCA的空気予熱や酸素富化により，この損失を減らす方策がとらメリットは如何ほどかを評価することが大切である．

れる．燃料から動力を回収する場合，機器の耐熱温度の上限や NOxの発生抑制から，希薄燃焼が避けられない．しかし燃料電池特に SOFCでは，図 5の燃焼器において直接電気を発生させるため，そこでのエントロピー損失を燃焼させた場合に比べ，半減させることができる．

,c~

それでは，これらのエントロピーやエンタルピーはどの温度ようにして計算すればよいのか．理想気体の状態方程式

PV=nRT が基本となる．実際には係数補正で精度を上げた実在気体の状態方程式 (Peng Robinsonなど）を使う．ここで，これらの値を手計算で求めることは，時間の図 4 熱交換におけるエントロピー損失低減策浪費である．今は， ITの時代，コンピュータがプロセスのエントロピー損失を計算してくれる．プロセスシミュレ

次に，図 5にガスなどの燃料の燃焼に伴うエントロピーータ (HYSYS) とExergy
計算用 E
xcelソフトで瞬時にシ損失の発生と損失低減策を示す．化学の世界では，ギブスステムのエクセルギー評価が行える．次項にその実施例をの自由エネルギーから議論するが，ここでは機械屋のセン示す．

スで考えたい．

4. エクセルギー評価設計

Fuelの物理Exe
rgyと200
1年度の日本の LNG受入最は，約 5,400万トンに達し，

化学 E
xergy

その内約3,700万トンが発電用燃料に用いられている．
液化天然ガス (LNG) は，沸点約ー 160℃の低温液体で常温までの潜熱・顕熱は， 840J/kgである. LNGl トンの化学工クセルギーは， 14,400kWh (発熱量で41.6kJ/Nmり化学工クセルギーの30% 以 上 の 大 き なExerg
y損失を生じる．

であり，また冷熱エクセルギーとして 250kWh (化学工クセルギーの 1.
7%) を有する．エネルギー事業者としては，

図 5 燃焼によるエントロピー損失の発生

省エネルギーの面から，この冷熱エクセルギーを有効活用する責務がある. LNG
冷熱利用の効率を議論する場合，工図 5に示すように燃焼器には，物理エクセルギーと化学クセルギー評価が必須となる. LNGをポンプで 7MPaまエクセルギーが燃焼器に投入される．物理エクセルギーは，で昇圧させ，気化送出すれば，冷熱エクセルギーの約 60%流体の持つ温度・圧力の有効仕事であり，前述のを圧カエクセルギーとして有効活用できる．さらに気化のE=((h‑ho)‑To(s‑so))xF で計算できる．

過程で冷熱エクセルギーを空気分離設備や冷熱発電などで一方，燃料の化学エクセルギーもこの式で計算できる．

回収できる．冷熱エクセルギーの回収率は，空気分離で約80%, 冷熱発電では， 15 30%である．

具体的には，「燃料の化学エクセルギー」は，標準状態の「燃焼前の酸素と燃料の混合気」の h (比エンタルピー）

しかしながら，現在，経済的な理由から，気化過程でのとs(比エントロピー）および「反応生成物の混合気 (CO2LNGの冷熱利用が進んでいない．こうした中で， LNGでと比0)」の hoとsoを用い計算できる．

大気を直接ー 100℃以下に冷却し， LNG冷熱をガスタービ

たとえば，メタンの燃焼 CH
げ 20, →C0,+2H,Oンの吸気冷却に活用できるハイブリッド気化発電システム

では， latm,20℃の CHけ 20,のh, sとlatm,20℃のの開発が進められている見‑3‑

エネルギー・資源100となる ． このSOFCコンバインドサイクルのシミュレーシ
IMC"GdL
Nreeョンでは， SOFCによる燃料の化学エクセルギ ー回収効率を50%, 出口排ガス温度を 850℃，各回転機の効率を 80%,熱交のピンチポイントを 20℃ として行った．このシステム‑WLEGJ[R‑HC二戸 ︱．

で発電効率を向上させるには， MACと再生器の伝熱性能を高め，そこでのエントロピー損失を低減させる必要がある．
このシステムの特徴は，圧縮機を出た空気Air8が19℃と低いため，再生器出口排ガス EG4は， 40℃まで下げられる ．

comp

またタービン排ガス EG2の約 5 %が，除湿ロータの再生に

図 6 SOFCとLNG冷熱利用の吸気冷却ガスタービン

有効利川され，冬季には，送出ガスを 0℃以上に昇温する組合せシステムのプロセスフローのに役立つ ． また，投入された燃料92Nm3/hの化学工クセ
ルギーは， 1034kWであり，発生電力は， A Cで720kWとそこで， 図 6のSOFCとLNG冷熱利用の吸気冷却ガスタなり，発電効率は， 69.6%となる．蒸気タービンを組み合ービンを組み合わせたシステムのプロセスフローをもとわすことなく， LNG冷 熱 を 用 い た ガ ス タ ー ビ ン の 吸 気 冷に，エクセルギー評価設計の一例を示す．

却効果により高い発電効率を達成できる ．

吸 気 Airfeedは，低温の天然ガスで予冷され，その後，5. おわりにブロワーで昇圧された空気は，除湿ロータで露点をー 30℃以下に下げられ， LNG/空 気 熱 交MACでー 125℃まで冷却される．

エネルギー利用率85%のマイホーム発電工コウィルや定格 COP4.2の 自 然 冷 媒 ヒ ー ト ポ ン プ 給 湯 機 エ コ キ ュ ー ト と

表 1 プロセスデータ

い った高効率の民生用機器が販売されだした．残念ながら（外界の評価条件は， 15℃, 1気圧）

効率評価は，熱量保存則である. 2005年度には，家庭用のTemo Press Flow Exer
匹HeatCkPa 屈 h kW
kWー1
33Airfeed1
5 101 4395
76Ai
r
t
う
1 ‑
30 102 3656
‑1
25 101 3656
251Air
758 ‑
Comp
120 1
5799Air
819 81
1 3656 178 ‑4B0 762 3656 3
74 410Air
9BBFuelN310 762736 ‑Mixinll.
Gas
457 762 3730 3
74 322NGChemical
103451
7SOFC
195ExhaustG苓 1 850 762 3730 710 ‑‑478 ‑434Exoander
629EG202 3730 232 ‑501 1EG350
1 102 3555 221 ‑600
40 101 3555
4 ‑1109EG429Re匹 neAir
7411 ‑
501 102 1‑150 7400 1000 250 ‑1423LNGfeed15 7300 1000 1M心 ‑outI¥G ‑57 ‑124B
2 7100 1000 154 ‑1232
NG‑o ‑20Pur
2eA
ir
5 101 733‑5274ExhaustAlr
80 101 1

燃科電池コージェネが販売される予定である．当然発電効

Name

゜

率が上がるため，エクセルギー効率は大幅に向上されるが，温水による熱回収が減るため，エネルギー利用率の値は，若干，下がってしまう．販売される時点では，是非，エクセルギー評価則で効率を評価してほしい．

参 考文献
1) 特集エクセルギーとエネルギー有効利用；エネルギー・ 資源，19巻， 5号 (1998),396‑441‑
2) エネルギー総合工学研究所；中高生のためのエネルギー情報
ポータルサイト (2002)
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p://w
w
w
.
ec
c
j.
or.
j
p/
he̲
qa/he
at/i
nde
x.
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I
剤のホームページhtt
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web
kyoto
‑
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゜

表 1に，このプロセスの主要な温度，圧力，流量，エクセルギ ー，エンタルピ ーおよび圧縮機，タ ー ビン， SOFCの出力並びに投入された燃料のエクセルギ ー値 を 示 す．
このシステムでは，冷熱エクセルギ ー96kW (以下利用する LNGlton/h当たり）の内，ガスタ ー ビンの吸気冷却に57kWが 与 え ら れ ， 冷 熱 エ ク セ ル ギ ーの回収率は， 59%‑4‑