資源・エネルギー

資源・エネルギー
資源やエネルギーの将来（問題）を科学的視点で考えるための基礎知識と関連する先端科学技術を紹介する

2010.9.6
IBU先端技術担当・棚瀬知明
奈良女子大学理学部化学科

資源・エネルギー§1 はじめに現代の文明社会は大変複雑世界全体を考えるともっと複雑

資源・エネルギー§1 はじめに資源・エネルギーの未来を考えるには惑わされないためにはどうすればよいのか？

将来進むべき正しい方向を見失わないためには？

資源・エネルギー§1 はじめに講義の内容
１）エネルギー資源と今後の課題
資源・エネルギーに関する現状と将来像

２）太陽エネルギー
太陽電池３）水素エネルギー
燃料電池、人工光合成（水の光分解）

４）炭素資源の有効利用
石炭の利用と触媒、二酸化炭素の地中貯留

５）省エネルギー技術
高温超電導材料

６）原子力エネルギー
核燃料、核融合資源・エネルギー§2 エネルギー資源

エネルギーとはエネルギーとは何らかの仕事をすることができる能力（量）で、様々種類がある

[J]
[J]

[kcal/mol]

[J]

[Ws]

[kJ/mol][eV][cm-1]

エネルギーは相互変換可能だが、無から生じることはない！
（エネルギー保存則・熱力学第一法則）

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

エネルギーとはエネルギーの流れと質には一定の方向がある（熱力学第二法則）

乱雑さ（エントロピー）は増大する

ΔG = ΔH − TΔS

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

エネルギー資源

一次エネルギー（エネルギー資源から直接得られるもの）

二次エネルギー（一次エネルギーを変換して利用しやすい形態にしたもの）【問題】化石燃料エネルギー
資源は再生使用できない！
最終的に二酸化炭素となり拡散する。限りがある

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

エネルギー資源の消費
世界の一次エネルギー消費量（石油換算億トン, 2003年現在）
石油
石炭
天然ガス
原子力
水力

35.3 (37.5%)
24.0 (25.5)
22.9 (24.3)
6.1 ( 6.5)
5.9 ( 6.3)

BP統計2003

世界計 94.05 (100)
再生できない化石資源と原子力で90%以上を占めている。

アメリカ 22.98 (23.6%)
中国
11.78 (12.1)
ロシア
6.71 ( 6.9)
日本
5.05 ( 5.2)
インド
3.45 ( 3.5)
ドイツ
3.32 ( 3.4)
カナダ
2.91 ( 3.0)
フランス 2.61 ( 2.7)
イギリス 2.23 ( 2.3)
韓国
2.12 ( 2.2)
その他 34.19 (35.1)

BP統計2004

世界計 97.41 (100)Cf) 石油換算億トン(MTOE = 106 tons oil‐equivalent)資源・エネルギー§2 エネルギー資源

わが国の一次エネルギー需要の推移「資源・エネルギー工学要論」第2版 世良力 東京化学同人（2005）

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

わが国の現在のエネルギー利用

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

エネルギー資源の枯渇
主な資源の埋蔵量と寿命（可採年数）
資源

確認可採埋蔵量 (R)a)

年間生産量 (P)

寿命 (R/P)

石油

1.05兆バレル

250億バレル

41年(41年）

石炭b)

5200億トン35億トン

148年(164年)

天然ガス

156兆m3

2.5兆m2

61年(67年)

ウランc)

393万トン

6.2万トン

61年(85年）

鉄

700億トン

11.2億トン

63年

銅4.7億トン

1390万トン

34年

ニッケル

0.62億トン

140万トン

44年a)現在の技術と経済性に見合って採掘されうる量。B)高品位炭の量。c)経済性のある資源の量d）1バレル＝159リットル

2004米国地質調査資料、2003(2005）年BP統計「資源・エネルギー工学要論」第2版 世良力 東京化学同人（2005）

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

非再生エネルギー資源の生産と消費

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

21世紀のエネルギー需要予測（現状推移モデル）

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

21世紀のエネルギー需要（単純化したもの）

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

将来目指すべきエネルギー社会

資源・エネルギー§2 エネルギー資源

資源エネルギー問題を解決するための課題
１）再生可能エネルギーの利用
太陽光発電、風力発電、地熱発電など

２）機能的な電力供給利用システムの開発スマートグリッド、超伝導送電システム、モーター

３）蓄電システムの開発
二次電池、キャパシタ

４）水素エネルギーの利用
燃料電池、水素発生（人工光合成）、水素貯蔵・運搬

５）省エネルギーシステムの開発
高効率化（電子デバイス、触媒など）、資源ごみのリサイクル

６）二酸化炭素の貯留と利用
地中貯留、人工光合成、触媒

７）石炭やメタンの有効利用
New C1 Chemistry８）核エネルギーの安全利用
９）核融合エネルギーの開発

資源・エネルギー§3 太陽エネルギー

太陽エネルギーの利用特徴
１）太陽エネルギーは無限の再生可能エネルギー
２）地球に注がれる太陽エネルギー1時間分(173兆kW x 70% = 120兆kW)が世界の1年分のエネルギー消費量に相当！
1.38 kW/m2（大気圏外） 約1 kW/m2（地表・晴天昼間平均）
３）太陽光には様々な波長の光（電磁波）が含まれている
４）エネルギー密度が低い（分散型利用に向いている）
５）時間・場所・気候変動が大きい（蓄電との組み合わせが必要）
６）太陽エネルギーの変換効率は依然低い（研究開発が必要）

資源・エネルギー§3 太陽エネルギー

太陽光について進行速度（v）

変位

波長（λ）

山

光は光速で進む電磁波、つまり｢波｣振幅（A）
位置

光速 ｃ = 3.0 x 108 m/s=λ x ν

谷

波長（λ）：波の繰り返し単位の長さ [m]振動数（ν）：1秒間にいくつの波がやってくるか[s-1] = [Hz]波の速度（v）：1秒間に波が進む距離 [m/s]＝ 波長 (λ） x 振動数（ν）

光はエネルギーは振動数に比例する

光はE = hν のエネルギーをもつ粒子

資源・エネルギー§3 太陽エネルギー

太陽光についてエネルギーによっていろいろな性質（種類）の光（電磁波）がある

300 kJ/mol(3.1 eV)
大高い
短い

240 kJ/mol(2.5eV)

170 kJ/mol(1.8eV)

電磁波のエネルギー
振動数（ν）
波長（λ）

小低い
長い

資源・エネルギー§3 太陽エネルギー

太陽電池（Solar Cell)
ｐn接合シリコン単結晶を用いた太陽電池（太陽光発電)の仕組み
1954 Person(米国）
起電力 1.0-1.2 V
変換効率 ~20%(10-16 %)全太陽電池の約80%（2008）（単結晶34％、多結晶48%）
エネルギー償還年数(EPT = energy payback time)＝（年間生産されるエネルギー/製造に要したエネルギー）
2－3年（住宅用）、3－5年（産業用）
経済収支（年間生産されるエネルギー価値）ｘ（使用年数） － （設置コスト）
発電コスト 45－65円/kWh (2003)（住宅用電力料金 20-30円/kWh）
買い取り制度 50円/kWh
シリコン結晶はかなり高価

資源・エネルギー§3 太陽エネルギー

シリコン結晶の電子状態（バンド構造）

資源・エネルギー【復習】

原子の基本構造
記号数

質量

電荷e-Z

9.1096 x 10-31kg-1.60218 x 10-19C

陽子

pZ

1.6726 x 10-27kg+1.60218 x 10-19C

中性子nN

1.6749 x 10-27kg-19C)：電気素量電子-+原子核

e (1.60218x10~10 -10 m~0.1 nm~1 Å

Z+N：質量数Z+N~10 -14~15元素
記号mＺ：原子番号CZ

電荷/e（イオンの場合）
11

陽子の数で原子の種類（元素）が決まる！

H

水素

126C

炭素

168O酸素資源・エネルギー【復習】

電子殻と電子配置

資源・エネルギー

【復習】

価電子数
12電子配置と周期表
3456閉殻8712HHe

345678910LiBeB

CNOF

Ne

1112131415161718NaMg

AlSi

PS

ClAr

陽子数n （原子核の正電荷）

最外殻電子（価電子）
内殻電子（価電子）

資源・エネルギー

【復習】

12

周期表

ハロゲンアルカリ金属
アルカリ土類金属

13HI
II Li

IV KB

金属元素

345671516非金属元素

BeIII Na Mg

1489101112希ガス

1718HeC N O F Ne
P S Cl ArAl Si

Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

V Rb ScY Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

VI Cs BaLu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

VII FrRa遷移元素ｄ，ｆブロック

非金属元素
金属元素

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb（希土類）
ランタノイドAc Th Pa U Np Pu Am CmBk Cf Es Fm Md No アクチノイド
典型元素典型元素

ｓブロック

ｐブロック

資源・エネルギー§3 太陽エネルギー

太陽電池（Solar Cell)

色素増感湿式太陽電池

本多ー藤島効果 「夢の太陽電池発見か？(~1970)」

１）安い酸化チタン（金属酸化物）
２）水の光分解
2H2O → 2H2 + O2
３）バンドギャップが大きい(3.0-3.2eV)ため紫外線(λ < 400 nm)が必要
太陽光のたった３％｢太陽光で水を水素と酸素に分解し電力を得る｣ことは人類の夢の一つ色素増感湿式太陽電池の開発

資源・エネルギー§3 太陽エネルギー

太陽電池（Solar Cell)

色素増感湿式太陽電池
グレッツェル (Nature 1991)
ルテニウム錯体（N3色素）

変換効率は低い（～10％）が、可視光が利用でき、安価で応用性が高い

資源・エネルギー§4 水素エネルギー

燃料電池（Fuel Cell)
水のみが生成するクリーンな一次電池
ΔGo = nFEo
= 237 kJ/molより理論的起電力は1.23eV

2H+2H+

資源・エネルギー§4 水素エネルギー

燃料電池（Fuel Cell)
燃料電池の種類と特徴
１）効率や起電力は稼働条件によって異なる（35~60%,0.6~0.8V程度）
２）分散型電源として優れている（自動車、家庭など）
３）燃料には水素以外にメタノール、天然ガス、石油製品などが用いられる
４）問題は、「水素をどのように得るか」で、現在は化石資源の改質により得ているためトータルでは二酸化炭素を発生する
５）触媒電極として用いる白金（カーボン坦持）が高価

資源・エネルギー§4 水素エネルギー問題は「水素（二次エネルギー）をどう得るか」
１）現在は、メタノール、天然ガス、石油製品の改質により製造（CO2発生を必ず伴いクリーン水素ではない、燃焼に比べての効率のよさが長所）

メタンの水蒸気改質
Ni/Al2O3触媒

CH4 + H2O

800℃, 20atm

CO + 3H2(-206kJ/mol 吸熱）

水性ガス移動反応(Water Gas Shift Reaction)
CO + H2O

Fe-Cr系触媒, 500℃

CO2 + H2

(41 kJ/mol 発熱）

又はCu-Zn系触媒, 300℃

炭化水素（石油製品）一般では
CmHn + mH2O

mCO + mH2O

Ni/Al2O3触媒

Fe-Cr系触媒

mCO + (m +n/2)H2

mCO2 + mH2

生成する二酸化炭素はエタノールアミン等の塩基に吸収資源・エネルギー§4 水素エネルギー問題は「水素（二次エネルギー）をどう得るか」
２）水の電気分解も用いられている（電力をどう得るかでCO2発生、高価な白金電極を用いる）（分散型の蓄電システムにつながる）

３）クリーンな水素を得るには、再生可能エネルギーの利用が不可欠（水力、風力、太陽光、地熱等を利用した電力で水から水素を得る）（バイオマスから得たメタン（バガス）から水素を得る）

４）最終的に人類が目指すべきは、「太陽光（可視光）による水の光分解 Water Splitting」（これは、植物が行う光合成とある部分同じで、「人口光合成」の開発ともいえる）

５）水素をどう貯蔵し、運搬するか（社会システムとして）も重要な課題

資源・エネルギー§4 水素エネルギー

植物が行う光合成について考える
太陽光SUN

H2O

O2Light Reactions（明反応）

6CO2 + 6H2O

C6H12O6 + 6O2

二酸化炭素

ブドウ糖（グルコース）

水酸素

Chloroplast（葉緑体）
Photosynthetic Electron Transfer forming NADHP and ATP

NADP+ADP + Pi

NADPH
ATP

集光系

Light Harvesting Complex (LHC)

光合成系ＩＩ

Photosystem II (PSII)

光合成系Ｉ

Photosystem I (PSI)

Dark Reactions （暗反応）outer membrane(CH2O)nintergranal lamella

CO2

inner membrane
granumstromathylakoid disk
thylakoid membrane資源・エネルギー§4 水素エネルギー

水の光分解
Photosystem I
complex (PS I)
hνhν

LHC

LHC

Photosystem II
complex (PS II)

Fd-NADP+Reductase

ATP Syntase

資源・エネルギー§4 水素エネルギー

光合成系Ｉ，ＩＩでの光誘起電子移動
2H2O + 2NADP+4ADP + 4Pihνhν

2NADP + O2 + 2H+ (ΔGo = 438 kJ·mol-1)
4ATP + 4H2O

(ΔGo = 122 kJmol-1)

資源・エネルギー§4 水素エネルギー

人口光合成の概念（Zスキーム）
可視光による水の分解（Water Splitting)資源・エネルギー§4 水素エネルギー

可視光による水の分解
世界で初めての例（２００１）

Zou, Sayama, Arakawa Nature, 2001, 414, 625

ただし変換効率 約0.1% (420nm)

資源・エネルギー§4 水素エネルギー

可視光による水の分解
By A. Kudo (2002)

変換効率 約0.4% (<520nm)(理論限界効率 約８% (<500nm))

資源・エネルギー§５ 炭素資源の有効利用

炭素化石資源をできるだけ節約しよう
１）炭素化石資源（石油、天然ガス、石炭）はエネルギーには使用せず物質製造の材料とする （枯渇問題・温暖化問題）
２）石炭（寿命～150年）の有効利用が鍵を握るかもしれない

石炭のガス化と液化
Fe-Cr

C + H 2ONi

CO2 + 2H2水素エネルギー

水性ガスシフトCO + H2
合成ガス
Zn-Cr
300℃, 350atm

CH3OH

メタノール

ゼオライト

Fe, Co200-300℃, 1-30 atm

炭化水素（人造石油）

C1化学

Fischer-Tropsch反応
かつて来た道（第二次世界大戦、1970年代石油危機）

資源・エネルギー§５ 炭素資源の有効利用

ここでも触媒が重要【復習】

触媒は、自分自身は変化せず、活性化エネルギーを下げることにより反応を行きやすくする

一歩突っ込んだ理解
触媒は、ΔGo（反応熱）は変えないが、Δ‡Go（活性化エネルギー）を下げ反応速度を高める。反応の途中では、活性錯合体、中間体などを形成し変化している

資源・エネルギー§５ 炭素資源の有効利用【触媒反応は複雑：例】

酢酸の工業的製法

Monsant法

CH3OH + CO

2H2O

I

ratedetermining
step

CH3OH
HI

1970

CH3OxidativeAddition

CH3I
CH3COOH

CH3COOH

Rh(I), X-, H O

I

Rh

III

CO

Migratory
Insertion

COI

O

I
Rh
I

I

CO
CO

CO
I-RhCl3 ·3H2 O

I[RhX(CO)(PPh3)2]

I

RhIII

CO
I

Reductive
Elimination
H2O

I

O
H3 C C

I

I
Rh

III

OC

O
C
CO

I

CH3C-COCO

CH3

資源・エネルギー§５ 炭素資源の有効利用

二酸化炭素の削減（とりあえず地中に埋め込む）
CCS (Carbon-dioxide Capture and Storage)技術
１）火力発電所、製鉄所、天然ガス田などで有効
２）コストが問題（経済コスト、エネルギーバランス）
３）地中貯留した二酸化炭素はどうなる

CCSは救世主にはならないが、過渡的な技術として必要【参考】
わが国の年間発電電力量とエネルギー源（2002）
億kWh%
原子力
2947
31.2
天然ガス
2513
26.6
石炭
2097
22.2
石油
964
10.2
水力
850
9.0
地熱
380.4
新エネルギー 380.4

最終的には、再生可能エネルギー（新エネルギー）による電力供給が不可欠
真の意味での人口光合成（水と二酸化炭素から太陽光エネルギーにより炭素ー水素結合を生成する）の開発も将来的に期待される

資源・エネルギー§６省エネルギー技術

省エネルギーの切り札、高温超伝導材料

1911

1986

「次世代エネルギー研究最前線―環境低負荷型社会の創設に向けて」（独）科学技術振興機構編（2008）

資源・エネルギー§7原子力エネルギー

最後に、原子力エネルギーについて考える
１）化石資源の枯渇を考えると、原子力エネルギーを頼りにせざるをえない
しかし

２）核燃料となるウラン資源には限りがある（寿命60－80年） 235U (0.72%)
３）資源の安定有効利用が不可欠（プルサーマル、高速増殖炉）
235U 238U 239Pu
問題は４）技術的信頼性・安全性、放射性廃棄物処理、原子力発電所の老朽化など多くの課題を抱えている
５）『核融合エネルギーの利用』は究極の夢、実現は100年以上先か
2H (D) 3H (T) (重水素Dは水から取り出せる0.015%）

資源・エネルギー

おわり
21世紀の科学技術はすべてのことが複雑にからみあっています。糸をほどくように様々な科学を理解し、さらに新しい科学の糸を発見し、それらの糸で未来の持続可能な文明を織り上げること、これが人類の課題です【参考文献】「資源・エネルギー工学要論」第2版 世良力 東京化学同人（2005）「次世代エネルギー研究最前線―環境低負荷型社会の創設に向けて」 （独）科学技術振興機構編（2008）