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カテゴリー「エネルギー」の記事

2008年1月22日 (火)

ガスと電気、徹底比較(2)

 「ガスと電気、徹底比較(1)」の続きです。
 さて、前回の議論で、ガスと電気のキロワット時当たりの一般家庭での小売価格が算出できた。

  電気は21.04円/kWh
  ガスは9.69円/kWh

である。では、お湯を沸かす際の両者の価格について考えてみよう。
 ガスでお湯を沸かす場合、いくつか方法がある。が、今回は湯を沸かしてお茶を飲む、という設定の場合の効率を考えることとし、ガスコンロと電子レンジでの湯沸しを比較することにしよう。
 まずはガスコンロの効率から考える。東京ガスのガス機器カタログからガスコンロの効率を抜き出してみると…

  ガスコンロ+なべ    効率 50.5~56.9%
 
だとのこと。この数値はJIS規格による計測法で計測した効率であって、じつは現実に即したものではない。JISで定められた測定法とは次のようなものなのである。

 ・わきから炎が漏れないような底の広い平鍋に水を張る。
 ・ふたに開けたの小さい穴から攪拌棒を差し込んで水を攪拌しつつ加熱
 ・加熱前の水温より50度上昇するまでのガス消費量を測定、水の温度上昇が何カロリーに相当するか計算し、ガスのエネルギー総量で割って効率を求める

 ちなみにJIS規格は、このときのガスコンロの効率が40%以上でなければならない、と定めている。しかし、現実の台所で、沸騰まで沸かす場合には温度上昇幅は最低でも80度にはなるから、そのぶん逃げる熱も増えるだろう。また普通のやかんの場合、それほど底が広いわけでもないので、炎がわきから漏れることによる損失も発生する。JISの数値が現実離れした実験から得られた、あまり役立たないものであることは否めない。
 それでもまだガス機器の場合はカタログで数値が出ているからいい。電子レンジの場合は、効率がカタログで表示されていることはあまりないだろう。とはいえ、電子レンジの「定格消費電力」と「定格高周波出力」の比が目安にはなる。
 電子レンジの目立つところに「600W」とか「700W」と書かれているアレは、消費電力をあらわしているのではないことをご存知だっただろうか。電子レンジは高周波の電波を食物に当てて、食物中の水分子を振動させることによって加熱する。この高周波の出力のワット数、すなわち「定格高周波出力」が、「700W」などと表示されてものの正体である。700Wの電波を作るのには、実際にはそれ以上の電力を消費する。この消費電力が、電子レンジ本体の裏側にひっそりと表示されている「定格消費電力」で、定格高周波出力よりもずっと大きい。私の自宅にある電子レンジは定格消費電力が1270Wで、定格高周波出力は700Wと表示されていた。この比率を「効率」だと考えてパーセント表示すると、だいたい55%となる。実際には、電波のすべてが食物に吸収されるわけではないので、損失もいくぶんか発生するはずだ。
 どちらにしても、数値は実際の台所でのものではないので、当てにならない。
 そこで、私は思い立って実験し、測定してみた。測定は、以下の2段階にに分けて行った。(すべてについて測定は1回ずつしかしてません。いい加減なものです)

 ①ガスコンロと電子レンジをフルパワーで使用した場合のエネルギー消費率を測定。
 ②300ml(お茶2杯分くらいの量)の水を沸騰させるまでに何秒間かかるか測定。

①ガスコンロと電子レンジのエネルギー消費率測定
 どの家庭にもある機器で測定するため、今回は「電力メーター」と「ガスメーター」を使って消費エネルギー量を測定した。東京電力とか、東京ガスの人が検針のとき見るメーターを利用したのである。うちについていたメーターの場合、電力メーターは0.01kWh(キロワット時)単位まで計測可能な目盛りがついていて、ガスメーターは0.0002立方メートルまでの目盛りがついていた。
 まずは、家中のガス機器をストップし、ガスコンロを5分間、全開で燃焼させたときの消費量を計測した。いちおう、もったいないので水をいっぱいに張ったやかんをコンロに置いた。このときのガスの消費量は0.0268立方メートル。東京ガスが東京地区に供給するガスの規格は13Aで、このガスは1立方メートルあたりの45メガジュールの熱量を持つので、0.0268立方メートルだと1206000ジュールに相当。これを300秒間で消費したので、エネルギーの消費率をワットで表示すると、

 ガスコンロ全開での燃焼の場合、消費率はほぼ4000W

ということになる。
 こんどは同様に、電子レンジの消費電力を測定する。定格消費電力はあくまでメーカー測定のものであって、実際にはこれより多くの電力を消費することも考えられる。
 まず、家中のコンセントからプラグを抜いて、あらゆる電気機器をストップさせる。この状態で電力メーターが動いていないことを確認。電子レンジを同じく5分間運転させてメーターを読み取った。電子レンジの空焚きは危険な気がしたので、水を張ったコップをいくつか中に入れて運転した。このときの消費電力は0.12kWh。読み取りが0.01kWh単位でしかできないので、いい精度とは言いがたいが…。ここから電子レンジの消費電力は…

 電子レンジの「真の消費電力」は、ほぼ1400W

やはりメーカーによる定格消費電力より、若干多かった。

②の1 ガスコンロで沸かすのにどのくらいかかるか?
 つぎに、300mlの水を沸かすのにかかる時間を計測する。コンディションを同じにするため、水温を同じにし、容器も水温と同じになるようにしてから、計測を行った。このときの水温は8.8度だった(測定精度±1度程度の料理用デジタル温度計を使用して計測)。使ったやかんは、昔、学校のストーブの上に乗っていたような形のやかん(たとえば、以下参照。http://www.rakuten.co.jp/nonaka/436147/525921/#471219)。ここに計量カップを使って300mlを注ぎ、先ほどのガスコンロで沸かした(やかんについていた水滴は沸かす前にきれいにぬぐった)。その時間を計測したところ、沸騰までの時間は1分57秒だった。
 先のエネルギー消費率と掛け合わせ、これをWh=ワット時で表示すると、
 
  4000W×117秒/3600ジュール=130Wh

 ガスの料金は9.69円/kWhなので、300mlの水(8.8度)を沸騰させるのにかかるガス料金は1.26円という計算になる。

②の2 電子レンジで沸かすのにどのくらいかかるか?
 同様に300mlの水をコーヒーサーバー用のフラスコに入れ、電子レンジで加熱、沸騰までの時間を計測した。かかった時間は3分21秒だった。このときの消費エネルギー量をガスの場合と同じくWhで表示すると、

 1400W×201秒/3600ジュール=約78Wh

 電気の料金は21.04円/kWhなので、300mlの水(8.8度)を沸騰させるのにかかる電気料金は1.65円という計算になる。

 というわけで、お茶を入れるのにかかる料金は、ガスのほうが、電気の場合よりも25%安いという結果になった。(電力メーターの読み取り単位が粗かったので、数値の精密さは低い。しかし、慎重に考えて電力メーターの読みに±10%程度に読み取り誤差があったと考えても、ガスのほうが安いという結果には影響を与えないと思われる)

 では、エネルギー効率はどうなのだろうか。1mlの水の温度を1度上げるのに1カロリー必要ということから考えて、8.8度の水300mlを100度にするには27390カロリーの熱量が必要である。これを単位換算してWhで表記すると、ほぼ31.8Whということになる。これをベースにして、ガスコンロと電子レンジのエネルギー効率を求めると

 ガスコンロ  31.8Wh/130Wh=25%
 電子レンジ  31.8Wh/78Wh=41%

 こう書くと電子レンジのほうが効率がよさそうだが、そもそも電気は1次エネルギーの石油やウラン燃料を燃やして発電されている。発電機の効率はコジェネを考えに入れなければ40%ほどなので、トータルでの効率は16%ほどということになり、この点でもやはり、ガスコンロに負ける。
 これ以外の比較ポイントとしては、CO2排出量が問題になるが、これは発電にどれくらい原子力が使われているかに依存する。しかし、きりがないので、まあこのへんでお開きにさせていただきます。

2007年8月26日 (日)

ガスと電気、徹底比較(1)

 数年前に電力自由化がはじまって以来、ガスと電気は明確に互いをライバルとして認識し、足を引っ張り合うようになった。東京電力の一社提供のテレビ番組などでは、画面中にガスコンロが映り込むとモザイクがかかる。ことほど左様に、両者は火花を散らしあっているのである。
 さて、今回は両者の価格について、検証することにする。電力が自由化されて、ガス会社が発電事業に参入した。すると今度は電力会社が「エコキュート」や電磁調理器を使った住宅のオール電化の普及活動をはじめた。次には対抗してガス会社が、ガスを使った自家発電ユニットを一般住宅向けに売り出した。両者とも、こっちのほうが安い、環境にやさしいと、主張しあい、相手側の欠点をあげつらっている。まあ、環境にやさしいかどうかは今回はさておき、本当のところ、両者の価格の優劣はどうなのか、というあたりを詰めていくことにする。

 価格比較する前に、まずは両者のエネルギーの単位を同じものにしなければならない。エネルギーを扱う場合、常に問題になるのが単位である。石油やガス、電気などは、エネルギー量や体積、重量など様々な単位で扱われ、直接的に比較できない。きっと、これは単純にガスが得か電気が得かといったことを比較しづらくするために、わざと単位を統一していないのだろう。そう思わずにはいられないくらい、非常に不親切である。
 今回、ここではそれぞれのエネルギーを、「kWh」=キロワット時に統一して表記することにする。キロワット時はほかの単位で表すと以下のようになる。

   1kWh=3.6メガジュール=860キロカロリー

 すなわち、成人男子が一日に食事で摂取するエネルギーはほぼ2.5kWhということになる。
 そんなことはさておき、まずは電気の料金をkWh単位で以下に示す。

   東京電力の2007年7月現在の一般家庭向け電気料金
    (基本料金などは無視、従量部分のみ。燃料代の上下による微調整も無視)
   一か月の使用量が120kWhまで  16.05円/kWh
          120~300kWhまで  21.04円/kWh
              300kWh以上  22.30円/kWh

 ガスの場合は、換算が必要になる。ガスには等級というか、規格があり、その規格に基づいて、体積当たりのエネルギー量が決められている。東京ガスが東京地区に供給するガスは「13A」という規格のもので、これは1気圧で摂氏0度のときの状態で1立方メートルあたり45メガジュールの熱量(エネルギー量)と決められている。45メガジュールは12.5kWhに相当する。これを使って換算した、東京ガスの東京地区での料金を以下に示す。

   東京ガスの2007年7月の料金
    (基本料金無視、従量部分のみ。使用量による基本料金のスライドも無視)
    一か月の使用量が0~20立方メートル  138.64円/立方メートル(=11.9円/kWh)
              21~81立方メートル  121.09円/立方メートル(=9.69円/kWh)
              82~204立方メートル  117.66円/立方メートル(=9.41円/kWh)

 これで、両者の単位を揃えることができた。まあ、だいたい4人くらいの家族での標準的なモデルを考えて、この後は

電気は21.04円/kWh
ガスは9.69円/kWh

ということにして話をすすめよう。

 さて、ガスと電気はまったく違うものなので、単位を揃えただけでは、直接の比較はできない。両者を比較する上で特に問題になるのは、給湯や調理のコスト比較、さらにはガスによる自家発電のコストの検証だろう。このあたりの効率について、単位を揃えた形で経済性を考えてみたい。が、それは次回にします。
 
 

2007年6月17日 (日)

日本人のエネルギー消費率は5800ワットです。

 前に、人間のカラダはほぼ100ワットのエネルギー消費率だと、いうことについて書いた。では、そのほかのエネルギー全部をひっくるめて(自動車や工場やその他もろもろを含めて)、日本国人一人当たり、どのくらい消費しているのだろうか。調べてみた。
 今回も、一人アタマのワット数で計算することにする。
 国土交通省の統計によると、日本の年間エネルギー消費量は、石油(原油ということで、いいと思う)に換算した場合、524.6メガトンに相当するという。
(出典 http://www.mlit.go.jp/toukeijouhou/energy/h19_energy.pdf
 エネルギー消費量をどのように表現するかは難しい問題だが、最終的に石油でまかなった場合の相当量に換算して表示されることが多い。それも単位がバーレルだったり、トンだったり、リットルだったりとまちまちだし、だいたいたとえば1リットルの石油のエネルギーがどれくらいなのかわからないと、なんとも実感がつかめない。そこで、単位の換算が必要になってくる。
 同じく国土交通省の資料についている「換算表」によれば、

  原油1キロリットルは0.863トン
  原油1リットルは38.2メガジュール

ということなので、日本が年間に原油524.6メガトン分のエネルギーを消費するということは、

  原油524.6メガトン=原油608000メガリットル=232億テラジュール

これをさらに単位変換し、「キロワット時」に直すと、1キロワット時は3600ジュールなので、

  6兆4500万キロワット時

ということになる。あとは、これを[日本国民の数]×[365日]×[24時間]で割ればよい。
国民の数として、2006年3月の推計値、「1億2705.5万人」を使うと、

  国民一人当たりのエネルギー消費率は 5800ワット

ということになる。人間がカラダひとつで消費するエネルギーはほぼ100ワット。文明を維持したり、物を生産するために、われわれはその58倍のエネルギーを使っていることになる。
 5800ワットというエネルギー消費率が実感できない人のために申し上げると、たとえば家庭用のガスコンロについているハイカロリーバーナーが4200ワットくらいである。国民一人ずつがハイカロリーバーナーの火をずっと燃やし続け、さらにヘアドライヤーを2台くらいつけっぱなしにしているイメージでしょうか。
 でも、まあ、一人当たり5800ワットというのは、世界の先進国の中では、とくべつ多いほうではない。参考までに同じように各国の一人当たりエネルギー消費率を見ると(かなりざっくりな概算)

  アメリカ合衆国 10932ワット
  イギリス      5311ワット
  ドイツ        5514ワット
  フランス      6057ワット
  全世界平均    2465ワット(地球人口を60億として)

です。
 ちなみに、地球に降り注ぐ太陽エネルギーを最大限にうけて、地球人口60億人で分け合った場合、一人当たりの分け前は、約2918万ワット*。こう考えると、全太陽エネルギーの1万分の1に相当するくらいの量を、人間は使っていることになる。これを多いと考えるか、少ないと考えるか。

*次のように求めた。まず、太陽定数=「大気圏外で太陽に正対する面が受けるエネルギー」が1平方メートル当たり1.37キロワット(理科年表より)。地球の断面積を、地球の半径である6378.1キロメートルから求め、太陽定数にかけると、地球が受容できる理論上の太陽エネルギー総量が求められる。それを地球人口で割った。

2007年5月23日 (水)

いっそ電池で生きていきたい。

 食事をするのがめんどうでたまらない。今日もまた食べなければならない。じっさい、大してうまいものなど食いたくない。まずいものは食べたくないが、ある程度以上おいしかったら、もう同じにしか思えない。
 いっそ、飯など食わずに済ませられれば、と考えることもしばしばである。いっそ、電池で生きていきたい。
 しかし、そんなこと、できるのか。まあ、できたとしよう。とにかく、何らかの形で、電池パックの交換で食事代わりにできる装置が開発されたと考えてみよう。でも、そもそも、私は何ワットくらいの動力で動いているのか。
 私は代謝量もいい感じに落ちかけてきている30代、デスクワークしかしてない。だから1日の摂取カロリーはたぶん2000キロカロリーくらい。この2000キロカロリーを24時間で消費するということだ。となると、1秒あたりでは、何カロリー消費していることになるのか。

  2000×1000÷(24×60×60)=23.15 (カロリー)
 
つまり、1秒間に平均して23.15カロリーを消費している。1カロリーは、ほぼ4.18ジュールのエネルギーに相当する。よって

 23.15×4.18=96.8 (ジュール/秒→つまりワット)

 つまり、私は96.8ワットのエネルギー消費率で生きている。ざっくり、100ワットといってもいいだろう。
 これを電池でまかなうとすると、どういうことになるだろうか。
 普通、使われる電池のなかで、エネルギー密度が高いのはリチウムイオン電池である。ネットで調べると、重量あたりのエネルギー密度は155ワット時/キログラム、体積あたりだと400ワット時/リットルだそうだ。(出典 http://www.baysun.net/lithium/lithium.html
ここで、「1ワット時」とは1ワットで1時間出力しつづけたときのトータルエネルギー量のこと。1ワット時は3600ジュールということになる。
 私が24時間生きるためには、エネルギーは24×100=2400ワット時が必要である。どのくらいの量のリチウムイオンバッテリーが必要だろうか。
 
  2400÷155=15.48 (キログラム)
  2400÷400=6 (リットル)
 
 なんと、合計15.5キログラム、6リットルの体積の電池が必要だ。食事と同じで1日3回電池交換すると考えても、その3分の1だから、5キログラム強で2リットルの体積のリチウムイオン電池が必要になる。うーむ。なんともめんどうだ。

 ちなみに、ご飯を男性用茶碗によそったときの量である180グラムで、そのカロリーはだいたい260キロカロリーだそうだ。同じだけのエネルギーをリチウムイオン電池で得るためにはどのくらいの大きさの電池が必要だろうか。
 260キロカロリーをジュールに変換すると、1カロリーは4.18ジュールなので、260×1000×4.18=1086800ジュール。1ワット時は3600ジュールなので、108600ジュール=301.9ワット時。リチウムイオン電池の重量あたりエネルギー密度は155ワット時/キログラムなので、ご飯一杯分のエネルギーを電池で得るためには、301.9÷155=1.95(キログラム)、つまりほぼ2キログラムの電池が必要だ。
 つまり、電池vs.銀シャリの重量あたりエネルギー密度比は、1950/180だから、実に10.8倍。ご飯は炭水化物だが、食物のエネルギー密度は脂肪で摂取すれば、炭水化物の倍以上になる。高脂肪食にしたら、この密度比は20以上になるかもしれない。こう考えると、食事をするほうが、電池を交換するよりも楽だろう。仕方がない、今日も飯を食うことにしよう。

 結論:電池で生きるのは、当分、無理。

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