エネルギー品質

エネルギー品質は、ある形態のエネルギーが有用な仕事または別の形態のエネルギーに変換される容易さ、すなわち熱力学的自由エネルギーの含有量の尺度である。高品質のエネルギー形態は熱力学的自由エネルギーの含有量が高いため、その大部分を仕事に変換できる。一方、低品質のエネルギー形態では、仕事に変換できるのはわずかな部分だけで、残りは熱として消散する。エネルギー品質の概念は、生態学でも食物連鎖の異なる栄養段階間のエネルギーの流れを追跡するために使用され、熱経済学ではエネルギー単位あたりの経済的生産量の尺度として使用される。エネルギー品質を評価する方法には、多くの場合、エネルギー品質の階層的順序でのランク付けが含まれる。

エネルギーの質への配慮は、18 世紀から 20 世紀にかけての工業化の基本的な原動力でした。たとえば、18 世紀のニューイングランドの工業化を考えてみましょう。これは、布を織るための力織機を備えた繊維工場の建設を指します。最も単純で経済的で直接的なエネルギー源は水車によって提供され、地元の小川のダムの後ろにある水車池からエネルギーを取り出します。近くの別の地主も同じ小川に工場を建設することに決めた場合、ダムの建設により既存の水車を動かすための全体的な水頭が下がり、発電と効率が損なわれます。これは最終的に地域全体に蔓延する問題となり、新しい工場が建設されるにつれて古い工場の全体的な収益性が低下しました。より高品質のエネルギーの探求は、19 世紀から 20 世紀を通じて大きな原動力でした。たとえば、石炭を燃やして蒸気を作り、機械的エネルギーを生成することは 18 世紀には想像もできなかったでしょう。 19 世紀末までに、水車の使用は時代遅れになりました。同様に、電気のエネルギー品質は蒸気に比べて非常に優れていますが、20 世紀になるまで経済的でも実用的でもありませんでした。

上記の例は、エネルギーの利用による経済的影響に焦点を当てたものでした。自然界や生物学でも同様のシナリオが展開しており、生物は自然界からさまざまな質のエネルギーを抽出することができ、最終的には地球上の熱力学的不均衡の主な要因である太陽エネルギーによって推進されます。 ^{[1] [2]}生態系の生態学的バランスは、システムを通るエネルギーの流れに基づいています。たとえば、雨水は岩の浸食を促し、栄養素として使用できる化学物質を放出します。これらはプランクトンに取り込まれ、太陽エネルギーを使用して成長し、繁栄します。クジラはプランクトンを食べることでエネルギーを得るため、間接的に太陽エネルギーも使用しますが、この場合ははるかに濃縮された高品質の形で使用されます。

水車も、太陽の蒸発凝結水循環を介して雨水によって駆動されます。したがって、最終的には、工業用布地の製造は太陽光の昼夜サイクルによって駆動されていました。これは、エネルギー源を大きなシステムとして全体的に見る方法です。したがって、エネルギーの質に関する議論は、弁証法、マルクス主義、ポストモダニズムなどの人文科学の分野で時々見られます。これは、経済学などの分野が経済への熱力学的入力（現在では熱経済学として認識されています）を認識できなかったのに対し、物理学や工学などの分野は、人間の活動の経済的影響や生物生態系における熱力学的流れの影響を扱えなかったためです。したがって、大まかでグローバルな大きなシステムの議論は、そのような複雑なシステムに必要な漠然とした非具体的な推論について最もよく訓練された人々によって取り上げられました。その結果、分野間で語彙と見通しが一致せず、かなりの論争につながる可能性があります。

Ohta (1994, pp. 90–91) によると、エネルギー品質のランク付けと科学的分析は、1851 年にWilliam Thomsonによって「利用可能性」という概念のもとで初めて提案されました。この概念はドイツで Z. Rant によって継承され、「die Exergie」(エクセルギー) というタイトルで発展しました。これは後に日本でも継承され、標準化されました。エクセルギー分析は現在、多くの産業および環境エネルギー分析の共通部分を形成しています。たとえば、I. Dincer と YA Cengel (2001, p. 132) は、蒸気動力 工学業界ではさまざまな品質のエネルギー形態が現在一般的に扱われていると述べています。ここでの「品質指数」は、エクセルギーとエネルギー含有量の関係です (同上)。しかし、エネルギー技術者は、熱の質という概念には価値という概念が関係していることを認識していました。たとえば、A. Thumann は「熱の本質的な質は量ではなく、むしろその『価値』である」と書いています (1984、p. 113)。これは、目的論と、より広い、または生態学的規模の目標関数の問題を提起します。生態学的文脈では、SE Jorgensen と G. Bendoricchio は、エクセルギーは生態学的モデルの目標関数として使用され、エネルギーを「エネルギーのような品質の組み込み尺度で」表現すると述べています (2001、p. 392)。

エネルギー品質の計算には、主に 2 種類の方法論が使用されるようです。これらは、受信者方式と提供者方式に分類できます。これらのクラスを区別する主な違いの 1 つは、エネルギー品質がエネルギー変換プロセスで向上できるかどうかという仮定です。

レシーバー法:エネルギー品質を、エネルギーが1つの形から別の形に変換される相対的な容易さの尺度および指標とみなす。つまり、変換または転送プロセスからどれだけのエネルギーが受信されるかである。たとえば、A. Grubler [1] は、水素/炭素 (H/C) 比とその逆数であるエネルギーの炭素強度という、エネルギー品質の2種類の指標を使用しました。Grubler は、後者を相対的な環境品質の指標として使用しました。しかし、Ohta は、太陽エネルギーを使用した水素製造システムなどの多段階の産業変換システムでは、エネルギー品質は向上しないと述べています (1994、p. 125)。

ドナー法:エネルギー品質を、エネルギー変換に使用され、製品やサービスを維持するために使用されるエネルギー量の尺度と見なします ( HTOdum 1975、p. 3)。これは、エネルギー変換プロセスに提供されるエネルギー量です。これらの方法は、生態学的物理化学および生態系評価で使用されます。この観点からは、Ohta が概説したものとは対照的に、エネルギー品質は生態系の多段階栄養転換で向上します。ここでは、向上したエネルギー品質は、より低いグレードのエネルギー品質をフィードバックおよび制御する能力が高くなります。ドナー法は、高品質のエネルギーが低品質のエネルギーを制御する程度を定量化することで、エネルギープロセスの 有用性を理解しようとします。

T. Ohta は、エネルギーの形態は一定だが、流れるエネルギー、または伝達されるエネルギーの量が変化する例を考えれば、エネルギーの質の概念はより直感的になるかもしれないと示唆した。たとえば、慣性エネルギーの形態だけを考えれば、運動体のエネルギーの質は、運動速度が速いほど高くなる。熱エネルギーの形態だけを考えれば、温度が高いほど質が高くなる。そして、光エネルギーの形態だけを考えれば、周波数が高い光の質が高くなる (Ohta 1994、p. 90)。したがって、エネルギーの質のこれらの違いはすべて、適切な科学機器で簡単に測定できる。

エネルギーの形態が一定でない場合、状況はさらに複雑になります。この文脈で、太田はエネルギー品質の問題を、ある形態のエネルギーを別の形態に変換すること、つまりエネルギーの変換という観点から定式化しました。ここで、エネルギー品質は、エネルギーが形態から形態へと変換される相対的な容易さによって定義されます。

エネルギーAがエネルギーBに変換するのが比較的容易であるが、エネルギーBがエネルギーAに変換するのが比較的困難である場合、エネルギーAの品質はエネルギーBの品質よりも高いと定義されます。エネルギー品質の順位も同様の方法で定義されます。（Ohta 1994、p.90）。

命名法:上記の Ohta の定義の前に、AW Culp は、あるエネルギーから別のエネルギーへのさまざまな変換を説明するエネルギー変換表を作成しました。Culp の処理では、どのエネルギー形式について話しているのかを示すために下付き文字を使用しました。したがって、上記の Ohta のように「エネルギー A」と書く代わりに、Culp は「J _e」と書いて、電気形式のエネルギーを指定しました。ここで、「J」は「エネルギー」を指し、「e」の下付き文字は電気形式のエネルギーを指します。Culp の表記法は、すべてのエネルギーは適切な下付き文字を使用して形式エネルギーとして指定する必要があるという、後の Scienceman (1997) の格言を予期していました。

エネルギー品質の概念は、経済学でも認識されていました。生物物理学的経済学の文脈では、エネルギー品質は、エネルギー入力単位あたりに生み出される経済的出力の量によって測定されました (CJ Cleveland 他、2000 年)。経済的な文脈でのエネルギー品質の推定は、組み込まれたエネルギー方法論にも関連しています。エネルギー品質の概念の経済的関連性のもう 1 つの例は、Brian Fleay によるものです。Fleay は、「エネルギー利益率 (EPR) は、エネルギー品質の 1 つの尺度であり、燃料の経済的パフォーマンスを評価するための重要な指標です。分母には、商品やサービスに組み込まれた直接的および間接的なエネルギー入力の両方を含める必要があります」と述べています (2006 年、10 ページ)。Fley は、EPR をエネルギー出力/エネルギー入力として計算します。

太田はエネルギー形態の変換をその質に応じて順序付けしようとし、エネルギー変換の相対的容易さに基づいてエネルギー質をランク付けする階層的尺度を導入した（太田の直後の表を参照、90 ページ）。太田がすべての形態のエネルギーを分析したわけではないことは明らかである。たとえば、水は評価から除外されている。エネルギー質のランク付けは、エネルギー変換の効率のみを参照して決定されるのではないことに注意することが重要である。つまり、エネルギー変換の「相対的容易さ」の評価は、変換効率に部分的にのみ依存している。太田が書いているように、「タービン発電機と電動機はほぼ同じ効率であるため、どちらが高品質であるかは言えない」（1994、90 ページ）。したがって、太田は「自然界における豊富さ」もエネルギー質ランクを決定するための別の基準として含めた。たとえば、太田は「自然環境に存在する唯一の電気エネルギーは雷であり、多くの機械的エネルギーが存在する」と述べた（同上）。 （エネルギー品質のランキングの別の例については、ウォールの記事の表 1 も参照してください）。

Ohta と同様に、HTOdum もエネルギー形態の変換をその質に応じて順序付けしようとしましたが、彼のランク付けの階層的尺度は、単に変換の相対的な容易さではなく、生態系の食物連鎖の概念を熱力学に拡張することに基づいていました。HTOdum にとって、エネルギー質のランク付けは、ある形態のエネルギーが別のエネルギー形態の単位を生成するために必要な量に基づいています。あるエネルギー形態の入力と別のエネルギー形態の出力の比率は、HTOdum と同僚が変換性と呼んだもので、「ジュールあたりのエムジュール単位で表した単位エネルギーあたりのエマージー」でした (HTOdum 1988、p. 1135)。