エネルギー管理士熱分野テキスト

目　次

目　次

第1章　エネルギー総合管理および法規

１．法規　1 省エネ法の概要　2 特定事業者とエネルギー管理指定工場　3 特定事業者の義務　4 エネルギー管理者など　5 判断基準　6 電気の平準化に関する指針　7 住宅や建築物に係る措置

２．エネルギー情勢・政策・概論　1 単位　2 エネルギー変換効率とエクセルギー　3 水の顕熱と潜熱　4 発電　5 ヒートポンプと蓄熱　6 ハイブリッド自動車　7 エネルギー自給率　8 地球温暖化　9 オゾン層破壊

３．エネルギー管理技術の基礎　1 工場など判断基準　2 燃焼のエネルギー管理技術　3 ボイラのエネルギー管理技術　4 加熱炉のエネルギー管理技術　5 廃熱回収とエネルギー管理システム　6 蒸気配管のエネルギー管理技術　7 流体機械・空気調和設備のエネルギー管理技術　8 受変電設備・電気加熱のエネルギー管理

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　9 照明設備のエネルギー管理技術 10 加熱・燃焼に関する基本計算 11 放射・電気化学に関する基本計算 12 電力に関する基本計算

第2章　熱と流体の流れの基礎

１．熱力学　1 熱力学の第一法則　2 熱力学の第二法則　3 比熱、エンタルピー、エントロピー　4 等容・等圧・等温・断熱変化と可逆・不可逆変化　5 モル数、アボガドロの法則　6 ダルトンの法則　7 ボイル・シャルルの法則、気体の状態式　8 気体の比熱　9 ポリトロープ 10 湿度 11 気体がピストンにする仕事 12 等容変化 13 等圧変化 14 等温変化 15 断熱変化 16 カルノーサイクル 17 スターリングサイクル 18 ランキンサイクル 19 逆ランキンサイクル 20 オットーサイクル 21 ディーゼルサイクル 22 ブレイトンサイクル 23 複合サイクル

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２．流体力学　1 流体の基礎　2 ベルヌーイの定理　3 トリチェリーの定理　4 ダルシー・ワイスバッハの式　5 ニュートン流体　6 レイノルズ数　7 ピトー管　8 ベンチュリ管、オリフィス板　9 カルマン渦、ストローハル数 10 ポンプ 11 送風機

３．伝熱工学　1 熱伝導　2 熱通過　3 熱抵抗・熱通過率　4 対流伝熱、沸騰伝熱、凝縮伝熱　5 沸騰と凝縮　6 速度境界層、温度境界層　7 内壁面温度、バルク温度　8 反射率・透過率・吸収率、放射伝熱のキルヒホッフの法則　9 黒体、白体、灰色体 10 ウィーンの変位則 11 ステファン・ボルツマンの法則 12 形態係数 13 物体間の放射伝熱量 14 フィラメントからの放射 15 ヌセルト数、プラントル数、熱拡散率 16 ヌセルト数の相関式 17 シャーウッド数、シュミット数

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第3章　燃料と燃焼

１．燃料および燃焼管理　1 気体燃料　2 気体燃料の燃焼　3 液体燃料　4 液体燃料の燃焼　5 固体燃料　6 固体燃料の燃焼　7 燃焼管理　8 環境対策　9 排ガス分析法

２．燃焼計算　1 燃焼反応式　2 燃焼計算

第4章　熱利用設備およびその管理

１．計測制御　1 温度計測　2 流量計測　3 フィードバック制御、フィードフォワード制御　4 カスケード制御、比率制御　5 PID制御、特性判断法　6 ステップ応答　7 ステップ応答の特性値　8 ポンプの流量制御　9 送風機の流量制御 10 蒸気ドラムの液面制御

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２．熱源装置・原動機　1 ボイラ、熱効率向上のための機器　2 ボイラの性能と省エネ　3 蒸気配管　4 スチームトラップ・伸縮継手　5 蒸気タービンの性能　6 内燃機関　7 ガスタービン　8 コンバインドサイクル発電

３．熱交換器・熱回収装置　1 熱交換器の種類　2 熱交換器の性能

４．冷凍・空調設備　1 省エネルギー指標　2 熱負荷、湿り空気線図　3 全熱交換器　4 吸収式冷凍機　5 空調方式　6 可変流量システム

５．工業炉・熱設備材料　1 工業炉の概要　2 工業炉の分類　3 工業炉の制御・効率　4 工業炉の省エネルギー　5 熱設備材料

６．蒸発・蒸留・乾留装置　1 蒸発

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　2 蒸留　3 精留　4 乾燥　5 石炭乾留　6 ガス化

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第1章エネルギー総合管理および法規

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法規1.

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第1章　エネルギー総合管理及び法規

内外におけるエネルギーをめぐる経済的社会的環境に応じた燃料資源の有効な利用の確

保に資するため、工場など、輸送、建築物および機械器具などについてのエネルギーの使用

の合理化に関する所要の措置、電気の需要の平準化に関する所要の措置その他エネル

ギーの使用の合理化などを総合的に進めるために必要な措置を講ずることとし、もって国民

経済の健全な発展に寄与すること。

省エネ法上のエネルギーとは、燃料、熱、電気が対象である。廃棄物からの回収エネルギー

や風力、太陽光などの非化石エネルギー、太陽熱や地熱など、燃料を熱源としない熱や太陽

光発電や風力発電、廃棄物発電などの電力は省エネ法上のエネルギーの対象外である。

エネルギー使用量は原油換算値で示す。

① 本社および全ての工場、支店、営業所、店舗などで使用した燃料・熱・電気ごとの年度

間の使用量を集計する。

② 各使用量を換算係数により熱量「GJ（ギガジュール）」に換算する。

③ 原油換算係数［㎘/GJ］を乗じて、エネルギー使用量（原油換算値）に換算する。

省エネ法の概要1

省エネ法の目的1

エネルギー使用量3

エネルギーの定義2

解答

ある工場の前年度の燃料などの使用は以下のとおりであった。

a :A重油をボイラと加熱炉で使用した

b:RDF（廃棄物固形燃料）をボイラで使用した

c :一般の電力会社から購入した電気を使用した

d:太陽光発電設備で発電した電気を使用した

e :可燃性天然ガスを燃料電池に供給し得られた電気を使用した

この工場の「法」で定めるエネルギーの対象となるのは　 1　 である。

＜解答群＞

ア　aとbとc　　イ　aとcとdとe　　ウ　aとcとe

［1］ウ解説　本文参照

例題

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事業者全体の1年度間のエネルギー使用量（原油換算値）が合計して1,500㎘以上の場

合、特定事業者の指定を受ける。

フランチャイズチェーン事業などで、加盟店を含む事業全体の1年度間のエネルギー使用量

（原油換算値）の合計が1,500㎘以上の場合、特定連鎖化事業者の指定を受ける。

特定事業者の事業場のうち、1年度間のエネルギー使用量（原油換算値）が合計して

● 3,000㎘以上のときは第一種エネルギー管理指定工場

● 1,500㎘以上のときは第二種エネルギー管理指定工場

の指定を受ける。

特定事業者1

エネルギー管理指定工場3

特定連鎖化事業者2

特定事業者とエネルギー管理指定工場2

ある事業者が保有する圧延工場における前年度の燃料、電気などの使用量は次のa

～cのとおりであった。この事業者には、圧延工場のほかに、別の事業所として精整加工

工場、本社事務所があり、そこでの前年度の電気使用量は、次のfであった。これらが、こ

の事業者の設置している事務所の全てであり、a～f以外のエネルギーは使用していな

かった。

a :圧延工場で、一般電気事業者から購入して使用した電気の量を熱量に換算した量

が5万ギガジュール

b:圧延工場の加熱炉で使用した都市ガスの量を発熱量に換算した量が6万ギガジュ

ール

c :圧延工場のボイラで使用した燃料の量を発熱量に換算した量が2万ギガジュール

で、そのうち木材チップの量を発熱量に換算した量が9千ギガジュール、A重油の量

を発熱量に換算した量が1万1千ギガジュール

d:精整加工工場で、一般電気事業者から購入して使用した電気の量を熱量に換算し

た量が4万ギガジュール

e :精整加工工場のコージェネレーション装置で使用した都市ガスの量を発熱量に換算

した量が2万ギガジュールで、コージェネレーション装置で発生した熱および電気は

例題

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第1章　エネルギー総合管理及び法規

全て工場内で使用した

f :本社事務所で、一般電気事業者から購入して使用した電気の量を熱量に換算した

量が8千ギガジュール

この事業者全体での、前年度に使用したエネルギー使用量を「法」で定めるところにより

原油の数量に換算した量は、　 1　 kℓとなり、この事業者は、そのエネルギー使用量か

ら判断して特定事業者に該当する。また、同じく前年度に使用した「法」で定めるエネル

ギー使用量から、圧延工場および精整加工工場は、　 2　 のエネルギー管理指定

工場などに該当し、当該の指定を受けた後、この圧延工場についてエネルギー管理者

1名、この精整加工工場についてエネルギー管理員を選任しなければならない。

＜解答群＞

ア　4,005　　イ　4,154　　ウ　4,360　　エ　4,479　　オ　4,692　　

カ　4,749　　キ　4,876　　ク　5,108　　ケ　5,311　　コ　5,564

サ　圧延工場が第一種で精整加工工場が第二種　　シ　あわせて第一種　　

ス　いずれも第一種　　セ　いずれも第二種

解答 ［1］キ　［2］サ

解説　

a～fのうち木材チップの9,000GJのみが省エネ法におけるエネルギーの定義に該当し

ない。

［1］（50,000＋60,000＋11,000＋40,000＋20,000＋8,000）×0.0258＝4,876.2

［kℓ］

［2］圧延工場：（50,000＋60,000＋11,000）×0.0258＝3,121.8［kℓ］

第一種指定工場に該当する。

精整加工工場：（40,000＋20,000）×0.0258＝1,548［kℓ］

第二種指定工場に該当する。

memo

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特定事業者の義務3

事業者の義務1

工場の義務2

提出書類3

事業者の区分 特定事業者または特定連鎖化事業者 ―

年度間エネルギー使用量（原油換算値㎘）

1,500㎘／年度以上 1,500㎘／年度未満

事業者の目標●年平均1%以上のエネルギー消費原単位の低減●電気需要平準化評価原単位の低減

事業者の義務

選任すべき者エネルギー管理統括者およびエネルギー管理企画推進者

―

取り組むべき事項

●判断基準に定めた措置の実践●指針に定めた措置の実践

業種 製造業など5業種※1左記業種の事業所左記以外の業種※2

全ての業種

年度間エネルギー使用量

3,000㎘／年度以上1,500㎘／年度以上～3,000㎘／年度未満

指定区分第一種エネルギー管理指定工場など

第二種エネルギー管理指定工場など

事業者の区分第一種特定事業者

第二種特定事業者第一種指定事業者

選任すべき者 エネルギー管理者 エネルギー管理員 エネルギー管理員

※1：鉱業、製造業、電気供給業、ガス供給業、熱供給業。ただし、事務所を除く※2：ホテル、病院、学校など

提出書類 提出期限

定期報告書毎年度7月末日

中長期計画書

エネルギー管理者などの選解任届 選解任のあった日後、最初の7月末日

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第1章　エネルギー総合管理及び法規

解答

解答

「法」第14条、「則」第15条関連の文章

特定事業者は、毎年度、その設置している工場などについて第5条第1項に規定する判

断の基準となるべき事項において定められたエネルギーの使用の合理化の目標に関し、

その達成のための　 1　 を作成し、主務大臣に提出しなければならない。　 1　 の

提出は、毎年度　 2　 までに行わなければならない。

＜解答群＞

ア　3月末日　　イ　4月末日　　ウ　7月末日　　エ　10月末日　　

オ　定期の報告書　　カ　中期的な計画　　キ　改善計画書　　ク　工程表

「法」第8条

2　第一種特定事業者は、経済産業省令で定めるところにより、エネルギー管理者の

選任、死亡または解任について経済産業大臣に届け出なければならない。

「則」第9条

法第8条第2項の規定による届出は、エネルギー管理者の選任、または死亡または解

任があった日後の　 1　 までに、様式第7による届出書1通を提出しなければならない。

［1］カ　［2］ウ

解説　本文参照

［1］7月末日

解説　本文参照

例題

例題

memo

16

特定事業者はエネルギー管理者などを選任する必要がある。

エネルギー管理者など4

エネルギー管理者などの要件1

エネルギー管理者などの役割3

エネルギー管理者の選任数2

エネルギー管理者など 要件

エネルギー管理統括者 事業者全体の鳥瞰的なエネルギー管理を行える者

エネルギー管理企画推進者エネルギー管理士エネルギー管理講習修了者

エネルギー管理者 エネルギー管理士

エネルギー管理員エネルギー管理士エネルギー管理講習修了者

エネルギー管理者など

事業者の区分 選任数

エネルギー管理者

第一種特定事業者※1

製造業（コークス）、電気・ガス・熱供給業の場合

10万㎘／年度以上 2人

10万㎘／年度未満 1人

製造業（コークス製造業を除く）の場合

10万㎘／年度以上 4人

5万㎘／年度以上10万㎘／年度未満

3人

2万㎘／年度以上5万㎘／年度未満

2人

2万㎘／年度未満 1人

エネルギー管理員

第一種指定事業者、第二種特定事業者 1人

※1：第一種指定事業者を除く

エネルギー管理者などは、エネルギー管理指定工場などにおけるエネルギーの使用の

合理化に関し、エネルギーを消費する設備の維持、エネルギーの使用の方法の改善お

よび監視その他経済産業省令で定める業務を管理する。

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第1章　エネルギー総合管理及び法規

管理者など 役割

エネルギー管理統括者●経営的視点を踏まえた取り組みの推進●中長期計画のとりまとめ●現場管理に係る企画立案、実務の統制

エネルギー管理企画推進者 エネルギー管理統括者を実務面から補佐

エネルギー管理者 第一種エネルギー管理指定工場などに係る現場管理※1

エネルギー管理員第一種※2または第二種エネルギー管理指定工場などに係る現場管理

※1：第一種指定事業者を除く※2：第二種指定事業者の場合

解答

「法」第11条の条文

エネルギー管理者は、第一種エネルギー管理指定工場などにおけるエネルギーの使

用の合理化に関し、エネルギーを消費する設備の維持、エネルギーの使用の方法の

　 1　 その他経済産業省令で定める業務を管理する。

＜解答群＞

ア　改善および監視　　イ　制御

［1］ア

解説　本文参照

例題

memo

18

経済産業大臣は、工場などにおけるエネルギーの使用の合理化の適切かつ有効な実

施を図るため、次に掲げる事項並びにエネルギーの使用の合理化の目標および当該目

標を達成するために計画的に取り組むべき措置に関し、工場などにおいてエネルギーを

使用して事業を行う者の判断の基準となるべき事項を定め、これを公表するものとする。

① 事業者と連鎖化業者が工場など全体を俯瞰して取り組むべき事項

② 専ら事務所その他これに類する用途に供する工場などにおけるエネルギーの使用の合理

化に関する事項

③ 工場などにおけるエネルギーの使用の合理化に関する事項

① 事業者および連鎖化業者が中長期的に努力し、計画的に取り組むべき事項

② エネルギー消費設備などに関する事項

● 専ら事務所その他これに類する用途に供する工場など

● 工場など

③ その他エネルギーの使用の合理化に関する事項

判断基準5

エネルギーの使用の合理化の目標および計画的に取り組むべき措置（目標部分）

2

エネルギーの使用の合理化の基準（基準部分）1

memo

19

第1章　エネルギー総合管理及び法規

解答

「法」第5条の条文の一部

経済産業大臣は、工場などにおけるエネルギーの使用の合理化の適切かつ有効な実

施を図るため、次に掲げる事項並びにエネルギーの使用の合理化の目標および当該目

標を達成するために　 1　 取り組むべき措置に関し、工場などにおいてエネルギーを使

用して事業を行う者の判断の基準となるべき事項を定め、これを公表するものとする。

＜解答群＞

ア　計画的に　　イ　将来的に　　ウ　投資を行って　　エ　法令を遵守して

［1］ア解説　本文参照

例題

memo

20

電気の需要の平準化を適切かつ有効に実施するための措置を、経済産業大臣が定め、公

表したものである。

電気の需要を平準化する時間帯（電気需要平準化時間帯）を、7月1日から9月30日および

12月1日から3月31日までの8～22時までとしている。

各事業者は、電気需要平準化時間帯以外への電気を使用する時間の変更や、電気から

燃料や熱への転換などに努めなければならない。

【電気需要平準化時間帯以外への電気を使用する時間の変更】● 電気を消費する機械器具稼働時間の変更

● 蓄電池や蓄熱システムの活用

【電気の使用から燃料または熱の使用への転換】● 自家発電設備の活用

● 空気調和設備などの熱源の変更

電気の平準化に関する指針6

解答

「法」第5条の条文の一部

経済産業大臣は、工場などにおいて電気を使用して事業を行う者による電気の需要の

　 1　 に資する措置の適切かつ有効な実施を図るため、次に掲げる事項その他当該

者が取り組むべき措置に関する指針を定め、これを公表するものとする。

＜解答群＞

ア　正常化　　イ　低減　　ウ　平準化

［1］ウ解説　本文参照

例題

21

第1章　エネルギー総合管理及び法規

住宅や建築物に関しては、建物の大きさによって、次のような措置が必要である。

【2,000m2以上の建築物の建築主】● 第一種特定建築物となり、新築・増改築および大規模修繕などの際、省エネ措置を

所管行政庁に届出する必要がある。省エネ措置が著しく不十分な場合は、指示・公

表・命令（罰則）がされる。

【300m2以上の建築物の建築主】● 第二種特定建築物となり、新築・増改築の際、省エネ措置を所管行政庁に届出する

必要がある。省エネ措置が著しく不十分な場合は、勧告される。

【2,000m2以上の建築物の管理者】● 第一種特定建築物の省エネ措置の維持保全状況を、所管行政庁に定期報告する

必要がある。維持保全状況が著しく不十分な場合は、勧告される。

【300m2以上の建築物の管理者】● 第二種特定建築物（住宅を除く）の省エネ措置の維持保全状況を、所管行政庁に

定期報告する必要がある。維持保全状況が著しく不十分な場合は、勧告される。

住宅や建築物に係る措置7

解答

「法」第73条、「令」第15条関連の文章

建築物に係るエネルギーの使用の合理化を図る必要がある規模の建築物として、政令

で定める規模以上のものを特定建築物という。その規模は、　 1 　m2である。

＜解答群＞

ア　床面積の合計が300　　イ　床面積の合計が900

［1］ア解説　

特定建築物は300m2以上である。さらに規模により、第一種と第二種に分類される。

例題

建築に係る届出1

維持保全状況の報告2

22

エネルギー情勢・政策・概論

2.

23

第1章　エネルギー総合管理及び法規

単位1

基本単位とは1

組立単位の例2

単位量 基本単位

長さ メートル［m］

質量 キログラム［kg］

時間 秒［s］

電流 アンペア［A］

熱力学温度 ケルビン［K］

物質量 モル［mol］

光度 カンデラ［cd］

組立量組立単位

組合せ 名称

力 ［kg・m/s2］ ニュートン［N］

圧力 ［N/m2］ パスカル［Pa］

仕事 ［N・m］ ジュール［J］

仕事率 ［J/s］ ワット［W］

電荷 ［A・s］ クーロン［C］

電圧・電位 ［J/C］ ボルト［V］

抵抗 ［V/A］ オーム［Ω］

エントロピー ［J/K］ 　　－

熱伝導率 ［W/（m・K）］ 　　－

照度 ［lm/m2］ ルクス［lx］

24

解答

国際単位系（SI）では、長さ（メートル［m］）、質量（キログラム［kg］）、時間（秒［s］）、

電流（アンペア［A］）、熱力学温度（ケルビン［K］）、光度（カンデラ［cd］）および　 1 　

の7個の量を基本単位としている。力やエネルギーなどの単位は、前述の7個の基本単

位を組み合わせて表され、組立単位と呼ばれる。たとえば、力（ニュートン［N］）は、基本

単位を用いるとkg・m/s2で表すことができる。さらに、圧力（パスカル［Pa］）は単位面積

当たりの力であるので、N/m2で表され、これを用いると、大気圧は、変動するものの平均

的にはおよそ A|a.b×10C ［Pa］である。

＜解答群＞

ア　磁束（ウェーバ［Wb］）　　イ　電荷（クーロン［C］）　　ウ　物質量（モル［mol］）

［1］ウ　［A］1.0×105

解説　

［1］本文参照

［A］大気圧はおよそ1,000hPa（ヘクトパスカル）であり、これは1.0×105Paとなる。

例題

memo

25

第1章　エネルギー総合管理及び法規

力学（機械）エネルギー、電気エネルギーから仕事への変換は、理論上、エネルギー変換効

率100%まで可能であるが、熱エネルギーから仕事への変換は、カルノーサイクル効率により、

エネルギー変換効率は100%より小さくなる。

ηth：カルノーサイクル効率　　TH：高温側温度［K］　　TL：低温側温度［K］

エネルギーのうち仕事として取り出せるエネルギーであり、有効エネルギーともいう。エンタル

ピーに対するエクセルギーの割合をエクセルギー率といい、各エネルギーのエクセルギー率

の比較は次のとおりである。

エネルギー変換効率とエクセルギー2

解答

エクセルギーの値をエンタルピーの値で除したエクセルギー率で見ると、エクセルギー率

が最も高い　 1　 エネルギーと、これに続く　 2　 エネルギーに比較して、　 3　 エ

ネルギーはエクセルギー率が低いと表現されることも多い。

＜解答群＞

ア　熱　　イ　化学　　ウ　電気

［1］ウ　［2］イ　［3］ア解説　本文参照

例題

エネルギー変換効率とは1

エクセルギーとは2

ηth＝　　　 ＝1－　　TH－TL

TH

TL

TH

電気エネルギー ＞ 化学エネルギー ＞ 熱エネルギー

26

蓄熱には水の顕熱のみを用いる場合と、水を凍らせて氷を作り、潜熱も用いる場合がある。水

の比熱および蒸発熱、融解熱は次のとおりである。

例えば、20℃の水1kgを凍らせる場合、まず0℃まで冷却するには、水の比熱は4.2kJ/（kg・

K）なので、4.2×1×（20－0）＝84［kJ］の顕熱を水から奪って放熱させる必要がある。さらに

この水を氷にするためには、凝固のための潜熱である凝固熱を335［kJ］、水から奪って放熱

させる必要がある。

水の顕熱と潜熱3

水の性質 数値

比熱 4.2kJ/（kg・K）

蒸発熱（凝縮熱） 2,250kJ/kg（大気圧）

融解熱（凝固熱） 335kJ/kg

memo

水の状態変化

27

第1章　エネルギー総合管理及び法規

解答

AとBにあてはまる数値を答えよ。

（1）質量が250kgで温度が20℃の水が入っている水槽がある。この水に、蒸気を混

入して温度が50℃の温水にするためには、圧力0.2MPaの乾き飽和蒸気を用い

た場合 A|ab.c ［kg］混入する必要がある。ただし、この混入の際、蒸気の持つ

熱エネルギーは水の加熱のみに用いられるものとし、20℃の水の比エンタルピーを

83.9kJ/kg、50℃の温水の比エンタルピーを209.3kJ/kg、圧力0.2MPaの乾き

飽和蒸気の比エンタルピーを2,706.2kJ/kgとする。

（2）質量が50kgで温度が70℃の水を標準大気圧のもとで加熱して、全て乾き飽和

蒸気にするために必要な熱量は B|a.bc×10d ［MJ］である。ただし、70℃の水が

100℃の飽和水になるまでの比熱は4.18kJ/（kg・K）で一定とし、水の蒸発潜熱

は2,257kJ/kgとする。

［A］12.6　［B］1.19×102

解説

［A］混入蒸気量＝　　　　　　　　　　 ≒12.6［kg］

［B］熱量＝4.18×50×（100－70）＋50×2,257＝119,120［kJ］

　　 ≒1.19×102［MJ］

例題

250×（209.3－83.9）2,706.2－209.3

memo

28

燃料の持つ化学的エネルギーを熱エネルギーに変換し、さらに力学的エネルギーに変換し

て、発電機を回転させて発電する。

核燃料に、天然ウランに0.7%程度含まれるウラン235を2～3%にまで濃縮した低濃縮ウラン

を用いる。

高速中性子を熱中性子に減速させるのに、軽水を用いる原子炉を軽水炉という。軽水炉

は、沸騰水型と加圧水型の2種類に大別される。また、原子力発電所のタービン入口の蒸

気温度・圧力は、火力発電所と比べ低い。

水が落下するときのエネルギーで発電を行う。発電用水車を水の力によって回転させて発電

する。

高低差H［m］で有効貯水量V［m3］の水が保有する位置エネルギーW［kJ］は次式で表

される。

高低差H［m］で放水量Q［m3/s］を利用して発電する理論最大発電出力P［kW］は次式

で表される。

半導体の光起電力効果により起電力を発生させる素子である。シリコンやヒ化ガリウムなどの

化合物半導体、アモルファスシリコンなどの材料がある。

太陽定数とは、地球の大気圏外における太陽からの単位面積当たりの放射量で、約1.37

～1.5W/m2である。

発電4

火力発電1

水力発電3

太陽電池4

原子力発電2

W＝9.8VH［kJ］

P＝9.8QH［kW］

29

第1章　エネルギー総合管理及び法規

燃料の水素と空気中の酸素を、電気化学的に結合させ、燃料の持つ化学エネルギーを直

接電気エネルギーに変換する装置である。固体酸化物形と固体高分子形の2種類があり、

固体酸化物形の方が高温で作用する。反応に用いる水素を、改質器で都市ガスや灯油な

どの炭化水素系燃料に水蒸気を加えて得る、改質方法が実用化されている。

ゼーベック効果を利用して、直接熱エネルギーから電気エネルギーへ変換を行う発電方式

である。火力発電や原子力発電などのカルノーサイクルを使用する熱機関と比べ、変換効率

が低い。

解答

家庭用として、出力1kW程度の定置型燃料電池による、発電と給湯を併せ持つ分散

型電源が普及しつつある。このような家庭用に普及しつつある燃料電池には　 1　 と

　 2　 の2種類があり、より高温で作動するのは　 2　 である。

＜解答群＞

ア　鉛蓄電池　　イ　固体高分子形　　ウ　固体酸化物形　　

エ　溶融炭酸塩形　　オ　リン酸形

［1］イ　［2］ウ

解説　本文参照

例題

熱電発電6

燃料電池5

memo

30

外部から仕事を与えて低温熱源から高温熱源に熱エネルギーを移動させる機器・装置・シ

ステムをいい、高温熱源側の利用を目的とする。

ヒートポンプの性能は成績係数（COP）で評価され、高温熱源と低温熱源の温度が定めら

れている場合、逆カルノーサイクルで作動するときに最高性能となり、両熱源の温度差が無限

小に近づくと成績係数は無限大に近づく。

空調のほか給湯にも利用され、技術の進歩による成績係数の向上により、省エネルギー技術

としての役割が期待されている。

熱の発生と使用の間に時間的な差異があるとき蓄熱は有効で、蓄熱によって熱エネルギー

の需給調整を行うことにより、エネルギーの利用効率向上や有効利用が可能となる。

冷暖房システムのように、昼と夜の負荷が異なり、1日の中で需要変動が大きいものには、蓄熱

により、熱源設備の設備容量の低減や稼働率の向上が可能である。

蓄熱には次の種類がある。

蓄熱の例としては、ボイラ設備などで用いられる、水蒸気の持つ熱量を貯めて負荷に応じて

利用するアキュムレータや、夜間電力でヒートポンプを稼働し、蓄熱槽に蓄熱して昼間の空調

に利用するシステムなどがあり、これらにより電力需要の負荷平準化が可能である。

ヒートポンプと蓄熱5

ヒートポンプとは1

蓄熱2

顕熱蓄熱：液体や固体の顕熱を利用する

潜熱蓄熱：相変化したときの潜熱を利用する

memo

31

第1章　エネルギー総合管理及び法規

解答

外部から仕事を与えて低温熱源から高温熱源に熱エネルギーを移動させる機器を、一

般に　 1　 あるいは　 2　 と呼ぶ。これらのうちの後者は、高温熱源側の利用を目的

とするものである。これらのサイクルを構成する4つの過程は、高温熱源あるいは低温熱

源と系との間で熱を授受する2つの過程と、作動媒体の　 3　 と　 4　 の2つの過程

とから成る。これらのサイクルの性能は成績係数と呼ばれる指標で評価される。高温熱

源と低温熱源の温度が定められている場合、逆カルノーサイクルで作動するときに最高

性能を引き出すことができ、両熱源の温度差が無限小に近づくと成績係数は　 5　 に

近づく。

＜解答群＞

ア　0　　イ　1　　ウ　無限大　　エ　膨張　　オ　蒸発　　カ　凝縮　　

キ　圧縮　　ク　膨張弁　　ケ　蒸発器　　コ　凝縮器　　サ　圧縮機　　

シ　冷凍機　　ス　ヒートポンプ

［1］シ　［2］ス　［3］エ　［4］キ　［5］ウ　（［3］［4］は順不同）

解説　

［1］［2］外部から仕事を与えて低温熱源から高温熱源に熱エネルギーを移動させる

機器を、冷凍機あるいはヒートポンプという。

［3］［4］サイクルは蒸発、圧縮、凝縮、膨張の過程で構成され、熱の授受は蒸発、凝縮

で行われる。したがって、本問の正解は圧縮、膨張となる。

［5］逆カルノーサイクルで作動するときに最高性能となり、両熱源の温度差が無限小に

近づくと成績係数は無限大に近づく。

例題

memo

32

ハイブリッド自動車は、エンジンと電動機（電気モーター）の2つの動力を持つ自動車である。

放電と充電が可能な二次電池の性能が向上したことにより、大容量の電池の応用が可能と

なって、ハイブリッド自動車が実用化された。

また、ブレーキ時に電動機を発電機として作動させ、力学エネルギーを電気エネルギーに変

換して二次電池に充電することで、燃費を改善している。

ハイブリッド自動車6

memo

33

第1章　エネルギー総合管理及び法規

解答

一般に電気エネルギーは貯蔵が難しいといわれてきたが、近年では放電と充電の双方

向が可能な　 1　 電池の性能が向上して、以前に比べて大容量の電池の応用範囲

が拡大している。最近注目を集めているハイブリッド自動車の実用化は、このような進歩

に負うところが大きい。エンジンに加えて　 2　 を走行の動力源とし、ブレーキを掛けると

きには、　 2　 を　 3　 として作動させることにより、　 4 　エネルギーを電気エネル

ギーに変換した上で　 1　 電池に充電することが、ハイブリッド自動車の燃費の良さに

つながる一因となっている。

＜解答群＞

ア　一次　　イ　二次　　ウ　燃料　　エ　熱　　オ　化学　　カ　力学

キ　インバータ　　ク　電動機　　ケ　発電機

［1］イ　［2］ク　［3］ケ　［4］カ

解説　

［1］放電と充電が可能な電池を二次電池という。

［2］［3］［4］近年のハイブリッド車は、ブレーキを掛けるときに電動機を発電機として作

動させ、力学エネルギーを電気エネルギーに変換して、二次電池に充電している。

例題

memo

34

国民生活や経済活動に必要な一次エネルギーのうち、自国内で確保できる比率をエネル

ギー自給率という。我が国では、高度経済成長期にエネルギー需要量が大きくなる中で、供

給側では石炭から石油への燃料転換が進み、石油が大量に輸入されるようになった。1960

年には主に石炭や水力など国内の天然資源により58.1％であったエネルギー自給率は、そ

れ以降大幅に低下した。石炭・石油だけでなく、石油ショック後に普及拡大した液化天然ガ

ス（LNG）は、ほぼ全量が海外から輸入されている。2014年は原子力発電所の発電量がゼ

ロであったこともあり、我が国のエネルギー自給率は過去最低の6.0％（推計値）となった。

エネルギー自給率7

memo

35

第1章　エネルギー総合管理及び法規

解答

生活や経済活動に必要な一次エネルギーのうち、自国内で確保できる比率をエネルギ

ー自給率という。2010年の我が国のエネルギー自給率は水力・地熱・太陽光・バイオ

マスなどによる　 1　 ％にすぎない。なお、原子力発電の燃料となるウランは、エネルギ

ー密度が高く備蓄が容易であること、使用済燃料を再処理することで資源燃料として再

利用できることなどから、資源依存度が低い「準国産エネルギー」と位置づけられている

が、原子力エネルギーを含めたエネルギー自給率は、　 2　 ％である。

＜解答群＞

ア　0.4　　イ　4.4　　ウ　14.4　　エ　1.95　　オ　9.5　　カ　19.5

［1］イ　［2］カ

解説　

2010年の我が国のエネルギー自給率は水力・地熱・太陽光・バイオマスなどによる4.4

％、原子力エネルギーを含めたエネルギー自給率は、19.5％である。

例題

memo

36

地球表面の温度は、太陽から入射する放射エネルギーと、地球から宇宙に放出される放射

エネルギーで決定している。太陽から入射する放射エネルギーの密度は、太陽定数1.37～

1.5［kW/m2］程度で、この入射エネルギーは波長0.5μm付近で最大となる。一方、地球か

らの放射エネルギーは波長10μm付近で最大となる。

水蒸気、二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素、オゾンなどは、温室効果ガスと呼ばれている。

温室効果に総量で最も大きな影響を及ぼすものは水蒸気で、次が二酸化炭素である。そのう

ちで、人為起源で影響が最も大きいのは二酸化炭素である。

二酸化炭素は、化石燃料を燃焼させた場合に発生するが、化石燃料の熱量当たりの二酸

化炭素発生量は、石炭＞石油＞天然ガスの順に大きい。

1997年12月開催の「気候変動枠組条約第3回締約国会議（COP3）」において採択され

た議定書である。先進国の温室効果ガスの排出削減目標が定められ、2005年2月に発効

した。対象となる温室効果ガスは二酸化炭素、メタン、一酸化二窒素、および代替フロン（ハ

イドロフルオロカーボン、パーフルオロカーボン、六フッ化硫黄）である。

我が国の削減目標は、1990年度の総排出量（代替フロンなど3種類のガスは1995年）に

対して6%であった。

地球温暖化8

地球表面の温度1

温室効果ガス2

COP33

memo

37

第1章　エネルギー総合管理及び法規

解答

地球表面の温度は、基本的には、太陽から入射する放射（ふく射）エネルギーと、地球

から宇宙に放出される放射エネルギーのバランスで決まる。まず、太陽から地球（大気

圏外）に入射する放射エネルギーの密度は、入射方向に垂直な単位面積を考えると

　 1　 ［kW/m2］程度であり、太陽定数とも呼ばれる。また、この入射する放射エネル

ギーは波長　 2　 ［μm］付近で最大になる。一方、地球から宇宙に放出される放射

エネルギーは波長10［μm］付近で最大になる。温室効果の点から、地球の表面温度

に総量で最も大きな影響を及ぼす大気中のガス成分は　 3 　であり、その次に大きな

影響を及ぼす大気中のガス成分は　 4 　である。

＜解答群＞

ア　0.1　　イ　0.5　　ウ　1.5　　エ　5　　オ　10　　カ　20　　

キ　オゾン　　ク　メタン　　ケ　水蒸気　　コ　二酸化炭素

［1］ウ　［2］イ　［3］ケ　［4］コ

解説　本文参照

例題

memo

38

オゾン層とは、大気圏のオゾン濃度の高い領域のことをいう。太陽から放射される300nm程

度の波長の電磁波を吸収し、皮膚がんの発生を抑制する効果がある。

大気に放出されたフロンガスは、オゾン層に到達すると塩素を分離し、この塩素によりオゾンが

分解し、オゾン層が破壊される。フロンガスは、オゾン層を破壊しないHFC（ハイドロフルオロカー

ボン）などに代替しているが、一方で地球温暖化の原因となるので、京都議定書における温

室効果ガスの削減対象となっている。

オゾン層破壊9

memo

大気中におけるフロンガスの化学変化

39

第1章　エネルギー総合管理及び法規

解答

オゾン層は太陽から放射される電磁波のスペクトルのうち、主に　 1　 程度の波長の

電磁波を吸収するので、皮膚がんの発生を抑制するなど地球上の生態系を守るのに役

立つと考えられている。近年、大気中に放出されたフロンガスがオゾン層にまで到達し、そ

こで分解浮遊した　 2　 がオゾンを分解する作用を持つことが指摘され、HFCなどに

代替されてきている。

＜解答群＞

ア　3nm　　イ　300nm　　ウ　3μm　　エ　300μm　　オ　塩素　　

カ　酸素　　キ　炭素

［1］イ　［2］オ

解説　本文参照

例題

memo

40

エネルギー管理技術の基礎

3.