Feb 23, 2021

全部を太陽光発電でまかなうと仮定してみた

日本の全消費エネルギーを太陽光発電でまかなうと仮定してみたらどうなるか、計算してみた。

結論:ほぼ九州すべてを太陽光発電所にしなければならない。しかし、10年20年では不可能。

仮に、公共系建築物+発電所・工場・物流施設+ 低・未利用地+耕作放棄地+一般の一戸建て住宅の南側屋根をすべて太陽光発電にしても必要な面積の6.3%にしかならない。すなわち土地がない。

提言:日本人が、本気で脱化石燃料を達成するならば、人口をさらに大幅に減らす、エネルギー消費も極端に減らす、太陽光発電や風力発電をあらゆるところに設置するしかない。しかも、現状の原子力発電は核燃料のウラン自体が枯渇(後20年ほどしかない)していることからまったく頼れない。

現実的に達成可能な技術開発の必要性 : 断熱や運動エネルギー回生などの徹底した省エネ、太陽光発電の高効率化と長寿命化、低価格大容量二次電池(カリウム電池、ナトリウム電池)の開発、超大規模海上太陽光発電技術の確立、国立の核廃棄物処理場を東京湾海底下に作成、クリーンで継続できる核燃料サイクルの確立 達成。

以下詳細

日本の年間全消費エネルギー 13.38e18 [J] (2017年)

引用 エネルギー白書2019

換算係数 2.7778e-7 [kWh/J] で電力へ変換

日本の年間全消費エネルギー 3.7166964e12 [kWh] =  13.38e18*2.7778e-7

太陽光発電の年間発電総電力の仮定 1.0e2 [kWh/㎡/年] とする

南側の屋根に付ける場合もう少し大きい値である。
設置面積 1[㎡]あたりの日本での平均年間総発電量 144[kWh/㎡/年]
144.73564 = 3.88*0.73*0.14*365/1
設置面の1日当たりの年平均日射量-東京都八王子真南屋根角度(30度) 3.88[kWh/m²/日]
損失係数・約73%
システム容量(kW) 1平方あたり140[w]の出力(変換効率15%)
年間の日数 365
標準状態における日射強度 1

日本の全消費エネルギーを太陽光発電できる面積  3.7166964e10 [㎡] = 3.7166964e12/1.0e2
= 37,166 [km²]
ちなみにこれは九州の面積( 36,780 [km²])とほぼ同じである。
正方形とすると一辺の長さは、 192[km] = 192787.3[m] = sqrt(3.7166964e10)

ちなみに
日本人一人当たりでは、 309.7  [㎡] (= 13.38e18*2.7778e-7/1.0e2)/(12000*10000)
日本人一人当たり正方形とすると一辺の長さは 17.59 [m] (= sqrt(309.7))

ちなみに1トンの原油を燃焼させたときに 42[GJ] = 42e9[J] の燃焼熱量がある。
(1 [toe] = 42 [GJ] toe:Tonnes of oil equivalent)
したがって、日本の年間全消費エネルギーを石油に換算すると 
3.18571428e8[toe] (= 13.38e18/42e9)
日本人一人当たりでは、2.65 [toe] (=3.18571428e8/(12000*10000))

ウラン核燃料は重量比で原油の約8万倍の効率があるが、すべて原子力で賄うとすると、
3982 [t] (= 3.18571428e8/80000)
同じ質量の水なら、一辺が 15.8 [m] (= pow(3982, 1/3) )の立方体である。
ウラン核燃料は水より重いから体積はずっと小さいが安全管理の保存空間はずっと大きい。
燃えカスのウラン核燃料は廃棄処分に困るのでこれがどんんどん積み重なっていく。

遊びとして、アインシュタインの質量等価公式に従いエネルギーを質量換算してみる。
1[J] = 1.11265e-17[kg] なので
日本の年間全消費エネルギーを質量に換算すると 0.148[t] = 148[kg] (= 13.38e18*1.11265e-17) 
ウラン核燃料の0.0037[%] (= 100*0.148/3982)が燃えるのである。

太陽光発電ポテンシャルによると 「太陽光発電(非住宅系に限る、以下同じ)の導入ポテンシャルの合計は 14,930 万 kW と推計された。その内訳は、公共系建築物で 2,320 万 kW、発電所・工場・物流施設で 2,900万 kW、低・未利用地で 2,730 万 kW、耕作放棄地で 6,980 万 kW となった。また、基本シナリオ1では導入可能量は表出せず、基本シナリオ2では 7,200 万 kW と推計された。 」0.1[kw/㎡]で計算するとこれらの面積は、0.14930e10[㎡]である。

また上記には一般住宅を含んでいないので、加えてみる。一般の一戸建て住宅戸数 2600万戸と屋根の太陽光発電パネル設置面積を33[㎡](約10坪畳20枚)と仮定するとこれらの面積は、0.0858e10[㎡]である。

すなわち、公共系建築物+発電所・工場・物流施設+ 低・未利用地+耕作放棄地+一般の一戸建て住宅を合計すると 0.2351e10[㎡]である。これは、3.7166964e10 [㎡]の6.3%に過ぎない。

Feb 9, 2021

これから10年で起きそうでしかも起きて欲しい事

もう決まったこと

エンジンだけの自家用車は、世界で2035年から販売禁止

これから10年で起きそうでしかも起きて欲しい事

新型電池の大量生産

より安全でレアメタルフリーで低価格で環境に優しい充電可能電池(カリウムイオン電池など)が大量生産され普及する。自動車と自家用の再生可能エネルギー発電の蓄電に利用される。レアメタルフリーのためどこの国でも安価に製造できるから、悪質なレアメタル覇権国家の野望を打ち砕き世界平和に貢献できる。軽量でエネルギー密度が高いリチウムイオン電池はもちろんスマホや自動車で使われる。

屋上太陽光発電+据え置き蓄電池の爆発的普及でエネルギー自給率向上

2020年太陽光発電のコストは世界で1kwh当たり10円、日本では15.3円。日本の太陽光発電コストもさらに安くなると予想されている。価格が安くなったのでFIT制度は完全に廃止。ビルでも戸建て住宅でも、新築であれば、屋根上に太陽光発電+据え置き蓄電池が義務付けられると予想する。大都市では、既設構造物でも屋上に太陽光発電+据え置き蓄電池が一定の猶予期間を設けて義務付けられると予想する。10年かけて産業用電力の40%、家庭電力の70%、日本全体の電力50%は自給自足となる。道幅に余裕のある高速道路・国道には太陽光発電が設置され、さらに電力自給率は向上していく。

風力発電の増加

日本の気候風土(台風、平野より山が多い、海が広い)に合った風力発電が増加する。

原子力発電の分離民営化と国有化

原子力発電所と使用済み核燃料処理工場が別会社に分離民営化されるが、採算が合わず倒産し、会社は国有化される。春と秋は発電はされず、夏と冬のベースロードとして発電されるようになる。使用済み核燃料の廃棄場所は東京湾海底地下500m以上と決定され工事が始まる。

軽電気自動車の普及

軽自動車サイズの電気自動車が普及する

ロボタクシーが増える

ロボタクシーが完全自動運転される。スマホ/電話でロボタクシーを先払いで呼び出すようになる。8名程度乗車の小型相乗りロボタクシーが開発され、家庭/会社から駅・バスターミナル・ショッピングモールの通勤・通学・買い物に相乗りバス価格で利用される。従来の市街地の固定ルートの大型バスは減少する。スーパー・コンビニ等の駐車場、企業や家庭の車庫をロボタクシーの保管場所として貸し出すようになる。ロボタクシーは車外・車内の動画が記録され忘れ物チェック・犯罪抑止がされる。

バッテリー交換型の電気自動車

交換用バッテリーの規格(サイズ・重量・電圧・電流容量等)が統一され、バッテリー交換型の電気自動車が主流になる。ドライブ計画をスマホやカーナビで申請することで、経路上のバッテリー店舗にてバッテリーの予約・事前充電がされるため来店後すぐバッテリー交換することができる。自動ロボットにより数分で安全にバッテリー交換がされる。これにより電気自動車でも連続長距離ドライブが可能となる。ただし、自動車は予備バッテリーを内蔵し最低20km走行できる。

トローリー型電気自動車

高速道路と自動車専用道にトローリー線が張られ、自動運転のパンタグラフ付車両(主にトラック)が普及する。走行電力は、トローリー線から供給され、80[km/h]でノンストップ省エネ定速走行が可能となる。トローリー線は車両長+車間距離=30mごとに送電区切られ、ETCで認証されたパンタグラフにのみ給電できるようになっていて料金は自動決済される。ただし、電動トラックは予備バッテリーを内蔵し最低20kmは自立走行できるため、高速道路を降りて一般道を走行して自社のトラックステーションまで走行できる。ロングツーリング用パンタグラフ付自家車が普及する。

完全自動運転の普及と車中泊旅行

高速道路の運転は、完全自動運転が主流になる。4人車中泊仕様の自家用車で寝ながら移動する旅行が流行る。市街地でも認定された駐車場/車庫間で自動運転がされる。

自動運転による物流

宅配便の集荷と配達は自動運転車のロボットがする。集荷配達は窓口付きの車両となり、玄関前の道路での受け渡しが主流となる。再配達は別料金。玄関ドアまで持ってくるサービスも別料金となる。物流センター間はトローリー型電気トラックで行う。

介護ロボットの普及

高齢者用トイレロボが発明され糞尿の始末が軽減される。高齢者用入浴ロボが発明され入浴介護負担が減る。掃除ロボが進化し棚の整理、はたきかけと拭き掃除ができる。洋服ハンガー掛けロボが発明される。

友達ロボットの普及

SNSでの話相手はAIがしている。家庭用に人型・ペット型の友達ロボットが流行する。友達ロボットは、先生・師匠になったり芸人になったりもする。窓口業務は人型ロボットが行う。

政府は医療費削減を目指していく

健康アドバイスアプリ/ロボットの普及により健康知識が普及する。診断ロボットの普及で投薬程度で済む簡単な病気の待ち時間の解消と医療費コストダウンがされる。手術ロボットの普及で医療品質向上と待機日数が短縮もコストは上昇。病院カルテがマイナンバーカードと紐付けされ、本人同意のもとであれば瞬時に全国の医療機関でシェアされる。医療費支払いのキャッシュレス化。自由診療と国民健康保険診療が同時にできるようになる。国民健康保険診療の内容は2020年の水準で一旦固定され、最新診療の10年遅れとされる。終末期の緩和治療が普及し、尊厳死が普通になる。緩和治療や安楽死は国民健康保険診療となる。厳しい条件をクリアすれば安楽死も認められる。

工場生産はロボ化がさらに進む

これまでの延長。

建築現場での 重機のロボ化がさらに進む

これまでの延長。

日本の貿易

貿易全般で脱中国が進む。輸入では原油の輸入量がゆっくりと減少していく。天然ガスと石炭の輸入は横ばいが微減。レアメタル鉱物の輸入先の脱中国が進む。衣料・機械の完成品の輸入は中国から東南アジア方面に一層シフトする。日本で消費する分量のため地産地消推奨の法律ができて減税優遇されるから、一部の工場は日本に戻るが、自動化ロボ工場のため、雇用はあまり増えない。日本の輸出品は、高度素材、高度機械部品、自動車であるが、自動車の輸出はさらに減り現地生産が主流となる。ゲーム機はおそらく日本の輸出品となる。ロボット本体ソフト未インストールが輸出品になるかどうかが輸出発展の分かれ目だが今のままでは苦しい。

ロボット

10年から20年後アップル、マイクロソフトやソニーのどこか一社のクローズドソースの人型友達ロボットとどこかのオーブンソースの人型友達ロボットが世界を席巻するだろう。

スーパーとコンビニの自動化

レジの自動化とキャッシュレス化がさらに進む。入店時認証方式やセルフ決済が進む。店内はすべて録画され犯罪抑止となる。品出し陳列、棚卸、清掃の自動化が進む。

SNSのAI管理の推進

言論の自由を弾圧するSNSは人気が無くなり廃れていく。嘘、悪口、暴力、エロ、犯罪を含む発言は、投稿に発見され警告される。本人がそれでも公表するとなれば、公開範囲制限(年齢制限、親しい友人のみ)が付くなどの処理がきめ細かく自動でされ、言論の自由を最大限生かせるようになる。

ゴミの自動粉砕分別機が発明される

家庭用のゴミの体積を圧縮するためゴミの自動粉砕分別機・ロボットが発売されヒットする。

家庭テレビで動画通話アプリが搭載される 

テレビとスマホの一体化が進む

テレビ局改革

NHKが分割民営化され、定時のニュースと国会中継政府記者会見のみ無料チャンネルとなり、他はスクランブル有料化される。無料だった民放が一部有料のスクランブルとなる。ニュースは、自局の政治思想を明確にしなければいけないという法律が施行され、左翼(共産主義)局、右翼(保守)局、自由主義局に分かれる。

ロボット新聞社

取材・編集・発行までをAIロボットが行う新聞社が出て来る。新聞社も自局の政治思想を明確にしなければいけないという法律に従う。

デジタル学習教材

教科書、問題集、試験、成績、資格がすべてデジタル化される。国で行う大学入学試験や資格試験の記録はマイナンバーカードに紐付けられて保存され、電子履歴書データにできる。

デジタル政府

国民にマイナンバーカードの取得が義務付けられる。法人のマイナンバーカードも始まる。生体認証などを事前設定することで、マイナンバーカードの更新が生体認証付きスマホから自宅でできるようになる。マイナンバーカードの一部機能(デジタル印鑑、デジタル通貨など)をスマホにインストールできる。

政府会見と国会と裁判はすべてライブ中継され録画もいつでもだれでも見られる。

行政の事務はすべてデジタル化される。

選挙の投票はマイナンバーカードでデジタル化され、スマホから投票できる。

デジタル印鑑

従来の印鑑が廃止される、デジタル文書への公営のデジタル署名サイト=デジタル印鑑が立ち上がる。10年間無料で署名データを1000件保存できる。さらに大量データや長期保存、文書データそのものの保存は別途有料。

紙幣・コインの廃止とデジタル通貨

マイナンバーカードで手数料なしで月額10万円まで相互に送金可能になる。それ以上は有料で送金できる。この記録は確定申告に連動する。

裁判のAI化

警察官は常にヘルメットカメラと胸バッチカメラを携行して犯罪捜査を記録している。刑事事件の取り調べはすべて動画記録される。民事裁判も刑事裁判もAIで簡単に安く速くできるようになる。公開裁判を定める憲法に従い裁判の傍聴はライブ動画でもできるようになり動画はいつでもだれでも閲覧できる。

憲法改正

憲法に「外国およびその勢力から国民の生命財産権利及び領土領海領空が侵害されるとき国家として自衛権が発動される。ただし侵略戦争は永久にこれを放棄する。」と明記される。

対中国向け対等外交政策

目には目を歯には歯をという対等原則での外交を推進。中国で外国製のSNSアプリが使えないので中国アプリを国内で禁止する。中国で日本人が土地・不動産・会社・学校を買えないので中国人は日本で土地・不動産・会社・学校を買えない。中国で日本人が自由な取材も旅行もでできないので中国人は日本で自由な取材旅行ができないように、GPSを渡され携行を義務付け監視され禁止場所では逮捕される。

自衛隊と海上保安庁と警察が強化される 

予算の増加と装備の充実。とくにロボ化とデジタル化による機動性と記録性の確保。スパイ取締法の成立。敵の攻撃能力殲滅のため新型AIミサイルが多種類大量に装備される。敵基地報復攻撃能力の確保のため核兵器をアメリカからレンタルする。自衛隊がペルシャ湾から日本までの石油ルートを警備するようになる。

農業自給率の向上

ロボットによる農業生産が本格化する。農薬のAI最適散布、害虫の薬剤/レーザーピンポイント照射殺虫技術、植え付け・除草・収穫ロボットが普及する。農業の株式会社化が進み、農地の集約が始まる。10年後食料自給率は穀物(米・麦・芋)生産で消費カロリーベースで100%、野菜を100%、肉魚等その他は20%となる。

人口減少

10年後団塊の世代の多くが鬼籍に入り出すため日本の人口は加速度的に減少し始める20年後減少幅は一定に戻る。 ただし、出生数はゆっくりと一定ペースで減少していく。

結婚・出産

 結婚も出産もこれまでのベースでゆっくりと減少していく。30年後の総人口が一億人のときあるいは8000万人のときに増減ゼロとなる。

育児

育児休暇は延長され、最大で子が6歳になるまで取れるようになる。出産休暇と育児休暇は誰もが満足に取れるようになる。違法となるため解雇はされないが、ベーシックインカムがあるため休暇中の賃金は出なくなる。保育所、幼稚園、小学校への通学がロボタクシーで安全に安価にできるようになる。保育所のロボ化が進む。

仕事と労働

リモートでできる仕事の多くはAIで代替されてしまう。自動化が進展し、一般市民向けの簡単そうな労働=雇われ仕事の求人が減少する。10年後も一般市民の簡単そうな労働の賃金は減少傾向となる。そのため技術のない失業者で町が溢れる。ベーシックインカムが導入され生活保護と年金が廃止される。労働=雇われ仕事の多くは、時間単位で働けるようになる。マイナンバーカードと連携して労働時間が管理され健康面と合わせて働きすぎが防止される。体調不良(発熱・異常動悸)時は働くことが禁止される。バイトも含めて労働=雇われ仕事の給与支払いはマイナンバーカードで登録が必須となる。高収入の仕事には高度な技術スキルが必要で、学習時間とコストがかかる狭き門となるのは今と同じかさらにきつくなる。お金持ちになるには継続的な資産運用が正解と認識されるが、多数の人は積極的になれず資産は少ないまま。中流の人はロボ任せで平均的な資産運用をしてまあまあ豊かな老後を準備する。ごく一部の者は博打(宝くじ当選、投機)に打ち込む。

住宅事情

人口減少に伴い空き家が都市でも地方でも増える。空き家をリフォームして住む人が増える。若い世帯や転勤転職の多い都市部では賃貸住宅がさらに増える。ロボタクシー、ロボバスの発達普及で地方でも買い物難民・医療難民となる恐れは解消する。僻地では水道が廃止され雨水を貯めて浄化する装置が普及する、僻地の電気は100%自家発電となる。

中国の民主化は世界の願い

中国共産党は周辺国と地域戦争を起こし連合軍に敗退する。急速すぎる開発のため水不足・食料不足・エネルギー不足と環境破壊事故が起きる。同時にチベット・ウイグル・内モンゴルの独立運動が始まり、習近平国家主席の健康不安も重なり、不穏な状態になる。賛成国多数で台湾の国連復帰が決まる。中国共産党の分裂抗争が起きて、北京、上海、香港とチベット・ウイグル・内モンゴルに分離する。香港が民主制を導入し栄えていく。上海も民主制を導入する。北京は民主化が遅れる。

朝鮮

日本の竹島は韓国に占領されたままとなる。韓国の大企業はサムスンだけが残り、他は中国とアメリカの外資に買われると予想。北朝鮮はさらに貧しくなるが、トップが代替わりしたら、自由化開放政策を始めるが投資する国は韓国だけ。北朝鮮は韓国との統一を拒絶。

プーチン大統領の引退

ロシアでプーチン大統領は健康不安で引退する。有力な後継者がなく影響力は低下する。日本の北方四島は返還されないままである。

アメリカの混乱と回復

バイデン大統領の任期中にバブル経済が崩壊するだろう。中米からの違法移民対策やBLM運動の過激派対策そしてバブル崩壊の失業問題にバイデン大統領は苦しむ。バイデン大統領後に経済は復活する。行き過ぎたポリティカルコレクト政策の反動により共和党政権にまた戻るが、トランプ元大統領は高齢のため立候補していない、別の若い人が立候補する。また太陽光発電と自動車の電動化はバイデン大統領後も推進される。農地の痩せ問題で農業生産が徐々に落ち込むがカナダの農業生産が伸びる事で補う。20年後は農地の痩せ問題が技術で解消される。

世界

人口爆発を抑えと食料不足を解消するため、信仰上の問題がない国では、性教育の普及、避妊具の準無償配布が加速する。また、国ごと自然環境に合致した安全な水確保と食料増産の研究が流行する。イスラム世界とその他世界は宗教面で干渉しないように振る舞う。

Feb 7, 2021

自動車の実燃費

自家用車の実燃費について、詳細で良質な記事があったので紹介。

ヤリス、フィット…人気車たちの120km/hでの燃費は?? 禁断の超高速燃費テストを実施

考察

ハイブリッド方式で、最も優れている燃費(=環境性能)は、トヨタ。次はホンダ、ニッサンと続く。ドイツ車は市街地走行でも高速走行でも好燃費を目指していない。

大学生レベルの機械工学・電力工学・電子工学・力学・熱力学・流体力学・電磁気学・燃焼化学・電気化学を知っていれば、各社のハイブリッドの方式の比較結果の理由がわかるだろう。

重要なポイントは、市街地走行と高速道路走行では違うということだ。

市街地走行で最も燃費が良いのは、国産の小型車ハイブリッドであり、ドイツ車は燃費が劣る。

高速道路で最も燃費が良いのは、どの車でも、80[km/h]での巡航である。80[km/h]から100[km/h]になると 5%から20%燃費が低下する。この低下率の幅は、車体の形状が第一の原因である。流線形で背の低い車ほど好燃費である。高速道路で燃費が悪くなる理由は、高速走行の空気抵抗が、速度の二乗に比例するため。高校の教科書で記載されている「空気抵抗は速度に比例する」は市街地走行の低速域での話。

100[km/h]から120[km/h]になると 10%から30%燃費が低下する。面白い事に、120[km/h]になるとどの車もほぼ同じ燃費(13.7 - 16.7[km/l])になる。理由は、速度が120[km/h]まで上がると、車体の形状よりも全方投影面積で空気抵抗が決まるようになるためだろう。

好燃費で高速走行をするのであれば、エンジンの出力を直接タイヤに伝えられる方式(トヨタ方式とホンダの一部方式)が有利になる。