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東北工業大学宮本研究室訪問記

宮本先生。小さい乗り物の可能性を教えて下さい! 東北工業大学宮本研究室訪問記

東北工業大学T.E.Mの活動東北工業大学T.E.Mの活動今回のエコアクションでは、少し前から気になっていた環境に優しい乗り物を「研究者の方に直接聞いてみたい」という僕の願いが叶えられました。
やってきましたのは東北工業大学 環境エネルギー学科 宮本研究室です。先生の研究室では、せんだいE-Action実行委員会にも参加してくれている東北工業大学T.E.Mの学生さんと、セグウェイを使ったパーソナルトランスポーターの普及の可能へ取組みをしています。以前に僕もセグウェイに乗せてもらった時に、何かひらめくものがあったんですよね。そのひらめきが何だったのか?先生の研究室でしっかり聞いてみようというのが今回のエコアクション「宮本先生!小さい乗り物の可能性を教えて下さい」です。

【たまき】
東北工業大学 宮本裕一先生東北工業大学 宮本裕一先生こんにちは。いつもお世話になっています。今日は前々から気になっていたコトなんです。
例えば人がひとりで車に乗って移動しているのは、人が象を連れて歩いているのと同じことだということを耳にして以来、小さな乗り物の可能性って気になっているんですけど。実際どうなんでしょうか?
【宮本先生】
そうですね。
私が大学に来る時に、バス停で少しのあいだ前を走っていく車を数えてみたことがあるんですが、だいたいの車は一台にひとりしか乗っていませんね。40台に1台ぐらい二人か三人乗っている車を見かけましたが、営業車は殆どが一人乗りでした。
【たまき】
そうすると、目の前を象が次から次へと走り去っているような。。。
【宮本先生】
しかも八木山だから登り坂だしね。自動車というのは便利だから、他に公共交通などの選択肢がないと一人でも移動に使ってしまうんです。これが電気で動く小さなEVとかだったらエネルギーの話はまた違うのでしょうけど、まだまだ普及はしてません。ネックになってくるのは航続距離なんです。例えば大学にもあるマイクロEVなどは、バッテリーを満タンにして40キロぐらいしか走りません。さらに坂道があるともっともっと不利になってしまって、いまいるこの八木山キャンパスから、低いところにある長町キャンパスへの移動に使おうとすると、往復は出来ても、もう一回行って帰ることは出来ない。EVはバッテリーの性能が普及のカギになっているんです。それと軽く作るためにボディーが貧弱で、快適装備のエアコン等も付いていない。
【たまき】
あらら。。。そうなるとガソリンの車とは比較が出来ないですね。
【宮本先生】
ところがマイクロEVは、維持費の面では大幅に有利なんです。たとえば登録は「原動機付き自転車」扱いになるので、税金や保険など固定費がとても安いんです。さらに車を置いておくのに車庫証明もいらない。もともと小さいですしね。そして一度充電するのにかかるお金は僅かという、お財布から考えると凄く有利な乗り物なんです。
【たまき】
何かの本で読んだのですけど、自動車が普及しはじめた当初は電気自動車の方が多かったと。
【宮本先生】
電気自動車の歴史よく知ってますね。自動車が発明された初期の頃は蒸気で動いていました。トーマス・エジソンが活躍した1895年には蒸気自動車が2900台。その頃に電気自動車が500台。ガソリン車は300台しかなかった。エジソンは電気自動車を作っていたんですよ。意外でしょう?その流れが変わったのは、やはり利便性なんです。
バッテリーは電気を貯めるのに時間がかかるんです。今の急速充電器でも実用的なサイズのバッテリーをフルに充電しようとしたら30分はかかります。ところが、ガソリンは40リットルをタンクに入れるとしても、5分もあれば充分ですよね。そうなると一般の人は時間のかかる電気自動車を敬遠するようになる。この電気を簡単に充電する方法を作るには、社会インフラそのものから作り直さないといけないんです。
【たまき】
ウランバートルのトロリーバスウランバートルのトロリーバスあ。それ、ボク先日モンゴルに行ってきましたが、ウランバートルにはトローリーバスが走っていました。
【宮本先生】
え?それは面白いところへ。
確かに社会主義の国だったところには、架線から電気をひいて走るトローリーバスが普及してますね。写真には道路の上に電線が縦横に延びているのが見えます。
私はかつてはバッテリーを搭載し、充電した電気でも走る電車を開発していた時期もあります。国によっては、街の中心の広場に電線が走っている光景を好まない国もあるので、郊外は架線で走って、街の中心部はバッテリーで動くとか。今はそれに代わる手段で考えられるのは「非接触充電」なんです。Suicaカードみたいに、近づくと勝手に充電されるっていう、あの方法です。
【たまき】
もしくはミニ四駆みたいに電池を入れ換えるってのはどうですか?
【宮本先生】
それは面白そうだけど、バッテリーを個人所有から社会での共有にしないと成り立たないから、やはりインフラの整備が大がかりですね。

バッテリーの軽量化が命

【宮本先生】
エコランレース用EVエコランレース用EVそれでは、面白いものをお見せしましょう。学部の4年生を対象として今年から参加をはじめたEVによるエコラン競技の車体なんです。これは今年の8月にSUGOのサーキットで実際に走ったものなのです。SUGOサーキットって解りますか?
【たまき】
あ。そこのサーキットで、自転車の7時間耐久レースに出てました。あそこのサーキットって登り下りが多くて大変なところですよね。
【宮本先生】
ええ。あの3.7キロメートルのコースを2時間かけて何周走れるかを競う競技なんですが、その時に問題になってくるのが「抵抗」なんです。
乗りのものが動く時には4つの抵抗がかかりまして「空気抵抗」「転がり抵抗」「加速抵抗」「勾配抵抗」の4種があげられます。
はじめに空気抵抗を話しますと、だいたい自転車はエネルギーの3割は空気を押しのけるために使っています。だからエコラン競技だと出来るだけ風を受けないように寝そべって運転します。運転者も出来るだけ小さな人が都合がいい。転がり抵抗は、タイヤが廻る時にいったん凹んで、また元の形に戻る時にかかる抵抗です。加速抵抗は文字通り、スピードを上げる時に使うエネルギーで、勾配抵抗は坂道を登る時に使うエネルギーです。
【たまき】
面白いですね。自転車だとできるだけ「空気抵抗」「転がり抵抗」を小さくするために高性能なベアリングを使ったり、空気抵抗の小さなウエアを着てみたり、まぁ~いろいろ試します。結局はエンジン勝負なんですけどね。
【宮本先生】
計算式ハハハ(笑)だけど、EV競技でも、やっぱりE-Actionと同じキーワードが大切になります。省エネ・創エネ・蓄エネってね。省エネはバッテリーの性能を活かしてあげること。バッテリーは冷えているより50〜60℃ぐらいが一番効率がいいので、スタート前に“電気あんか”で温めるんです。
【たまき】
あ~それ面白い。F1のタイヤウォーマーみたいですね。
【宮本先生】
創エネは坂道を下る時に回生ブレーキでバッテリーに電気を戻してあげること。そして蓄エネは、ずばりバッテリーの性能のことです。エコランレースで使うバッテリーには規定があって、規格どおりのバッテリーをどこまで活かしきるかが肝になるんです。なので、これらを効率良くするため学生を3チームに分け、車体チーム(車両製作)、バッテリーチーム(効率の向上)、そして運転チームで挑みましたところ、レース前の試算どおりにきっちり9週廻って終わりました。
【たまき】
さすが工業系の大学ですね。ゴールで盛り上がったんじゃないですか?ストレートをビューンって。
【宮本先生】
それが。。。計算どおり過ぎて最後の登り坂の途中でバッテリーを使いきって「あれ?帰ってこないなぁ~」って探しに行ったら、計算どおりに坂道で立ち往生してました!(笑)

大切なのは重量

【宮本先生】
バッテリーや制御回路ここでも大切になってくるのは重量なんです。
エコランカーの車両重量は軽量化を心がけて32キロ程度に仕上げています。でも、実際にマイクロEVを作るとなると、安全装備や屋根などの快適装備を考えると300キロ近くになります。たぶん駆動系の重量は100キロぐらいで済むでしょうけど、ネックになってくるのはバッテリーで、いま標準装備の鉛で作るとなると航続距離のことを考えると実用的なバッテリーは80キロぐらいの重さになるでしょう。それをハイブリットカーでも使われだしたリチウムイオンバッテリーにすると10キロぐらいで済みます。人、一人分は軽くなるんです。
ただ、問題は価格が高くなってしまう。こうなるとまた普及が難しくなる。
【たまき】
軽く作れれば、それだけ移動にエネルギーがかからなくなるんですけどね。
【宮本先生】
化石燃料のエネルギー変換効率を計算したシートがあるので紹介しますが、まず、原油からガソリンを作るために精製などの工程を経ると8%ぐらいロスが出て、効率は92%ぐらいになります。それからガソリンスタンドまで運んできて、貯蔵するまでの間で2%ぐらい減る。だけど問題なのは、ガソリンをエンジンで燃やして運動のエネルギーに変換すると、ここでの効率が15%ぐらいしかないんです。
【たまき】
ええ!そんなに低いんですか!
【宮本先生】
自動車のエンジンって熱くなるでしょう。エネルギーが熱になって逃げちゃっているんです。ほかにエンジンが動く時にオイルをかき回したり、エンジンの回転を変速するのに歯車をいっぱい使うから、その抵抗もある。だから、どんどん熱で逃げちゃって、最終的に運動に使われているのは14%ぐらいなんです。
ところがこれがEVだと流れが大きく変わります。まず、石油や天然ガスから従来の発電所で電気を起こすと、効率は40%ぐらい。これが最新のコンバインドサイクル発電を使うと60%ぐらいの効率です。そして送電線でコンセントまで送るのに4%ほど減る。さらにバッテリーに貯えるのに90%ぐらい。ところが、バッテリーから電気を取り出してモーターで動力に変える効率は85%もあるんです。
【たまき】
エネルギー効率が遥かにいいってことですよね。
【宮本先生】
EVのエネルギー効率は、通常の発電所でも29%です。それはモーターの、低い回転でも力強く動き、高速回転でも抵抗なく廻る特性から来ているんです。エンジンは基本的に燃料の爆発を制御するバルブがついているし、垂直運動を回転運動に変える仕組み(コンロッド)も必要。そしてエンジンは、低い回転では力が出ないので、変速機を使って高回転を維持してあげなきゃいけない。この変速機がモーターには必要ないので歯車が生み出す抵抗がないのももちろんですが、力を伝達するために使う鉄やアルミで出来た「大きくて重い変速機」を「持ち歩く」必要がないんです。これがとても大きい。
【たまき】
EVではタイヤに直接モーターを入れたりしますね。
【宮本先生】
東北工業大学 宮本裕一先生ところが、話は車だけではないんですよ。
さきほど、自動車では無駄になったエネルギーは熱になって逃げているとお話ししましたよね。自動車で作った熱は保存できないから空気にあてて冷やしています。そうしないとエンジンは熱で壊れてしまいますね。ところが、発電所で電気を作るために出来た熱は、一カ所に集まっているからお湯を創り出すとか積極的に再利用が出来るんです。たとえば地域の暖房や給湯に使ったりとか、副次的に出来た熱を積極的に使うことをスマートグリッドなんて呼びまして、北欧などでは取組みが始まっています。
【たまき】
あ。。。それ、たまきさんでも過去に度々取材をしたことがあります。
【宮本先生】
エネルギー変換効率でメリットがある。重量でもメリットがある。ハイブリッドなどを使わないと燃費を改善できないガソリン車に比べると、電気自動車はますます向上する余地があります。あとはインフラを整備することですね。

単位が違う

【たまき】
そうやって考えると、小型の乗り物、特にEVにはもの凄くメリットが詰まっているように見えるんですけど、あと、なにが普及の足かせになっているんでしょうね?
【宮本先生】
東北工業大学 宮本裕一先生これはズバリ、単位が違うからなんです。
ガソリンを買う時に支払うお金の単位は「1リットル/○○円」。ところが、電気代の明細書に書いてある金額は「1kWh/○○円」。そして、ガソリンタンクをいっぱいにするのに幾ら使うか、自動車に使う電気の値段がいくらかが、一般の方には、はっきりとお互いが結びつけられていないからです。たまきさんちの電気使用量は、幾らぐらいですか?
【たまき】
え~。僕んちでは一か月175kWhぐらい使って7500円ぐらいの請求書が届いてます。
【宮本先生】
これを聞くと、驚きますよ。
ガソリン1リットルのエネルギー量は数値が出ていて、1リットルで10kWhなんです。ということは、たまきさんちの一か月の電気はガソリン17.5リットル()分ですね。
実際には発電に関わるロスがあるので、完全には一致しません。でも細かい数字ではなく概念としてね。
【たまき】
え!!!!!!だって、自動車に40リットルのガソリンを入れるのに払っているお金なんて、今では7000円近いじゃないですか!!
【宮本先生】
パーソナルトランスポーターそれはガソリンが代金の中に道路整備など、いろんな目的のお金も入っているという事情もあります。ただガソリン1リットルで出来る仕事量が良くわかったでしょう。1リットルでガソリン車はせいぜい15キロしか走らないけど、軽い乗り物とか、EVのようにエネルギー効率の良い乗り物はたいへんな長距離を動くことができる。
先ほどのマイクロEVは、フル充電で平地を50キロは走ります。重量が軽いのがさらにメリットを生んでいますね。だけど同じ距離を、パーソナルトランスポーター(ひとり乗り)のセグウェイは1kWhで走ってしまうんです。電気自動車を一回充電したら5人乗りの日産リーフで300円でしたっけ?一番肝心なのは、エネルギーを扱うには色々な単位があるが、それを解りやすくして冷静に考えてみるということなのです。
特に、出力の調整など今は乗り物とはいえ情報技術(IT)が重要になっていて、細やかな出力調整やエネルギー回収など効率化にも役立ってきている。そうなると、どんどん軽くて小さな乗りものにも活躍の余地が出てくるというものです。
【たまき】
最後のキーワード「エネルギーの単位を知ろう」には、目が覚める想いがしました。今日はありがとうございました。
たまきさんの感想

僕たちガソリンスタンドで燃料を入れる時って、最近は燃料代が上がったなぁ~って思いながらも「こんなものか」って思考停止してから給油していましたね。あれってエネルギー単位のお話しからすると、殆どを熱で捨ててしまう乗り物に無意識にお金を払っていたんだなぁ~って実感しました。
特に車体が軽くて構造が簡単だと、今あるエネルギーを大切に使うという目的にも合致しますもんね。
僕んちではハイブリットカーに乗り換えた時も「こんなに安くなるの!」って、もうガソリン車に戻る気持が無くなってしまった。やっぱりお財布っていうのは、ナンダカンダ言っても人の行動を変える動機になるもんなぁ~。そうやって考えると、小さな乗り物はこれからどんどん増えるだろうなぁってのが、ボクの実感でした。