蒸気ネットワークの効率とその歴史に迫る！現代でも使われ続ける理由とは
引用元：https://news.ycombinator.com/item?id=43353822
この記事では蒸気システムのエンドツーエンド効率が60％って言ってるけど、蒸気発生器や配管ネットワークの維持コストも考えなきゃならないよね。電気送電システムは消費者に対して約85％効率的だし、古い抵抗器を使った電気暖房は100％効率なんだから、新しい建設で蒸気システムを使う理由ってあるのかな？
電気システムの効率は、石炭がタービンの運動エネルギーに変わるときに約85％だから、発電機や変圧器、配線の損失も合わせると約15％のロスが出る。でも、燃料を燃やすときの熱エネルギー効率は古い技術で33％、最新の技術でも45％と低いよ。蒸気分配が素晴らしいのは、廃熱を効率的に利用して暖房にできるところなんだ。電力プラントは超臨界蒸気が必要だけど、蒸気ネットワークはもっと低い温度と圧力で済むから、バーナーからの多くのエネルギーを利用できる。
ハイブリッドアプローチもあって、電気を生成しつつ、熱を再利用して集中暖房にも使うことができる。これで60％の効率が得られると思ったけど、熱の消費者に近くにプラントを建てる必要があるかもね。
コジェネレーションのことだね。
https://en.wikipedia.org/wiki/Cogeneration
ヨーロッパの一部ではよくあることで、電力ステーションが地下のパイプを通じてアパートに温水を供給してる。その近くには一般的なのがあって、橋の上をパイプが通ってるんだ。記事では、蒸気を使った似たようなアプローチも言及してるね：＞『Brooklynの322メガワットプラントから追加の蒸気も購入している』
実際には（100％－輸送ロス）っていう効率になるんじゃないの？現代のコジェネレーションでは、ガスタービンでガスを燃やして電気を作った後、その排気で水を蒸気にして蒸気タービンを回してさらに電気を作ることができる。その後、蒸気は地域暖房水ループで凝縮されるんだよ。それで、理論的にはより多くの電気が得られ、ほとんどの『廃熱』が家を暖めるのに使えるんだ。
あ、これって君が提案したことに気づいたよね（笑）。
ふと思ったんだけど、高圧線をパイプに絶縁して、その中を冷たい空気で吹き抜けるってできないかな？失った熱は近くの家の無料暖房になるし。
これって高校の物理のテストにいい問題かも。実際は高圧線にはあまりロスがないと思うんだ、結局高電圧でロスを最小限に抑えてるから。後はチューブ内の空気抵抗や、ほぼ100％の効果を持つ絶縁材、そして面倒な現実的なメンテナンスの問題があるね。
答えが見つからず、ワイヤーがどれだけの電流を通せるかってページばかり見かけた。温度や熱についての情報は全然なかったよ。高圧送電線は通常75〜100℃で運用される設計になってて、重い負荷だと150℃まで到達することもあるみたい。でも、 insulation がそんなに重要でなければ、近くに住んでるならプラスチックのチューブとファンを使うのを試してみてもいいかも。まあ、もっと複雑だろうけど、無料エネルギーなんていいよね。そしてほとんどの金属では抵抗が減少するという意味で電力会社にとっても良いことだし。
ワイヤーが十分に熱くなれば役立つ熱を得られる可能性はあるけど、実際には空気の流れを作ることや外部からの断熱が大変だと思う。それに加えて、断熱によってワイヤーの最大電流が減少するかもしれないし、熱を効率的に放散できなくなるよ。
なるほどと思うけど、思いつく限りで言うと、
・高圧線の断熱は簡単じゃない
・導体は断熱の中で熱くなるよ
・どちらのシステムもサービスコストがかなり増えるはず。
ワイヤーは家庭で必要な温度と同じくらい熱くなる必要があるよ。
こんな面白くてためになるコメントがあるから、10年以上もHNに通ってるんだ。
地域暖房があるところでは、 heating システムに使われる熱は、近くの発電所のタービンが使えない廃熱だよ。これは燃料火力や原子力発電所にも当てはまる。電気を使って暖房するのはただの廃熱を捨てることになる。もちろん、熱配分ネットワークは無料じゃないけどね。電気暖房は、太陽や風の発電で電気を集めて貯蔵できれば経済的な勝利になるかも。
これは廃熱とはちょっと違う。熱発電所の冷却側は、効率を最大化するために、地域暖房の温度よりも冷たくしたいからね。コージェネレーション施設は無い発電所と比べて一部電気効率は損なうけど、全体の効率はかなり高いよ。
ほとんどの電気は蒸気でタービンを回して生成されるよね？だから、電気エネルギーに変換してから再び熱に変換するよりも、蒸気を直接使う方が効率的だと思う。
その理由だけでは不十分だよ。クライアントの側では、電気ヒートポンプの方が直接蒸気暖房よりも効率的なことがあるから。実際には、彼らの「効率」は100％以上だよ。
「第5世代」の地域暖房は、熱ポンプを使ってぬるまった水から熱を抽出するんだ。
そして、彼らの効率は40F以下になるとすぐに急落する。
現代の寒冷地向けヒートポンプの効率は、40°Fで200～300%に急降下して、5°Fではたぶん175%になるんだよね。 -20°F以下では、実質的に非常に高価な抵抗ヒーターみたいなもんだよ。中くらいの気候には良いけど、北の方では悪くなる。高価なオーバーサイズ設置やバックアップ熱源も必要だし、冷たいスパイクの時に補う必要がある。人生は簡単じゃないよね。 このTechnology Connectionsの動画が、サイズ設定の問題がそんなに悪くない理由を説明してるよ。具体的には、多くの人がヒートポンプから遠ざけられたり、非常に高価なオーバーサイズのユニットを売られたりしているって。合理的なサイズのヒートポンプシステムでも、アメリカ基準では非常に寒い気候でも十分だと彼は説得力あるから、ぜひ見てみて。https://youtu.be/DTsQjiPlksA 理論上はそうだけど、実際には既存の家にヒートポンプを retrofit するのはちょっと違うよ。そもそも空気熱源用に作られてないし、十分に断熱されてないからね。もちろん、断熱すれば良いけどそれは簡単じゃないし、古い家は漏れで換気を補ってたから、投資としては非常に高くつくんだ。古い家にヒートポンプ入れる時はバックアップ熱源を用意した方がいいと思うよ。簡単な薪ストーブでも、寒波の時には十分だから。私の国では、古い家にヒートポンプを設置するための補助金があったけど、煙突をなくす必要があった。だけど、欧州のエネルギー危機の後、その条件はなくなっちゃった。選択肢がある方が良いってことが分かったよ。 -20°Fが頻繁になるのはかなり北に行かないとダメだよ。 -20°Fに達することが重要なんだよ。最悪の天候に備えないと、普通の状況ではダメだね。 効率は落ちるけど、動くことには変わりないよ。50kWhを使って3日寒い日を乗り切って、それ以外の362日は10kWh使うんだから、毎日20kW使うよりはマシだよ。 ニューヨーク市では、-20°Fになる頻度ってどのくらいなんだろう？ 蒸気は加熱にしか使えなくて、距離をおいて運ぶのは効率が良くないんだ。蒸気を電気に変えると、何にでも使え、長距離でも効率的に運べるんだよ。 ローカルなスケールでは蒸気を分配する方が良いかもしれないね。将来的な住宅用原子力発電所を考えると、電気に加えて蒸気の分配に投資する価値はないかもしれないけど、そうでなければ残りの蒸気を使って加熱する手段があるってことだよ。 未来の住宅用核発電所ってどういうことだろう？個々の家が独自の核発電所を持つ未来を想像してるのかな？それとも核発電所の作業員がその場所に住むということ？核エネルギーの重要性は理解できるけど、蒸気を住宅まで送るのはどう考えても無理があるよね。 蒸気に関しては一つの効率数値はないよ。例えば、大型発電所の蒸気タービンは熱力学的に90％以上の効率があるけど、他にもたくさんの変数が関わってくるから。 それは違うよ。核と太陽熱集光装置を除けば、再生可能エネルギーはほとんど蒸気を使っていない、特に水力は関係ないよ。 それは本当じゃないよ。>「ほとんどの電気は蒸気でタービンを回して生成されてる」これは真実だけど、再生可能エネルギーは通常蒸気を使わないというのも本当。でも、電気の生成のほとんどは天然ガスや石炭、核などの熱発電所からでしょ。 そうだよ：非常に低温の蒸気は熱力学的には無意味で、仕事や電力を大して生成できない。電力発電所の廃棄物として得られる蒸気はほぼ無料で、他に経済的価値がないんだ。 ＞電気伝送システムは消費者までの効率が約85％で、抵抗がある電気ラジエーターは100％だね。最終的な効率を比較するのはリンゴとオレンジを比べるようなもので心配だよ。ソーラーパネルの効率は20％、核発電は60～90％、石炭は35～50％。これらは効率に差があっても経済的根拠があるよ。 これが君の言う通りかもしれないけど、ソーラーパネルの効率は太陽のエネルギーを使える電気に変える効率の話だよ。実際の発電量が重要で、スペースを何に使うかの限界はあまり関係ないんだ。 ああ、でも熱的なソーラーパネルは約60％の効率があって、ガラスと黒いスプレー塗布したホースで作れるんだよ。もし日光で何かを暖めるのが目的なら、どちらがベストか分かるでしょ。目的が混ざっているなら、太陽光発電は多くの用途に電気を生成できるけど、ホースの日光は水を温めるだけだしね。 熱力学的に言うと、電気抵抗ヒーターは100％効率だけど、あるワットアワーで1日あたりの部屋に入るBTUの測定では、最新のヒートポンプが常に上回るよ。もちろん100％電気だけどね。 ヒートポンプはその測定で100％以上の効率になるよ。常にそうなのかは分からないが、温度差によるんじゃないか？蒸気の用途は室内暖房以上の時に必要だと思うけど、初めの段落には医療機器の滅菌や湿度調整、洗浄が挙げられていたね。 この部分は本当に気になったね：＞”1962年、ペンシルベニア州セントラリアのアンスラシート鉱床が火事になって、今も燃え続けている。”それが60年以上地下の炭鉱が燃え続けているなんて、すごいことだよ。どれくらいの間燃え続けるんだろうね。グーグルの画像も面白い。 ノースダコタをドライブしてるとき、ハイウェイの崖に赤いクリンカーが見えるとびっくりするよね…詳細はここを見てみて：https://www.dmr.nd.gov/ndgs/ndnotes/ndn13_h.htm ドイツにも17世紀から燃え続けている場所があるよ。ゲーテも訪れて書いているんだ。 アゼルバイジャンのヤナール・ダーグにもあるよ。ウィキには1950年代から始まったと書いてあるけど、CNNは4000年前からって言ってる。 オーストラリアには燃え続けているバーニングマウンテンがあるよ。何千年も燃えてるんだ。 トルクメニスタンには70年代から燃えているクレーターがあるよ。 ウィキによると6000年も燃え続けてるらしい。すごいよね。 そこに行ったことあるよ。私の祖先の故郷で、かつては仕事も市民生活も燃え尽きた地域だ。あんまり楽しい場所じゃないね。 セントラリアの話は本当に面白いね。火がいつ消えるのか分からないし、多くの作家に影響を与えてきたよね。ウィキにも書いてあるけど、”セントラリアは多くのフィクションのゴーストタウンや地獄の表現のモデルになっている。”デーン・クーンツの「ストレンジ・ハイウェイズ」やデヴィッド・ウェリングトンの「バンパイア・ゼロ」などが有名だね。 それについて考えていたところだ。物語の設定としては素晴らしい感じがするけど、どこかで見たことがある気がして、その理由がわかった気がする。 地下の石炭火災はすごいけど、Okloの話をするよ。 シアトルにもこんなのがあるんだ！University of Washingtonもね。今でも成り立ってるのがすごい。 インディアナポリスにも、アメリカで二番目に大きな地区蒸気システムがあるよ。200以上の商業ビルや工場に蒸気を供給してる。子供の頃、ダウンタウンに行くと manhole から出てくる蒸気がちょっと怖かったのを覚えてる。たまに爆発もあるみたい。 パイクプレースマーケットから蒸気プラントが見えるよ。蒸気の煙突がちょっと工業的で、今では不釣り合いに見える。何のための建物か調べるのも面白かった。主な顧客は丘の上の病院で、蒸気は器具の消毒や暖房に使われてる。 バンクーバーにもあるよ。 グランドラピッズ、MIにもあるね。 たくさんの大学には、すべての建物に温水を供給する中央熱プラントがあるよ。蒸気は危険だから段階的に廃止されて、電動ポンプが必要なくなってる。 多くの機関が蒸気を廃止して、グリコールループに置き換えてるね。 メンテナンスがかなり楽になるだろうね。 メンテナンスがずっと楽になったし、VFDでグリコールのポンピングがずっとエネルギー効率よくなったよ。 Montpelier, Vermontにもね： 軍基地には蒸気管がたくさんあるよ。最近、Camp Lejeuneの蒸気プラントが解体されたんじゃないかな。 子供の頃一番好きな本のうちの一つがこの記事に関係あるんだ。それは時間と技術の通過についての素晴らしい寓話でもあるから、ぜひ読み返してみて。今でも持ってるよ： 子供の頃に読んでもらって、今は二人の息子にも読んであげてるよ。幼少期の数少ない大切なものの一つだね。 いい本だね、素晴らしい推薦だ！ TIL、蒸気配布が1880年頃アメリカで発明されて、今でもNYCで使われてるんだって。蒸気プラントが文字通り蒸気を生産して配布するなんて全然思いもしなかった！ Valveの“Steam”って名前、ゲームを顧客に運ぶパイプって考えると納得だね。 ちょっとした豆知識：小さなグリッドだけじゃなくて、ミュンヘンの蒸気暖房は1908年から続いてるんだ。2022年からは、地熱エネルギーなどに対応するため、かなりの費用をかけて温水に改修中だよ。超臨界蒸気を生み出せないからね。 The Shoreham Nuclear Power Plantは1973年から1984年にかけてLong Island Lighting Company（LILCO）によって建設され、約60億ドルかかったけど、結局使われず1994年に完全に解体された。このプロジェクトは使われなかった中で最も高価な工業プロジェクトの一つとして知られてる。 Montpelier（バーモント州）のダウンタウンでは木製ストーブを使った地区暖房システムがあるんだね。詳しいことはこっちを見てみて。https://www.montpelier-vt.org/427/Project-Background ヨーロッパ大陸ではめっちゃ一般的なシステムだよ。Wikipediaに概要が載ってるから見てみて。https://en.m.wikipedia.org/wiki/District_heating チェコのBrnoには1930年から稼働してる大きな地区暖房システムがあって、11万世帯や大きな公共・商業ビルが接続されてる。元々は石炭だったけど、今は天然ガスのコジェネレーションと廃棄物焼却を組み合わせてるんだ。将来的には天然ガスを使わない水の温め方に変わる予定。古い蒸気パイプは熱が逃げやすくて爆発の危険もあったから、今はホットウォーターの配布に切り替えてるんだって。 ミネソタ州に住んでるけど、ミネアポリスとセントポールのダウンタウンには地区暖房と冷却システムがあるよ。Cordia Energyがミネアポリスを、Evergreen Energyがセントポールを運営してる。ミネアポリスの燃料はわからないけど、セントポールは木のチップや天然ガスを使ってるみたい。 Charlottetownの30年以上の蒸気ネットワークは病院や大学にも熱を供給してるけど、たまにパイプから漏れちゃうことがあるんだ。自宅の油暖房と比べてどれくらい安いか知りたいな。 ＞「2007年に82歳のパイプが爆発してミッドタウンが debris に覆われた。重い雨がパイプを冷やして大量の凝縮水が発生した。」この事故が起きた後、インフラを改善するのにどれくらいお金がかかるのか気になる。水道管やガス管もこういうことになるのかな。 ＞「インフラにかかる改善費用は計り知れない。」1800年代の記録が不十分で、何が地下に埋まっているか全くわからないっていうのは厄介だよね。 爆発が起こった時、数ブロック離れた所にいたんだけど、みんなパニックで逃げてた。説明されてテロだと思ったけど、Wikipediaに写真がいくつか載ってて、後の様子も確認できるよ。https://en.wikipedia.org/wiki/2007_New_York_City_steam_explo… 圧縮ガスは液体より危険だと思う。水道管が爆発することはないと思うけど、ガスは膨張するからエネルギーを持続するっていうのは気になる。液体も危険だけど、ガスの方が影響が大きいかも。 自分の住んでる街は、130℃くらいの温度の水を使った地域暖房システムがあるんだ。たまに故障もあるけど大体は大事にはならない。水が漏れると蒸気になっちゃうから近づかない方がいいよ、熱湯と蒸気でヤケドのリスクがあるからね。でも、蒸気システムでの水圧ブロックの時みたいな爆発はないよ。 ニューヨーカーはパイプに色んな物を入れるのが好きだよね。水や排水、ガスだけじゃなくて、Roosevelt Islandではゴミと真空もパイプに入れるらしいし、昔は郵便もパイプに入れてたみたい。ネズミを家にパイプで送ったり、時には火薬をパイプに入れたりもしてるんだって。自分たちもパイプに入ってるみたいで、ちょっとフロイド的だね、セラピストに相談した方がいいかも。もっとコメントを表示（1）
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いくつかの初期探検者は北部大平原で炭火を報告しているんだ。西ノースダコタのテオドール・ルーズベルト国立公園やアミドン近くには、焼け続けているリグナイトの鉱脈がある。バッキルのリグナイトは1951年から1977年まで燃えてたんだよ。もっとコメントを表示（3）
https://www.montpelier-vt.org/427/Project-Background
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Mike_Mulligan_and_His_Steam_…
