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Energy Resources and Consumption · ⁨エネルギー資源と消費⁩

AP Environmental Science · Topic 6 · ⁨トピック 6⁩

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9:13

エネルギー資源と消費

この地面にある穴を見てください。機械が柔らかい茶色の石炭を掘り出し、背後にある発電所はそれを同じ日に燃やします。次にこれを見てください:…にある三つの塔

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

6.1

Renewable and Nonrenewable Resources · ⁨再生可能資源と非再生可能資源⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.A: Identify differences between nonrenewable and renewable energy sources.

  • ENG-3.A.1 Nonrenewable energy sources are those that exist in a fixed amount and involve energy transformation that cannot be easily replaced.
  • ENG-3.A.2 Renewable energy sources are those that can be replenished naturally, at or near the rate of consumption, and reused.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.A: 非再生可能エネルギー源と再生可能エネルギー源の違いを特定せよ。

  • ENG-3.A.1 非再生可能エネルギー源とは、固定された量しか存在せず、容易に代替できないエネルギー変換を伴うものである。
  • ENG-3.A.2 再生可能エネルギー源とは、消費速度と同じか近い速度で自然に補充され、再利用できるものである。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

A renewable resource 可再生资源 replenishes on a human timescale (sun, wind, water, biomass); a nonrenewable resource 不可再生资源 exists in fixed amounts that take millions of years to form (fossil fuels, nuclear fuel). Nonrenewables will eventually run out and often pollute more.

日本語

再生可能資源は人間の時間スケールで補充されます(太陽、風、水、バイオマス);一方、非再生可能資源は固定量で存在し数百万年かけて形成されるもの(化石燃料、核燃料)です。非再生可能資源は最終的に枯渇し、多くの場合より多く汚染します。

風力タービン:再生可能源は人間の時間スケールで補充されますが、化石燃料はそうではない
風力タービン: 再生可能エネルギーは人間の時間スケールで補充されますが、化石燃料はそうではありません
6.2

Global Energy Consumption · ⁨世界のエネルギー消費⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.B: Describe trends in energy consumption.

  • ENG-3.B.1 The use of energy resources is not evenly distributed between developed and developing countries.
  • ENG-3.B.2 The most widely used sources of energy globally are fossil fuels.
  • ENG-3.B.3 As developing countries become more developed, their reliance on fossil fuels for energy increases.
  • ENG-3.B.4 As the world becomes more industrialized, the demand for energy increases.
  • ENG-3.B.5 Availability, price, and governmental regulations influence which energy sources people use and how they use them.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.B: エネルギー消費の傾向を説明する。

  • ENG-3.B.1 エネルギー資源の使用は、先進国と発展途上国の間で均等ではない。
  • ENG-3.B.2 世界的に最も広く使われているエネルギー源は化石燃料である。
  • ENG-3.B.3 発展途上国が発展するにつれて、エネルギーとしての化石燃料への依存度が増加する。
  • ENG-3.B.4 世界がより工業化されるにつれ、エネルギーへの需要が増加する。
  • ENG-3.B.5 利用可能性、価格、および政府の規制が、人々がどのエネルギー源を使用し、どのように使用するかに影響を与える。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Global energy use is rising, especially in developing nations. Most energy still comes from fossil fuels 化石燃料. Wealthy nations consume the most per person; access to energy shapes economic development.

日本語

世界的なエネルギー使用量は増加しており、特に発展途上国で顕著です。大部分のエネルギーは依然として化石燃料に依存しています。富裕な国々は一人あたりの消費量が最も高く、エネルギーへのアクセスは経済発展を形作ります。

Explore · ⁨探索⁩

Trace energy from source to use · ⁨エネルギー源から使用先までの流れを追跡する⁩

A Sankey diagram shows how energy flows from sources to useful work — and how much is lost. Most primary energy is wasted as heat before it does anything useful. · ⁨サンキー図は、エネルギーが源から有用な仕事へどのように流れ、どれほど損失するかを示します。多くの一次エネルギーは、有効に利用される前に熱として失われます。⁩

6.3

Fuel Types and Uses · ⁨燃料の種類と用途⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.C: Identify types of fuels and their uses.

  • ENG-3.C.1 Wood is commonly used as fuel in the forms of firewood and charcoal. It is often used in developing countries because it is easily accessible.
  • ENG-3.C.2 Peat is partially decomposed organic material that can be burned for fuel.
  • ENG-3.C.3 Three types of coal used for fuel are lignite, bituminous, and anthracite. Heat, pressure, and depth of burial contribute to the development of various coal types and their qualities.
  • ENG-3.C.4 Natural gas, the cleanest of the fossil fuels, is mostly methane.
  • ENG-3.C.5 Crude oil can be recovered from tar sands, which are a combination of clay, sand, water, and bitumen.
  • ENG-3.C.6 Fossil fuels can be made into specific fuel types for specialized uses (e.g., in motor vehicles).
  • ENG-3.C.7 Cogeneration occurs when a fuel source is used to generate both useful heat and electricity.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.C: 燃料の種類とその用途を特定する。

  • ENG-3.C.1 木材は、薪や木炭の形で燃料として一般的に使用されている。容易に入手できるため、発展途上国でよく使用される。
  • ENG-3.C.2 泥炭は、部分的に分解した有機物であり、燃料として燃焼することができる。
  • ENG-3.C.3 燃料として用いられる石炭の3つの種類は、リグナイト、ビトミナス、無煙石炭である。熱、圧力、埋没深さは、さまざまな石炭の種類とその品質の形成に寄与する。
  • ENG-3.C.4 天然ガスは、化石燃料の中で最も清潔なものであり、主にメタンから構成される。
  • ENG-3.C.5 原油は、粘土、砂、水、ビチューメンの混合物であるタールサンドから回収できる。
  • ENG-3.C.6 化石燃料は、特定の用途(例:自動車のエンジンなど)のために特殊な燃料タイプに変換することができる。
  • ENG-3.C.7 共同発電とは、燃料源を用いて有用な熱と電気の両方を生成することである。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Different fuels suit different needs: coal and natural gas for electricity, oil for transportation, and biomass for heating and cooking in many regions. Each has trade-offs in cost, availability, and pollution.

日本語

異なる燃料は異なるニーズに適しています: 電力には石炭と天然ガス、輸送には石油、また多くの地域では暖房や調理にバイオマスが使われます。それぞれにコスト、入手可能性、汚染というトレードオフがあります。

6.4

Distribution of Natural Energy Resources · ⁨自然エネルギー資源の分布⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.D: Identify where natural energy resources occur.

  • ENG-3.D.1 The global distribution of natural energy resources, such as ores, coal, crude oil, and gas, is not uniform and depends on regions' geologic history.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.D: 自然エネルギー資源が発生する場所を特定する。

  • ENG-3.D.1 鉱物、石炭、原油、ガスなどの自然エネルギー資源の世界的な分布は均一ではなく、地域の地質史に依存している。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Energy resources are unevenly distributed – oil is concentrated in some regions, coal in others, and renewables depend on local sun, wind, or rivers. This uneven distribution drives trade, economics, and geopolitics.

日本語

エネルギー資源は偏在的に分布しています – 石油は特定の地域に集中し、石炭は別の地域にあり、再生可能エネルギーは局所的な太陽光、風、または川に依存します。この不均等な分布が貿易、経済、地政学を駆動しています。

6.5

Fossil Fuels · ⁨化石燃料⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.E: Describe the use and methods of fossil fuels in power generation.

  • ENG-3.E.1 The combustion of fossil fuels is a chemical reaction between the fuel and oxygen that yields carbon dioxide and water and releases energy.
  • ENG-3.E.2 Energy from fossil fuels is produced by burning those fuels to generate heat, which then turns water into steam. That steam turns a turbine, which spins a generator, producing electricity.
  • ENG-3.E.3 Humans use a variety of methods to extract fossil fuels from the earth for energy generation.

Learning Objective ENG-3.F: Describe the effects of fossil fuels on the environment.

  • ENG-3.F.1 Hydrologic fracturing (fracking) can cause groundwater contamination and the release of volatile organic compounds.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.E: 発電における化石燃料の使用と方法を説明する。

  • ENG-3.E.1 化石燃料の燃焼は、燃料と酸素との化学反応であり、二酸化炭素と水を生成してエネルギーを放出する。
  • ENG-3.E.2 化石燃料からのエネルギーは、これらの燃料を燃焼させて熱を生成し、それを水蒸気に変えることで産出される。その蒸気はタービン回転させ、タービンがジェネレーターを回して電気产生する。
  • ENG-3.E.3 人間は、発電のために地球から化石燃料を採取するために多様な方法を使用している。

学習目標 ENG-3.F: 化石燃料が環境に与える影響を説明する。

  • ENG-3.F.1 水力破砕法(フラッキング)は、地下水の汚染および揮発性有機化合物の放出を引き起こすことがある。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Fossil fuels (coal, oil, natural gas) formed from ancient organisms. They are energy-dense and reliable but nonrenewable and the main source of $\text{CO}_2$ and air pollution. Coal is the dirtiest; natural gas burns cleaner but leaks methane 甲烷.

Coal forms in stages, and its rank climbs with the heat, pressure, and depth of burial it has endured. Partly decomposed plant matter first becomes peat 泥炭 (which can itself be dried and burned), then soft brown lignite, then bituminous 烟煤 coal, and finally hard anthracite 无烟煤 – each step is drier, more carbon-rich, and higher in energy, so anthracite burns hottest and cleanest.

Oil and natural gas are increasingly reached by hydraulic fracturing 水力压裂 ("fracking"): a high-pressure fluid is pumped into shale rock to crack it open and release the trapped fuel. It has unlocked huge reserves, but it can contaminate groundwater (methane and chemicals reaching drinking-water wells), release volatile organic compounds 挥发性有机化合物 into the air, and trigger minor earthquakes.

Crude oil can also be recovered from tar sands 油砂 – a mix of clay, sand, water, and thick bitumen 沥青. Separating the oil is energy- and water-intensive and clears large areas of land, so its environmental cost per barrel of oil is high.

日本語

化石燃料(石炭、石油、天然ガス)は古代の生物から形成されました。高密度で信頼性がありますが、再生不可能であり、**$\text{CO}_2$**および大気汚染の主な原因となっています。石炭が最も汚染が激しく、天然ガスは燃焼時は清潔ですが、メタンが漏洩することがあります。

露天採掘されたリグナイト石炭矿坑、その背後に燃焼発電所が見える: 燃料は地面から直接掘り出され、その場で燃やされている
露天採掘されたリグナイト(茶色石炭)矿坑から発電所に燃料を供給 – 燃料は地面から掘り出し、その場で燃やす

石炭は段階を経て形成され、熱、圧力、埋没深度によってその階級が上昇します。部分的に分解した植物物質がまず泥炭(乾燥して燃やすこともできる)となり、次に柔らかい茶色のリグナイト、そして頁岩質石炭、最後に硬い無煙石炭へと変化します – 各段階ごとに水分が減り、炭素含有量が増え、エネルギー密度が高まるため、無煙石炭が最も高温かつ清浄に燃焼します。

石油と天然ガスは increasingly 水圧破砕法(「フラッキング」)によって採取されています: 高圧流体を頁岩に注入して岩石を割れさせ、閉じ込められた燃料を放出します。膨大な埋蔵量を開放しましたが、地下水の汚染(メタンや化学物質が飲料水の井戸に到達)、大気中の揮発性有機化合物の放出、小規模な地震の誘発を引き起こす可能性があります。

原油はまたタールサンドからも回収できます。これは粘土、砂、水、そして粘り気のあるビトumenの混合物です。油を分離するには、エネルギーと水を大量に消費し、広大な土地を占有するため、バレルあたりの環境コストは高いです。

6.6

Nuclear Power · ⁨原子力発電⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.G: Describe the use of nuclear energy in power generation.

  • ENG-3.G.1 Nuclear power is generated through fission, where atoms of Uranium-235, which are stored in fuel rods, are split into smaller parts after being struck by a neutron. Nuclear fission releases a large amount of heat, which is used to generate steam, which powers a turbine and generates electricity.
  • ENG-3.G.2 Radioactivity occurs when the nucleus of a radioactive isotope loses energy by emitting radiation.
  • ENG-3.G.3 Uranium-235 remains radioactive for a long time, which leads to the problems associated with the disposal of nuclear waste.
  • ENG-3.G.4 Nuclear power generation is a nonrenewable energy source. Nuclear power is considered a cleaner energy source because it does not produce air pollutants, but it does release thermal pollution and hazardous solid waste.

Learning Objective ENG-3.H: Describe the effects of the use of nuclear energy on the environment.

  • ENG-3.H.1 Three Mile Island, Chernobyl, and Fukushima are three cases where accidents or natural disasters led to the release of radiation. These releases have had short- and long-term impacts on the environment.
  • ENG-3.H.2 A radioactive element's half-life can be used to calculate a variety of things, including the rate of decay and the radioactivity level at specific points in time.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.G: 発電における原子力エネルギーの使用を説明する。

  • ENG-3.G.1 原子力発電は核分裂によって行われ、燃料棒に格納されたウラン-235の原子が中性子に衝突されて小さな部分に分裂する。核分裂は大量の熱を放出し、これが蒸気を生成するために使われ、その蒸気がターボエンジンを駆動して電力を生み出す。
  • ENG-3.G.2 放射性崩壊とは、放射性同位体の原子核が放射線を出してエネルギーを失うことをいう。
  • ENG-3.G.3 ウラン-235は長期間放射性を保つため、原子力廃棄物の処分に関連する問題が生じる。
  • ENG-3.G.4 原子力発電は再生可能でないエネルギー源である。空気汚染物質を排出しないため、原子力発電は清潔なエネルギー源と見なされるが、熱汚染および危険な固体廃棄物を排出する。

学習目標 ENG-3.H: 原子力エネルギーの使用が環境に与える影響を説明する。

  • ENG-3.H.1 スリーマイルアイランド、チェルノブイリ、福島の3つの事例では、事故または自然災害により放射線が放出された。これらの放出は、環境に対して短期間および長期間の影響を与えた。
  • ENG-3.H.2 放射性元素の半減期は、崩壊速度や特定の時点での放射能レベルなど、さまざまなものの計算に使用できる。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Nuclear power 核能 splits uranium (fission 裂变) to boil water and drive turbines. It produces no $\text{CO}_2$ and lots of energy from little fuel, but risks include radioactive waste 核废料 (long-lived), the danger of meltdowns, and high cost.

Worked example. Radioactive waste decays by its half-life – the time for half of it to decay. Suppose an isotope has a half-life of $30$ years and a reactor leaves $100\ \text{g}$ of it. After $30$ years $50\ \text{g}$ remains; after $60$ years $25\ \text{g}$; after $90$ years (three half-lives) $100\times\left(\tfrac12\right)^3=12.5\ \text{g}$. Because the drop is halving, not linear, the waste stays hazardous for many half-lives – the core reason it must be stored safely for centuries.

日本語

原子力発電はウランを分裂(核分裂)させて水を沸騰させ、タービンを回します。$\text{CO}_2$を排出せず、少ない燃料から大量のエネルギーを生み出しますが、放射性廃棄物(長寿命)、溶融事故の危険性、高コストなどのリスクがあります。

** worked example.** 放射性廃棄物は半減期によって崩壊します – その半分が崩壊するまでの時間です。ある同位体の半減期が$30$年である場合、反応炉から$100\ \text{g}$残っています。$30$年後に$50\ \text{g}$、$60$年後に$25\ \text{g}$、$90$年後(3回の半減期)に$100\times\left(\tfrac12\right)^3=12.5\ \text{g}$が残ります。減少は線形ではなく半減するため、廃棄物は何回もの半減期にわたって危険な状態が続きます – これが数世紀にわたって安全に保管される必要がある核心的な理由です。

ウラン-235原子核の核分裂によりエネルギーが放出される
ウラン-235原子核の核分裂によりエネルギーが放出される

海に面した原子力発電所: 冷却に海水を用いる2つの大きな長方形の反応堆建屋 原子力発電所。反応堆建屋に燃料が収容されており、海が冷却水を提供しています。煙がないことに注目してください – 核分裂は*$\text{CO}_2$*を排出しません

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
renewable resource/rɪˈnjuːəbl rɪˈzɔːs/ 再生可能資源
nonrenewable resource/ˌnɒnrɪˈnjuːəbl rɪˈzɔːs/ 非再生可能資源
fossil fuels/ˈfɒsl ˈfjuːəlz/ 化石燃料
methane/ˈmiːθeɪn/ メタン
lignite/ˈlɪɡnaɪt/ 褐色石炭
peat/piːt/ 泥炭
bituminous/baɪˈtjuːmɪnəs/ 煙石炭
anthracite/ˈænθrəsaɪt/ 無烟石炭
hydraulic fracturing/haɪˈdrɔːlɪk ˈfræktʃərɪŋ/ 水力圧裂法(フラッキング)
volatile organic compounds/ˈvɒlətaɪl ɔːˈɡænɪk ˈkɒmpaʊndz/ 揮発性有機化合物(VOCs)
tar sands/tɑː sændz/ タールサンド
bitumen/ˈbɪtʃuːmən/ ビチューメン
Nuclear power/ˈnjuːklɪə ˈpaʊə/ 原子力発電
fission/ˈfɪʃn/ 核分裂
waste/weɪst/ 排泄物
Biomass/ˌbaɪəʊˈmæs/ バイオマス
Ethanol/ˈeθənɒl/ エタノール
energy return on energy investment (EROEI)/ˈenədʒi rɪˈtɜːn ɒn ˈenədʒi ɪnˈvestmənt/ エネルギー投資対リターン(EROEI)
6.7

Energy from Biomass · ⁨バイオマスからのエネルギー⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.I: Describe the effects of the use of biomass in power generation on the environment.

  • ENG-3.I.1 Burning of biomass produces heat for energy at a relatively low cost, but it also produces carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen oxides, particulates, and volatile organic compounds. The overharvesting of trees for fuel also causes deforestation.
  • ENG-3.I.2 Ethanol can be used as a substitute for gasoline. Burning ethanol does not introduce additional carbon into the atmosphere via combustion, but the energy return on energy investment for ethanol is low.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.I: 発電におけるバイオマスの使用が環境に与える影響を説明する。

  • ENG-3.I.1 バイオマスの燃焼は、比較的安価にエネルギー用の熱を供給するが、同時に二酸化炭素、一酸化炭素、窒素酸化物、微粒子、および揮発性有機化合物も生成する。また、燃料のための過度な伐採も森林減少を引き起こす。
  • ENG-3.I.2 エタノールはガソリンの代替品として使用できる。エタノールの燃焼は燃焼を通じて大気中に追加の炭素を導入しないが、エタノールのエネルギー投資に対するエネルギー収益は低い。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Biomass 生物质 (wood, crops, waste, biofuels like ethanol) is renewable and can be carbon-neutral if replanted, but burning it causes air pollution, and growing fuel crops competes with food and habitat.

Ethanol 乙醇, made from crops such as corn or sugarcane, can substitute for gasoline and adds no new carbon when burned (the plant absorbed that $\text{CO}_2$ as it grew). Its drawback is a low energy return on energy investment (EROEI) 能量投资回报率: growing, harvesting, and distilling the crop uses nearly as much energy as the fuel finally delivers.

日本語

バイオマス(木材、作物、廃棄物、エタノールなどのバイオ燃料)は再生可能であり、再植栽すればカーボンニュートラルになる可能性がありますが、燃焼すると大気汚染を引き起こし、燃料作物の栽培は食料生産や生息地との競合を生みます。

エタノールはトウモロコシやサトウキビなどの作物から製造され、ガソリンの代替となります。燃焼時に新しい炭素は追加されません(植物が成長する際にその$\text{CO}_2$を吸収しました)。欠点は、エネルギー投資対収益率 (EROEI) が低いことです: 作物の栽培、収穫、蒸留に用いられるエネルギーが、最終的に燃料から得られるエネルギーとほぼ同等であるためです。

6.8

Solar Energy · ⁨太陽光発電⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.J: Describe the use of solar energy in power generation.

  • ENG-3.J.1 Photovoltaic solar cells capture light energy from the sun and transform it directly into electrical energy. Their use is limited by the availability of sunlight.
  • ENG-3.J.2 Active solar energy systems use solar energy to heat a liquid through mechanical and electric equipment to collect and store the energy captured from the sun.
  • ENG-3.J.3 Passive solar energy systems absorb heat directly from the sun without the use of mechanical and electric equipment, and energy cannot be collected or stored.

Learning Objective ENG-3.K: Describe the effects of the use of solar energy in power generation on the environment.

  • ENG-3.K.1 Solar energy systems have low environmental impact and produce clean energy, but they can be expensive. Large solar energy farms may negatively impact desert ecosystems.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.J: 発電における太陽光エネルギーの使用を説明する。

  • ENG-3.J.1 太陽電池は太陽からの光エネルギーを捕捉し、それを直接電気エネルギーに変換する。その使用は日光の可用性によって制限される。
  • ENG-3.J.2 受動太陽エネルギーシステムは、機械的および電気機器を用いて液体を加熱し、太陽から捕獲されたエネルギーを収集・蓄積する。
  • ENG-3.J.3 受動太陽エネルギーシステムは、機械的および電気機器を使用せずに太陽からの熱を直接吸収するが、エネルギーの収集や蓄積は行われない。

学習目標 ENG-3.K: 発電における太陽エネルギーの使用が環境に与える影響を説明せよ。

  • ENG-3.K.1 太陽エネルギーシステムは環境への影響が低く、クリーンエナジーを生産するが、高価である場合がある。大規模な太陽光発電所は砂漠生態系に悪影響を与える可能性がある。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Solar 太阳能 converts sunlight to electricity (photovoltaic panels) or heat. It is renewable and clean during use, but intermittent (no sun at night), needs space, and has manufacturing impacts.

日本語

太陽光は太陽光を電気(太陽電池パネル)や熱に変換します。再生可能で使用中はクリーンですが、間歇的(夜間は日光なし)、スペースを必要とし、製造時の環境影響があります。

青空の下、傾斜した太陽電池パネルの列で覆われた広大な農地
太陽光発電所。太陽電池パネルが太陽に向いて傾斜しており、大容量の出力には広大な土地が必要です
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
Solar/ˈsəʊlə/ 太陽光
photovoltaic/ˌfəʊtəʊvəʊlˈteɪɪk/ 太陽光発電
Hydroelectric/ˌhaɪdrəʊɪˈlektrɪk/ 水力発電
reservoir/ˈrezəvwɑː/ 貯水池
6.9

Hydroelectric Power · ⁨水力発電⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.L: Describe the use of hydroelectricity in power generation.

  • ENG-3.L.1 Hydroelectric power can be generated in several ways. Dams built across rivers collect water in reservoirs. The moving water can be used to spin a turbine. Turbines can also be placed in small rivers, where the flowing water spins the turbine.
  • ENG-3.L.2 Tidal energy uses the energy produced by tidal flows to turn a turbine.

Learning Objective ENG-3.M: Describe the effects of the use of hydroelectricity in power generation on the environment.

  • ENG-3.M.1 Hydroelectric power does not generate air pollution or waste, but construction of the power plants can be expensive, and there may be a loss of or change in habitats following the construction of dams.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.L: 発電における水力発電の利用を説明せよ。

  • ENG-3.L.1 水力発電にはいくつかの方法がある。河川に建設されたダムは水を貯水池に集める。流れる水はタービンを回転させるために使用できる。タービンは小川にも設置でき、流れる水がタービンを回転させる。
  • ENG-3.L.2 潮力発電は、潮汐流によって生じるエネルギーを使用してタービンを回転させる。

学習目標 ENG-3.M: 発電における水力発電の使用が環境に与える影響を説明せよ。

  • ENG-3.M.1 水力発電は大気汚染や廃棄物を発生させないが、発電所の建設コストが高額であり、ダムの建設後に生息域の喪失や変化が生じる可能性がある。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Hydroelectric 水电 power uses flowing water (dams) to spin turbines – renewable and low-emission, but dams flood habitat, block fish migration, trap sediment, and displace people.

日本語

水力発電は流れる水(ダム)を使ってタービンを回します – 再生可能で低排気ですが、ダムは生息地を氾濫させ、魚の回遊を阻害し、堆積物を溜め込み、人々の移住を強います。

峡谷にある高いコンクリートダム: 湾曲した壁の後ろに満々とした貯水池、そして水が放出される基部の発電所
水力発電ダム。貯水池は壁の後ろに保たれており、水はダムを通じて落下し、基部の発電所でタービンを回します
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
dam/dæm/ ダム
6.10

Geothermal Energy · ⁨地熱エネルギー⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.N: Describe the use of geothermal energy in power generation.

  • ENG-3.N.1 Geothermal energy is obtained by using the heat stored in the Earth's interior to heat up water, which is brought back to the surface as steam. The steam is used to drive an electric generator.

Learning Objective ENG-3.O: Describe the effects of the use of geothermal energy in power generation on the environment.

  • ENG-3.O.1 The cost of accessing geothermal energy can be prohibitively expensive, as is not easily accessible in many parts of the world. In addition, it can cause the release of hydrogen sulfide.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.N: 発電における地熱エネルギーの利用について説明せよ。

  • ENG-3.N.1 地熱エネルギーは、地球内部に蓄積された熱を利用して水を加熱し、それを蒸気として地表に戻すことで得られる。この蒸気は電気発電機を駆動するために使用される。

学習目標 ENG-3.O: 発電における地熱エネルギーの使用が環境に与える影響について説明せよ。

  • ENG-3.O.1 地熱エネルギーへのアクセスには多額の費用がかかることがあり、世界中の多くの地域では容易に入手できない。また、硫化水素の放出を引き起こすこともある。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Geothermal 地热能 taps Earth's internal heat for electricity and heating. It is renewable and reliable, but only practical where hot rock is near the surface (volcanic regions) and can release underground gases.

日本語

地熱は地球内部の熱を利用して電気や暖房を作ります。再生可能で信頼性がありますが、地表近くで高温の岩石がある地域(火山地域)でのみ実用的であり、地下ガスの放出を伴うことがあります。

アイスランドの裸の火山平原にある地熱発電所: プラントとパイプから白い蒸気が立ち上っている
アイスランドの地熱発電所、火山地域。地下の高温岩石から生じた蒸気がパイプを通じて持ち上げられ、タービンを回します
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English 日本語
Geothermal/ˌdʒiːəʊˈθɜːml/ 地熱
Steam/stiːm/ 蒸気
hydrogen fuel cell/ˈhaɪdrədʒn ˈfjuːəl sel/ 水素燃料電池
6.11

Hydrogen Fuel Cell · ⁨水素燃料電池⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.P: Describe the use of hydrogen fuel cells in power generation.

  • ENG-3.P.1 Hydrogen fuel cells are an alternate to non-renewable fuel sources. They use hydrogen as fuel, combining the hydrogen and oxygen in the air to form water and release energy (electricity) in the process. Water is the product (emission) of a fuel cell.

Learning Objective ENG-3.Q: Describe the effects of the use of hydrogen fuel cells in power generation on the environment.

  • ENG-3.Q.1 Hydrogen fuel cells have low environmental impact and produce no carbon dioxide when the hydrogen is produced from water. However, the technology is expensive and energy is still needed to create the hydrogen gas used in the fuel cell.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.P: 発電における水素燃料電池の利用について説明せよ。

  • ENG-3.P.1 水素燃料電池は、非再生可能燃料源に対する代替手段である。水素を燃料として使用し、空気中の水素と酸素を結合させて水を作り出し、その過程でエネルギー(電気)を放出する。水は燃料電池の排出物(生成物)である。

学習目標 ENG-3.Q: 発電における水素燃料電池の使用が環境に与える影響について説明せよ。

  • ENG-3.Q.1 水素燃料電池は環境への影響が小さく、水から水素を生成する場合、二酸化炭素を排出しない。しかし、技術自体は高価であり、燃料電池で使用される水素ガスを製造するには、なおエネルギーが必要である。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

A hydrogen fuel cell 氢燃料电池 combines hydrogen and oxygen to make electricity, with water as the only emission at use. But producing hydrogen usually requires energy (often from fossil fuels), and storage is difficult.

日本語

水素燃料電池は、水素と酸素を結合させて電気を生成し、使用時の排出物は水のみです。しかし、水素の生産には通常エネルギー(化石燃料からのものが多く)が必要であり、保存も困難です。

水素-酸素燃料電池は、水だけが生成物として電気を生じる
水素-酸素燃料電池は、水だけが生成物として電気を生じる
6.12

Wind Energy · ⁨風力発電⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.R: Describe the use of wind energy in power generation.

  • ENG-3.R.1 Wind turbines use the kinetic energy of moving air to spin a turbine, which spins a generator, producing electricity.

Learning Objective ENG-3.S: Describe the effects of the use of wind energy in power generation on the environment.

  • ENG-3.S.1 Wind energy is a renewable, clean source of energy. However, birds and bats may be killed if they fly into the spinning turbine blades.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.R: 発電における風力エネルギーの利用について説明せよ。

  • ENG-3.R.1 風車は、動く空気の運動エネルギーを使用してタービン回転させ、そのタービンが発電機を回して電気を生成する。

学習目標 ENG-3.S: 発電における風力エネルギーの使用が環境に与える影響について説明せよ。

  • ENG-3.S.1 風力エネルギーは再生可能かつクリーンなエネルギー源である。しかし、鳥やコウモリが回転する羽根に衝突すると死亡することがある。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Wind 风能 turbines convert moving air to electricity – renewable, clean, and low-operating-cost, but intermittent, land- or sea-intensive, and a hazard to birds and bats. Best where winds are strong and steady.

日本語

風車は移動する空気から電気を生成します。再生可能でクリーン、運用コストが低いですが、間欠的であり、陸地または海上に多くの面積を必要とし、鳥類や蝙蝠にとって危険です。風が強く安定している地域で最適です。

緑豊かな農地に立つ3基の白い高風車
農地にある風車。地面をほとんど取らないため、その間の土地でも農業可以继续
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English 日本語
Wind/wɪnd/ 風力
wind turbines/wɪnd ˈtɜːbaɪnz/ 風力タービン
6.13

Energy Conservation · ⁨省エネ⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Enduring Understanding (ENG-3): Humans use energy from a variety of sources, resulting in positive and negative consequences.

Learning Objective ENG-3.T: Describe methods for conserving energy.

  • ENG-3.T.1 Some of the methods for conserving energy around a home include adjusting the thermostat to reduce the use of heat and air conditioning, conserving water, use of energy-efficient appliances, and conservation landscaping.
  • ENG-3.T.2 Methods for conserving energy on a large scale include improving fuel economy for vehicles, using BEVs (battery electric vehicles) and hybrid vehicles, using public transportation, and implementing green building design features.
日本語

持続的理解 (ENG-3): 人間は多様な源からのエネルギーを使用し、正の側面と負の側面の両方の結果を生み出す。

学習目標 ENG-3.T: エネルギーを節約する方法について説明せよ。

  • ENG-3.T.1 家庭におけるエネルギー節約のための方法には、暖房・冷房の使用を減らすためにサーモスタットを調整する、節水、省エネ家電の採用、そして省エネ園芸が含まれます。
  • ENG-3.T.2 大規模なエネルギー節約のための方法には、車両の燃費向上、BEV(バッテリー電気自動車)およびハイブリッド車の使用、公共交通機関の利用、グリーンビルディング設計機能の実施が含まれます。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Energy conservation 节能 reduces demand through efficiency (LED lighting, insulation, efficient appliances, public transport) and behavior. Saving energy is often the cheapest and cleanest option – the energy you do not use needs no fuel and makes no pollution.

A related efficiency gain is cogeneration 热电联产 (combined heat and power): a single fuel burn is used to make both electricity and useful heat, capturing the waste heat that an ordinary power plant simply dumps – so far more of the fuel's energy ends up doing useful work.

Worked example. Replacing a $60\ \text{W}$ incandescent bulb with a $10\ \text{W}$ LED that gives the same light saves $50\ \text{W}$. Running it $5$ hours a day saves $50\ \text{W}\times5\ \text{h}=250\ \text{Wh}=0.25\ \text{kWh}$ per day, or about $0.25\times365\approx91\ \text{kWh}$ per year. Multiply that by every bulb in a city and conservation rivals a new power plant – at far lower cost.

日本語

省エネは効率化(LED照明、断熱材、効率的な家電製品、公共交通機関)と行動変容を通じて需要を削減します。エネルギーを節約することは、最も安価でクリーンな選択肢であることが多いです。使用しないエネルギーには燃料も不要であり、汚染も生じません。

関連する効率向上としてコージェネレーション(同時熱電)があります。単一の燃料燃焼で電気と有用な熱の両方を生成し、通常の発電所では単に排出される廃熱を回収するため、燃料のエネルギーのより大部分が有用な仕事に使われます。

解題例。 $60\ \text{W}$の白熱電球を同じ明るさの$10\ \text{W}$LEDに交換すると、$50\ \text{W}$を節約できます。一日$5$時間使用する場合、一日あたり$50\ \text{W}\times5\ \text{h}=250\ \text{Wh}=0.25\ \text{kWh}$、一年あたり約$0.25\times365\approx91\ \text{kWh}$を節約できます。これが都市内のすべての電球に適用されれば、省エネ対策は新発電所に匹敵する効果が生まれます—しかもはるかに低コストで。

太陽光発電所:再生可能エネルギーの増産と需要の抑制は、どちらも省エネ戦略です
太陽光発電所:再生可能エネルギーの増産と需要の抑制は、どちらも省エネ戦略です
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English 日本語
Energy conservation/ˈenədʒi ˌkɒnsəˈveɪʃn/ エネルギー保存則
cogeneration/ˌkəʊdʒənəˈreɪʃn/ 熱電併給
power station/ˈpaʊə ˈsteɪʃn/ 発電所
nuclear power station/ˈnjuːklɪə ˈpaʊə ˈsteɪʃn/ 原子力発電所
6.13

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Separate renewable (sun, wind, water) from non-renewable (fossil fuels, nuclear) and weigh each source's trade-offs.
  • Fossil fuels are energy-dense but emit CO₂; nuclear emits no CO₂ but leaves long-lived waste.
  • Do half-life math: after $n$ half-lives a fraction $(\tfrac12)^n$ remains.
  • Note that solar and wind are intermittent and need storage or backup.
  • Conservation (efficiency) is often the cheapest, cleanest option — the energy not used needs no fuel.
  • Know the coal ranks (peat → lignite → bituminous → anthracite; more heat/pressure/burial → higher energy) and the unconventional fuels fracking (shale oil/gas; groundwater + VOC pollution) and tar sands (bitumen, energy-intensive).
  • Ethanol adds no net CO₂ but has a low EROEI; cogeneration (combined heat and power) captures waste heat so one fuel gives both electricity and heat.
日本語
  • 再生可能(太陽、風、水)と非再生可能(化石燃料、原子力)を区別し、各資源のトレードオフを検討する。
  • 化石燃料はエネルギー密度が高いがCO₂を排出する。原子力はCO₂を排出しないが、長寿命の廃棄物を残す。
  • 半減期の計算を行う:$n$個の半減期経過後、$(\tfrac12)^n$の割合が残る。
  • 太陽光と風は間欠的であり、蓄電装置やバックアップが必要であることを念頭におく。
  • 省エネ(効率化) は、最も安価でクリーンな選択肢であることが多い。使用しないエネルギーには燃料は不要である。
  • 石炭の等級(泥炭 → リグナイト → 亜煙炭 → 無煙炭;熱・圧力・埋没深度が増すほどエネルギー密度が高くなる)と、非伝統的な燃料であるフラッキング(頁岩油・ガス;地下水+VOC汚染)およびタールサンド(ビチューメン、エネルギー集約型)を知る。
  • エタノールは正味のCO₂排出量を増加させないが、EROEI(エネルギー収支比)が低い。一方、**コージェネレーション(同時熱電)**は廃熱を回収するため、1つの燃料で電気と熱の両方を得られる。

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