学問X建設 土木・建築森羅万象学

東京電機大学 未来科学部 ロボット・メカトロニクス学科 教授
吉本 貫太郎
日本国土開発 つくば未来センター 建築技術グループ
相良 智顕
日本国土開発 つくば未来センター 建築技術グループ
時信 風弥

電気工学

前編

災害と生きる国 日本で生み出す、
エネルギーの新たなかたち

現代生活において、必要不可欠な存在である電気。脱炭素が求められる中、電気の作り方、使い方にも大きな変化が求められており、社会の基盤となるインフラや建物のあり方も、深く関係しています。今回取り上げるのは、目に見えない「電気」を制御し、社会を動かす力へと変える「電気工学」です。
東京電機大学 未来科学部の吉本貫太郎教授と日本国土開発の若手エンジニアたちとともに、ゼロから1を生み出す研究開発の面白さに迫ります。

吉本 貫太郎

東京電機大学 未来科学部 ロボット・メカトロニクス学科 教授。専門は電気工学とメカトロニクス。以前は自動車メーカーにて、電気自動車の研究開発を行っていた。駐在先のヨーロッパでの経験から、日本の過酷な国土環境とインフラ整備の難しさを痛感。

相良 智顕

日本国土開発 つくば未来センター 建築技術グループ。大学では建築構造学を専攻し、入社後は建設現場で施工管理を担当。この度研究開発デビューを果たし、現場視点を活かしながら、「ソイルバッテリ™」の開発に取り組む。

時信 風弥

日本国土開発 つくば未来センター 建築技術グループ。大学で材料工学(コンクリート工学)を専攻。他社のコンクリート蓄電の事例から「土にもカーボンを混ぜたら電池になるのでは?」と思いつき、「ソイルバッテリ™」開発のきっかけを作った一人。

動くもの×動かないもの、
異分野の出会い

コンピューターや機械を動かす「電気工学」と、建物やインフラを造る「建設」。専門分野の異なる三者が、なぜ一つのプロジェクトで手を取り合うことになったのか。まずは、それぞれのキャリアの歩みと、電気工学と建設という異色の出会いがもたらした化学反応について紐解きます。

吉本:
私は大学で電子情報工学を専攻した後、「動くもの」を扱いたくて鉄道会社に入社し、車両のメンテナンスといった現場の仕事からキャリアをスタートしました。それでも、やっぱり新しいものをつくりたいという気持ちが強くなって自動車メーカーの研究開発職へ転職したんです。そこから長く「メカトロニクス」の研究をしてきました。
相良:
電気工学と機械工学の合わせ技ですよね。
吉本:
ええ、物を動かすために「電気」と「機械」に加えて、「制御」や「情報」を組み合わせた学問分野ですね。例えばドローンや電気自動車、自動運転などもそうですし、飛行機の自動操縦などもメカトロニクスの応用例です。自動車メーカー時代はヨーロッパでの駐在なども経験し、とてもやりがいのある仕事でしたが、自分の経験を活かして、これからの時代を担う若い人たちを育てるという選択肢もあるのだと考えて、アカデミアの道に移ってきました。お二人は、どんな分野から建設会社へ?
相良:
私の場合は、大学で建築構造学を専攻していました。パソコンでいろいろとシミュレーションして、力によって建物がどのくらい歪むのか、といった目に見えないものを画面上で可視化していくプロセスが面白くて。入社後は長らく建設現場で施工管理をしていましたが、この度研究開発に携わることになりました。本当につい最近まで、電気工学なんて、まったく縁のない分野だったんです。

時信:
私は大学では材料工学を専攻し、コンクリートの研究をしていました。もともと化学が好きで、講義でセメント工場の人から話を聞いたのがきっかけです。あんなにドロドロで柔らかく、砂利や砂が混ざっているものが、一晩経つとカチカチに固まって綺麗に仕上がる。それが不思議で面白くて。「動かないもの」を専門にしてきた私たちが、まさか「動くもの」の研究をしている先生と関わりを持つことになるとは思っていませんでした。
吉本:
本当に、普通に仕事をしていたら、きっとこうして話すこともなかったでしょうね(笑)。

欧州との違いで知った、
日本が背負う宿命

災害の多い日本とは異なり、ヨーロッパでは何百年も前に造られた橋や道、建物が今も当たり前のように使われています。モビリティの専門家であった吉本教授が建設やインフラの分野に目を向けた背景には、そんな日欧の環境の決定的な違いがありました。

吉本:
私が大学へ移った後、日本国土開発未来研究財団の助成事業の存在を知りました。そこで、建設機械の電動化に関係する「新しい電力変換器D-EPCを用いた電動モビリティの電力変換損失低減の研究」というテーマで採択いただいたのが日本国土開発さんとの最初の接点でした。実は、土木・建築の領域で自分の電気の技術が採択されるとは思っていなかったのですが、もともとインフラには強い興味がありました。きっかけは、自動車メーカー時代に駐在していたヨーロッパで知った、かの地のインフラ事情ですね。

日本国土開発未来研究財団

日本国土開発未来研究財団は、「もっと豊かな社会づくりに貢献する」学術研究及び人材育成事業を助成する財団。我が国の豊かな社会づくりにSDGs(持続可能な開発目標)と同調し、貢献していくことを目標とし、学術研究助成、学校教育設備助成、奨学金給与の事業を行なっています。

相良:
どんなふうに違うんですか?

吉本:
向こうでは、何百年も前にできた橋を今でも平気でバスやトラックが走っています。地震も台風もなく、セーヌ川やロワール川といった大きな川にも、堤防がほとんどありません。たまに川の水位が上がって周りが水浸しになっても、彼らにとっては川沿いでギターを弾きながらお酒を飲む非日常のイベントなんです。「すごいね、こんなに水があふれてる」とか言いながら、みんなで騒いで楽しんでいる。インフラや建築物が長持ちするし、お金もかかりません。
時信:
日本では考えられない光景ですね……。
吉本:
そうですよね。一方で日本は山がちだから道を通すにはいくつもトンネルを掘らないといけない。災害が多いからインフラ構築にも時間とお金がかかる。こんなに苦労しているのに、台風や地震が来れば破壊されてしまうこともある……。彼らと同じ生活水準を享受するために負担するコストが桁違いです。なんて理不尽なんだろうと。
相良:
建築の構造設計でも、日本の基準をそのまま地震が少ないヨーロッパに持っていったら、オーバースペックすぎて大赤字になるでしょうね。
吉本:
ゴジラっていますよね。あれはフィクションですけど、人知の及ばぬ圧倒的な存在という点で災害と同じです。だから、あんな存在と戦う建設業界は、この現実世界のヒーローなんですよ。だからこそ、この領域でメカトロニクスの知見を役立てられたらいいなと思っていました。例えば、建設機械は乗用車と比べてまだ電動化が進んでいません。従来の油圧駆動を電動モータへ置き換えることができれば脱炭素に貢献できることに加えて、非常に精密に制御できるので自動化との相性も抜群です。
相良:
そうですね。長く現場にいましたが、人の作業を機械に置き換えるというときに「どう動かすか」というのは重要な課題だと思います。現場を安全に自走するとか、思い通りの位置に動かすとか。モビリティの知見はこれからもっと必要になるでしょうね。

吉本:
ええ。建設業界を進化させるために、電気でできることもきっとあるはずだと。

コンクリートでできるなら、
土でもできる?

世界的な脱炭素への流れから、建設にも新たな取り組みが求められています。太陽光パネルや蓄電池の設置のほか、近年ではコンクリートへの蓄電も注目を集めています。そんな中、日本国土開発の若手エンジニアが着目したのは、どんな建物の下にも存在する「土」でした。

吉本:
採択いただいた研究助成がきっかけとなって、本格的に関係が始まったのは「ソイルバッテリ™」の研究からですね。
時信:
そうですね、土壌への蓄電技術を研究するにあたって、電気の専門家のアドバイスが欲しかったので、お声がけしました。
吉本:
本当に面白い発想ですよね。
時信:
脱炭素化のために建築の面からなにか貢献ができないかと考えていたときに、コンクリートへの蓄電という事例を知りました。「土なら売るほどあるんだけどな」と思ったのがきっかけでした。まあ、まずはやってみようと。
相良:
最初は「カーボンが入っていれば電池になるんじゃない?」と思って混ぜてみました。そのあとは「何かイオン的なものが必要なのでは」と塩水を加えてみて……銅板で挟んだら模型用のモータは回ったのですが、なにしろ私たちには高校物理レベルの知識しかなくて行き詰まってしまったんですよね。

時信:
どんなふうに研究を進めればいいかと困っていたときに、吉本先生の名前が挙がりました。EVの研究に携わって、バッテリー技術にも詳しい吉本先生に相談してみて「そんなのやめとけ」という答えだったらすぐに諦めようと思っていました。
吉本:
まず「こんな面白いことを考える人がいるんだ!」と思いましたよ。もちろん「そう簡単にはいかないだろうな」とは思いましたが、成功が約束されているような平坦な道を歩むのではなく、地図もない道を「面白そうじゃない?」と進んでいくのは研究の醍醐味です。やめとけ、なんて言えないですよ。
進んでいった先には崖があるかもしれないし、なにかに食べられちゃうかもしれないけれど、もしかしたら金銀財宝が眠っているかもしれないんですから。研究者としての血が騒ぎました。それに、この広い宇宙で、土に電気を貯めようとしたのはこの人たちしかいないだろうなと(笑)。

日本だからこその
発想と技術

私たちが日常的に使っている電気は、実は「作ること」よりも「貯めること」の方がはるかに難しいエネルギーです。さらに、そのエネルギーをどう活用すべきかという最適解は、国や地域の環境によってまったく異なります。日本に求められるエネルギー活用のかたちとは。そして、日本発の技術の持つ可能性とは。

吉本:
発電所は急には止められませんから、昼夜ずっと動いていて電気を作り続けています。電気が余るというケースもあるわけですね。だからこそエネルギーを有効活用するためには、余るときに貯めて足りないときに使うという「蓄電」という技術が非常に重要になってきます。加えて、日本の場合は災害に備えるという意味でも非常に重要度の高い技術であるといえます。
例えば、電気自動車のバッテリーから家庭に給電する「V2H(Vehicle to Home)」という仕組みがありますよね。
相良:
日本では災害時の非常用電源として重宝される仕組みですね。
吉本:
そうです。これも、ヨーロッパのエンジニアとの間では意見が食い違いましたね。「家庭に給電できるようにすれば、災害時に役立つじゃないか」と言っても「そんなの欲しい人がいるかな?」「キャンプくらいにしか使えないんじゃないの?」と……。
モビリティやインフラがその国の事情、すなわちローカル性に大きく依存することを痛感するとともに、「日本発」の価値や技術の生み出し方もあると感じた出来事でしたね。

相良:
そうですね。災害が多い日本だからこその発想もあると思っています。日本国土開発でも建物のエネルギー消費量を実質ゼロにする「ZEB(Net Zero Energy Building)」や「ZEH(Net Zero Energy House)」などの設計や施工に積極的に取り組んでいます。そこに太陽光などの再生可能エネルギーを導入する際、効率よく電気を貯めることができれば、脱炭素と同時に防災にも大きく役立ちます。
時信:
もし建物の足元にある「土」に蓄電できれば、再生可能エネルギーをさらに有効活用できます。電気代も下がり、防災拠点としての機能も高まり、結果として建物の価値そのものが向上する。ソイルバッテリ™を通じて、そういった新しい価値の生み出し方ができるのではないかと、今からワクワクしています。

日本国土開発のZEB/ZEHへの取り組み

「ZEB(Net Zero Energy Building)」「ZEH(Net Zero Energy House)」は、地球温暖化対策のために、省エネと創エネを組み合わせて、建物が消費する年間エネルギー消費量の収支をゼロにするための仕組み。日本国土開発では、最小限のエネルギーで快適性を実現する省エネ設計と、豊富なノウハウを活かした創エネ設計を組み合わせた省エネ建物の提案を行なっています。

後編に続く

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