95021
大規模環境システム構築法
LARGE-SCALE ENVIRONMENTAL SYSTEMS

2 単位
実施形態 完全オンライン
開催日程 秋学期 金曜日６時限
担当教員 厳 網林:畑山 明聖:佐々木 史織:深潟 康二:岡野 邦彦:高橋 桂子:泰岡 顕治（ゲン モウ リン:ハタヤマ アキヨシ:ササキ シオリ:フカガタ コウジ:オカノ クニヒコ:タカハシ ケイコ:ヤスオカ ケンジ）
関連科目
開講場所 SFC
授業形態 講義、実習・演習
履修者制限
履修条件

No Special requirements.
使用言語 英語
連絡先 yan@sfc.keio.ac.jp
授業ホームページ
同一科目

学生が利用する予定機材/ソフト等

設置学部・研究科 政策・メディア研究科
大学院プロジェクト名

大学院プロジェクトサブメンバー

ゲストスピーカーの人数 0
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GIGAサティフィケート対象
最終更新日 2020/08/26 14:27:58

科目概要

環境システムとは人間社会と環境との間における、物質・エネルギー・情報の循環系である。現在では気候変動の影響により2030年には約7兆円/年の被害が発生するとの環境省調査結果が出るなど、地球環境問題・資源問題・エネルギー問題など複数の地球規模問題群に同時に解を与えるグローバル環境システムを構築することが人類共通の課題となっている
そこで、本科目では、まず、地球環境問題、資源問題、エネルギー問題の現状と将来を概観し、グローバルな地球環境変化と次世代地球観測システムの開発現状について概説する。同時に、国、地域レベルの環境問題、例えば、ヒートアイランド現象などを取り上げ、大規模数値シミュレーションにより、その解決策を探る。続いて、環境・資源・エネルギー問題の解決を目指し、現在、導入あるいは開発が進められている１）再生可能エネルギーシステム、２）革新的エネルギーシステムについて、その基本概念・構成、開発の現状を概説し、その役割を議論する。以上の講義をもとに、環境問題とエネルギー問題に同時に解を与えることが可能なエネルギーシステムの選択、あるいは、ベストミックスとは何かを、学生自らが考え、提案し、その技術的合理性と社会的合理性を総合的に議論する。
さらに、環境問題、資源問題、エネルギー問題の解決に向けて、リーダシップを発揮していくためには、上で取り上げた幅広い分野にわたる先端的なハードウエア・ソフトウエア技術に関する知識はもちろん、要素技術を一つ一つ積み上げ、統合化・最適化していく大規模・複雑システム構築のプロセスを自ら体験しておくことが重要となる。そのため、１）地球・地域環境システム、２）再生可能エネルギーシステム、３）革新的エネルギーシステムに関連する実習課題を複数提示する。学生は、自ら、その一つを選択し、最終目標あるいは設計仕様を設定し、段階的にこれをクリアし、その成果と問題点をまとめ発表する。このような実習により、大規模・複雑システム構築の基盤とその方法論を体得する。

This course gives an overview of the present status and future perspectives of global environment, resources, and energy problems. To obtain simultaneous solution for both environment and energy problems, we will consider and propose what is the optimum energy mix in the future.
The overall aspects, i.e., technical consistency/feasibility and social acceptability/policy making will be discussed by all of the participants in this course. To study technical aspects intensively, we will conduct 6
weeks exercise under close contact with advisory members of this course.

授業シラバス

主題と目標／授業の手法など

現在、我々人類が抱えている環境問題およびエネルギー問題に、同時に解を与えるためには、様々な空間スケール、時間スケールから問題を分析し、環境・エネルギーシステムを構築し、そのベストミックスを選択していかなければならない。
本科目は、そのような環境・エネルギーシステムの構築を、科学的合理性と社会的合理性との両面から、自ら考え、提案していくことができる学生を育てることを目標とする。この目標達成には、問題解決の糸口、あるいは、シーズとなる先端的なハードウエア技術・ソフトウエア技術について、単に総花的な議論に終わるのではなく、空間的・時間的スケールで階層化して、提示し、それをもとに、学生自らが、自分の考える環境・エネルギーシステムの将来像を提案し、議論する。
そのためには、学生自らの幹となるしっかりとした科学的・技術的基盤を有することが強く望まれる。そこで、本科目では講義のみではなく、演習に重点を置く。演習を通して、基盤学術・要素技術に対する自らの能力を磨くとともに、基盤学術・要素技術をシステムとして統合化していくプロセスを可能な限り経験してもらう。このような演習成果と問題点をまとめ、発表し、互いに異なる視点から議論することにより、科学的合理性と社会的合理性の両面を考え、大規模・複雑システムを構築するための方法論とプロセスを自ら経験させる。

○期待される教育効果：
実験とシミュレーションを組み合わせて実空間と仮想空間を連動させ、個々の技術システムを最適化しながら統合することにより、大規模環境・エネルギーシステムを構築するステップを着実に習得できる。その過程で、大規模システム構築に不可欠な力学、熱力学、流体力学、電磁気学などの基礎学力の確認、大規模システム構築のためのハードウエア・ソフトウエア技術の習得が期待できる。
　また個々人の行動を伴わなければ地球環境問題の根本的解決は困難であるため、環境技術システムにより獲得される社会基盤の改善や知見の集積を踏まえて環境影響を低減させる、意思決定支援システムや行動システムの変革が必要である。本科目ではこうした視点から科学的・技術的な合理性はもとより、社会的な合理性についても積極的に議論する。よって、本プログラム修了後にグローバル環境システムリーダーとして学界、産業界、行政、市民社会を先導できる、意識、知識、技能を備えた人材を養成する。

Environment system is defined by a circulating system of material, energy and information between human society and environment. The course is basically classified into three parts.
PART I : After giving an overview of the present status and future perspectives of global environment, resources, and energy problems, the focus is first placed on global climate change, earth observation system and related information and communication technology. Environment problem in regional/urban level is also discussed. For example, heat island problem is reviewed and possible solutions of this problem are explored and discussed by large scale numerical simulations.
PART II : The focus is placed on 1) renewable energy systems (wind system, solar system, etc.) and 2) innovative energy systems (Space solar power system, nuclear fusion plasma system), which are now being developed. Basic concept and system-configuration of these systems are described with their present problems and present status of development. Role of each energy/power system is also discussed by comparing their characteristic features and drawbacks. Being based on these understandings, it is requested that students themselves consider and propose what is the optimum energy mix in the future in order to obtain simultaneous solution for both environment and energy problem. The overall aspects, i.e., technical consistency/feasibility and social acceptability/policy making will be discussed by all of the participants in this course.
PART III : In order to take leadership for resolving environment, resources and energy problem, not only to extend the knowledge of key and advanced sciences, technologies and policy making, but also to experience basic processes to construct large and complex systems is very important for students. For this purpose, students are asked to conduct relatively long term exercise for a period extended 6 weeks under close contact with advisory members of this course. Several interesting exercises are provided for students related to the following areas/topics: 1) global/regional environment system (ex: Numerical simulation of heat island effect), 2) renewable energy system (ex. Basic design study of blade system for wind power system), 3) innovative energy system (ex. Basic and conceptual design study of fusion plasma). Students themselves should choose one of these exercises/problems and set a final goal or final design specification. At the end of the independent exercise, it is also requested for the students to summarize a report of their achievement, and to give a presentation at the final lesson. Throughout these processes, it is expected for the students to establish robust basis and to gain useful methodology for constructing large and complex environment systems.

This course will discuss on environmental and energy problems from various spatial and time scales in order to make a best mix energy society. Through the classes students will learn to think and propose the environment and energy system from both scientific and social rationality. In order to achieve this goal, we will not just end up with a comprehensive talkings on advanced hardware and software technologies, but stratify them on a spatial and temporal scale for students to build concrete image of future environment/energy systems by themselves with learnt knowledge and inspiration.
To that end, it is strongly desired that students have a solid scientific and technical basis that will serve as their own trunk. Therefore, in this subject, we focus on exercises, not just lectures. Through the exercises, students will be able to hone their abilities in basic science and elemental technologies and experience the process of integrating basic academic elements and elemental technology as a system as much as possible. Methodologies and processes for constructing large-scale/complex systems by considering both scientific rationality and social rationality by summarizing and presenting the results and problems of such exercises and discussing them from different perspectives. Let them experience themselves.

教材・参考文献

化学工学会　SCE・Net編. 新エネルギーのすべて　改定3版. 丸善出版, 2011.
Bjorn Lomberg.The Skeptical Environmentalist-Measuring the Real State of the World. Cambridge University press, 2001
R.W. Hockney, J.W.Eastwoo. Computer Simulation Using Particles. IOP publishing Ltd, Institute of Physics, 1988.
Thomas Lillesand, Ralph W. Kiefer, Jonathan Chipman. Remote Sensing and Image Interpretation. Wiley, 2007.
Paul Mather and MagalyKoch. Computer Processing of Remotely-Sensed Images: An Introduction. Wiley, 2011.
Tim Ormsby, Eileen J. Napoleon, Robert Burke and Carolyn Groessl. Getting to Know ArcGIS Desktop: Basics of ArcView, ArcEditor, and ArcInfo. Esri Pr, 2010.
Peter Newman, Timothy Beatley, Heather Boyer.Resilient Cities: Responding to Peak Oil and Climate Change. Island Press, 2009.
Mark Pelling. Adaptation to Climate Change: From Resilience to Transformation.Routledge, 2011.
Elinor Ostrom. Governing the Commons: The Evolution of Institutions for Collective Action (Political Economy of Institutions and Decisions). CambridgeUniversity Press, 1990.

提出課題・試験・成績評価の方法など

１）講義中に出題するショート・レポート、中間レポート
＊第８回目のために各自、エネルギーベストミックスの提案をレポートをまとめる。これを中間レポートとする。
２）実習課題レポートと最終成果発表
を総合して評価する。

Performance of students will be scored based on the following contents:

1) short reports and mid report during the first half of the semester
* at the 8th week, students are required to submit a proposal for the best energy mix.

2) Exercise report and final presentation

履修上の注意

授業計画

第1回 講義概要/Overview
[Overview]

気候変動・資源エネルギー問題・環境汚染問題などの現状を概観し、その解決を目指す大規模環境・エネルギーシステムの種類と基本概念、大規模環境システム構築の意義について説明する。また本講義の内容、進め方、実際に使用するツールの紹介、採点方法に関してガイダンスを行う。

The current situation of climate change, resource energy problems, environmental pollution problems, etc. will be reviewed, and the types and basic concepts of large-scale environment/energy systems aiming to solve them, and the significance of building large-scale environmental systems will be explained. Guidance will be given on the content of this lecture, how to proceed, introduction of tools actually used, and scoring method.

Hatayama:Okano

第2回 地球環境問題と地球環境観測システム/Global environmental problem and earth observation system
[Global environmental problem and earth observation system]

地球環境問題の根本的な解決のためには、人間活動により全球スケールの自然環境システムにどのような変化が起こっているのかを理解する必要がある。国レベル、地域レベルの環境維持・改善と同時に、グローバルな視点での問題への取り組みが不可欠となる。そこで、本講義では、まず、地球規模の環境問題群を解く基礎として、大気環境システムや陸域環境システムなど、地球環境システムの変化について理解を深める。また、地球環境問題の背景として、化石燃料などエネルギー資源の全人類的な利用の拡大が地球環境システムの変化にどのようにかかわっているのかを理解する。一方、問題解決の糸口として地球環境観測システムに着目し、各地で顕在化している地球環境システムの変化に応じた技術選定方法について理解する。

In order to fundamentally solve global environmental problems, it is necessary to understand what kind of changes human activities have caused in global and local natural environmental systems. At the same time as maintaining and improving the environment at the national and regional levels, it will be essential to address issues from a global perspective. Therefore, in this lecture, we will first deepen our understanding of changes in global environmental systems such as atmospheric environmental systems and terrestrial environmental systems as the basis for solving global environmental problems. Also, as a background of global environmental problems, understand how the expansion of humanity's utilization of energy resources such as fossil fuels is related to changes in the global environmental system. On the other hand, we will focus on the global environment observation system as a clue to solve problems, and understand the technology selection methods according to the changes in the global environment system that are becoming apparent in various places.

Wanglin Yan:Wanglin Yan

第3回 環境ICT技術システムの原理と応用
[Principles and applications of Geographic and Environmental Systems ]

地球環境観測システムと相補的な環境ICT技術システムとして、大量の地球環境観測データを高速に処理する大規模な処理システムが必要である。本講義では、地理情報システム（GIS）によって地球環境観測データを表現・管理・分析する原理を学ぶ。また、環境・エネルギー分野での活用事例を紹介する。なお、演習には汎用GISソフトウエアを用いる。

As an environmental ICT technology system complementary to the global environment observation system, a large-scale processing system that processes a large amount of global environment observation data at high speed is required. In this lecture, we will learn the principle of expressing, managing, and analyzing global environment observation data using the Geographic Information System (GIS). In addition, examples of utilization in the fields of environment and energy will be introduced. In addition, general GIS software is used for the exercise.

Sasaki:Sasaki

第4回 都市・地域環境のモデリングとシミュレーション
[Modeling and simulation of urban and regional environment]

地球温暖化や気候変動現象により影響を受けると考えられるヒートアイランド現象や都市型集中豪雨に適応するためのヒートアイランド、都市型集中豪雨および内水氾濫を再現および予測可能な詳細モデルに関して概説し、これを用いた大規模数値シミュレーションによる定量的な評価を基盤としたシナリオを提示することにより、ヒートアイランド現象や都市型集中豪雨の適応策を議論する。

We outline and describe detailed models that can reproduce and predict heat islands, urban concentrated heavy rainfall and inland floods to adapt to heat island phenomenon and urban concentrated heavy rainfall that are considered to be affected by global warming and climate change phenomena. We will discuss the adaptation measures for the heat island phenomenon and urban heavy rainfall by presenting the scenario based on the quantitative evaluation by the large-scale numerical simulation.

Takahashi:Takahashi

第5回 再生可能エネルギーシステム（１）/Renewable energy system (1)
[Renewable energy system (1)]

再生可能エネルギーの導入拡大は、地球温暖化対策に加え、資源の乏しいわが国では、エネルギー安全保障の観点でも重要と考えられる。そこで、第5回では、まず、各種の再生可能エネルギー導入の現状と課題について概説する。具体的には、１．枯渇性資源と再生可能エネルギー、２．再生可能エネルギー各論（太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電、バイオマス発電）、３．再生可能エネルギー促進政策について説明する。

In addition to measures against global warming, the expansion of the introduction of renewable energy is considered to be important from the perspective of energy security in Japan, where resources are scarce. Therefore, in the 5th session, we will first give an overview of the current status and challenges of introducing various types of renewable energy. Specifically, 1. Exhaustible resources and renewable energy, 2. Renewable energy theory (solar power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, geothermal power generation, biomass power generation), 3. Explain renewable energy promotion policy.

Ueda:Ueda

第6回 再生可能エネルギーシステム（２）/Renewable energy system (2)
[Renewable energy system (2)]

再生可能エネルギー導入拡大には、導入促進政策と同時に、スマートグリッド技術開発、すなわち、「従来からの集中型電源と送電系統との一体運用に加え、情報通信ネットワークにより分散型電源やエンドユーザーの情報を統合・活用して、高効率、高品質、高信頼度の電力供給システムの実現」を目指す必要がある。スマートグリッド技術の現状と将来を概観すると同時に、ＣＯ２排出量、コストなどを評価関数とした再生エネルギーシステムと運輸エネルギーの電動化との最適化シミュレーションの実例などを提示し、環境問題へのインパクト、最適電源構成などについて議論する。

In order to expand the introduction of renewable energy, at the same time as the introduction promotion policy, smart grid technology development, that is, "In addition to the conventional integrated operation of the centralized power source and the transmission system, To realize a highly efficient, high-quality, highly reliable power supply system”. While presenting an overview of the current and future of smart grid technology, we also present examples of optimization simulations of renewable energy systems and electrification of transportation energy using CO2 emissions, costs, etc. as evaluation functions, and their impact on environmental issues. Discuss optimal power supply configuration.

Okano:Okano

第7回 革新的エネルギーシステム技術開発の現状と可能性/
[Innovative energy system]

これまでの回で学んだ内容や3.11で明らかになった軽水炉発電プラントの問題点などを鑑みるに、クリーンで安全かつ安定にエネルギーを供給する革新的な技術を実用化していかなければ、環境問題やエネルギー問題と、グローバルな経済発展を長期的に継続することはかなり難しい。また、大量の化石エネルギーを消費することで経済発展を遂げてきた我国は、このようなエネルギー・環境技術における革新を中心となって推進する道義的義務を負っているとも言える。第7回では、宇宙太陽光発電、核融合発電など実用化にはまだ開発要素が多く残るが、実現すればその効用が極めて大きいとされる革新的システムを取り上げ、大規模数値シミュレーションに基づく次世代設計手法の研究開発の実例を紹介し、その現状と可能性を議論する。

In light of what we have learned so far and the problems with light water reactor power plants that became clear in 3.11, we need to put innovative technology that supplies clean, safe and stable energy into practical use. Energy problems and global economic development are difficult to sustain in the long run. It can also be said that Japan, which has achieved economic development by consuming a large amount of fossil energy, has a moral obligation to promote such innovations in energy and environmental technologies as a center. In the 7th session, there are still many development factors for practical use such as space solar power generation and fusion power generation, but if we realize it, we will take up an innovative system that will have a great effect, and based on a large-scale numerical simulation, We will introduce examples of research and development of generational design methods and discuss the current situation and possibilities.
 

Okano:Okano

第8回 大規模環境・エネルギーシステム選択のための政策決定/
[Policy making for the optimum environment and energy system]

以上の講義をもとに、地球環境問題と資源・エネルギー問題とに同時に解を与えることが可能な大規模環境・エネルギーシステムの選択、あるいは、ベストミックスとは何かを、学生自らが考え、提案し、その技術的合理性と社会的合理性を総合的に議論する。

Based on the above lectures, students themselves think about the choice of a large-scale environment/energy system that can simultaneously solve the global environment problem and the resource/energy problem, or what is the best mix, Propose and discuss technical and social rationality comprehensively.

Wanglin Yan/Shiori Sasaki:Shiori Sasaki

第9回 大規模・複雑システム構築基礎実習:1/Excercise
[Excercise]

本科目では、第8回目までの講義と同時に、演習・実習を経験し、大規模環境・エネルギーシステム構築のプロセスと方法論を学ぶ。演習・実習課題は、第8回目までに学んだ１）地球環境観測システム、２）地域環境システム、３）再生可能エネルギーシステム、４）革新的エネルギーシステムに関連する複数の課題の中から、一つを選択し、システム構築に必要な基礎学術習得、システム概念構築とモデリング、計算機シミュレーションあるいは実験実習を行い、システムの成立性、環境へのインパクトを議論する。
初回（第9回〕に、各課題の概要説明に引き続き、各自、課題選択、最終目標設定を行い、以後、担当教員、TAの指導の下、4週間にわたり実習を継続しておこなう。

In this course, at the same time as the 8th lecture, students will experience hands-on practice and practice, and learn the process and methodology of large-scale environment/energy system construction. One of the exercises/practices that was learned up to the 8th was one of the following: 1) Global environment observation system, 2) Regional environment system, 3) Renewable energy system, 4) Innovative energy system. Select one of them, learn basic science necessary for system construction, system concept construction and modeling, computer simulation or experimental training, and discuss the feasibility of the system and its impact on the environment.
At the first time (9th), following the overview of each assignment, each participant will select the assignment and set the final goal, and then continue the practical training for four weeks under the guidance of the instructor and TA.

All staff:All staff

第10回 大規模・複雑システム構築基礎実習:2/Excercise
[Excercise]

チーム別演習

by team

All staff:All staff

第11回 大規模・複雑システム構築基礎実習:3/Excercise
[Excercise]

チーム別演習

by team

All staff:All staff

第12回 大規模・複雑システム構築基礎実習:4/Excercise
[Final presentation]

チーム別演習

by team

All staff:All staff

第13回 大規模・複雑システム構築基礎実習:5/Excercise
[additional training if necessary]

チーム別演習

by team

All staff:All staff

第14回 大規模・複雑システム構築基礎実習:6/Excercise
[additional training if necessary]

上記、実習の成果と問題点をまとめ発表を行う。

All staff:All staff

第15回 最終報告会
[additional training if necessary]

15回目に相当するその他の授業計画

* 最終レポート発表 (Final Report Presentation)* 上記、実習の成果と問題点をまとめ発表を行う。科学的・技術的成立性はもちろん、社会的合理性についても議論し、評価する。