エネルギー
型破りな5つの水素燃焼エンジン
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水素燃焼は、最も有望な燃料オプションの一つとして浮上しており、環境価値と性能の両面で大きなメリットを提供します。設計レベルでは、これらのエンジンは40年以上前にさかのぼります。
1970年、発明家ポール・ディーゲスは、内燃機関を水素で駆動できるようにする改良の特許を取得しました。それ以来、この技術は車両、乗用車、バスを動かす能力において大幅に進歩しました。その潜在力は非常に大きく、将来の商業航空機も水素を主要燃料として採用する可能性があります。
水素燃焼エンジンでは、液体または気体の水素が改良されたガスタービンエンジン内で燃焼し、推力を生み出します。このプロセスは従来の内燃機関と似ていますが、化石燃料の代わりに水素が使用されます。
使用と重要性が高まる中、どの水素燃焼エンジン（HCE）が最も期待できるかについての憶測が飛び交っています。以下のセクションでは、型破りな5つの水素燃焼エンジンを紹介します。
Cummins 15リットル 水素エンジン
Cumminsの15リットルエンジンプラットフォームは、基本設計を共有しながら異なる燃料に対応します。水素、天然ガス、ディーゼル向けの仕様があります。水素仕様は、低炭素・ゼロ炭素燃料への対応能力を発揮し、大型オフハイウェイ機器の脱炭素化を進める革新的な選択肢となります。
その専門性について語る際、Cumminsのグローバルオフハイウェイエンジン事業部副社長であるアントニオ・レイタオは次のように述べました：
“Cumminsの全く新しいプラットフォームは内燃機関を新たなレベルへと引き上げ、EPA Tier 5やEU Stage 6といった将来の超低排出基準を満たすだけでなく、低からゼロ炭素燃料性能により、建設や採石場を脱炭素化への低コストパスに導きます。15リットルは、よりコンパクトな設置スペースで出力密度が大幅に向上し、機械メーカーが機械でより多くのことを実現できるようにします。”
水素エンジンは直接噴射・希薄燃焼方式を採用し、400〜530馬力（298〜395 kW）、最大トルク2600 N·mを発揮します。ゼロカーボンのグリーン水素を燃料とし、700バールの高圧・大容量燃料貯蔵システムにより、給油までの稼働時間を最大化できます。
このバージョンは2027年までに本格的に生産される見込みです。同社は15リットルと6.7リットルの排気量でこれらのエンジンを製造する予定です。
このエンジンは初期段階から業界関係者による検証を受けてきました。2022年1月、主要な輸送・物流企業であるWerner Enterprises (WERN )（Nasdaq: WERN）は、Cumminsの15リットル水素内燃エンジンの 検証と車両への導入を開始することを決定しました。
CMI 価格チャート
Cumminsは2023年第4四半期および通期の業績を発表しました 。発表日は2024年2月6日です。2023年第4四半期の売上高は85億ドルで、2022年同期比10%増加しました。2023年通期の売上高は341億ドルで、2022年比21%増でした。
ヤマハの5.0リットル V8 100% 水素駆動エンジン（トヨタ向け）
トヨタ自動車はヤマハモーターに将来の水素エンジン開発を委託しました。川崎重工業、スバル株式会社、トヨタ自動車、マツダ株式会社、ヤマハモーターの5社は、炭素中立に適した内燃エンジンの燃料オプションの探索と拡大を目的に共同研究を行うことに合意しました。
開発について、当時のヤマハ発動機社長である日髙祥博氏は次のように述べました：
“水素エンジンは炭素中立になる可能性がありながら、内燃エンジンへの情熱を維持できます。異なる企業文化や専門分野を持つ企業と提携し、パートナー数を増やすことが、私たちが未来をリードする方法です。”
エンジンの公開イベントでは、5.0リットルV8はレクサスRC Fラグジュアリースポーツクーペの5.0リットルエンジンをベースに、インジェクター、シリンダーヘッド、吸気マニホールドなどを改良したものと見られました。このエンジンは6,800rpmで最大450馬力、3,600rpmで最大540Nmのトルクを発揮できます。高性能な5.0リットル 90度 V8 DOHC 32バルブエンジンは、ヤマハによって水素使用に改造されました。
2023年の年次報告書によると、ヤマハはグループ全体で4514億円の連結売上高と、459億円のコア営業利益を記録しました。
BMW iX5 Hydrogenの燃料電池システム
BMWは2023年から将来の車両のテストを行っています。最高45℃の温度、砂塵、様々な勾配、湿度変動など、すべてをテストしました。また、同社は水素燃料電池技術が極低温でも日常使用に適していると評価しています。
具体的には、BMW iX5 水素の燃料電池システムは安定して125 kW（170 hp）の高出力を提供できます。
トヨタ自動車はBMWグループ向けに個別セルの製造を委託されています。BMWグループのランドシュト工場はスタックのケースを製造し、これは二段階製造プロセスの第2段階です。第1段階ではセルを積層し、他の部品を組み立てます。
125 kW/170 hpを発揮する燃料電池に、BMWグループの第5世代eDrive技術と専用に開発されたバッテリーを組み合わせています。駆動システム全体の最大出力は295 kW（401 hp）です。
BMWグループは、タービン付き高性能コンプレッサーや高電圧冷却ポンプなど、水素システム専用部品の開発も担当しています。燃料電池では、タンクの水素を大気中の酸素と反応させて発電し、モーターを駆動します。BMW iX5 Hydrogenの2つのタンクは合計6kgの水素を貯蔵でき、WLTPサイクルで504kmの航続距離を実現します。
BMWは、水素の充填がバッテリー電気自動車の充電より速いことから、iX5の水素システムを将来のエネルギー補給方式の一つと位置づけています。
BMWの水素との関係は包括的です。グループの工場内物流は2013年からガスを使用しています。また、ドイツ初の屋内水素ステーションをライプツィヒ工場に設置した企業でもあります。ライプツィヒ工場のペイントショップでも、車両生産における水素利用のパイロットが行われています。
2023年、BMWグループは約1555億ユーロの年間売上高を報告し、2022年の約1430億ユーロから9％増加しました。
ボルボの高圧直接噴射（HPDI）技術搭載水素燃焼エンジン
ボルボのトラックに搭載予定の水素燃焼エンジンは高圧直接噴射（HPDI）技術を採用し、少量の点火燃料を高圧で噴射することで、水素が追加される前に圧縮着火を可能にします。この技術の多くの利点の一つは、燃料消費を抑えつつ高いエネルギー効率を維持できることです。エンジン出力が損なわれないことが保証されます。
ボルボグループはすでにWestport Fuel Systems (WPRT ) とHPDI技術を活用した合弁事業の協定を締結しており、2024年第2四半期に稼働開始する見込みです。
ボルボトラックの製品管理・品質部門責任者であるヤン・ヘルムグレンは、ボルボの水素エンジン戦略について次のように語っています、
“従来の内燃エンジンを搭載しながら水素で走るトラックは、ディーゼルトラックと同等の性能と信頼性を保ちつつ、走行全体で実質的にゼロCO2排出という利点があります。これらは、数年にわたり市場に出ているバッテリー電気トラックの有益な補完となります。”
水素燃焼エンジンを搭載したボルボトラックの顧客テストは2026年に開始され、これらのトラックは本年代末に商業化される予定です。
HPDI技術は、将来の輸送システムのあり方に変革をもたらす要素です。欧州のEuro 7や米国EPAといった規制要件を満たすための課題に、世界のトラックおよびオフロード機器メーカーが対応できるようにします。
二重同心ニードル設計のインジェクターはCO2排出量を97％削減できます。そのため、この技術を搭載したトラックは新しいEU CO2排出基準に基づき「ゼロエミッション車」と分類されます。エンジンは窒素酸化物や粒子の排出も極めて少量です。
2023年、ボルボグループの為替変動の影響を除いた純売上高は11%増加し、報告純売上高は5,528億スウェーデン・クローナとなりました。調整後営業利益は776億スウェーデン・クローナに改善しました。
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キアとヒュンダイの共同開発による水素燃焼エンジン
先駆的な動きとして、韓国の自動車大手であるキアとヒュンダイが水素燃焼エンジンの設計で提携しました。このエンジンは2025年までに乗用車向けに実用化される可能性があります。
報道によると、このエンジンは 水素エンジンの課題を 解決できる可能性があります 。課題とは、これまで水素エンジンが直面してきた耐久性と大規模な実用化に関するものです。試作機は180〜200馬力の2リットル水素エンジンで、同排気量のガソリンエンジンと同等のトルク・出力特性を備えています。一方、燃料消費の面では水素エンジンが優れています。30バールの圧力で燃焼室に水素を噴射し、運転全域で高い熱効率を維持できます。
エンジンの生産を拡大するため、ヒュンダイとキアは複数のベンダーと提携しています。例えば、カナダの水電解技術を専門とするNext Hydrogen Corporationと覚書を締結しました。アルカリ水電解システムの開発により、ヒュンダイとキアにとってクリーン水素の価格競争力が向上します。
両社は協定も締結しました 。W. L. Gore & Associates（Gore）と共同で、水素燃料電池システム向けの高性能高分子電解質膜（PEM）を開発します。PEMは燃料電池内で電極間のプロトン移動を促します。水素と酸素の直接的な混合を防ぎながらプロトンを選択的に通すことで、車両を駆動する電流が生じます。
ヒュンダイ自動車とキア株式会社のバッテリー開発・水素・燃料電池開発部門長であるチャン・ファン・キムによれば：
“我々はGoreとのパートナーシップの次の章に突入します。15年にわたる協業を活かし、先進的な燃料電池技術を取得し、燃料電池電気自動車市場をリードして、持続可能な未来への動きを加速させます。”
2023年度について、ヒュンダイの年間売上高は162兆6,640億ウォンで、2022年の142兆1,520億ウォンから14%以上増加しました。 2023年、キアの売上高は 99兆8,084億2,000万ウォンでした。
水素燃焼エンジンの未来はかつてないほど有望です
乗用車からトラックまで、世界の主要自動車メーカーはすべて、炭素中立で持続可能なグリーンな未来のために水素燃焼エンジンを最適な選択肢にするべく、可能な限りの資源と研究を投入しています。
クリーンな環境を提供するだけでなく、これらのエンジンは他にも多くの点で優れています。例えば、EVに共通する重いバッテリーパックが不要です。水素から電気への変換スタックは、同等の航続距離を持つパワートレインのリチウムイオンバッテリーよりもコンパクトで軽量です。水素燃焼エンジンの給油はわずか3〜5分で完了し、エネルギー密度はバッテリーの少なくとも3倍で、1回の給油で多くのEVの2〜3倍の走行が可能です。
ここでは、型破りとされるカテゴリの主要エンジンタイプをほぼすべて検討する機会がありました。将来は、さらに多くの最先端イノベーションで満ちていると期待できます。
