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、ガスエンジンを水素で駆動できるようにする改良を特許取得しました。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、基本的に燃料に依存しません。水素、天然ガス、ディーゼルに対応しています。しかし、水素で使用すると、低からゼロ炭素燃料性能の最高形態となり、重機オフハイウェイ用途の脱炭素化を最適化して型破りな存在になります。
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。”
水素エンジンの具体的なケースを議論すると、直接噴射・リーンバーン燃焼方式で、400〜530馬力（298〜395 kW）と最大トルク2600 N·mを実現します。ゼロカーボンのグリーン水素から電力を得て、700バールの高圧大容量燃料貯蔵システムを使用でき、給油間の稼働時間を最大化します。
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の検証を受けています。2022年1月、主要な輸送・物流プロバイダーである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統合を開始することを決定しました。 decided to begin validating and integrating Cummins’ 15-liter hydrogen internal combustion engines in its vehicles.
CMI 価格チャート
Cummins reported its fourth quarter and full year 2023 results on February 6th, 2024. Fourth quarter 2023 revenues of $8.5 billion increased 10% from the same quarter in 2022, while revenues for the full year 2023 were $34.1 billion, 21% higher than 2022.
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。
開発について語る際、ヤマハモーター社長の秀樹秀雄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。 (TM )
BMW iX5 水素エンジン
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の性能を提供する燃料電池は、BMWグループのGen-5シリーズのeDrive技術と特別に開発されたバッテリーの革新的な組み合わせです。これらを組み合わせることで、最大285 kW（401 hp）の出力が可能になります。
BMWグループは、タービン付き高精度コンプレッサーや高電圧クーラントポンプなど、専用の水素部品の開発も担当しています。燃料電池の内部メカニズムは、タンク内の水素を大気中の酸素と反応させて電気を生成し、モーターを駆動します。BMW iX5 水素に搭載された2つのタンクは合計6kgのガスを保持でき、WLTPサイクルで504kmの走行距離を実現します。
BMWはiX5エンジンを、バッテリー電気自動車の充電よりも速い水素給油が将来の給油方式になると評価しています。
BMWの水素との関係は包括的です。グループのプラント物流は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、ボルボグループの通貨調整後純売上高は11％増の5,528億スウェーデン・クローナとなり、調整後営業利益は7,760億スウェーデン・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。
Reports suggest this engine can potentially solve all the problems of durability and large-scale viability that hydrogen engines have faced until now. The prototype is that of a 180-200 horsepower 2-liter hydrogen engine with torque and power curves comparable to the equivalent gasoline engines in size. The benefit is that the hydrogen engine does far better when it comes to fuel consumption. The engine can sustain high thermal efficiency throughout its operation by infusing hydrogen into the combustion chamber at a pressure of 30 bar.
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。
The company has also signed an agreement with W. L. Gore & Associates (Gore) to jointly develop advanced polymer electrolyte membrane (PEM) for hydrogen fuel cell systems. The PEM facilitates the transfer of protons between electrodes in the fuel cell. As the PEM blocks the direct combination of incoming hydrogen and oxygen, selective conduction of protons happens, and, in turn, an electrical current is generated to power a vehicle.
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。”
For the financial year 2023, Hyundai registered an annual revenue of 162,664 billion KRW, a more than 14% increase from its 2022 revenue of 142,152 billion KRW. In 2023, Kia registered a revenue of 99,808,420 million KRW.
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。
