水素燃焼エンジン、変動する輸送セクターでますます実用的に

CO2排出規制が世界的に強化される中、持続可能な輸送手段への探求は代替燃料として水素へと導きました。 

水素（H）は、温室効果ガスを排出せずに燃焼できるという特性から有望な選択肢として浮上しています。この可燃性元素は無色・無味・無臭で、比較的高いエネルギー密度を持ち、体積あたりに多くのエネルギーを含むため、車両の優れた燃料源となります。 

この最軽元素は、燃料電池を用いた電気自動車の動力源として、輸送セクターからかなりの関心を集めています。 検討されていますゼロ排出を実現するために。しかし、これは一体何なのでしょうか？

水素燃焼とは何か？

水素は化学元素であり、燃焼は燃料と空気の混合物からエネルギーを放出する化学プロセスです。液体または気体の形態であっても、水素の燃焼は力を生み出します。 

燃焼範囲が広いため、水素は燃焼に適しています。優れた燃費を提供し、自己着火温度が高いため、圧縮比を高く設定でき、燃焼時のエネルギー損失を減らします。さらに、最終燃焼温度が低いことで、排気ガス中の汚染物質の排出量が最小化されます。

このクリーン燃焼エンジンは実際に車両でどのように動作するのか？ 

水素は液体ガソリンとは異なり、ガスであるため、特別な燃料供給システムが必要です。そのために高圧貯蔵タンクが水素ガスを保持し、走行に必要な十分な燃料供給を確保します。 

一方、制御バルブはガスのエンジン吸気マニホールドへの流入を調整し、効率的な燃焼のために最適な空燃比を確保します。吸気プロセス中に燃料は空気と混合され、シリンダーに導入されます。

クリーンかつ効率的な燃焼を実現するには、適切な空燃比が必要です。水素燃焼エンジンは高度な燃料噴射システムを採用し、有害排出物を最小限に抑え、出力を最適化します。

ピストンが適切な燃料と空気の混合物を圧縮し、高エネルギーのスパークプラグが点火して燃焼が起こります。水素は急速に燃焼し大量の熱を放出するため、燃焼ガスは急速に膨張します。

これらの膨張ガスがピストンを押し、回転力に変換されこの力がクランクシャフトを通じて回転力となり、車輪を駆動して車両を前進させます。 

このプロセスは、水素燃焼エンジンが提供できる、よりクリーンでパワフルな走行体験を示し、持続可能な輸送の未来を約束します。 しかし、​水素内燃エンジン（HICE）​の​高速回転と高温​は​水素に適した素材、先進的なエンジン設計、革新的な燃料噴射技術によって​実現されています。

水素燃料電池とどのように異なるのか？ 

水素は利用されており輸送セクターでは、燃料電池と燃焼エンジンという二つの異なる方法で使用されています。どちらのプロセスもゼロカーボン燃料である水素を使用しますが、車両を駆動させる方法は異なります。

前述の通り、水素燃焼エンジンは水素を燃焼させて動力を生成し、従来のエンジンと同様です。ここでは水素が空気と混合され、制御された爆発を起こし、機械エネルギーを生み出して車両を駆動します。 

一方、燃料電池と水素車は、化学プロセスを通じて水素を電気に変換します。このプロセスでは、電気化学装置が水素と酸素を電気、熱、蒸気状の水に変換します。具体的には、水素を陽子と電子に分解して電気を生成し、その電気が車両を駆動する電動モーターを動かします。  

燃料電池車（FCEV）は低負荷時に効率が高く、これによりHICEは、主に大きな荷重を運ぶ大型トラックにとってより適した選択肢となります。対照的に、乗用車、バス、牽引車は通常低負荷で運転されるため、燃料電池の方が有利です。 

しかし、どちらも水素を利用するため、排出物は似通っています。燃料電池車は排出ゼロですが、水素燃焼エンジンはCO2をほぼゼロに近い微量しか排出せず、NOx（窒素酸化物）を生成する可能性があります。さらに、水素エンジンは低品質の水素でも動作できるため、特定の用途に適しています。

水素内燃エンジンは数十年にわたり使用されており、インフラの変更は不要です。そのため、車両メーカーにとっては既存技術を活用できるため、水素エンジンへの切り替えは比較的容易です。一方、燃料電池は軽量で静か、高効率が特徴で、蓄えられた水素エネルギーの最大60%を電力に変換します。

燃料電池は燃焼エンジンより低温で動作するため、火災や爆発のリスクが低くなります。しかし、比較的新しい技術であるため、燃料電池は水素燃焼エンジンに比べてコストが高くなります。

これは互いに競合しているという意味ではなく、HICEとFCEVは相補的な関係です。結局のところ、両者は同じ水素の製造・貯蔵・輸送・配布インフラを利用しており、輸送部門の排出ゼロ化に貢献しています。

水素燃焼の長所と短所を比較する

したがって、水素の利用は明らかに大きな利点がありますが、特に水素燃焼はどうでしょうか？前述の通り、主な利点はHICEの環境への影響です。 

これらのエンジンは主に水蒸気というクリーンな副産物を出すことで知られ、従来のガソリンエンジンに対して大きな優位性があります。温室効果ガス排出の削減に寄与するだけでなく、水素燃焼エンジンは熱効率が約45%と、ディーゼルエンジン（40%未満）やガソリンエンジン（30%未満）に比べてはるかに高いです。

HICEのもう一つの大きな利点は、既存の内燃エンジン技術を用いて構築できることです。そのため、追加のインフラや労働力の再教育は不要です。さらに、この元素はバイオマス、水の電気分解、天然ガスなど様々な源から生成でき、クリーンエネルギーへの需要増加に対応できることです。 

水素を燃料とする根拠は確かに強いですが、問題がないわけではありません。実際、水素燃焼エンジンは対処すべきいくつかの課題に直面しています。対処する必要があります。

まず、氷素タンクの大容量収納が必要であり、これが車両にかなりの重量を加えます。 これは当然、摩耗リスクが増大し、車両寿命が短くなります。また、燃料は燃えやすく、エンジン部品に危険が伴います。水素の取り扱いも容易ではなく、時間とエネルギーを多く要するプロセスです。

一方でエネルギー密度が低く、従来の燃焼エンジンに比べて出力が相対的に低くなります。ガソリンなどは圧縮比8:1が必要ですが、水素燃焼エンジンは40:1が必要で、これも課題です。さらに、これらのエンジンを大量生産することは高コストです。

水素が選ばれるのは低排出のためですが、燃焼エンジンはNOx排出を伴うため、炭素フットプリントが残ります。したがって、余熱や残留排出物をアフタートリートメントシステムで管理することが重要です。

水素車両に関する安全上の懸念についてはこちらをご覧ください。 

水素燃焼エンジンは未来か？

水素燃焼エンジン（HICE）は数十年にわたり存在しています。液体水素で運航する世界初の実験的商業航空機、ツポレフ Tu-155 は 1988 年に初飛行しました。 これはHICEが多くの人が考えるほど新しいものではないことを示しています。

長年にわたり広く採用されていないものの、HICEは最近、トヨタ、ボッシュ、ホンダ、カミンズ、ダイムラー、スズキ、ボルボなどの大手自動車ブランドから再び関心を集めています。航空分野でも水素燃焼の探求が進んでいます。例えば、エアバスは業界横断的なパートナーと協力し、ZEROe コンセプト機を開発しており、水素燃焼で運転できるよう設計されています。

輸送セクターで水素燃焼エンジンの利用への関心が高まっていますが、現在は電気自動車（EV）との激しい競争に直面しています。 

HICEはほぼゼロ排出ですが、EVは電力で駆動し、排気ガスはゼロです。また、EVは燃焼過程でエネルギー損失があるHICEに比べてエネルギー効率が高いです。 

EVは新たなインフラが必要ですが、充電ステーションの数は急速に増加しています。一方、水素の給油ステーションはまだ少なく、しかし水素車の給油は電気車の充電よりも速いです。 

電気自動車（EV）市場は約3840億ドルの価値がありました2022年に、水素内燃エンジン（HICE）の世界市場は現在2030年までに350億ドルに達すると予測されています。

自動車メーカーは現在、水素燃焼技術を試験していますが、EV技術の進展に比べて進捗は比較的遅いです。業界はコストなど多くの生産上の課題を克服する必要があり、当面はEVが輸送セクターを支配し続けるでしょう。しかし、HICEは近い将来、輸送燃料の重要な一部となり得ます。 

水素は単に燃料として無視できず、HICEは持続可能な輸送の未来において重要な役割を果たすでしょう。しかし、それを実現するには、政府の支援と技術の進歩が必要です。

水素が依然として将来の燃料である可能性についてはこちらをご覧ください。

HICE分野の最近の進展

過去10年間、脱炭素化は世界中の国や企業にとって極めて重要となっています。輸送セクターは世界の温室効果ガス排出の10%を占めており、特に重要です。 

パリ（COP21）とグラスゴー（COP26）の合意によれば、輸送推進技術はCO2を急速に削減する必要があります。そのためには効果的な解決策が必要ですが、すべての課題を解決できる単一の解決策はありません。さまざまな解決策を組み合わせることで、問題をより効果的に緩和できます。 これには現在の車両構造への変更が最小限で済む水素燃焼エンジンが含まれます。

(TSLA ) (GM )

論理的かつ非常に効率的な選択肢として、HICEは多くの関心と進展を見せています。最近、アルバータ大学の研究者は新しいコーティング材料を開発し、水素燃焼エンジンに有望であることが示されています。この新しい複合高濃度合金 AlCrTiVNi5 は、低膨張、高安定性、破断耐性、そして高温・高圧環境に耐える能力など、優れた熱機械特性を有しています。

新しいコーティングと既存の市販合金を比較した結果、研究者は AlCrTiVNi5 が「900℃で最大100時間の腐食環境に耐え」かつ「現在市場にある他のすべての合金を上回る」ことを確認し、これにより水素経済の発展への道が開かれました。

今月初め、トヨタは発表しました水素燃焼を実用化する取り組みの一環として、合成燃料、バイオディーゼル、ガソリン、そして水素で走行できる内燃エンジンを開発したと。これを実現するために、エンジニアは GR Corolla レースカーの 1.6 リッターエンジンを使用し、熱効率のバランス課題を克服しました。

トヨタのCEO、Koji Sato 氏によれば、水素は未来であり、同社は：

「カーボンニュートラリティの達成と、水素をクリーンで再生可能なエネルギー源として活用するための取り組みの一環として、このエンジンを開発しています。」

この水素に関する開発は世界中で進んでいます。昨年末、インド最大の自動車会社であるタタ・モーターズは、HICEの開発用エンジンテストセルと水素燃料の貯蔵・供給インフラを含む研究開発施設を公開しました。

今年、タタは米国の大手カミンズと提携し、インドに中型・大型商用車向け HICE の製造施設を建設しました。 これは昨年発表された合弁事業の後で、工場に4億2400万ドルを投資し、年間4,000台の H2 エンジンと10,000台のバッテリーシステムを生産する計画です。

水素燃焼エンジンを開発している企業

それでは、業界の大手企業をいくつか見てみましょう： 

#1. Honda

この自動車メーカーは、トヨタ、ヤマハ、カワサキ、スズキと共同で HySE（Hydrogen Small Mobility & Engine Technology）プロジェクトを通じて水素燃焼エンジンに積極的に取り組んでおり、HICE の可能性を探求しています。最初は技術の実現性に懐疑的でしたが、ホンダは 1.6 リッターの 4 気筒水素エンジン「HySE‑X1」を開発しました。 

ホンダは時価総額 561.88 億ドルの企業で、現在株価は 31.93 ドル（年初来 3.25% 上昇）です。売上高（TTM）は 1300 億ドル、EPS（TTM）は 7.37、P/E（TTM）は 4.33、配当利回りは 4.19% です。

#2. Toyota

この日本拠点の自動車メーカーは、数十年にわたり水素を燃料として使用しています。水素燃焼車両には GR Corolla H2 と GR Yaris H2 があり、トヨタはスーパータイクユ耐久レースにも参加し、車両開発を加速させています。先週、トヨタは水素を含むさまざまな燃料で走行できる新エンジンを披露しました。

トヨタは時価総額 3,140 億ドルの企業で、現在株価は 198.86 ドル（年初来 8.53% 上昇）です。売上高（TTM）は 2,870 億ドル、EPS（TTM）は 24.18、P/E（TTM）は 8.22、配当利回りは 2.45% です。

結論

水素燃焼エンジンは環境への影響低減、既存インフラの活用、高い熱効率という大きな利点を提供することは明らかです。しかし、HICE だけで持続可能な輸送を実現できるわけではありません。さまざまなソリューションを組み合わせることで、より安全な環境を実現できます。その中で、HICE は重要な役割を果たし、化石燃料からの転換を促進します。  (TMCV.BO ) (TMCV )

数十年にわたる未実現の可能性の後、再び関心が高まり、民間投資、政府支援、技術革新により、水素動力車がついに注目を浴びるようになりました。 

最近、水素がエネルギー源としてより魅力的になった要因についてはこちらをご覧ください。