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水素内燃機関2025-2045：用途、技術、市場の現状と予測Hydrogen Internal Combustion Engines 2025-2045: Applications, Technologies, Market Status and Forecasts 100年以上もの間、内燃機関は自動車部門の頂点に君臨してきた。自動車、バス、トラック、掘削機、船舶、航空機はすべて、燃焼の爆発力を利用し、ピストン、キャブレター、カムシャフト、フライホイール、ディ... もっと見る
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サマリー
100年以上もの間、内燃機関は自動車部門の頂点に君臨してきた。自動車、バス、トラック、掘削機、船舶、航空機はすべて、燃焼の爆発力を利用し、ピストン、キャブレター、カムシャフト、フライホイール、ディファレンシャル、ホイールなどのコンポーネントの高度な相互作用を通じてそれを運動に変換する複雑な機械に依存してきた。内燃エンジン（ICE）は長い間、自動車産業の要であったが、二酸化炭素排出量に対する懸念が高まり、「排出ガスを出さない」代替ソリューションを求める動きが活発化している。
バッテリー電気自動車は有望な代替案だが、それなりの欠点もある。
バッテリー電気自動車（BEV）は、バッテリーからの電気を利用してモーターを駆動し、優れたドライブトレイン効率とゼロテールパイプエミッションを実現するという、シンプルかつパワフルなセットアップで、自動車業界に根本的な変革をもたらす。特に乗用車市場におけるBEV販売の驚異的な伸びは、世界各国の政府がICEに終止符を打ち、生産終了の期限を設定したことに助けられている。しかし、BEVは、航続距離の制限、未発達のインフラ、高価なバッテリーの問題によって、まだ妨げられている。これらは改善されつつあるが、特に最も要求の厳しい自動車分野（建設や長距離トラック輸送など）では、依然として採用の障壁となっている。
業界はICEを維持しつつ、カーボンニュートラルを実現できるのか？
懸念が高まる中、代替ソリューションの探求は続いており、内燃機関を維持できる可能性を楽観視する業界関係者もいる。水素内燃機関（H2ICE）は、従来の燃料の代わりに炭素を含まない気体の水素を燃料として作動する。水素エンジンの歴史的ルーツは1800年代にさかのぼるが、これまでは実験的なプロトタイプが散見されるにとどまり、水素エンジンへの関心は縁の下の力持ちにとどまっていた。この技術への新たな関心は、輸送の脱炭素化の取り組みがH2ICEのブレークスルーにつながるかどうかという疑問を投げかけている。
H2ICEの前途に大きな課題
IDTechExのレポートでは、水素エンジンの燃焼プロセスについて徹底的な技術的検証を行い、水素の化学的特性が噴射戦略やエンジン運転モードにどのような影響を及ぼすかを、ゼロエミッションを維持するために窒素酸化物（NOx）生成を最小限に抑えるという課題に焦点を当てて探求している。本レポートでは、H2ICEにおけるNOx生成のメカニズムと原因について、排ガス処理のオプションとともに包括的な評価を行っています。空燃比は熱NOx生成に大きく影響し、H2ICEにおける希薄燃焼傾向の上昇を促進します。最新のディーゼル車用の現在の排ガス後処理システム（EATS）は、厳しいNOx排出基準を満たすためにますます複雑化・高度化しています。IDTechExは、三元触媒コンバーター、リーンNOxトラップ、尿素ドージングによる選択的触媒還元（SCR）など、H2ICE車用の様々なEATSオプションを評価してきました。実際のケーススタディは、これらの技術がH2ICEのNOxをいかに効果的に制限できるかについての洞察を提供します。
水素の化学的特性は、車両統合の課題となっている。
エンジン自体は従来のディーゼルやガソリンのICEと似ているかもしれないが、H2ICE車両に水素を貯蔵するとなると、大きな違いが生じる。水素は周期表の中で最も軽い元素であり、そのため重量1kgあたり膨大な量のエネルギーを封じ込めることができる。しかし、大きな課題となるのは体積エネルギー密度である。常圧・常温では、ディーゼルは気体水素と同等の体積の3000倍以上のエネルギーを含んでいる。
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また、H2ICEはFCEVよりも効率が低いため、燃料電池車よりも走行距離1kmあたりにより多くの水素を必要とする。H2ICE車両で意味のある航続距離を達成するためには、水素をよりエネルギー密度の高い形で貯蔵する必要があり、通常は350バールまたは700バールのタンクで圧縮する。さらに、単位体積当たりのエネルギー密度が高いことから、液体冷却水素や極低温冷却水素の使用も検討されているが、水素のボイルオフなど独自の大きな課題がある。IDTechExの分析によると、液体水素の場合でも、タンクや冷却装置を考慮しない場合、燃料だけに必要な体積エネルギーは、H2ICEの方がBEVよりもリットル/km走行で大きい。
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H2ICEの展望は？
このような課題を踏まえ、IDTechExは、乗用車、航空、非道路移動機械、貨物輸送を含む様々なセクターにおけるH2ICEの可能性と成功の可能性を徹底的に評価している。本レポートは、排出ガス、技術的・経済的なハードル（環境に優しい水素製造と流通コストを含む）、BEVやFCEVのような確立されたドライブトレインとの比較に言及し、水素ICEの洞察に満ちた分析を提供することを目指している。さらに、H2ICE車の成長が見込まれるセクターの市場予測や、他のセクターにおける水素の限られた将来についてのコメントも掲載しています。
主要な側面
本レポートは、水素内燃エンジンの性能と適用性について、批判的かつ現実的な評価を提供している。内容は以下の通り：
セクター別の紹介と展望
H2ICEの技術的側面
テールパイプ排出
燃料としての水素
市場予測
目次
Summary
この調査レポートは、2025-2045年の水素内燃機関について詳細に調査・分析しています。
主な掲載内容（目次より抜粋）
Report Summary
For over a century, internal combustion engines have reigned supreme in the automotive sector. Cars, buses, trucks, excavators, ships, and airplanes have all relied on complex machinery to harness the explosive force of combustion, translating it into motion through a sophisticated interplay of components including pistons, carburetors, camshafts, flywheels, differentials, and wheels. While internal combustion engines (ICEs) have long been the cornerstone of the automotive industry, mounting concerns about their carbon emissions have fueled a push for alternative "emissions-free" solutions.
Battery electric is a promising alternative, but brings its own drawbacks.
The battery electric vehicle (BEV) presents a radical shake-up of the industry with its simple yet powerful setup that harnesses electricity from a battery to propel a motor, resulting in superior drivetrain efficiencies and zero tailpipe emissions. The phenomenal growth of BEV sales, especially in the passenger car market, has been aided by governments across the world calling time on ICEs and setting deadlines for the end of their production. However, the BEV is still hampered by issues of limited range, underdeveloped infrastructure, and expensive batteries. These are improving but still present a barrier to adoption, particularly in the most demanding automotive sectors (such as construction and long-haul trucking).
Can the industry keep the ICE, but make it carbon-neutral?
Amid growing concerns, the quest for alternative solutions persists, with some industry players optimistic about the potential to sustain the combustion engine. Hydrogen internal combustion engines (H2ICE) operate on gaseous, carbon-free hydrogen instead of traditional fuels, offering nearly zero tailpipe emissions while leveraging existing engine architecture with some essential modifications. Despite its historical roots in the 1800s, interest in hydrogen engines had previously been on the fringe, with sporadic experimental prototypes. The renewed curiosity in this technology begs the question of whether the transport decarbonization efforts will lead to a breakthrough for H2ICE.
Big questions ahead for H2ICE.
The IDTechEx report offers a thorough technical examination of hydrogen engine combustion processes, exploring how hydrogen's chemical properties influence injection strategies and engine operation modes, with a focus on the challenge of minimizing nitrogen oxide (NOx) production to maintain zero-emissions integrity. The report provides a comprehensive assessment of the mechanisms and causes of NOx formation in H2ICE, along with treatment options for the exhaust gas. The air-fuel ratio significantly influences thermal NOx production, driving the rise of lean burn trends in H2ICEs. Current exhaust gas after treatment systems (EATS) for modern diesel vehicles are becoming increasingly intricate and advanced to meet stringent NOx emissions standards. IDTechEx has evaluated various EATS options for H2ICE vehicles, including three-way catalytic converters, lean NOx traps, and selective catalytic reduction (SCR) with urea dosing. Real-world case studies offer insight into how effectively these technologies can limit NOx in H2ICE.
Hydrogen chemical properties present a challenge to vehicle integration.
While the engine itself may bear a resemblance to a traditional diesel or petrol ICE with some modifications, big differences arise when it comes to storing hydrogen for H2ICE vehicles. Hydrogen is the lightest element in the periodic table, and as such an enormous amount of energy can be contained per kg of weight. However, it is the volumetric energy density that poses a major challenge. At ambient pressure and temperature, diesel contains over 3000 times the energy as an equivalent volume of gaseous hydrogen.
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An H2ICE is also less efficient than an FCEV, so requires more hydrogen per km traveled than a fuel cell vehicle. To achieve a meaningful range for H2ICE vehicles, hydrogen needs to be stored in a more energetically dense format, typically through compression in 350-bar or 700-bar tanks. Additionally, the use of liquid-cooled or cryo-cooled hydrogen is being explored, as it contains more energy per unit volume, although it brings its own significant challenges, such as hydrogen boil-off. Even with liquid hydrogen, the volumetric energy requirements for the fuel alone are greater in liters/km traveled than for H2ICE than a BEV when not considering the tank and cooling equipment required, according to IDTechEx analysis.
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What are the prospects for H2ICE?
In view of these challenges, IDTechEx thoroughly evaluates the potential and likelihood of success for H2ICE across various sectors, encompassing passenger cars, aviation, non-road mobile machinery, and goods transportation, each of which poses unique obstacles for decarbonization. The report seeks to provide an insightful analysis of hydrogen ICE, addressing emissions, technical and economic hurdles (including green hydrogen production and distribution costs), and comparisons with established drivetrains such as BEV and FCEV. Additionally, it includes market forecasts for sectors poised for H2ICE vehicle growth and offers commentary on the limited future of hydrogen in other sectors.
Key Aspects
This report provides a critical and realistic assessment of the performance and applicability of hydrogen internal combustion engines. This includes:
Introduction and Outlook by Sector
Technical Aspects of H2ICE
Tailpipe Emissions
Hydrogen as Fuel
Market Forecasts
Table of Contents
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