トヨタが水素エンジン車のカローラで、パフォーマンス性能の向上や、水素の充填に必要な時間を大幅短縮するなど様々な改善を見せ、
さらに、この水素エンジン搭載カローラが市販車バージョンとして発売される可能性が報道されましたが、
水素エンジン車が改善することができない、デメリットにつながる物理法則についてを徹底的に解説します。
水素エンジン車と水素燃料電池車の違い
まず、今回の水素エンジン車に関してですが、
水素を燃料として、空気中の酸素と反応させ、燃焼させることによってピストン運動を発生させ、タイヤを動かすという原理であり、
つまりこの原理というのは、ガソリンを燃料とするガソリン車とほぼ同じ原理となっていますので、
今までのガソリンエンジンの技術を流用することができる部分が存在するため、
特に、これまでガソリンエンジンの開発に従事していた技術者、
さらには、工業品の中で最も複雑な機構を持つとされる内燃エンジンの、様々なパーツを生産する下請けメーカー、
そして、それを組み立てる従業員を、今まで通り雇用することができるという意味において、非常に世間からの期待が高い、
もちろん開発主体であるトヨタに関しても、非常に注力しているパワートレインの種類であります。
そして、こちらの水素エンジン車とともに、同じく水素を動力源として、酸素と反応させて走行することができるもう一つのパワートレインが、
水素燃料電池車、通称FCEVとなっていて、
こちらに関しては、水素と酸素を反応させるというところまでは同じであるものの、
その反応によって燃焼させるのではなく、電気と水を生成するという点であり、
その電気をバッテリーに充電しながら走行するという原理となりますので、
簡単に言ってしまえば、車の中に超小型の発電所を搭載しているとイメージしていただくのが良いと思います。
よって、水素燃料電池車については、電気を生成して走行するという意味において、
実は日産リーフやテスラなどの、外部から充電して、バッテリーに貯められた電力のみで走行する完全な電気自動車と、非常に似通った原理ですので、
電気自動車の一種と認識するとわかりやすいのかもしれません。
水素エンジン車は大気汚染物質を排出します
つまり、水素燃料電池車の方であれば、電気と水のみが生成され、排出されるのは水のみとなりますので、
完全な電気自動車と全く同様に、走行中にCO2を一切排出しないゼロエミッションカーということになるわけですが、
対する今回フォーカスしたい水素エンジン車というのは、内燃エンジンにおいて水素を燃焼させて動力を得ますので、
エンジンオイルを燃焼させることによる、わずかながらCO2が発生してしまうこともさることながら、
何と言っても、CO2だけではなく、窒素酸化物であるNOx、つまり大気汚染物質はどうしても排出してしまうわけであり、
こちらのNOxに関しては、特に喉や気管、肺などの呼吸器に悪影響を与えますので、
何れにしても、現在世界的にCO2をはじめとする排気ガスを規制するという流れの中において、
そもそも原理的に普及の見込みが、極めて厳しいのが水素エンジン車である、ということなのです。
パワーも充填時間も大幅改善！
そして、トヨタが推進している前途多難な水素エンジン車について、今回新たに明らかになってきていることというのが、
9月中に開催された、水素エンジンを搭載したカローラでのモーターレースにおいて、
今までの性能を大きく上回る水素エンジンカローラのスペックを達成してきたということで、
実は、今年である2021年の5月に初めてレース参戦した水素エンジンカローラに関しては、
まずはその最大出力や最大トルクといった、車両のパワー面で、既存のガソリン車と比較してもパワー不足感が否めなかったわけですが、
今回の鈴鹿サーキットに持ち込まれた、最新の水素エンジンカローラに関しては、
同じく鈴鹿サーキットを走行していたGRヤリスと全く同様の、
最大出力が200kW、最大トルクも370ニュートンにまで引き上げることに成功したため、
レーシングカーとして、また一歩課題を克服してきた格好となりました。
さらにその上、肝心要の水素を充填する時間に関しても、
5月に開催されていた富士スピードウェイにおけるレースの際は、その充填時間がおおよそ5分程度かかっていたのに対して、
今回の鈴鹿サーキットにおいては、なんとおおよそ2分程度と、たったの数ヶ月間で、半分以下にまで短縮させることに成功しましたので、
この点については、トヨタが水素エンジン車の開発に多額の資金を投入しているからこそ、
この短期間で技術の進歩が進んでいる、というわけなのです。
ブルー水素活用でLCA全体のカーボンフリーを目指す
また、今回使用された水素に関しても、カーボンニュートラルを意識した調達方法を採用していて、
そもそも論として、我々日本が目指している水素社会の実現のために、水素はいったいどのような調達方法を計画しているのかというと、
現状オーストラリアで採掘される褐炭由来の水素を採用するということで、
こちらは、その生成由来から、いわゆるブラウン水素と命名されるわけですが、
しかしながら、このブラウン水素をはじめとして、それ以外の天然ガスから生成されるグレー水素、石炭から生成されるブラック水素などというのは、
全て、その水素生成段階においてCO2を排出してしまっているという、致命的な問題を抱えており、
つまり、水素エンジン車に当てはめて考えてみれば、
走行中についても微量のCO2、および大気汚染物質であるNOxを排出してしまいながら、
その動力源である水素を生成する際にも、CO2を排出してしまっていて、
そのグレー水素やブラウン水素などの、CO2を排出して生成される水素の割合は、現状95％という圧倒的マジョリティを占めてしまっている、というわけなのです。
そして、この問題に対処するために、現在目下研究が進められているブルー水素という、新たな水素生成方法が存在するわけなのですが、
こちらは、先ほどのグレー水素をはじめとして、CO2を発生させてしまう水素生成方法であることには変わらないのですが、
ポイントは、その排出されてしまったCO2を回収し、それを地中に貯蔵してしまうという、
いわゆるCarbon Capture, Utilization & Storage、略してCCSによって、実質のCO2排出量をゼロにすることができるというものなのです。
したがって、今回の鈴鹿サーキットにおける水素エンジンカローラで使用されていた水素というのは、オーストラリアで褐炭から生成されたブラウン水素ではなく、
CCS処理を施していることによって、ブルー水素でありますので、CO2排出量を実質ゼロにすることができている、
故に、今回トヨタがアピールしている、水素のつくる・つかう・はこぶ、という観点においても、
カーボンニュートラルを達成していくという試みに挑戦している、ということですね。
道楽のための開発は異論なし。だが、、、
このように見ていくと、トヨタが主張する全方位的なカーボンニュートラル戦略、
特にモータースポーツにおいて、いかにしてエンジンを残すことができるのかという観点で、
水素エンジン車というパワートレインの研究開発を、実際のレースに参戦しながら加速させ、
実際に、当初の問題点を少しづつ潰してきているという点については、
もうこのような新たなテクノロジーを、一から研究開発していける体力が残されている企業など、日本にはトヨタくらいしか残されていないとは感じますので、
モータースポーツという、ある種の道楽のための研究開発という観点では、
一民間企業として、研究開発を進めていけばいいとは思います。
しかしながら、今回の水素エンジン車を、我々一般人が実際に所有するということは、
脱炭素化という観点においても、そして何より実用面という観点においても、極めて不可能であるという、
厳しいながら、そろそろ直視すべき現実であるという点は、押さえておかなければなりませんので、
ここからは、トヨタが開発を続けている水素エンジン車に関する、
一般ユーザーが所有することが難しい構造的な問題についてを、徹底的に取り上げていきたいと思います。
2人乗りのカローラ、乗りたいっすか？
まずはじめに、冒頭説明したように、水素エンジン車というのは、水素をエネルギー源として走行するため、
その水素を貯蔵するための水素タンクを搭載しなければならないのですが、
今回の水素エンジンカローラには、いったいどこに水素タンクを積んでいるのかといえば、
なんと後席部分をほぼ全て潰して、合計4本もの水素タンクを搭載しているのです。
というのも、水素燃料電池車の方である、同じくトヨタから発売されている新型ミライに関しては、
水素エンジンカローラよりも車両サイズがかなり大きいため、その分水素タンクをなんとか収納することに成功しているのですが、
それでも新型ミライの水素タンクは3本、
しかしながら、今回の水素エンジンカローラにおいては、ただでさえCセグメント級の車両サイズでありながら、
さらに、水素タンクを4本も搭載しなければならず、
実は、水素エンジン車の燃費性能は極めて悪く、
サーキット走行状態という燃費性能においては最悪のコンディションながらも、満充填あたり、たったの50km程度しか走行することができないのです。
よって、水素エンジン車については、その航続距離を少しでも稼ぐために、
水素燃料電池車よりもさらに多くの水素タンクを搭載することによって、その問題に対処しようとしているわけで、
確かにモーターレース用の車両であれば、別に後席部分を完全に潰してしまうことによって、
水素タンク搭載スペースを確保することは容易なわけですが、
問題は、カローラのサイズ感のセグメントで、果たして2人乗りを許容し、
しかもその航続距離も、今後の技術革新を楽観的に見ても数百キロしか走行することしかできない、
この水素エンジン車を購入するユーザーが、いったいどこまで存在するのか、
その一般ユーザーに対する販売という観点で、疑問視せざるを得ないのではないでしょうか？
車内スペースという実用性でも厳しい
また、この水素タンクによる車内空間の制約という点は、水素燃料電池車についても全く同様であり、
水素燃料電池車である新型ミライのラゲッジスペースは、272Lというサイズ感にとどまっているのに対して、
例えば完全電気自動車であり、満充電あたりの航続距離というスペックや値段設定という観点で似通っている、テスラモデル3は542Lと、
その差は雲泥の差でありますし、さらに新型ミライの場合、後席のセンタートンネル部分に、その水素タンクを通していることによって、
5人乗りというスペックではありますが、真ん中に乗車する方の快適性は見ただけでも厳しいものであると想像できますが、
電気自動車であるモデル3に関しては、もちろんセンタートンネルが存在せず、
その居住性も大きなメリットとなっていますので、
この水素タンクによって、どうしても物理的な制約を強いられてしまうという点は、
最も顕著な水素エンジン車だけにとどまらず、水素タンクを搭載している水素燃料電池車についても全く同様である、ということですね。
水素タンクは15年で使用不可となる衝撃
ちなみに、その水素を貯蔵する水素タンクについてさらに駄目押ししてしまうと、
安全性の観点から、定期的に点検が必須であり、
しかもこちらは、通常の車検とは別に実施しなければならず、
さらにその上、製造されてから15年経過すると、その水素タンクは使用が不可になる、
つまり、基本的にはミライを廃車しなければならない、ということになりますので、
この点も、ほとんどのメディアが触れようともしない、水素燃料電池車の不利な部分であるとは思いますが、
それに対して、完全な電気自動車はというと、
すでに、複数のバッテリーサプライヤー、および電気自動車メーカーが、
航続距離100万km以上を耐用できる、高寿命のバッテリーを発売済みでもありますので、
基本的にはバッテリーを交換することはありませんし、
しかもその上、電気自動車は、既存の内燃機関車と比較しても、部品点数が圧倒的に少ないということも相まって、
そのハード面の不良が圧倒的に少ないという面も持ち合わせてもいますので、
次世代車としてよく比較される、水素と電気というパワートレインを比較すればするほど、
やはり水素タンクというパーツを筆頭に、その複雑な構造が、
特に今回フォーカスしている、一般ユーザーに対する販売という観点で、やはり大きなハンデとなってしまう、ということなのです。
水素燃料電池車の効率性はEVの半分以下？
次に、今回の水素エンジン車をはじめとする水素車両について、水素タンクによる実用性という観点だけでなく、
今後の脱炭素社会のための、環境性能についても指摘しなければならない点が存在し、
まずこちらの、再生可能エネルギーで生成された電力を使用した場合の、実際に車両側で使用されるまで、
つまり、いわゆるWell to Wheelsである一連のエネルギー変換効率を、
世界最大の自動車グループであるフォルクスワーゲングループが調査した結果を見ると、
完全電気自動車は、トータルで76％という効率を達成しているのに対して、
水素燃料電池車の場合、発電された電力を使って水を電気分解し、
その分解された水素を超高圧に圧縮し、－253度という超低温状態に液化し、
特に日本市場においては、オーストラリアで水素を生成していますので、それを実際に充填する水素ステーションまで船で輸送し、
しかも日本に輸入してから、日本全国各地、津々浦々の水素ステーションにまで水素配送トラックで輸送し、
さらに、その水素を水素燃料電池車に充填するために、液化状態の水素を気化させ、
およそ700気圧にまで、さらに電気を使って圧縮し、
しかもその圧縮によって温度上昇してしまった水素を、また-40度程度にまで再冷却し、
そして、その車内に充填された水素を、空気中にある酸素と反応させて、電気と水を作り出し、
その電気を、車内にある少量のバッテリーに充電しながら走行すると、
そのトータルのエネルギー効率は、なんと30％にまで低下してしまうという、衝撃の結果が出ていて、
ただしこちらは、現在電気自動車を強力に推進しているフォルクスワーゲングループの調査結果であり、ポジショントークが存在する可能性もありますので、
Transport＆Environmentという第三者機関の調査結果を見てみると、
そのWell to Wheelsにおける効率性において、
電気自動車に関しては、2020年現時点において77％を達成しているのに対し、
水素燃料電池車は33％という効率にとどまり、
やはりフォルクスワーゲングループの調査結果と同様に、
そのあまりにも複雑な行程であるがゆえ、全体としてのエネルギー効率があまりにも低下してしまっているのです。
2050年においても効率性は半分
しかもその上、よくある批判として、
将来的な技術革新やさらなる効率化によって、そのエネルギー効率は向上するだろうという希望的観測なのですが、
その将来である、2050年におけるエネルギー効率を比較してみても、
電気自動車は81％というエネルギー効率を達成しているのに対して、
水素燃料電池車は42％と、そのエネルギー効率は30年経ったとしても、たったの半分程度、
つまり、水素燃料電池車の場合、せっかく再生可能エネルギーによって生成された電力を、
30年後という将来においてでも、実際に車両側で消費するまでに58％も捨ててしまっているということになり、
やはりこの環境性能という観点では、
将来においてでも、水素燃料電池車、もちろん、さらに圧倒的に燃費性能が落ちる水素エンジン車が、電気自動車に勝ることはない、
物理法則としてありえない、ということなのです。
水素を充填するための電力で、モデル3が満タンに
ちなみに、その水素を超高圧に圧縮する際に発生する熱を冷却するため、などをはじめとして、
水素を貯蔵したり使用したりする際に必要な電力量が、
経産省によれば、現時点で水素1kgあたり13.6kWh使用していることになり、
例えば新型ミライの水素充填量が最大で5.6kgですので、
水素を充填するためだけに必要な電力量は、合計しておよそ76kWh、
つまり、この電力だけで、テスラモデル3ロングレンジをほぼ満タンまで充電することができる、
故に、電気自動車の航続距離にして、
高速道路を時速100kmでクーラーをつけても達成可能であるというような、実用使いにおいて最も信用に値するEPAサイクルにおいてでも、
568km分は充電できてしまう、ということなのです。
ただし、中長期的には、その消費電力量を6kWh程度まで抑えるという目標を設定してはいますが、
それでも電気自動車の航続距離にして2、300km分の航続距離の電力量を、
水素車両に充填する際に、水素を超高圧に圧縮し、その熱を冷やすなどという、
イメージするだけで複雑な行程のためだけに消費してしまうという、もちろん電気の無駄遣いという観点でも厳しいと思いますし、
何よりも重要なポイントであるのが、
水素車に充填する水素というのは、それほど余分に電気を使用してしまう、
つまり、コストがその分加算されてしまう、
それこそ電気のみで走行することができる完全電気自動車と比較してしまえば、
エネルギー補給に倍以上の金額がかかってしまうことも、この物理法則上、絶対に避けることはできず、
もちろんそのコストは、我々が負担することになりますので、
その経済性という観点からも、半額以下で抑えることができる完全な電気自動車を、多くの方が選択していくのではないでしょうか？
水素エンジンカローラが買える日は来ないっす
何れにしてもこのように、トヨタが水素エンジン車の改良を行ってきているというニュースに関しては、
技術の発展という観点で非常に良いことですし、今後もトヨタ独自で進めてもらいたいと思う一方で、
最も重要なポイントというのは、
この水素エンジン車というのは、あくまでレーシング用の道楽という用途に限定される可能性が極めて高く、
その実用性、さらには環境性能、そして我々消費者が最も敏感な経済性という全ての項目において、
同じく次世代車である完全な電気自動車に勝ることがない、
水素燃料電池車でさえ厳しいのであれば、
ましてや、それよりもずっと燃費性能が悪く、余計な水素タンクを搭載することによる実用性の低下、
さらにわずかながらCO2を発生してしまったり、
大気汚染物質であるNOxも、結局は排出されてしまうという、環境性能の低さ、
そして、水素を充填するという物理法則による制約上、
コストという観点でも、完全電気自動車よりも倍以上のコストを、我々消費者が負担しなければなりません。
残念ながら、一部メディアが主張しているような、
水素エンジンを搭載したカローラや、ましてや、次期型プリウスに、水素を動力源とするPHEVがラインナップに加わるなど、
その実用性のなさを理解できているトヨタが市販してくるなど、まずあり得ませんので、
果たして、このメディアの主張する最新情報とやらが、どこまで信憑性があるのか、
1-2年以内というタイムラインの間は、特に”最新情報”に注目していきたいと思います。
From: Toyota
Author: EVネイティブ
最近のコメント