เครื่องยนต์ไฮโดรเจนสามารถเป็นทางเลือกแทนเซลล์เชื้อเพลิงได้หรือไม่?

การเผาไหม้ไฮโดรเจนสามารถสืบทอดความรู้ด้านเครื่องยนต์และห่วงโซ่อุปทานที่มีอยู่ได้ แต่แลกมาด้วยเส้นทางที่แบ่งแยกกันสองสายในแง่ประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิง
การเผาไหม้ไฮโดรเจนสามารถสืบทอดความรู้ด้านเครื่องยนต์และห่วงโซ่อุปทานที่มีอยู่ได้ แต่แลกมาด้วยเส้นทางที่แบ่งแยกกันสองสายในแง่ประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิง

แชร์หน้านี้

เครื่องยนต์ไฮโดรเจนคือเครื่องยนต์สันดาปภายในที่เผาไหม้ไฮโดรเจนโดยตรง แทนที่จะนำไปใช้ผลิตไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิง เครื่องยนต์เหล่านี้ถูกมองว่าเป็นทางเลือกที่จริงจังสำหรับยานพาหนะขนส่งหนัก เพราะสามารถใช้ความรู้การผลิตเครื่องยนต์และห่วงโซ่อุปทานที่มีอยู่เดิมได้ แต่ประสิทธิภาพของมันต่ำกว่าเซลล์เชื้อเพลิงอย่างชัดเจน การปล่อย NOx ต้องถูกควบคุมให้อยู่ในระดับที่กำหนด และสถานีเติมไฮโดรเจนก็ยังมีน้อยอยู่ นั่นคือคำตอบที่ชัดเจน: ในบางสถานการณ์ก็สมเหตุสมผล แต่ในบางสถานการณ์ก็ยังเป็นเพียงคำสัญญา

จุดเด่น

  • ยานพาหนะที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงทำงานได้ มีประสิทธิภาพเกือบสองเท่า เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ที่เผาไหม้ไฮโดรเจน
  • ขอบเขตการติดไฟของไฮโดรเจนอยู่ระหว่าง 4-75% ตามปริมาตร ขณะที่ของเบนซินมีเพียง 1.2-7.6% เท่านั้น
  • Volvo เริ่มทดสอบบนถนนกับรถบรรทุกหนักที่ใช้เครื่องยนต์ไฮโดรเจน และวางแผนเปิดตัวก่อนปี 2030
  • Cummins ประกาศว่าสามารถลดระดับ NOx ได้ถึงระดับ 0.008 กรัม/แรงม้า-ชั่วโมง
  • Toyota พัฒนาเครื่องยนต์เหล่านี้ผ่านการแข่งขันเป็นหลัก ไม่ใช่สำหรับการใช้งานบนถนน

ความแตกต่างระหว่างการเผาไหม้ไฮโดรเจนกับการส่งผ่านเซลล์เชื้อเพลิงคืออะไร?

ลองนึกถึงเครื่องยนต์เบนซินที่เราคุ้นเคย แต่แทนที่จะฉีดเบนซินก็ฉีดไฮโดรเจน จุดประกายติดไฟ และไฮโดรเจนก็เผาไหม้ ง่ายแค่นั้นเอง ส่วนเซลล์เชื้อเพลิงเป็นเรื่องที่แตกต่างไปจากนี้โดยสิ้นเชิง: มันเปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงโดยไม่มีการเผาไหม้ แล้วส่งไฟฟ้านั้นไปยังมอเตอร์ไฟฟ้า เปรียบเทียบง่ายๆ ในชีวิตประจำวัน: คนหนึ่งให้ความอบอุ่นโดยเผาไม้ในเตา อีกคนหนึ่งได้รับพลังงานเท่ากันจากปั๊มความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ทั้งสองวิธีใช้ได้ผล แต่วิธีใช้พลังงานต่างกันอย่างมาก

ผลลัพธ์ที่จับต้องได้ที่สุดของความแตกต่างนี้คือประสิทธิภาพ การเปรียบเทียบที่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญแสดงให้เห็นว่า ยานพาหนะที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพเกือบสองเท่าเมื่อเทียบกับยานพาหนะที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในเผาไหม้ไฮโดรเจนโดยตรง เมื่อไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่แพงและหายาก ความแตกต่างนี้ไม่ใช่เรื่องเล็ก แต่มหาศาล ลองคิดเป็นกิโลกรัม: จากถังเดียวกัน คันหนึ่งวิ่งได้เพิ่มอีกหนึ่งร้อยกิโลเมตร แต่อีกคันหนึ่งวิ่งไม่ได้ สำหรับทุกคนที่งบประมาณและระยะทางจำกัด นี่คือข้อโต้แย้งที่จริงจัง

ในทางกลับกัน เซลล์เชื้อเพลิงก็มีราคาที่ต้องจ่ายเช่นกัน: วัสดุราคาแพงอย่างแพลตินัม ระบบที่ซับซ้อน และต้นทุนสูง ส่วนเครื่องยนต์ไฮโดรเจนเป็นใบหน้าที่คุ้นเคย นั่นคือการเปรียบเทียบระหว่าง "มีประสิทธิภาพแต่แพง" กับ "ประสิทธิภาพน้อยกว่าแต่คุ้นเคยและถูกกว่า"

ไพ่ตายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของเครื่องยนต์ไฮโดรเจน: โครงสร้างการผลิตที่มีอยู่เดิม

ลองมองจากมุมมองของผู้ผลิตเครื่องยนต์ ตรงหน้าคุณมีสองทางเลือก: สร้างเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงจากศูนย์ หรือพัฒนาเวอร์ชันไฮโดรเจนโดยอาศัยความรู้เครื่องยนต์ โรงหล่อ ห่วงโซ่อุปทาน และสายการประกอบที่มีอยู่เดิม ทางเลือกที่สองช่วยลดต้นทุนวิจัยและพัฒนา และเร่งการเข้าสู่ตลาด Cummins เน้นย้ำว่าแนวทางนี้สามารถลดก๊าซเรือนกระจกได้ในระดับใกล้เคียงกับเซลล์เชื้อเพลิงโดยมีต้นทุนเริ่มต้นที่ต่ำกว่า

ข้อได้เปรียบที่สองซ่อนอยู่ในยานพาหนะหนัก เครื่องยนต์สันดาปภายในทำงานได้มีประสิทธิภาพที่สุดเมื่อรับภาระสูง และรถบรรทุกใช้ชีวิตเกือบทั้งหมดในภาระสูง กล่าวคือ ข้อเสียเรื่องประสิทธิภาพของ H2-ICE กระทบรถบรรทุกน้อยกว่าการใช้งานในเมืองของรถยนต์นั่ง นอกจากนี้ สำหรับคนขับรถบรรทุกก็ไม่มีความแตกต่าง: ถังหมด ก็เติมเชื้อเพลิงในไม่กี่นาที แล้วเดินทางต่อ เวลาเติมไฮโดรเจนที่รวดเร็วทำงานได้เต็มที่ในจุดนี้จริง ๆ

ไฮโดรเจนยังมีลักษณะทางเทคนิคอีกอย่างหนึ่ง: ขอบเขตการจุดติดไฟกว้างอย่างเหลือเชื่อ สามารถจุดติดไฟได้ในทุกส่วนผสมตั้งแต่ 4% ถึง 75% ตามปริมาตร ขณะที่น้ำมันเบนซินเผาไหม้ได้เฉพาะในช่วง 1.2-7.6% เท่านั้น ช่วงการจุดติดไฟที่กว้างหมายถึงกลยุทธ์การเผาไหม้ที่ยืดหยุ่น ซึ่งเหมาะกับภาระที่แปรผัน สำหรับวิศวกรเครื่องยนต์ สิ่งนี้เปรียบเสมือนของขวัญที่ห่อมาให้พร้อม

จุดอ่อนที่ 1: การสูญเสียประสิทธิภาพและพลังงานหายไปไหน

ในเซลล์เชื้อเพลิง พลังงานส่วนใหญ่ของไฮโดรเจนจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าโดยตรง แต่ในเครื่องยนต์สันดาป พลังงานจำนวนมากสูญหายไปในรูปของความร้อน คุณต้องจ่ายค่าความสูญเสียทางความร้อน ค่าแรงเสียดทาน และค่าไอเสีย ข้อเท็จจริงที่ว่ารถที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพเป็นสองเท่า หมายความว่าด้วยไฮโดรเจนปริมาณเท่ากัน คุณจะหมดสภาพกลางทาง เนื่องจากปริมาตรถังเป็นปัญหาอยู่แล้วในกรณีของไฮโดรเจน (แก๊ส แม้จะอยู่ในรูปอัด ก็ยังกินพื้นที่) คณิตศาสตร์เรื่องระยะทางจึงเอนเอียงไปทางเซลล์เชื้อเพลิง

ด้วยเหตุนี้ จึงต้องคำนวณตลอดอายุการใช้งานของเชื้อเพลิงว่า อาร์กิวเมนต์ "แต่เครื่องยนต์ถูกกว่า" นั้นมีความหมายจริงหรือไม่ เครื่องยนต์ราคาถูก + ค่าเชื้อเพลิงแพง หรือ ระบบราคาแพง + ใช้เชื้อเพลิงน้อย? คำถามนี้หมุนวนอยู่ในสมุดบัญชีของบริษัทรถบรรทุกทุกวัน และคำตอบยังไม่ชัดเจน

จุดอ่อนที่ 2: เครื่องยนต์ "สะอาด" แต่ผลิต NOx

เมื่อไฮโดรเจนเผาไหม้ จะไม่ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ นี่คืออาร์กิวเมนต์ด้านสิ่งแวดล้อมที่ใหญ่ที่สุดของ H2-ICE แต่ไนโตรเจนในอากาศจะ "หลงรัก" ออกซิเจนเมื่ออุณหภูมิสูง และเกิดเป็นออกไซด์ของไนโตรเจน (NOx) โดยเฉพาะเมื่อเผาไหม้ส่วนผสมสโตอิชิโอเมตริก คือสมดุลพอดีกับอากาศ อุณหภูมิการเผาไหม้จะพุ่งสูงขึ้น และการผลิต NOx ก็กลายเป็นเรื่องจริงจัง ที่ค่าแลมบ์ดาต่ำ เครื่องยนต์ก็สามารถปล่อย NOx สูงได้เช่นกัน ด้วยเหตุนี้ การประมาณการและการควบคุมการปล่อยมลพิษอย่างถูกต้องจึงเป็นเรื่องวิกฤต

ข่าวดีก็คือ: ปัญหานี้อยู่ในระดับที่ควบคุมได้ Cummins ประกาศว่าสามารถลด NOx ลงได้ถึงระดับ 0.008 g/hp-ชั่วโมง ซึ่งต่ำกว่าข้อกำหนดปี 2027 ของ EPA ถึงสี่เท่า และ CO2 ลดลง 99.7% การหมุนเวียนก๊าซไอเสียที่ผ่านการทำความเย็นและระบบบำบัดขั้นสูงทำให้ตัวเลขเหล่านี้เป็นไปได้ ส่วนข่าวร้ายคือการมีอยู่ของข้อวิพากษ์วิจารณ์: ในเวทีฟอรัมด้านเทคโนโลยี มีการกล่าวคัดค้านว่า เครื่องยนต์เหล่านี้อาจไม่สามารถส่งมอบแรงบิดเทียบเท่าดีเซลได้ หรืออาจไม่สามารถปฏิบัติตามขีดจำกัด NOx ที่เข้มงวดขึ้นได้ แม้แต่ผู้ผลิตชิ้นส่วนก็ยังอยู่ในกลุ่มผู้สนับสนุนมุมมองระมัดระวังนี้อย่างเปิดเผย

จุดอ่อนที่ 3: ปั๊มเชื้อเพลิงยังมีน้อย

เครื่องยนต์ที่ดีที่สุดในโลก หากไม่มีเชื้อเพลิงก็กลายเป็นโลงศพ กลุ่มบริษัท Volvo Group เองก็ระบุว่า การเคลื่อนที่ด้วยไฮโดรเจนจะกลายเป็นสิ่งที่เป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์ก็ต่อเมื่อยานพาหนะ การจัดหาเชื้อเพลิง และโครงสร้างพื้นฐานการเติมสามารถขยายขนาดไปพร้อมกันได้ นั่นคือ แม้แต่บริษัทที่ผลิตเครื่องยนต์บางส่วนก็ยอมรับว่าปัญหาโครงสร้างพื้นฐานยังไม่ได้รับการแก้ไข

ด้านที่เป็นความหวังคือเรื่องต้นทุน: ต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนจากไฟฟ้าพลังงานหมุนหมุนคาดว่าจะลดลงได้ถึง 30% ภายในปี 2030 ผู้เล่นอย่าง Volvo, Daimler Truck, Toyota, Bosch และ Air Liquide ได้ประกาศแผนที่ประสานงานกันครอบคลุมห่วงโซ่คุณค่าไฮโดรเจนทั้งหมด และเรียกร้องเงินทุนจากสหภาพยุโรปให้สอดคล้องกับโครงข่ายต่างๆ กล่าวคือ อุตสาหกรรมมีแผนสำหรับปัญหานี้แล้ว แต่แผนกับสถานีเติมเชื้อเพลิงที่เปิดให้บริการจริงไม่ใช่เรื่องเดียวกัน

ผู้ผลิตกำลังทำอะไรกันอยู่? สถานการณ์ของ Toyota, BMW, Volvo และ Cummins

Toyota yarış pistinde, BMW fabrika sahasında, Volvo 2030 hedefinde: büyük üreticiler hidrojen motoru ile yakıt hücresini aynı anda pusuda tutuyor.

ในสนามจริงมีความเคลื่อนไหวจริงๆ คุณไม่จำเป็นต้องมองโลกในแง่ดีก็พูดความเห็นนี้ได้:

  • Toyota กำลังพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องยนต์ไฮโดรเจนสองแบบควบคู่กันในซีรีส์การแข่งขัน Super Taikyu และประกาศเป้าหมายพาณิชย์เครื่องยนต์เผาไหม้ไฮโดรเจนในปี 2026 พร้อมเพิ่มระยะทางขับเคลื่อนขึ้น 20% นอกจากนี้ในเดือนกันยายน 2026 ยังมีการค้นพบสิทธิบัตรรถไฮบริดเผาไหม้ไฮโดรเจน (EREV) อีกด้วย ตามแหล่งข่าวรองระบุว่าการผลิตจะเริ่มในปี 2027 ด้วยรถหลายร้อยคันต่อเดือน และอาจขยายสู่ 400,000 คันต่อปีในปี 2028 แต่ต้องระวัง: Toyota พัฒนาเครื่องยนต์เหล่านี้ผ่านการแข่งขันเป็นหลัก ไม่ใช่สำหรับการใช้งานบนถนน และเมื่อพูดถึงรถไฮโดรเจนสำหรับถนนจริง Mirai ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงยังคงเป็นตัวเลือกที่ดูสมเหตุสมผลกว่า
  • BMW เพิ่มรถบรรทุกเครื่องยนต์ไฮโดรเจนขนาด 40 ตันสองคันและ 18 ตันหนึ่งคันเข้าสู่กองยานขนส่ง โรงงาน Regensburg จะเริ่มใช้รถพ่วงและรถโฟล์คลิฟท์ที่ใช้ไฮโดรเจนตั้งแต่ปี 2026 BMW ยังจัดซื้อรถบรรทุกเซลล์เชื้อเพลิงอีกสองคันสำหรับเส้นทางเดียวกัน โดยจะให้บริการบนเส้นทาง Leipzig-Landsberg-Nuremberg กล่าวได้ว่า BMW ก็เดินบนทั้งสองเส้นทาง
  • Volvo เริ่มการทดสอบบนถนนกับรถบรรทุกหนักเครื่องยนต์เผาไหม้ไฮโดรเจน และวางแผนเปิดตัวภายในก่อนปี 2030 ในเวลาเดียวกันก็พัฒนารถบรรทุกเซลล์เชื้อเพลิงผ่านการร่วมทุน cellcentric พวกเขาไม่วางไข่ไว้ในตะกร้าใบเดียว
  • Cummins เปิดตัวเครื่องยนต์ไฮโดรเจน 15L X15N ในปี 2022 ส่วนX15H คาดว่าจะมาในปี 2027 เครื่องยนต์ไฮโดรเจน 6.7L อ้างอิงจากแพลตฟอร์มจุดระเบิดด้วยหัวเทียนที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว และให้คำมั่นว่าจะมี NOx ต่ำพิเศษ

รูปแบบร่วมชัดเจน: ผู้เล่นรายใหญ่ลงทุนในเส้นทางไฮโดรเจนทั้งสองเส้นทาง ไม่มีใครเสียสละเส้นทางหนึ่งเพื่ออีกเส้นทางหนึ่ง เพราะไม่มีใครรู้ว่าเส้นทางไหนจะชนะ

รถประเภทไหนที่มีความหมาย: รถยนต์นั่ง หรือรถบรรทุก?

ขอจัดสิ่งที่เล่ามาจนถึงตอนนี้เป็นตาราง การเห็นระบบขับเคลื่อนทั้งสองเทียบกันตามเกณฑ์เดียวกันทำให้ทุกอย่างชัดเจน:

เกณฑ์เครื่องยนต์เผาไหม้ไฮโดรเจนเซลล์เชื้อเพลิง (FCEV)
ประสิทธิภาพต่ำ ประมาณครึ่งหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงสูง พลังงานเคมีเปลี่ยนเป็นไฟฟ้าโดยตรง
การปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ไม่ เกิด NOx ต้องมีระบบบำบัดใช่ มีเพียงน้ำจากท่อไอเสีย
ต้นทุนและการผลิตต้นทุนเริ่มต้นต่ำ ใช้โครงสร้างพื้นฐานเครื่องยนต์ที่มีอยู่ระบบแพง ต้องใช้วัสดุมีค่าอย่างแพลตินัม
สถานการณ์ที่เหมาะสมที่สุดยานยนต์ COMMERCIAL หนักที่ทำงานภายใต้ภาระสูงการใช้งานบนถนนที่เน้นระยะทางและประสิทธิภาพ
การเติมเชื้อเพลิงรวดเร็ว ใกล้เคียงกับนิสัยการเติมเบนซิน/ดีเซลรวดเร็ว ทั้งสองขึ้นอยู่กับโครงสร้างพื้นฐาน

ฉันทามติทั่วไปในอุตสาหกรรมก็สอดคล้องกับสิ่งที่ภาพรวมบอก: ยานยนต์หนักคือฉากที่สมเหตุสมผลที่สุด ส่วนรถยนต์นั่ง เซลล์เชื้อเพลิง FCEV ยังคงครองความเป็นเจ้าของอยู่ ทำไมเครื่องยนต์ไฮโดรเจนจึงอ่อนแอในคลาสคอมแพคต์ใช้ในเมือง? เพราะการใช้งานในเมืองอยู่ที่ภาระต่ำและเน้นการหยุด-ออกตัว คุณไม่เคยแม้แต่จะแวะเข้าไปยังช่วงที่เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพสูงสุดเลย ส่วนรถบรรทุกมีชีวิตอยู่บนทางหลวงที่ภาระสูงคงที่ เครื่องยนต์อยู่ในสภาพที่ดีที่สุดตรงนั้น

คำสัญญา หรือ ความจริง? นี่คือเส้นบาง ๆ

ฝั่งคำสัญญาเป็นเรื่องจริง: ความรู้การผลิตเครื่องยนต์และห่วงโซ่อุปทานที่มีอยู่ ต้นทุนเบื้องต้นต่ำ ประสิทธิภาพภาระสูงในยานยนต์หนัก และการเติมเชื้อเพลิงที่รวดเร็ว คือข้อได้เปรียบที่จับต้องได้ สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่คำโฆษณา แต่เป็นความจริงจากโรงงาน โปรแกรมรถบรรทุกของ Cummins, Volvo และ BMW แสดงให้เห็นว่าข้อได้เปรียบเหล่านี้ได้รับการทดสอบในสนามจริง

ฝั่งความจริงก็โหดร้ายไม่แพ้กัน: ประสิทธิภาพประมาณครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิง ปัญหา NOx และระบบบำบัดที่จำเป็น โครงสร้างพื้นฐานเชื้อเพลิงที่ยังไม่ขยายขนาด การพัฒนาของ Toyota ที่เน้นการแข่งขันมากกว่าการใช้งานบนท้องถนน และเป้าหมายการค้าในปี 2026 สำหรับยานพาหนะนั่งที่ยังไม่ได้รับการยืนยันด้วยผลิตภัณฑ์จริง ตัวเลขตลาดก็คลุมเครือ: รายงานต่าง ๆ ระบุขนาดตลาดเดียวกันต่างกันหลายเท่า เพราะแม้แต่วิธีนิยามตลาดก็ยังต่างกัน แทนที่จะห้อยตัวเลขเป็นสร้อยคอ การเฝ้าดูการเปิดตัวผลิตภัณฑ์จริงทีละปีจะดีกว่า

การประเมินของฉันคือ: H2-ICE กำลังมุ่งสู่การเป็นผู้เล่นตัวจริง ไม่ใช่ในรถยนต์นั่ง แต่ในยานยนต์พาณิชย์หนัก หากคุณเป็นผู้จัดการกองรถบรรทุก การเฝ้าดูรถบรรทุกเครื่องยนต์ไฮโดรเจนถือเป็นเรื่องฉลาด ถ้าคุณกำลังรอรถคันถัดไปที่จะใช้เครื่องยนต์ไฮโดรเจน การรอตอนนี้ไม่มีความหมาย แม้แต่ Toyota เองก็ยังวาง Mirai เซลล์เชื้อเพลิงไว้บนชั้นวางฝั่งรถยนต์นั่ง เครื่องยนต์ไฮโดรเจนเป็น "เทคโนโลยีเปลี่ยนผ่าน" หรือทางเลือกถาวรกันแน่? คำตอบเปลี่ยนไปตามคลาสยานพาหนะที่คุณกำลังพูดถึง - และคำตอบที่ซื่อสัตย์ที่สุดในวันนี้คือ ใช่สำหรับคนขับรถบรรทุก แต่ยังไม่สำหรับผู้ซื้อรถเก๋ง

แหล่งอ้างอิง