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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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IDTechEx
アイディーテックエックス
2024年8月25日 US$7,000
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235 英語

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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。
 
 
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。
 
 
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
  • 輸送を脱炭素化する代替手段としての H2ICE の歴史と背景。
  • 現在及び過去のプロジェクトと最近の技術開発。
  • トラック輸送、建設、農業、鉱業、自動車、航空を含む主要セクター別の適用可能性。
  • 主要OEMとサプライヤーのH2ICEに対する姿勢。
 
H2ICEの技術的側面
  • 水素と炭化水素燃料の主な物理的差異と、それがどのように異なる燃焼特性に現れるか。
  • 水素エンジンの空燃比と噴射戦略。
 
テールパイプ排出
  • H2ICEにおける熱NOx生成メカニズム。
  • NOx生成に及ぼすエンジンパラメータの影響
  • 排気ガス再循環、選択触媒還元、リーンNOxトラップなど、排気中のNOxを軽減する後処理システム
  • 現在および今後の規制との関連における、実際のH2ICE車両のNOx性能の評価。
 
燃料としての水素
  • グリーンH2電解槽を含む水素の製造方法。
  • 従来の燃料との比較を含む、製造、流通、供給コスト。
  • 流通技術と世界各地の水素ステーション(HRS)の現状。
  • 350バール、700バール、液冷式、極低温式など、車載貯蔵のオプション。
  • 一定容量の貯蔵スペースで達成可能な航続距離など、貯蔵方法の性能。
  • 燃料電池電気自動車との比較を含む、実車における水素燃料消費量の評価。
  • FCEVやBEVと比較したH2ICEのWell-to-Wheelエネルギー強度。
 
市場予測
  • IDTechExによる主要セクターにわたるH2ICEの将来性評価(車両台数と市場価値の予測を含む)。

 



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目次

1. 要旨
1.1. レポート概要
1.2. エグゼクティブサマリー(1) - 主要市場の要点
1.3. エグゼクティブ・サマリー(2) - 主な技術的所見
1.4. 水素燃焼エンジン - ディーゼルエンジンよりも古いエンジン
1.5. H2ICE(ハード・トゥ・アベイト・セクターズ
1.6. H2ICE、なぜ今なのか?
1.7. H2ICEは現行のドライブトレインとの継続性を提供する
1.8. メッシー・ミドル - 大変革期
1.9. パワートレイン・オプションの概要
1.10. 化学反応 - ガソリン、水素、燃料電池
1.11. ガソリンICEと水素ICEの主な技術的相違点
1.12. 水素燃焼はゼロ・エミッションではない
1.13. NOx生成メカニズム-まとめ
1.14. 水素エンジンにおけるNOx低減戦略
1.15. 実世界におけるH2ICEのNOx性能
1.16. 水素のエネルギー密度
1.17. 車載水素貯蔵のオプション
1.18. FCEVとH2ICEの航続距離比較
1.19. 必要な燃料量と質量
1.20. 燃料の体積密度 - 比較
1.21. ポンプのコスト - 水素にはプレミアムがある
1.22. システム効率 - BEV、FCEV & H2ICE
1.23. 業界概況 - H2ICE
1.24. サプライヤーのヘッジ
1.25. H2ICEは市場投入の早いソリューションか?
1.26. H2ICEの矛盾
1.27. 水素燃焼エンジン、ZEV(ゼロ・エミッション・ビークル)か否か?
1.28. H2-ICE、BEV、FCEV総括表
1.29. H2ICEの推進要因 & 導入の障壁
1.30. 予想サマリー-セクター別
1.31. H2ICE予測 - 市場シェア
1.32. HDトラック市場:ドライブトレイン別、2025〜2045年
1.33. H2ICE予測-市場価値
2. 水素燃焼入門
2.1. 水素燃焼エンジン - ディーゼルエンジンよりも古いエンジン
2.2. H2ICE、なぜ今なのか?
2.3. H2ICE(ハード・トゥ・アベイト・セクターズ
2.4. H2ICE、なぜ今なのか?
2.5. H2ICEは現行のドライブトレインとの継続性を提供する
2.6. パワートレイン・オプションの概要
2.7. メッシー・ミドル - 大変革期
2.8. 水素燃焼エンジン、ZEV(ゼロ・エミッション・ビークル)か否か?
2.9. 業界概況 - H2ICE
2.10. H2ICEプロジェクトを実施するOEMおよびTier-1の選定
2.11. H2-ICEは市場投入の早いソリューションか?
2.12. H2ICEの矛盾
2.13. H2-ICE、BEV、FCEV総括表
2.14. 水素燃焼システムのレイアウト
2.15. H2ICE CAPEXアドバンテージ - 業界数値
2.16. H2ICEのTCOケースはありますか? - (1)
2.17. H2ICEのTCOケースはありますか?
2.18. リチウムイオンのコスト改善
3. 部門別H2ISE見通し
3.1. H2ICEセクター解説
3.1.1. 商業セグメントがH2ICEの重要な機会として浮上
3.1.2. H2ICEのプロトタイプ - 本物の関心か、資金調達のための策略か
3.2. トラック輸送
3.2.1. H2ICEドローのある商業セグメントトラック輸送
3.2.2. Long Haulトラック輸送 - H2ICE Solves Many Pain Points
3.2.3. MAN - H2ICE限定生産
3.2.4. メルセデス・トラック - H2エンジン搭載ウニモグ
3.2.5. キーユー
3.2.6. DAF BEV、H2-ICE、FCEV
3.2.7. サウスウエスト研究所コンソーシアム
3.2.8. H2クラス8トラックを改造したSWRI
3.2.9. タタ・モーターズH2-ICEトラック
3.2.10. カミンズ社 - 燃料にとらわれないエンジンラインナップ
3.2.11. カミンズH2-ICEアプローチ
3.2.12. H2ICEトラックの規格に業界が合意
3.3. 非道路移動機械
3.3.1. H2ICEドローのある商業セグメントNRMM
3.3.2. オプションNRMM
3.3.3. 多くのOEMによる多様な戦略
3.3.4. JCB - "ネット・ゼロ建設機械のためのパワートレイン選択"
3.3.5. CAMドライブトレイン適合性
3.4. 自動車
3.4.1. 乗客自動車
3.4.2. トヨタ - H2-ICEでも続くBEV渋り
3.4.3. 第一汽車 - 水素エンジンテスト
3.4.4. スーパーカー&ハイパーカー - 少量生産の高性能セグメント
3.4.5. スーパーカー・メーカー、欧州でのICE禁止をかわす
3.4.6. スーパーカー・メーカーへの規制の影響
3.4.7. 革新の最前線に立つスーパーカー
3.4.8. パフォーマンス重視のH2ICE
3.5. 航空
3.5.1. 航空
3.5.2. グリーン水素に必要な電力航空
4. 水素内燃機関の技術的側面
4.1. 燃焼エンジン入門
4.2. 4サイクル火花点火エンジンの燃焼室
4.3. H2の化学的性質
4.4. ガソリンICEと水素ICEの主な技術的相違点
4.5. 化学反応 - ガソリン、水素、燃料電池
4.6. 空燃比 - 概要
4.7. 水素とガソリンの空燃比
4.8. 水素エンジンのリッチ、ストキオ、リーン
4.9. 点火エネルギー
4.10. 自動着火温度
4.11. 炎の速度
4.12. 拡散率
4.13. 焼入れ距離
4.14. インジェクション戦略
5. 水素燃焼エンジンのテールパイプ排出量
5.1. テールパイプ排出 - 概要
5.2. H2ICE- モーターオイルの排出ガス評価
5.3. 水素燃焼はゼロ・エミッションではない
5.4. NOx-水素排出における大きな問題
5.5. 水素燃焼とNOx生成
5.6. NOx生成メカニズム-まとめ
5.7. エンジン回転数とNOx
5.8. H2ICEにおけるNOx排出 - 学術研究
5.9. ディーゼル/水素デュアル燃料のNOx
5.10. デュアルフューエルに関する相反する研究結果
5.11. ガソリンのデュアルフューエルにおけるNOx - ラムダの影響
5.12. 現行車のNOx規制へのアプローチ
5.13. 触媒コンバーターの概要
5.14. 排気ガス再循環(EGR)
5.15. リーンNOxトラップ
5.16. 選択的触媒還元
5.17. 水素エンジンにおけるNOx低減戦略
5.18. 水素エンジン用三元触媒
5.19. 水素エンジンのLNT
5.20. 水素エンジン用SCR
5.21. トヨタ、直接水冷を探求
5.22. 水素エンジン用EGR
5.23. NOx Emissions for乗客 Vehicles
5.24. 大型車のNOx排出量
5.25. 実世界におけるH2ICEのNOx性能
5.26. NOx排出量航空
5.27. コントレイルの排出航空
6. 燃料としての水素
6.1. 水素の概要
6.1.1. IDTechEx'の水素研究ポートフォリオ
6.1.2. 燃料としての水素 - 概要
6.1.3. 水素のエネルギー密度
6.1.4. 燃料としての水素 - 概要
6.1.5. 燃料としての水素
6.1.6. 水素経済
6.2. 水素の製造とコスト
6.2.1. 水素排出とコストの問題
6.2.2. 水素の色
6.2.3. 水素の色
6.2.4. 水素産業の現状 - グリーン水素はごく一部
6.2.5. 従来の水素製造
6.2.6. 水素製造によるCO₂排出の除去
6.2.7. 主な電解槽技術
6.2.8. 電解槽市場の今後の動向
6.2.9. グリーンH2市場の重要な競合要因
6.2.10. グリーン水素製造コスト
6.2.11. H2燃料価格が製造コストを上回る
6.2.12. 欧州でのオンサイトH2生産
6.2.13. 乗客自動車のCO₂ 排出量 - H2ICE, FCEV, BEV & 化石燃料
6.2.14. ポンプの水素コスト (1/2)
6.2.15. ポンプの水素コスト (2/2)
6.2.16. ポンプのコスト - 水素にはプレミアムがある
6.2.17. ガソリン・パリティに必要な水素価格
6.3. 流通・給油インフラ
6.3.1. 流通と給油の概要
6.3.2. H2-ICE & FCEV - インフラ並列展開のチャンス?
6.3.3. 配信方法の概要
6.3.4. 開発段階別の水素供給方法
6.3.5. 水素輸送にはより多くのトレーラーが必要
6.3.6. 水素充填ステーション(HRS)
6.3.7. HRSのサイジングは使用状況による
6.3.8. トヨタのHRSアプローチ
6.3.9. 代替水素充填コンセプト
6.3.10. 地域別利用可能な水素インフラ
6.3.11. 世界の水素充填インフラの現状 (1/2)
6.3.12. 世界の水素充填インフラの現状 (2/2)
6.3.13. 水素充填インフラ - 欧州
6.3.14. 欧州TEN-Tコアネットワーク
6.3.15. H2ICEの矛盾
6.3.16. 米国HRS カリフォルニア州限定
6.3.17. クリーン・エネルギー・パートナーシップ
6.3.18. LIFTE H2:より高圧の輸送が必要
6.3.19. LIFTE H2:モバイルH2燃料補給機の競争力強化
6.3.20. インフラコスト - BEV vs 水素
6.4. 車載ストレージ
6.4.1. 車載水素貯蔵のオプション
6.4.2. 開発段階別の水素貯蔵方法
6.4.3. オプション物理的水素貯蔵
6.4.4. 圧縮水素貯蔵
6.4.5. 保管方法の形状と限界
6.4.6. 圧縮貯蔵容器の分類
6.4.7. 圧縮シリンダー重量の低減
6.4.8. HDVの圧縮水素
6.4.9. LDVにおける圧縮水素
6.4.10. Forvia - Major Tier1 Explores Rectangular Tanks
6.4.11. FCEV車載水素タンク
6.4.12. 液体水素(LH2)
6.4.13. 低温圧縮水素貯蔵 (CcH2)
6.4.14. BMW#39;S低温圧縮貯蔵タンク
6.4.15. 化学薬品保管
6.4.16. 水素の安全性
6.5. 水素燃料消費量と航続距離
6.5.1. 水素燃焼自動車
6.5.2. H2-ICEの効率とFCEVの比較
6.5.3. 実走行距離の比較 - H2ICEとFCEV
6.5.4. 燃料消費量
6.5.5. FCEVの航続距離改善
6.5.6. 水素消費量の比較 - FCEVとH2ICE
6.5.7. BEV、FCEV、H2ICEの比較
6.5.8. FCEVとH2ICEの航続距離比較.
6.5.9. パリティに必要なH2ストレージ - Racecar
6.5.10. Volumetric and Gravimetric Requirements for1km
6.5.11. Volume Required for1km Travelled
6.5.12. 必要な容積と重量 - タンクに関する考察
6.5.13. システム効率 - BEV、FCEV & H2ICE
6.5.14. ウェル・ツー・ホイール消費
7. 水素脆化
7.1. 水素脆化とそのメカニズム
7.2. 水素脆化の種類
7.3. H2脆化に影響する因子
7.4. H2脆化に及ぼす不純物の影響
7.5. 水素ぜい化および相溶性金属合金
8. 予測
8.1. H2ICEの推進要因 & 導入の障壁
8.2. 予想概要 - ドライブトレインの比較
8.3. 予想サマリー-セクター別
8.4. 予想の前提
8.5. H2ICE Forecasts - Unit Sales2025-2045 (1)
8.6. H2ICE Forecasts - Unit Sales2025-2045 (2)
8.7. H2ICE予測-地域別分析
8.8. H2ICE予測 - 市場シェア
8.9. HDトラック市場:ドライブトレイン別、2025〜2045年
8.10. H2ICE予測-市場価値

 

 

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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)
  • 水素燃焼入門
  • H2ICEの分野別展望
  • 水素内燃機関の技術的側面
  • 水素燃焼エンジンのテールパイプ・エミッション
  • 燃料としての水素水素脆化
 
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.
 
 
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.
 
 
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
  • History and context of H2ICE as an alternative means to decarbonize transportation.
  • Current and past projects as well as recent technical developments.
  • Applicability by key sectors including trucking, construction, agriculture, mining, cars, and aviation.
  • Attitudes towards H2ICE of major OEMs and suppliers.
 
Technical Aspects of H2ICE
  • Key physical differences between hydrogen and a hydrocarbon fuel, and how these manifest into different combustion characteristics.
  • Air-fuel-ratios and injection strategies for hydrogen engines.
 
Tailpipe Emissions
  • Production mechanisms for thermal NOx in H2ICE.
  • Effect of engine parameters on NOx formation.
  • Aftertreatment systems to mitigate NOx in the exhaust, including exhaust gas recirculation, selective catalytic reductions and lean NOx traps.
  • Assessment of NOx performance for real-world H2ICE vehicles in the context of current and upcoming regulations.
 
Hydrogen as Fuel
  • Production methods for hydrogen including green H2 electrolysers.
  • Production, distribution and dispensing costs including comparison to conventional fuels.
  • Distribution technologies and current status of hydrogen refueling stations (HRS's) worldwide.
  • Options for onboard vehicle storage, including 350 bar, 700 bar, liquid cooled and cryocooled.
  • Performance of storage methods, including range achievable with a given volume of storage space.
  • Assessment of real-world vehicles hydrogen fuel consumption, including comparison with fuel-cell electric vehicles.
  • Well-to-wheel energy intensity of H2ICE compared with FCEV and BEVs.
 
Market Forecasts
  • IDTechEx assessment of H2ICEs prospects across key sectors, including forecasts in vehicle units and market value.


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Table of Contents

1. EXECUTIVE SUMMARY
1.1. Report Overview
1.2. Executive Summary (1) - Key Market Takeaways
1.3. Executive Summary (2) - Key Technical Findings
1.4. Hydrogen Combustion Engines - Older Than the Diesel Engine
1.5. H2ICE for Hard to Abate Sectors
1.6. H2ICE, Why Now?
1.7. H2ICE Offers Continuity With Current Drivetrains
1.8. The Messy Middle - a Period of Great Change
1.9. Overview of Powertrain Options
1.10. Chemical Reaction - Gasoline, Hydrogen & Fuel Cells
1.11. Key Technical Differences Between Petrol and Hydrogen ICEs
1.12. Hydrogen Combustion is Not Zero Emissions
1.13. NOx Formation Mechanisms - a Summary
1.14. Strategies to Reduce NOx in Hydrogen Engines
1.15. Real World H2ICE NOx Performance
1.16. Energy Density of Hydrogen
1.17. Options for Onboard Hydrogen Storage
1.18. FCEV and H2ICE Range Comparisons
1.19. Fuel Volume and Mass Requirements
1.20. Volumetric Density of Fuels - Comparison
1.21. Costs at the Pump - Hydrogen Has a Premium
1.22. System Efficiency - BEV, FCEV & H2ICE
1.23. Industry Landscape - H2ICE
1.24. Suppliers Hedge Their Bets
1.25. Is H2ICE a Fast-to-Market Solution?
1.26. H2ICE Contradiction
1.27. Hydrogen Combustion Engine, ZEV (Zero-emission Vehicle) or Not?
1.28. H2-ICE, BEV and FCEV Summary Table
1.29. H2ICE Drivers & Barriers to Adoption
1.30. Forecast Summary - Sector Split
1.31. H2ICE Forecasts - Market Shares
1.32. HD Truck Market by Drivetrains, 2025-2045
1.33. H2ICE Forecasts - Market Value
2. INTRODUCTION TO HYDROGEN COMBUSTION
2.1. Hydrogen Combustion Engines - Older Than the Diesel Engine
2.2. H2ICE, Why Now?
2.3. H2ICE for Hard to Abate Sectors
2.4. H2ICE, Why Now?
2.5. H2ICE Offers Continuity With Current Drivetrains
2.6. Overview of Powertrain Options
2.7. The Messy Middle - a Period of Great Change
2.8. Hydrogen Combustion Engine, ZEV (Zero-emission Vehicle) or Not?
2.9. Industry Landscape - H2ICE
2.10. Selection of OEMs and Tier-1s with H2ICE Projects
2.11. Is H2-ICE a Fast-to-Market Solution?
2.12. H2ICE Contradiction
2.13. H2-ICE, BEV and FCEV Summary Table
2.14. Hydrogen Combustion System Layouts
2.15. H2ICE CAPEX Advantage - Industry Figures
2.16. Is there a TCO case for H2ICE? - (1)
2.17. Is there a TCO case for H2ICE - (2)
2.18. Li-ion Cost Improvements
3. H2ICE OUTLOOK BY SECTOR
3.1. H2ICE Sector Commentary
3.1.1. Commercial Segment Emerges as the Key Opportunity for H2ICE
3.1.2. H2ICE Prototypes - Genuine Interest or Ploy for Funding
3.2. Trucking
3.2.1. Commercial Segments with H2ICE Draw - Trucking
3.2.2. Long Haul Trucking - H2ICE Solves Many Pain Points
3.2.3. MAN - Limited H2ICE Production Run
3.2.4. Mercedez Truck - H2 Powered Unimog
3.2.5. KEYOU
3.2.6. DAF BEV, H2-ICE, and FCEV
3.2.7. Southwest Research Institute Consortium
3.2.8. SwRI - a Converted H2 Class-8 Truck
3.2.9. Tata Motors H2-ICE Truck
3.2.10. Cummins Inc. - Fuel Agnostic Engine Lineup
3.2.11. Cummins H2-ICE Approach
3.2.12. Industry Converges on Standards for H2ICE Trucks
3.3. Non-Road Mobile Machinery
3.3.1. Commercial Segments with H2ICE Draw - NRMM
3.3.2. Options for NRMM
3.3.3. Diverse Strategy from Many OEMs
3.3.4. JCB - "Powertrain Selection for Net Zero Construction Equipment"
3.3.5. CAM Drivetrain Suitability
3.4. Cars
3.4.1. Passenger Cars
3.4.2. Toyota - BEV Reluctance Continues in H2-ICE
3.4.3. FAW - Hydrogen Engine Tests
3.4.4. Supercars & Hypercars - Low Volume High Performance Segment
3.4.5. Supercar Manufacturers Dodge ICE Ban in Europe
3.4.6. Impact of Regulations on Supercar Manufacturers
3.4.7. Supercars at the Forefront of Innovation
3.4.8. Performance Oriented H2ICE
3.5. Aviation
3.5.1. Aviation
3.5.2. Power Requirements for Green Hydrogen in Aviation
4. TECHNICAL ASPECTS OF HYDROGEN INTERNAL COMBUSTION ENGINES
4.1. Introduction to Combustion Engines
4.2. Combustion Chamber For a Four-Stroke Spark Ignition Engine
4.3. Chemical Properties of H2
4.4. Key Technical Differences Between Petrol and Hydrogen ICEs
4.5. Chemical Reaction - Gasoline, Hydrogen & Fuel Cells
4.6. Air to Fuel Ratio - an Overview
4.7. Air to Fuel Ratio for Hydrogen vs Petrol
4.8. Rich, Stochiometric or Lean for Hydrogen Engines
4.9. Ignition Energy
4.10. Auto-ignition Temperature
4.11. Flame Speed
4.12. Diffusivity
4.13. Quenching Distance
4.14. Injection Strategies
5. TAILPIPE EMISSIONS OF A HYDROGEN COMBUSTION ENGINE
5.1. Tailpipe Emissions - Overview
5.2. H2ICE- Motor Oil Emissions Assessment
5.3. Hydrogen Combustion is Not Zero Emissions
5.4. NOx - the Big Question for Hydrogen Emissions
5.5. Hydrogen Combustion and NOx Formation
5.6. NOx Formation Mechanisms - a Summary
5.7. Engine Speed and NOx
5.8. NOx Emissions in H2ICE - Academic Studies
5.9. NOx in Diesel/Hydrogen Dual Fuel
5.10. Studies Produce Conflicting Results for Dual-Fuel
5.11. NOx in Gasoline Dual Fuel - Effect of Lambda
5.12. Approaches to Limiting NOx in Current Vehicles
5.13. Overview of Catalytic Converters
5.14. Exhaust Gas Recirculation (EGR)
5.15. Lean NOx Trap
5.16. Selective Catalytic Reduction
5.17. Strategies to Reduce NOx in Hydrogen Engines
5.18. Three-Way Catalysts for Hydrogen Engines
5.19. LNT for Hydrogen Engines
5.20. SCR for Hydrogen Engines
5.21. Toyota Explores Direct Water Cooling
5.22. EGR for Hydrogen Engines
5.23. NOx Emissions for Passenger Vehicles
5.24. NOx Emissions for Heavy Duty Vehicles
5.25. Real World H2ICE NOx Performance
5.26. NOx Emissions - Aviation
5.27. Contrail Emissions - Aviation
6. HYDROGEN AS A FUEL
6.1. Hydrogen Overview
6.1.1. IDTechEx's Hydrogen Research Portfolio
6.1.2. Hydrogen as Fuel - Overview
6.1.3. Energy Density of Hydrogen
6.1.4. Hydrogen as Fuel - Overview
6.1.5. Hydrogen as a Fuel
6.1.6. The Hydrogen Economy
6.2. Production and Costs of Hydrogen
6.2.1. Hydrogen: Emissions & Cost Issues
6.2.2. The Colours of Hydrogen
6.2.3. The colors of hydrogen
6.2.4. State of the hydrogen industry - Green Hydrogen is a Small Fraction
6.2.5. Traditional hydrogen production
6.2.6. Removing CO₂ emissions from hydrogen production
6.2.7. Main electrolyzer technologies
6.2.8. Future trend of the electrolyzer market
6.2.9. Important competing factors for the green H2 market
6.2.10. Green Hydrogen Production Costs
6.2.11. H2 Fuel Price More than Production Cost
6.2.12. On-site H2 Production in Europe
6.2.13. Passenger Car CO₂ Emissions - H2ICE, FCEV, BEV & Fossil Fuels
6.2.14. Cost of Hydrogen at the Pump (1/2)
6.2.15. Cost of Hydrogen at the Pump (2/2)
6.2.16. Costs at the Pump - Hydrogen Has a Premium
6.2.17. Required Hydrogen Price for Gasoline Parity
6.3. Distribution & Refueling Infrastructure
6.3.1. Distribution & Refueling Overview
6.3.2. H2-ICE & FCEV - an Opportunity for Parallel Infrastructure Rollout?
6.3.3. Overview of distribution methods
6.3.4. Hydrogen distribution methods by stage of development
6.3.5. Transporting Hydrogen Requires More Trailers
6.3.6. Hydrogen refueling stations (HRS)
6.3.7. HRS Sizing Depends on Usage
6.3.8. Toyotas HRS Approach
6.3.9. Alternative hydrogen refueling concepts
6.3.10. Available Hydrogen Infrastructure by Region
6.3.11. State of hydrogen refueling infrastructure worldwide (1/2)
6.3.12. State of hydrogen refueling infrastructure worldwide (2/2)
6.3.13. Hydrogen Refuelling Infrastructure - Europe
6.3.14. Europe TEN-T Core Network
6.3.15. H2ICE Contradiction
6.3.16. HRS in the USA Limited to California
6.3.17. The Clean Energy Partnership
6.3.18. LIFTE H2: higher pressure transportation is needed
6.3.19. LIFTE H2: Mobile H2 refuelers are more competitive
6.3.20. Infrastructure Costs - BEV vs Hydrogen
6.4. Onboard Storage
6.4.1. Options for Onboard Hydrogen Storage
6.4.2. Hydrogen storage methods by stage of development
6.4.3. Options for Physical Hydrogen Storage
6.4.4. Compressed hydrogen storage
6.4.5. Geometries and Limitations of Storage Methods
6.4.6. Compressed storage vessel classification
6.4.7. Reduction in compressed cylinder weight
6.4.8. Compressed Hydrogen in HDVs
6.4.9. Compressed Hydrogen in LDVs
6.4.10. Forvia - Major Tier 1 Explores Rectangular Tanks
6.4.11. FCEV onboard hydrogen tanks
6.4.12. Liquid hydrogen (LH2)
6.4.13. Cryo-compressed hydrogen storage (CcH2)
6.4.14. BMW'S Cryo-compressed storage tank
6.4.15. Chemical Storage
6.4.16. Hydrogen Safety
6.5. Hydrogen Fuel Consumption & Range
6.5.1. Hydrogen Combustion Powered Vehicles
6.5.2. H2-ICE Efficiency vs FCEV
6.5.3. Real World Range Comparisons - H2ICE and FCEVs
6.5.4. Fuel Consumption
6.5.5. FCEV Range Improvements
6.5.6. Hydrogen Consumption Comparisons - FCEV and H2ICE
6.5.7. BEV, FCEV and H2ICE Comparisons
6.5.8. FCEV and H2ICE Range Comparisons.
6.5.9. H2 Storage Required for Parity - Racecar
6.5.10. Volumetric and Gravimetric Requirements for 1km
6.5.11. Volume Required for 1km Travelled
6.5.12. Volume and Weight Required - Tank Considerations
6.5.13. System Efficiency - BEV, FCEV & H2ICE
6.5.14. Well-to-Wheel Consumption
7. HYDROGEN EMBRITTLEMENT
7.1. Hydrogen embrittlement & mechanisms
7.2. Types of hydrogen embrittlement
7.3. Factors influencing H2 embrittlement
7.4. Effect of impurities on H2 embrittlement
7.5. Hydrogen embrittlement & compatible metal alloys
8. FORECASTS
8.1. H2ICE Drivers & Barriers to Adoption
8.2. Forecast Summary - Drivetrain Comparisons
8.3. Forecast Summary - Sector Split
8.4. Forecast Assumptions
8.5. H2ICE Forecasts - Unit Sales 2025-2045 (1)
8.6. H2ICE Forecasts - Unit Sales 2025-2045 (2)
8.7. H2ICE Forecasts - Regional Analysis
8.8. H2ICE Forecasts - Market Shares
8.9. HD Truck Market by Drivetrains, 2025-2045
8.10. H2ICE Forecasts - Market Value

 

 

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