氷の上の水素、いいね！
Tier-3 NextFuel™ エンジンでの水素使用は、ワブテックが代替燃料のリーダーであることを際立たせています
水素の「ファースト・ファイア」
この日付を覚えておいてください。2024年5月15日です。
その水曜日の午後、テキサス州サンアントニオにあるサウスウエスト・リサーチ・インスティテュート（SWRi）のメインキャンパスの試験施設で、ワブテックの研究エンジニアは、二重燃料の水素ディーゼルエンジンで「最初の発火」（つまり燃焼）を達成しました。
彼らは水素をフルスケールの4,500馬力のWabtec Evolution Series Tier 3エンジンに導入しました。このエンジンは、世界中の鉄道機関車の定番です（現在、Evolutionシリーズエンジンを搭載した数千台の機関車が稼働しています）。このエンジンは、期待通りの性能を発揮しました。
はっきりさせておきたいのは、水素内燃機関 (H₂ ICE) はまだ何年も先の話だということです。しかし、「ファーストファイア」を達成することは、その道のりの重要な初期段階であり、ここまでたどり着くと、ネットゼロの未来に向けたすでに燃料効率の高い鉄道業界のリーダーであるWabtecの革新的な精神と実践的なビジネスアプローチが浮き彫りになります。
「多様な」アプローチ：二重燃料エンジン
（化石燃料ではない）燃料源としての水素は、炭素を使わずに燃焼できるため、貨物鉄道やビジネス全般の想像力をかき立ててきました。元素自体は宇宙に広く存在していますが、「環境に優しい」水素の大量供給とコスト競争力に優れた水素の供給と、それを供給するために必要なインフラはそうではありません。また、水素は最も軽量で引火性が非常に高い元素でもあるため、機関車のエンジン設計者には特有の設計上の課題があります。
しかし、水素には多くのユニークな特徴がありますが、ワブテックは、水素を既存の貨物機関車の生産的でゼロカーボンエミッション燃料に変えるための答えは、他の電源との共通点にあると考えています。別の言い方をすれば、H2はガスであり、ワブテックは高性能の内燃機関でガスを燃焼させる方法を知っています。さらに良いことに、ワブテックは、必要に応じてシームレスにディーゼルに切り替えることができる二重燃料エンジンで天然ガスを燃焼させる方法を知っています。これは、フロリダ東海岸鉄道向けのNextFuel™ 機関車で、商業環境ですでに行っていることです。
この区別は重要です。というのも、ワブテックは再び効率的に革新を進めており、新たな代替燃料源に対応するために車輪を再発明する必要がないことを業界に示しているからです。その代わり、ワブテックは、代替燃料（この場合は水素）を、（燃料）の柔軟性を重視して構築された既存のエンジンプラットフォーム内で効果的に機能させ、お客様が新しい燃料が実用化され次第その恩恵を受けられるようにすることを目指しています。
Wabtecのエンジン＆パワーソリューション担当バイスプレジデントであるジム・ギャンブルは、「まったく新しいアプローチを必要とする課題として水素を扱いたいという誘惑と水素内燃機関の開発は強力ですが、適切な計画とより良い実行によって首尾よく抵抗できました」と述べています。「Wabtecは、デュアルフューエルのNextFuel™ エンジンにより、人気のある既存のディーゼルエンジンを、a）代替燃料に対応し、b）必要に応じてシームレスかつ自動的にディーゼルに戻すように変更しました。」
このイノベーションへのアプローチにより、鉄道顧客のニーズ、特に代替燃料のインフラと利用可能性に関する懸念が、排出削減技術に確実に組み込まれています。例えば、ワブテックのNextFuelキットでは、LNG、バイオディーゼル、再生可能ディーゼルなど、既存のエンジンに代替燃料を使用することに成功したことで、運送業者は現場の状況に応じて燃料タイプを切り替えることができます。つまり、特定の地域で代替燃料が利用できない場合や、代替燃料を供給するためのインフラが整っていない場合でも、ディーゼルは、1つの高性能エンジンを使用しながら、自動的に、またそうなるでしょう。
これは、水素燃焼エンジンの進化において特に重要です。水素燃料インフラの構築は、H₂ ICE自体の開発と同じくらい早い段階にあります。
「私たちは経験から、鉄道のお客様が実際に使用できるものよりも先にイノベーションを起こすのは良い考えではないということを学びました」と Gamble 氏は付け加えます。「稼働中のNextFuelプラットフォームで、燃料としての水素の利用を進めることで、業界ですでに採用され、容易に対応できるデリバリーモデルの中で、私たちが成し遂げている進歩を確実に実現できるのです。」
水素を顧客に近づけること
ワブテックは、エネルギー省のオークリッジおよびアルゴンヌ国立研究所との大規模な研究契約を発表して以来、水素を動力源とする列車の分野で話題を呼んでいます。この研究は、オークリッジ研究所のワブテックの単気筒二重燃料機関車エンジン設備で、水素を含むさまざまな代替燃料をテストすることに重点を置いてきました。
この重要なテストベッドの構築と並行して、ワブテックの上級幹部は、エンジン＆パワーソリューションズチームに、水素研究を「お客様の身近に」行い、日々の体験を理論的なものではなく、触って感じることができるものにすることを求めました。
その結果、SWRiとの新たなパートナーシップが結ばれ、フロリダ・イースト・コースト鉄道で使用されているものと同様のNextFuel EvolutionシリーズTier 3エンジンを水素燃料用に改造して水素供給計画が実施されました。このデュアルフューエルエンジンは、ディーゼルとともに天然ガスなどのガスを燃焼させることもあったため、初期の水素試験では「当たり前」でした。
しかし、共通点はさておき、水素は天然ガスではありません。手始めに、水素はずっと軽量です。実際、周期表で最も軽い元素なので、1秒間に3階ずつ上昇させたいと考えているのです。それがエンジンの燃料供給システムの設計にどのような影響を与えるかを見極める必要があります。さらに、水素の着火エネルギーは非常に低く、天然ガスよりもはるかに低く、可燃性の範囲も非常に広いです。
燃焼は重要です。
とはいえ、ワブテックは強みのある立場からこの試験を始めました。同社はすでに、エボリューションシリーズのティア3エンジンを天然ガスを燃焼するように改造しており、エンジンと機関車のハードウェアの両方に変更を加えていました。
ワブテックの目標は、これらの進歩に便乗し、場合によっては飛び越えて、水素を持続可能な燃料源として取り込み、最適化するために必要な微調整やより大きな変更を行うことです。たとえば、天然ガスの6倍の軽量の水素をテンダーから燃焼室に供給するには、現在の配管とエンジン構造で十分でしょうか？水素を燃焼室に直接注入（直接注入）する方が、インテークマニホールドに水素を注入（ポート注入）する方が良いでしょうか？
オークリッジ国立研究所の単気筒装置とSWRIのTier 3 NextFuelエンジンの両方について、これらをはじめとする何百もの疑問や変数は、現在もこれからも、広範囲にわたる試験の対象となっています。
「とてつもなく有利なスタートを切った」
「私たちは、水素についての考え方のエキサイティングな転換点にいます。理論的な考え方から、お客様がよく知っていて頼りにしている本物の高性能エンジンで想定を実際にテストすることへと移行できるのです」とギャンブルは結論付けています。「お客様の声に耳を傾け、排出削減技術を迅速、段階的に、可能な限りシームレスに提供する方法に焦点を当てることで、ワブテックは貨物鉄道業界が今日の炭素削減目標に大きな影響を与えることを可能にしました。」