จุดเด่น และข้อได้เปรียบของการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในรถ TOYOTA เครื่องยนต์สันดาปภายใน

การปล่อยคาร์บอน จากกระบวนการผลิตไฮโดรเจน มีความแตกต่างออกไปอย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบกับการผลิตกระแสไฟจากก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน หรือเชื้อเพลิงฟอสซิล ไฮโดรเจนสามารถควบคุมได้ง่ายกว่าการเผาสารพัดคาร์บอนอย่างถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนสีเขียว หรือ Green Hydrogen ที่ผลิตจากพลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานลม 100% แต่พลังงานจากธรรมชาติเหล่านั้นยังคงไม่มีความแน่นอน ในบางวันอาจปราศจากกระแสลมไปหมุนกังหันเพื่อปั่นไฟ หรือไม่มีแสงอาทิตย์ที่เข้มมากพอสำหรับแผงโซลาร์เซลล์

วิศวกรของ Toyota ให้ความเห็นว่า ในภูมิภาคที่ใช้แหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน แล้วส่งไปยังสถานีเติมไฮโดรเจน ความเข้มข้นของคาร์บอนสำหรับเชื้อเพลิงชีวภาพ Biofuel และเชื้อเพลิงสังเคราะห์ SynGas & Fuel ขึ้นอยู่กับการจัดหาชีวมวล Biomass ทั้งนี้การใช้เชื้อเพลิง Green Hydrogen ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือ Internal Combustion Engines (ICE) รวมทั้งกระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยไฮโดรเจนสีเขียว ซึ่งมีการปล่อย CO2 น้อยกว่ามาก และน้อยที่สุด เทียบกับเทคโนโลยีการผลิตกระแสไฟในรูปแบบอื่นที่ยังต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ

สำหรับแนวคิดคาร์บอนเป็นศูนย์ของแบรนด์ Toyota แม้ว่ายานยนต์ BEV หรือ Battery Electric Vehicle และยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน หรือ Fuel Cell Electric Vehicles : FCEV จะไม่ปล่อยไอเสียใดๆ ที่ปลายท่อไอเสีย แต่เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน H2-ICE ยังคงปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ NOx ออกมา คล้ายคลึงกับเครื่องยนต์ดีเซลเชื้อเพลิงชีวภาพ และ Synthetic Fuel ที่ยังคงปล่อย NOx และอนุภาคขนาดเล็ก Toyota ผู้ผลิตรถยนต์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน H2-ICE (รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน) ยืนยันว่า การทำงานของเครื่องยนต์เหล่านี้มีการสร้าง NOx ที่ต่ำกว่าสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลมาก ดังนั้นจึงถือว่าไม่มีผลกระทบต่อสภาพแวดล้อม ไม่ว่าเครื่องยนต์ของรถยนต์ส่วนบุคคลเหล่านี้จะใช้งานได้จริง หรือเครื่องจักรกลสำหรับงานหนัก จะขึ้นอยู่กับระดับการปล่อยมลพิษ และเกณฑ์ที่อนุญาตโดยกฎข้อบังคับด้านมลพิษทางอากาศในท้องถิ่น

การใช้ Green Hydrogen เพื่อเป็นเชื้อเพลิงสำหรับจุดระเบิดในเครื่องยนต์สันดาปภายใน ซึ่งอาจเข้ามาแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิลในอนาคต ไม่ได้ทำให้เกิดปัญหาด้านมลภาวะ เนื่องจากไฮโดรเจนคือแหล่งพลังงานที่สะอาด สามารถยืดชีวิตของเครื่องยนต์ต่อไปได้ เนื่องจากไฮโดรเจนที่ถูกนำมาใช้แทนน้ำมันเชื้อเพลิงจากการวิจัยของ Toyota นั้น ปราศจากมลพิษอย่างแท้จริง ในยุคที่รถยนต์ไฟฟ้ากำลังเข้ามาแทนที่เครื่องยนต์สันดาปภายใน ในความเป็นจริง เครื่องยนต์ไม่ใช่ตัวการที่ก่อให้เกิดมลพิษ หากเราสามารถหาเชื้อเพลิงทดแทนที่สะอาดกว่าน้ำมันเชื้อเพลิงที่สกัดจากซากฟอสซิลได้ เชื้อเพลิงดังกล่าวก็คือไฮโดรเจนนั่นเอง 

สำหรับการตรวจสอบด้านประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเชิงเปรียบเทียบของ Toyota พบว่า Tank-to-Wheel Efficiencies Range อยู่ในช่วงตั้งแต่ 75-85% สำหรับยานยนต์ BEV และประมาณ 50% สำหรับ FCEV สำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน การสูญเสียจากการแปลงในการผลิตไฮโดรเจนจากไฟฟ้า และการผลิต Synfuel จากไฮโดรเจน ประสิทธิภาพจะลดลงเหลือ 35% สำหรับ FCEVs กับ 30% สำหรับ H2-ICE และประมาณ 20% สำหรับ Synfuel ..Well-to-Wheel Efficiencies สำหรับ BEV ตัวเลขดังกล่าวขึ้นอยู่กับแหล่งที่ผลิตพลังงานหมุนเวียน เนื่องจากระบบสายส่งที่ยาวไกลกว่าหมายถึงการสูญเสียที่สูงกว่า และใช้การชาร์จอย่างรวดเร็วหรือไม่

โดยภาพรวมแล้ว ตัวเลขประสิทธิภาพ เป็นเพียงตัวเลขโดยประมาณในมุมมองของการได้มา ซึ่งเทียบกับพลังงานที่ใส่เข้าไป จึงยังไม่ได้ชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนถึงแรงบิดในการใช้งานที่แท้จริง เครื่องยนต์สันดาปภายในจะมีกำลังขับเคลื่อนมากกว่า เหมาะสำหรับงานหนัก หรือเมื่อรับน้ำหนักมากขึ้น นั่นคือสิ่งจูงใจในการลดขนาดเครื่องยนต์ในรถยนต์ดีเซล ในขณะที่ FCEV หรือรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง จะมีประสิทธิภาพสูงสุดที่โหลดต่ำ ดังนั้นการใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจุดระเบิดในห้องเผาไหม้เครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือ Internal Combustion Engines : ICE จึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับโหลดสูง หรืองานหนักที่ต้องการกำลังเครื่องยนต์สูง ซึ่งสามารถให้พลังแรงขับเคลื่อนที่เหนือกว่า เช่น รถแข่ง เครื่องจักรกลขนาดใหญ่สำหรับงานช่างโยธา รถบรรทุกหนัก เรือเดินทะเล และอากาศยาน เป็นต้น..

Toyota และผู้ผลิตรถยนต์ญี่ปุ่นหลายราย รวมถึงแบรนด์รถหรูฝั่งยุโรปกำลังพัฒนายานยนต์ไฮโดรเจน เพื่อขยายตลาดเชิงพาณิชย์ สำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน Hydrogen Internal Combustion Engines: HICE..

ปัจจุบัน เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน Hydrogen Internal Combustion Engines : HICE ยังไม่มีการจำหน่ายในตลาดเครื่องยนต์ของรถยนต์เชิงพาณิชย์ อย่างไรก็ตาม มีผู้ผลิตรถยนต์ญี่ปุ่นหลายแบรนด์ ได้แก่ Toyota Subaru, Mazda, Kawasaki และ Yamaha ได้ประกาศความร่วมมือในการขยายใช้เทคโนโลยีเชื้อเพลิงทางเลือก หรือ Alternative Fuel Technologies ซึ่งรวมถึงเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน โดยการดัดแปลงระบบฉีดเชื้อเพลิงและถังเก็บไฮโดรเจน ยังไม่รวมถึงบริษัท OEM ที่เกี่ยวข้องกับการเดินอากาศในยุโรป ทั้ง Airbus และ Boeing กำลังเร่งพัฒนาเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน หรือ Hydrogen in Aviation แทนที่เชื้อเพลิงแบบเดิมที่มีมลพิษสูง สำหรับใช้งานในเครื่องยนต์ของเครื่องบินพาณิชย์ ในอนาคตอันใกล้ คาดว่า เครื่องยนต์เจ็ตเทอร์โบแฟนของบริษัทผลิตเครื่องบินเชิงพาณิชย์จะออกมาใช้งานในปี 2573-2575

ความพยายามและเป้าหมายที่จะลดคาร์บอนในบรรยากาศ ซึ่งเป็นตัวการที่ทำให้สภาวะภูมิอากาศโลกเปลี่ยนแปลงไปในทางที่เลวร้าย เกิดขึ้นจากการพัฒนาระบบเชื้อเพลิงในเครื่องยนต์ไฮโดรเจนของค่าย Toyota ในสนามแข่งรถ ก่อนหน้านี้ผู้ผลิตรถยนต์เจ้าของตราสัญลักษณ์สามห่วงได้นำเสนอรถ GR Corolla Sport Hatchback / GR Yaris / GR86 และล่าสุดกับ Toyota Corolls Cross ด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบสามสูบ ความจุ 1.6 ลิตรเทอร์โบ ที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงไฮโดรเจน การพัฒนาอย่างเข้มข้น เกิดขึ้นจากความร่วมมือกับ Yamaha ในการแข่งขันรถยนต์ทางเรียบที่ปล่อยมลพิษต่ำ ที่มีการแข่งขันกันในประเทศญี่ปุ่น โดยมีประธานบริษัท Toyota Mr. Akio Toyada ร่วมลงทำการแข่งขัน เพื่อแสดงให้เห็นว่า รถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนนั้นมีประสิทธิภาพและความปลอดภัยที่มากพอ ทั้งนี้ ไฮโดรเจนถูกจัดหาโดยโรงงานแห่งใหม่ในเมืองฟุกุโอกะ ประเทศญี่ปุ่น Fukuoka City, Japan รวมถึงโรงงานผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่เมืองเซนได ซึ่งจะผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซชีวมวลด้วยสิ่งปฏิกูล หรือ Hydrogen from Sewage Biogas..

รถแข่งเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน หรือ Hydrogen Race Car ของค่าย Toyota เข้าร่วมพร้อมคู่แข่งขันที่ใช้เชื้อเพลิงแตกต่างกันออกไป แต่รถแข่งทุกคันในรายการ Japanese Super Taikyu Series รถแข่ง Toyota GR Yaris ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่มีการปรับแต่งระบบเชื้อเพลิงใหม่ หรือ Hydrogen ICE, ส่วน Mazda 2 Hatchback ใช้เชื้อเพลิงไบโอดีเซล ในขณะที่ Subaru BRZ และ Toyota GR 86 รถสปอร์ตแฝดรุ่นดัดแปลงจะใช้เชื้อเพลิงสังเคราะห์ที่ได้จากชีวมวล หรือ Synthetic Fuel Derived from Biomass 

ขณะเดียวกัน Kawasaki และ Yamaha ได้ร่วมกันทำการวิจัยเกี่ยวกับเครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงไฮโดรเจน (Hydrogen Combustion Engines) สำหรับทั้งรถยนต์ 4 ล้อ รถจักรยานยนต์ ทั้งนี้ ทั้งสองบริษัทฯ ได้เข้าร่วมกับแบรนด์ Honda และ Suzuki ทั้งนี้ สี่บริษัทดังกล่าวยังเป็นพันธมิตรร่วมกันในการแลกเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่ใช้ในรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าไปก่อนหน้านี้

เห็นได้ชัดว่า ฮอนด้า Honda ยังไม่ได้กระโดดเข้ามาร่วมวงในการลดการปล่อยคาร์บอนด้วยไฮโดรเจน แม้ว่าจะเคยผลิตรถยนต์นั่งเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน หรือ Hydrogen Fuel-Cell Passenger Cars สำหรับ Nissan และพันธมิตรอย่าง Mitsubishi ก็ยังมุ่งไปที่ยานยนต์พลังงานไฟฟ้า BEV ทั้ง Nissan และพันธมิตรอย่าง Mitsubishi ยังไม่ได้แสดงความสนใจเกี่ยวกับการวิจัยและพัฒนาเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในเครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่ผู้บริหารระดับสูงของทั้งสองบริษัทยังคงติดตามความก้าวหน้าในการพัฒนา HICE อย่างใกล้ชิด

การเผาไหม้ไฮโดรเจนในเครื่องยนต์สันดาปภายใน Internal Combustion Engines แทนที่น้ำมันเบนซิน หรือดีเซล ไม่ใช่แนวคิดใหม่ นานมาแล้วที่ BMW เคยผลิตรถยนต์ Hydrogen 7 ซึ่งเป็นรถรุ่น 7 Series ที่มีเครื่องยนต์สันดาป V12 ที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน รวมถึง Mercedes-Benz ที่วิจัยรถยนต์เซลส์เชื้อเพลิง FCEV ด้วยรถ GLC Hydrogen ปัจจุบัน แนวคิดนี้ดูเหมือนจะสร้างความน่าสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ

อย่างไรก็ตาม แม้จะให้กำลังขับมหาศาล แต่เครื่องยนต์สันดาปภายในไฮโดรเจน Hydrogen Internal Combustion Engines : HICE อาจมีประสิทธิภาพน้อยกว่าระบบส่งกำลังเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง มีข้อได้เปรียบตรงที่สามารถผลักดันให้พวกมันมีราคาที่เท่าเทียมกับน้ำมันเบนซินได้ภายในปี 2568