BMWの水素自動車プロジェクト
2007年１１月2８日 国連大学
ゼロエミッションシンポジウム２００７
地球温暖化対策－展望と世界の先進事例
BMW Japan Corp. 山根 健
Hydrogen 7: the first premium saloon
水素エンジン自動車開発と今後
• ＢＭＷの水素自動車開発の歴史と現状 • BMWのHydrogen 7プロジェクト 車両 エンジン 水素貯蔵 開発試験 • 今後の取り組み水素自動車開発の背景
• 個人のモビリティ手段を提供し続ける
と共に、走る歓びを実現する。
• 提供し続ける：情勢変化があっても個人のモビ リティ実現のために最大限の努力を惜しまない。 • 走る歓び：意のままに、ダイナミックに。モビリティ
• 歴史：有史以前から人類は生きるために移動 していた。長い間、人力、動物、自然力がその 移動用の動力であった。 • 動力機関による移動手段の発明により、先ずこ れまでにない高速、大量の次いで、個人の自 由な移動が可能となった。 • 自動車、特に乗用車は、個人の自由な移動 範囲を拡大した。エネルギー
• 歴史：有史以前から長い間、人力、動物、自 然力がその移動用の動力であった。 • 照明、暖房、調理用エネルギー源は長いこと 動植物を原料としたものだった。 • 航海技術→植民地→「産業発展」に伴い、「エ ネルギー革命」(１次：石炭へ、２次石油へ）が 誘起され、以後急速にエネルギー消費量が増 加し続けている。 • 近代は、大量の化石燃料消費に伴う大気汚 染とエネルギー枯渇問題が大きく影を落として いる。8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1200 1000 800 600 400 200 0 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1980 1990 2000 2010 2020 1980 1990 2000 2010 2020
Driving Performance [Mrd. km/a]
0 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 40 35 30 25 20 15 10 5 CO [ kt /a] HC [ kt /a] NOx [ kt /a] Particle [ kt /a] 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1980 1990 2000 2010 2020 1980 1990 2000 2010 2020 800 700 600 500 400 300 200 100 0 大気汚染への取り組み 自動車から排出される汚染物質量の変遷(独)
Driving Performance [Mrd. km/a]
地球温暖化問題への取り組み
今後、自動車台数はどうなるか？. 既に飽和状態の国とこれから急増が見込まれる国 285 380 82 127 1280 1050 204 192 41 47 20 8 95 716 505 502 310 16 8 6220 585
Welt USA EU (15) Deutschland Japan China Indien
Population (Millions) Vehicles (Millions)
世界のエネルギー消費予測 2000年から2040年の間に倍増の予測 Quelle: Shell 2000 2040 Yet open Geo-Ocean Solar New Biomass Wind Nuclear Water Natural Gas Oil Coal Tradit. Biomass
新世代パワートレイン開発スローガン 高効率高性能コンセプト－Efficient dynamics. fuel economy weight power Efficient dynamics
BMWのフリート燃費の変遷 1990年からの15年間でほぼ30％の改善を果した。 % 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 100.0 97.5 90.9 89.3 85.8 83.7 86.3 87.3 85.6 82.1 79.6 74.3 74.0 74.0 70.8 77.3
Weight and Function
BMW Groupのエネルギー戦略. 短、中期の主要課題 現行の動力、 駆動系の改良 軽量化(新材料)、 空力改善 電気駆動動力系 エネルギー管理
持続可能モビリティと走る歓びの両立 BMW Groupの展望. 2006 > 2020 today Hydrogen tomorrow
特徴 -技術面 • 出力特性 • 航続距離 / 燃費 • 排出ガス • 車両搭載性 • ... -量産、普及対応 • 大量生産の実現性 • コスト • 部品供給 / 材料 • 認証と運営 • ... -戦略 • 市場性 (CO2, 排出ガス) • 上級車からの導入 • ... 動力発生装置 -熱機関 • 内燃ピストンエンジン • ヴァンケルエンジン -燃料電池 + 電動モーター • PEMFC • SOFC -ハイブリッドシステム -蒸気エンジン -スターリングエンジン -ガスタービン - ... 代替エネルギー -水素 -天然ガス -合成燃料 -植物油 -メタノール -... ＢＭＷにおけるClean Energy パワートレイン研究
代替エネルギーを使用した パワートレイン
Achieving substantial benefit compared to vehicles with conventional propulsion
The same 100% compliance has to be achieved as with
conventionally propelled vehicles
!!
- EU4, EU5, LEV II等への適合 - PZEV, ZEVにも適合可能 代替パワートレインの 性能特性 -ACEA-コミット -京都議定書 代替パワートレインでしか達成できないこと ! CO2-の排出ゼロ 排出ガス ! ! ! ! 持続性があること 短期に独自のエネルギー供給が 可能 Freedom Car-プログラムUSA -WE-NET-プログラム 日本 自立性 ! ! 9 - 化石燃料からの脱却 - 再生可能エネルギー 典型的なBMW 運動性能を有する - 性能 - 運動性能 - 燃費 - ... 9 9 ! ! ＢＭＷの考える将来型パワートレイン
水素へのエネルギー転換
• 鉱物資源は有限であり、しかも偏在している。 • 反面、人口の増加、「非先進国」の急速な発 展により総エネルギー消費量は急速に増加 し続けている。 • 大気汚染問題、地球温暖化もこの総エネル ギー消費量増加と切り離せない。 • 再生可能エネルギーを水素に変換すること により「自由に使えるエネルギー」となる。+
1960’s + Air quality ZEV mandate 1990’s + Climate change Kyoto Protocol 2000’s + Supply guarantee+
Hydrogen Powered Vehicles
Challenges in the transportation sector.
乗用車用エネルギー源として考えられるもの 「資源」から燃料への流れ ガソリン プロパン/ 水素 ブタン メタン ディー ゼル エタノー ル 植物油 メタノール 蓄電池 電力 消費型エネルギー源 石油, 天然ガス, 石炭 原子力 再生可能型エネルギー源 太陽エネルギー(直接), 水力発電, 風力発電 バイオマス
再生可能なエネルギーサイクル 水素サイクル. O2 O2 H2 H2 H2O 水の電気分解 輸送 貯蔵 燃焼 H2 O2 太陽電池 & 水力発電など ENERGY ENERGY
CleanEnergy - fr - 070800 - 0029
大規模な太陽熱発電所
今日の水素利用と製造状況 水素は工業的にはすでに大量に流通している 石油工業 しかし、燃料用としては水素利用は 限られている。. 化学工業
水素の製造法、手段 環境問題解決の手段として考えると 再生可能エネルギーによるものであるべき. バイオマスガス化 電気分解 (風力-, 太陽-or 水力発電) 天然ガス蒸気改質 石炭蒸気改質 水の熱分解
1999-2001 R & D Î 実用評価ステージ 1980s-1999 R & Dとして 2001-2006 量産開発 Î 一般ユーザーの使用を目的に BMW CleanEnergy. 水素エンジン車両開発の歴史
2006: Hydrogen 7 (E68).
水素エンジン自動車開発と今後
• ＢＭＷの水素自動車開発の歴史と現状 • BMW Hydrogen 7プロジェクト 車両 エンジン 水素貯蔵 開発試験 • 今後の取り組みBMW Hydrogen 7.
車両概要
水素－ガソリン バイフューエル内燃機関 液体水素 タンク ガソリンタンクBMW Hydrogen 7.
量産開発工程
H2関連コンポーネントおよび システムの検証および認定 最初のBMW水素自動車を使用者 に供給 量産開発 BMW Hydrogen 7 の技術的目標車両 タンク搭載用サイドフレーム補強 水素ガス漏洩警報システム 液体水素タンク 液体水素充填システム タンク制御システム ボイルオフシステム 液体水素貯蔵部 新規部品 仕様変更部品 エンジン関連 バイフューエル内燃機関 点火システム エンジン制御システム (DME) 水素燃料噴射システム
BMW Hydrogen 7.
車両変更内容
BMW Hydrogen 7.
全方位型安全コンセプト
保護目標 手段 冗長シャットオフ およびセーフティ・ バルブ ボイルオフ・ マネージメント・ システム バリア・コンセプト 耐衝突パッケージ 診断および 安全性機能 ガス警告 爆発防止ゾーン 機械的オーバーサイズ 一定エリアには点火源 が存在してはならない。 一定量を上回る水素 が放出されてはならない。 LH2タンクは爆発 してはならない。 可燃性混合気が生成 されてはならない。 コールドバーンは回避 されなければならない。6.0 litres 191 kW (260 bhp) / 5100 rpm 390 Nm /4300 rpm ポート噴射 筒内 直噴 バイフューエル 12気筒エンジン (水素 / ガソリン) 排気量 最高出力 最大トルク H2: ガソリンl:
BMW Hydrogen 7.
バイフューエル水素エンジン
BMW Hydrogen 7.
BMW Hydrogen 7.
BMW Hydrogen 7.
BMW Hydrogen 7.
出力特性
BMW Hydrogen 7.
水素運転範囲(NOx対策)100 % Limit 0.1 g/km 1.0 g/km 0.08 g/km EU4 NEDC < 1.0 % < 1.0 % 2.0 % HC CO NOx Europe
0.01 g/mi 1.0 g/mi 0.02 g/mi
SULEV II FTP 75 < 1.0 % < 1.0 % 30 % Hydrogen 7 Bi-fuel 10 % Hydrogen 7 Mono-fuel NOx NMOG CO USA / Canada 100 % Limit
BMW Hydrogen 7.
排出ガス特性
ガソリン 軽油 液体水素 120 100 80 60 40 20 33,6 35,8 8,5 エネルギー [MJ / ltr] 45 44 120 発熱量 [MJ / kg] 容積密度 重量密度
燃料のエネルギー密度
BMW Hydrogen 7. 液体水素貯蔵タンク(極低温) 気密シール 充填部 弁 (内圧制御、ボイ ルオフ、安全弁) 熱交換器 内殻 センサー コントロール 液体水素 遮断弁 外殻 断熱層 エンジンへの水素供給管、 エンジン冷却水導入管 水素レベルセンサー
Explosion in system box Rupture of Vacuum Roll-Over Mechanical Damage Thermal Effect Pressure release Explosion tests within the vehicle A n s a u g u n g E in le itu n g A n s a u g u n g Gas flow Thermographie LH2-Tank Crash Integrity of operation BMW Hydrogen 7. 開発試験
BMW Hydrogen 7.
年間を通じてさまざまな試験が行われている: - 高速走行試験 - 寒地試験 - 熱地試験 これまでに150万ｋｍ以上の走行試験を行ってきた ユーザー使用を想定したさまざまな試験を行っている BMW Hydrogen 7.
車両試験
水素エンジン自動車開発と今後
• ＢＭＷの水素自動車開発の歴史と現状 • BMWのHydrogen 7プロジェクト 車両 エンジン 水素貯蔵 開発試験 • 今後の取り組み1. エンジンのトルクと出力
少なくとも今日のガソリン、ディーゼルエンジンのレベル:
比出力: 50 - 60 kW/dm3
比トルク: 90-110 Nm/dm3
2. 排出ガス
NOx-排出レベルが SULEV (FTP75) & US06 規制値 を満足するポテンシャルを有すること 3. 燃費 効率 全負荷(最大出力時) ηe≈ 35 % 代表負荷点 (2000 / we 02) ηe≈ 30 % 4. エンジン追加部品 H2 混合気生成装置 水素エンジンプロジェクト今後の取り組み 水素エンジン開発目標
水素エンジンプロジェクト今後の取り組み
理論出力密度
燃料 ガソリン 水素 水素 水素 混合気生成 外部(ポート) 外部(ポート) 極低温外部 直噴＋過給 [K] 293 293 210 293 [%] 100 82 115 約200 水素 直噴 293 117 運転条件: λ = 1 ηe = 一定. 吸入空気温度 比出力(対ガソリン) Quelle intern: ZT-2, 2004水素の車両搭載
