水素列車

輸送分野では、元々の（2003年）総称「ハイドレール」には、水素列車、ゼロエミッション複数ユニット、またはZEMUが含まれます。これらは、車載水素燃料をエネルギー源として牽引モーター、補助装置、またはその両方を動かす鉄道車両（大小問わず）を表す総称です。ハイドレール車両は、水素内燃機関で水素を燃焼させるか、燃料電池で水素と酸素を反応させて電気モーターを動かす（水素燃料電池列車）ことによって、水素の化学エネルギーを推進力として使用します。鉄道輸送の燃料として水素を広く使用することは、提案されている水素経済の基本要素です。この用語は、世界中の研究者や技術者によって使用されています。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

ハイドレール車両は通常、回生ブレーキのためにバッテリーやスーパーキャパシタなどの再生可能エネルギー貯蔵装置を備えたハイブリッド車両であり、効率を向上させ、必要な水素貯蔵量を削減します。ハイドレールの潜在的な用途には、通勤鉄道、旅客鉄道、貨物鉄道、ライトレール、鉄道高速輸送システム、鉱山鉄道、産業鉄道システム、路面電車、公園や博物館の特別鉄道乗車など、あらゆる種類の鉄道輸送が含まれます。

ハイドレールという用語は、2003年8月22日にマサチューセッツ州ケンブリッジにある米国運輸省ボルペ交通システムセンターで行われた招待講演に遡ると考えられています。^{[ 7 ]}そこで、米国の通信会社AT&Tの元未来学者兼戦略プランナーであるスタン・トンプソンが、「ムーアズビル・ハイドレール・イニシアチブ」と題した講演を行いました。^{[ 8 ]}しかし、著者であるスタン・トンプソンとジム・ボウマンによると、この用語が最初に印刷物として登場したのは2004年2月17日、水素レール分野で活動する世界中の学者や技術者が、この分野で作成されたすべての研究成果をより簡単に公開および検索できるようにするための検索エンジンのターゲットワードとして、International Journal of Hydrogen Energyに掲載されたものです。^{[ 9 ]}

2005 年以来、毎年国際ハイドレール会議が開催されています。アパラチアン州立大学とムーアズビル・サウス・アイアデル商工会議所が大学やその他の団体と共同で主催するこの会議は、環境、気候、エネルギー安全保障、経済発展の理由から、この技術の導入を加速するために、世界中でこの技術に取り組んでいる、またはこの技術を使用している科学者、エンジニア、ビジネスリーダー、産業専門家、オペレーターを集めることを目的としています。これらの会議の発表者には、米国、オーストリア、カナダ、中国、デンマーク、EU、ドイツ、フランス、イタリア、日本、韓国、ロシア、トルコ、英国、国連 (UNIDO-ICHET) の国および州/地方機関が含まれています。初期の頃は、これらの会議は主に学術分野が中心でしたが、2013 年までに、企業や産業界の関係者の参加が増加していると報告されています。^{[ 10 ]}

2010年代には、中国、ドイツ、日本、台湾、英国、米国など、さまざまな国の複数の輸送事業者が燃料電池と水素生成装置を採用しました。ハイドレール車両に適用できる技術の多くは、道路車両などの他の輸送形態にも適用できます。^{[ 10 ] [ 8 ]}

水素は、水分子1つにつき酸素原子1つに対して水素原子が2つあるため、一般的で容易に入手できる元素です。 ^{[ 10 ]}水素は、水蒸気改質（通常は化石燃料を使用）や電気分解（大量の電力が必要で、あまり一般的ではない）など、いくつかの方法で水から分離できます。分離された水素は、燃料として使用できます。^{[ 10 ]}ハイドレール車両の燃料となる水素は、安定した電力と水の供給のみを必要とする個別のメンテナンス基地で生産でき、その後、車両上の加圧タンクにポンプで送り込むことができると提案されています。^{[ 10 ]}

軽量で高性能な燃料電池の開発により、水素燃料車の実現可能性が高まっています。カナダの企業 Hydrogenics によると、2001 年に同社の25 kW (34 hp)燃料電池は重量が290 kg (640 lb)で効率が 38 ～ 45 パーセントでしたが、2017 年までに同社の燃料電池は重量が72 kg (159 lb)で効率が 48 ～ 55 パーセントとなり、出力密度が約 5 倍に増加しました。^{[ 10 ]} Rail Engineer によると、特定の種類の列車 (貨物機関車や高速列車など) での水素推進の使用は、低出力の用途 (入換機関車や電車など) に比べて魅力が低く、より困難です。^{[ 10 ]}また、同誌は、鉄道業界における排出量削減の圧力が、ハイドレールの採用需要を刺激する役割を果たす可能性が高いと指摘しています。^{[ 10 ]}      

典型的な水素推進システムの主要技術は燃料電池です。この装置は、水素に含まれる化学エネルギーを電気、水、熱に変換します。 ^{[ 10 ]}そのため、燃料電池は、燃料を生成するために使用される電気分解プロセスと本質的に逆の方法で動作します。つまり、電気エネルギーを消費して水素を生成するのではなく、純粋な水素を消費して電気を生成しますが、交換の際にある程度のエネルギー損失が発生します。^{[ 10 ]}報告によると、電気を水素に変換して再び電気に戻す効率は30%弱で、現代のディーゼルエンジンとほぼ同じですが、架線を使用した従来の電気牽引よりは劣ります。車載燃料電池で生成された電気は、列車を推進するためのモーターに供給されます。 ^{[ 10 ]}架線電化のコストは約200万ユーロ/kmであるため、交通量の少ないルートでは電化は費用対効果が高くなく、バッテリーやハイドレールソリューションが代替案となる可能性があります。^{[ 11 ]}

鉄道業界の出版物である Railway Engineer は、風力発電の普及拡大により、一部の国では夜間に電力の余剰が生じており、この傾向は、電気分解によって水素を容易に製造できる低コストで入手しやすいエネルギー源となる可能性があると理論づけている。 ^{[ 10 ]}したがって、各国の電力網から入手可能なオフピーク電力を使用して水素を製造することは、利用可能な最も経済的な方法の 1 つになると考えられている。2017 年 1 月現在、電気分解によって製造された水素は、一般的に天然ガスとほぼ同じ価格で、ディーゼル燃料のほぼ 2 倍の価格である。しかし、これらの化石燃料とは異なり、水素推進では車両からの排出ガスはゼロである。^{[ 10 ]} 2018 年の欧州委員会の報告書によると、水素が蒸気メタン改質によって製造された場合、ハイドレールの排出量はディーゼル列車よりも 45% 低い。^{[ 11 ]}

Rail EngineerとAlstomによると、10MWの風力発電所は、1日あたり2.5トン（2.5ロングトン、2.8ショートトン）の水素を余裕をもって生産することができ、これは14編成のiLint列車を1日あたり600km （370マイル）の距離で走らせるのに十分な量である。^{[ 10 ]} 2017年1月現在、世界中で水素の生産量は量と供給量が拡大しており、燃料としての魅力が高まっていると報告されている。水素の適切な流通ネットワークを構築する必要があり、そのためには多額の投資が必要となるため、少なくとも短期的にはハイドレールの成長を抑制する要因となる可能性が高い。^{[ 10 ]}   

鉄道技術誌は、鉄道業界は歴史的に新しい技術の採用が遅く、考え方も比較的保守的であると指摘しているが、早期採用者によるこの技術の大規模な展開が成功すれば、消極的な態度や伝統主義を克服する上で決定的な役割を果たす可能性がある。^{[ 8 ]}さらに、ディーゼルからハイドレール推進への移行には大きなメリットがあるかもしれない。日立レールヨーロッパ、バーミンガム大学、フューエルセルシステムズ社のコンソーシアムが行った調査結果によると、ディーゼル多目的ユニットを改造したハイドレール車両は、エネルギー消費量を大幅に削減できる可能性がある。報告によると、同モデルでは、ノーウィッチからシェリンガムまでの路線で、従来の牽引方式と比較して最大52%の節約が見られたという。^{[ 10 ]}既存の鉄道技術を用いた中間段階としては、従来のエンジンでディーゼルと水素の混合燃料を燃焼させる方法があるが、これはゼロエミッションではない。^{[ 12 ]}

• 2002年、ケベック州ヴァル・ドールで、ヌベラ燃料電池で駆動する3.6トン（3.5ロングトン、4.0ショートトン）、17kW （23馬力）の水素燃料鉱山用機関車が初めて実証された。^{[ 14 ]}   
• 2006年4月、東日本旅客鉄道株式会社が開発した世界初のハイドレール式鉄道車両が開発された。^{[ 15 ] [ 10 ]}
• 2006年10月、日本の鉄道技術研究所は、ヌベラ燃料電池で駆動する70トン（68.9ロングトン、77.2ショートトン）の都市間列車である燃料電池ハイドレールの試験を実施した。 ^{[ 16 ]} 
• 2007年4月、台湾国立科学技術博物館と台湾燃料電池パートナーシップの共同開発によるミニハイドレールが、初の教育的な乗車体験を行った。 ^{[ 17 ]}
• 2007年、日本の鉄道技術研究所は、それぞれ450kW （600hp ）のPEM燃料電池と150kW （200hp ）のバッテリーを搭載した62t （61.0ロングトン、68.3ショートトン）の客車を2両製造した。^{[ 18 ]}     
• 2008年、日本の東日本旅客鉄道（JR東日本）は、 65kW （87馬力）のPEM燃料電池2基と19kWh （68MJ ）のリチウムイオン電池を搭載した実験的なハイブリッド列車「 NEトレイン」を長野県で短期間試験運行した。    
• 2009年、BNSF鉄道は、米国陸軍工兵隊およびVehicle Projects Inc.と共同開発した水素燃料電池で駆動する入換機関車、Vehicle Projects HH20Bを発表した。 ^{[ 19 ]} 2010年に初走行を行ったと報じられている。^{[ 10 ]}
• 2010年、インドネシアで357キロメートル（222マイル）の高速ハイドレール路線が提案された。^{[ 20 ]}現在実現可能性調査中のこの鉄道リンクは、水素を動力とする磁気浮上式システムでジャワ島のいくつかの都市を結ぶ予定である。^{[ 21 ] [ 22 ]} 
• 2011年、FEVEとバリャドリッド大学（CIDAUT）はFCトラムHを運行開始した。₂アストゥリアスでのプロジェクトではSNCVのFABIOLOSシリーズ3400を改造して使用しています。 ^{[ 23 ] [ 10 ]}最大30人の乗客を乗せることができ、最高速度は20km/h（12mph）です。  
• 2012年、デンマークの水素列車プロジェクトは、内燃機関に水素を使用したヨーロッパ初の水素動力列車の開発と建設に着手した。^{[ 24 ] [ 25 ]}
• 2012年には、バーミンガム大学のミニハイドレール水素パイオニアトレインが、構成テスト用の縮小パワートレインとして登場した。^{[ 26 ] [ 27 ]}
• 2012年から2014年にかけて、中国でハイドレールコンセプトのテストが行​​われた。^{[ 28 ]} 2010年11月、西南交通大学が最初のハイドレールプロトタイプを実証した。^{[ 29 ]}
• 2012年、南アフリカのアングロ・アメリカン・プラチナ（Amplats）とVehicle Projects Inc.は、試験のために可逆金属水素化物貯蔵を備えた5台のPEMFC Trident新時代の機関車をディシャバ鉱山で稼働させた。^{[ 30 ] [ 31 ]}
• 2014年、ドイツのニーダーザクセン州、ノルトライン＝ヴェストファーレン州、バーデン＝ヴュルテンベルク州、およびヘッセン州の公共交通機関当局は、アルストム・トランスポート社と、2018年までに2台の燃料電池式アルストム・コラディア列車の試験運行を行う意向書に署名した。 ^{[ 32 ]}
• 2015年、ウォーリック大学は水素動力機関車の開発に着手した。同年、アルバのダウンタウン・オラニエスタッド路面電車が運行を開始した。ドバイのダウンタウン・ドバイ・トロリー・プロジェクトは、ドバイのブルジュ・ハリファとドバイ・モール周辺での運行開始を目指している。^{[ 33 ]} 2015年、CSR Sifang Co Ltd.は、中国の青島で初の380人乗り路面電車を披露した。^{[ 34 ]}
• 2016年9月、アルストムはザルツギッターの工場で製造された新開発のiLint列車を発表した。2017年11月、ニーダーザクセン州の地方交通局は、最初の14両のiLintを発注した。ドイツ連邦鉄道局による試験と承認は2016年末に開始された。^{[ 35 ]}
• 2016年 – CRRC TRC（唐山）は、世界初の商用燃料電池ハイブリッド路面電車を開発し、2017年に南湖工業観光実証事業で初の試験走行を完了した。
• 2018年 – 2台の試作型イリント列車がブクステフーデ–ブレーマーフェルデ–ブレーマーハーフェン–クックスハーフェン地域で定期営業運転を開始する予定。シュレースヴィヒ＝ホルシュタイン州は、 2025年までに60台のイリントハイドレール車両を使用して、1,100 km (680マイル)のネットワーク全体を電化する予定である。 ^{[ 8 ]} 2018年1月現在、すべての車両はブレーマーフェルデの車両基地でメンテナンスされる予定であり、そこは世界初の水素列車燃料補給基地となる。水素は地元の風力タービンを使用して現地で生成される予定である。^{[ 10 ]}  
• 2017年9月、アルストムは、2018年12月に開通予定のイギリスのリバプール～チェスター間の新路線で、水素燃料電池で動く列車の試験運行を提案した。アルストムは、路線に隣接するリバプール郊外のヘイルバンクに新しい施設を所有しており、近くのスタンロー製油所から水素を供給されている。^{[ 36 ]}
• 2018年3月、マレーシアのサラワク州政府は、クチン軽軌道交通システムを水素燃料電池で駆動し、2024年までに完成させる予定であると提案した。^{[ 37 ]}しかし、2018年9月、サラワク州首相は、資金が他の用途に必要であるとして、このプロジェクトを保留すると発表した。^{[ 38 ]}
• 2019年6月、JR東日本はトヨタの水素燃料電池技術を用いた2両編成の列車の開発に投資し、2021年までに試験運転を開始し、2024年までに商業的に実現可能な技術を準備することを目指していると発表した。トヨタはミライ車両に燃料電池技術を採用している。^{[ 39 ]}
• 2019 年 6 月～7 月、イタリア経済開発省は、鉄道輸送を含むさまざまな分野における水素導入プロジェクトに関する利害関係者の意見を収集した。^{[ 40 ]}これには、イタリア中部の 4 つの地域を横断する310 km (190マイル)の鉄道リンク (サンセポルクロ (トスカーナ州) からスルモナ (アブルッツォ州)) のディーゼルから水素への転換が含まれていた。イタリアの Cinque International が米国の AECOM、スペインの Iberdrola、その他の地元のパートナーと共同で開発した^{このプロジェクトは、イタリア運輸省の優先リスト [42} ]および^欧州クリーン水素^{アライアンス}のプロジェクト パイプラインに含まれていた^。2021年12月20日、首相府は、鉄道沿線の 3 つの再生可能水素製造拠点と車両の購入に 5,000 万ユーロを割り当てたが、テルニ-リエーティ-ラクイラ-スルモナルートに限定されていた。^{[ 43 ]}  
• 2019年11月、米国初の水素燃料電池列車がスイスのメーカーであるシュタッドラー・レール社に発注され、カリフォルニア州レッドランズとサンバーナーディーノを結ぶ間もなく開通するアロー通勤鉄道サービスで使用される予定である。^{[ 44 ]}
• 2021年3月17日、フランス国鉄は、今後5年間で15両のハイドレールがカーン-アランソン-ル・マン-トゥール線（フランス北西部）で運行されると発表した。この路線ではディーゼル燃料のX72500とXGCのみが使用されていた。^{[ 45 ]}
• 2021年4月、フランス国鉄はアルストム社に14両のハイドレール（うち2両はオプション）を2億ユーロで発注した。これらの列車は2025年までに4つの地域（オーヴェルニュ＝ローヌ＝アルプ、ブルゴーニュ＝フランシュ＝コンテ、グラン・エスト_・エ・オクシタニー）で運行される予定である。^{[ 46 ]}これらの列車は 直接的なCO2排出なしで600kmの航続距離を持つ。^{[ 47 ]}
• 2022年9月、CaltransとCalSTAは、Stadler社に水素燃料電池輸送車両29両（正式発注4両とオプション25両）を発注した。これらの列車は、Amtrak Californiaのサービスで使用される予定である。^{[ 48 ]}
• 水素機関車– BNSF、キャタピラー、プログレスレール、シェブロンは2021年に提携し、水素燃料電池機関車のプロトタイプを開発しました。^{[ 49 ] [ 50 ]} CSXとカナディアンパシフィックは2023年に提携し、ディーゼル機関車を水素に改造するための水素変換キットを開発しました。^{[ 51 ]}
• 北カリフォルニアで計画されているバレーリンク通勤鉄道サービスは、運行にゼロエミッションの水素列車セットを使用する予定です。^{[ 52 ] [ 53 ]}
• 2024年：スイスの鉄道車両メーカーであるシュタッドラーレールが開発した水素燃料電池旅客列車が、2日間かけて1,741.7マイル（2,803.0 km）の距離をノンストップで走行し、ギネス世界記録を樹立した。 ^{[ 54 ]}  
• プロジェクトHympulsoは、2024 年に発表されたスペインのイニシアチブで、タルゴが主導し、世界初の水素燃料高速列車の開発に焦点を当てています。さらに、このプロジェクトは、世界で 2 番目に大きい高速鉄道網であるスペインの鉄道網全体に電力を供給する実現可能性を分析することを目指しています。^{[ 55 ]}
• インテグラル・コーチ社は、インド鉄道と提携して、 DHMU 1 両を水素燃料電池ベースの列車に改造する計画を立てています。2025年後半に導入され、歴史的なカルカ・シムラ路線で使用される予定です。^{[ 56 ] [ 57 ]}
• インド鉄道は、ハリヤナ州ジンドで水素列車のプロトタイプのテストを開始しました。8両編成の水素列車は、 2026年3月2日の初走行で最高時速70km /h（43mph）に達しました。 ^{[ 58 ]}  
• 2026年7月17日：インドの首相は、ジンドとソニパット間の89kmを走るインド初の国産水素列車の出発式を行った。^{[ 59 ]}

• バッテリー式電気複数ユニット
• 複合サイクル動力鉄道機関車
• 燃料電池バス
• 水素自動車
• 水素燃料電池発電所
• 燃料電池車一覧
• 水素技術のタイムライン

• EU FP 6 HyRailプロジェクト（ 2009年1月31日アーカイブ、Wayback Machineにて公開）
• Hydrail.orgアパラチアン州立大学