全球首创技术！压缩空气就能驱动汽车，能替代电动和燃油汽车吗？

为响应低碳环保的号召，厦门大学许教授开发的智能摩擦技术在轴承领域产业化实验中取得突破性进展。2021年4月7日厦门大学在百年校庆之际发布了一系列智能摩擦与新动能代表性科研成果。

未来这项技术将在风力发电、空气压缩储能、空气动能发动机领域发光发热。此次研发的空气动能发动机已经能在乘用车辆上预装运作。

空气动能发动机是什么黑科技，只要压缩空气就能驱动汽车，它能比过电车吗？

空气动能发动机驱动汽车和电驱动汽车有什么不同？

空气动能发动机听起来很高级，其实原理很简单，简单理解就是车上装上一瓶高压气罐，通过泄压产生的气流动能来推动活塞运作，让汽车动起来。它与电驱动的差别就在动力来源上，一个是压缩空气驱动，一个是电动机驱动。比起能效极高的电动机，空气动能发动机的工作原理和内燃机要更接近一些。

活塞式内燃机是通过空气混合燃料燃烧产生的高温高压燃气带动活塞运动，驱动汽车运动；空气动能发动机则少了燃烧的步骤，直接通过压缩空气的泄压来带动活塞。

空气动能发动机早在1903年就研发出来了，当时英国的一家液态空气公司突发奇想，想避开汽油直接使用压缩空气驱动汽车。空气动能发动机的原理很简单，他们通过简单的替换就完成了此项发明，只不过制造出的发动机无法产生足够的扭矩，无法驱动笨重的汽车。

一百多年来这项研究因为日益严重的化石燃料污染再次被提上日程，压缩空气车（CAV）和电动汽车都是未来可能替代燃油车的产物。

谁是新能源汽车霸主？

曾经充满噱头的氢气燃料车也是新能源车的一个主要研究方向，但因为能量转换效率低下，制氢消耗的电能可能比直接用来驱动汽车更多，导致这个项目完全失去了竞争力。这几年又跳出来的压缩空气车有能力和电动汽车一争高下吗？

单从能源清洁角度看，压缩空气车做到了完全的清洁，这一点和电动车没什么差别。但从能源损耗角度看，如果压缩空气的生产环节只要用到了电，那它的下场和氢燃料车一样，势必会造成电能的损耗，不如直接用电驱动汽车。

问题的根源来到压缩空气的生产环节，制造压缩空气是不是绕不开电？

压缩空气的生产很容易，市面上有大把的压缩空气机，只不过这些机器都是电驱动的。大规模的压缩空气生产肯定不能用这样的机器。和风力发电、水力发电、太阳能发电一样，这些可再生能源都可以直接转化为压缩空气能储存起来。

实际上我国的电能总体上来说是过剩的，白天用电总高于夜晚，火力发电站、水电站并不是说在晚上就不工作，发出的电无法储存只能任其流失。如果这些流失的能源能够转化成其他能源储存起来势必会节约大量能源。

而在储能能力上，最新的准等温压缩空气储能技术大大加强了压缩空气的储能效率。现压缩空气储能能力变为锂电池容量因子的4倍，达到2.7Mj/kg或3.6Mj/m3。市面上主流的磷酸铁锂电池单体能量密度在，160Wh/kg，换算成同单位为0.576Mj/kg。这些火电站产生的多余热量，水电站浪费的水能都能直接用来压缩空气，变成空气能储存起来。

实际上为了提高能源的利用效率，我国早在多年前就开始了剩余能源的储存计划，只不过这个计划的核心是放在抽水蓄能上。在有水利条件的水电站上游建立蓄水池，用多余的电能再把水抽上去续存起来，在电需求量大的时候再把蓄水池的水放出来发电。我国抽水蓄能电站装机容量已居世界第一，截至2018年底中国抽水蓄能装机容量为30GW，占发电总装机1.6%，在建规模为50GW。

不过水利储电的弊端也显而易见，那就是要有水和高低落差；反观压缩空气储能则不受地理因素左右，在未来有很大的应用前景。如果真能实现储能升级，压缩空气的生产打破桎梏，压缩空气车未来一定在新能源汽车榜上和电动汽车争一争。

发动机能效问题又是一座大山

解决了能源生产问题，压缩空气车还有一座大山要翻越，那就是发动机能效。电动汽车之所以能逐渐取代燃油车，最主要原因就是电动机比内燃机能源利用率要高得多。

内燃机通过燃烧产生膨胀的气体带动活塞运动，本身就会散出大量热能，这些热能的损失大大降低了内燃机的能源利用率。数据统计内燃机转化汽车动能的效率仅为17.9%，而电动机转化汽车动能效率为67%，当然这只是个平均数据，各自领域内顶尖的机器都能做到更高的水平。

空气动能发动机的能效能达到多少？

根据最新的研究报告，截止2020年，由加拿大Reza Alizade Evrin博士发布准等温压缩空气汽车原形拥有压缩空气车中最高的能效表现，达到了74%，这个数据与锂离子电动汽车效率的73%-90%还有一定差距，但仍然表现出了惊人的潜力。

不过看图就知道，这只是一个简约的模型机，距离实际投入使用还有很长一段路要走。

正常情况下，无论是空气压缩还是高压气体释放都会消耗大量能量，压缩时气体升温，泄压时气体降温。举个简单的例子，使用灭火器时，灭火器喷出高压的内容物，喷嘴、管道处会迅速降温，所以使用灭火器时不能捏着管子，而要握住特质的隔温喷头以防冻伤。

正因为这个物理特性，常规空气储能的系统效率仅为40%到45%，只有在绝热压缩的情况下，储能效率才能提高到70%至75%；而在压缩空气泄压释放的过程中，一般的空气动能发动机能效仅为50%，Reza Alizade Evrin博士的原型机使用低压储气罐和废气回收为石蜡热交换器系统提供动力，最大程度保证空气动能发动机的效能，才使得空气动能发动机摸到锂离子电动汽车能效的门槛，达到74%

为什么压缩空气车没能实现商用？它的续航旅程怎么样？

从压缩空气储能到发动机能效上看，压缩空气车较之电动汽车可以说各有优劣，但这些数据表现只停留在实验阶段，距离商用它还有很长一段路要走。

压缩空气车投入商用将会碰到和电动汽车一样的问题——续航旅程。上文提到的那辆效能极高的空气动能原型机的续航仅为140公里，这个数据相比现在普通纯电汽车400公里的续航是远远不及的。

想获得更高的续航能力，有两个方向可以考虑，一个是提高单位储能，一个是增加压缩气罐的数量。压缩空气罐内的气压平均在300MPa以上，为保证安全性已经使用强度极高的碳纤材质作为罐体材料，提升单位储能难度很大。如果考虑堆叠气罐数量增加续航旅程，成本上又会提升一大截。

想当年电动汽车出来的时候也不过一两百公里的续航，经过几十年的技术积累现在也能与燃油车一较长短。只要大方向不错，说不定压缩空气车也能成为下一代的新能源车。

你觉得空气动能发动机靠谱吗？如果投入商用还有哪些路要走？