全球首創技術！壓縮空氣就能驅動汽車，能替代電動和燃油汽車嗎？

全球首創技術！壓縮空氣就能驅動汽車，能替代電動和燃油汽車嗎？

原創

2022-02-10 19：18

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百科密碼

為響應低碳環保的號召，廈門大學許教授開發的智慧摩擦技術在軸承領域產業化實驗中取得突破性進展。2021年4月7日廈門大學在百年校慶之際釋出了一系列智慧摩擦與新動能代表性科研成果。

未來這項技術將在風力發電、空氣壓縮儲能、空氣動能發動機領域發光發熱。此次研發的空氣動能發動機已經能在乘用車輛上預裝運作。

空氣動能發動機是什麼黑科技，只要壓縮空氣就能驅動汽車，它能比過電車嗎？

空氣動能發動機驅動汽車和電驅動汽車有什麼不同？

空氣動能發動機聽起來很高階，其實原理很簡單，簡單理解就是車上裝上一瓶高壓氣罐，透過洩壓產生的氣流動能來推動活塞運作，讓汽車動起來。它與電驅動的差別就在動力來源上，一個是壓縮空氣驅動，一個是電動機驅動。比起能效極高的電動機，空氣動能發動機的工作原理和內燃機要更接近一些。

活塞式內燃機是透過空氣混合燃料燃燒產生的高溫高壓燃氣帶動活塞運動，驅動汽車運動；空氣動能發動機則少了燃燒的步驟，直接透過壓縮空氣的洩壓來帶動活塞。

空氣動能發動機早在1903年就研發出來了，當時英國的一家液態空氣公司突發奇想，想避開汽油直接使用壓縮空氣驅動汽車。空氣動能發動機的原理很簡單，他們透過簡單的替換就完成了此項發明，只不過製造出的發動機無法產生足夠的扭矩，無法驅動笨重的汽車。

一百多年來這項研究因為日益嚴重的化石燃料汙染再次被提上日程，壓縮空氣車（CAV）和電動汽車都是未來可能替代燃油車的產物。

誰是新能源汽車霸主？

曾經充滿噱頭的氫氣燃料車也是新能源車的一個主要研究方向，但因為能量轉換效率低下，制氫消耗的電能可能比直接用來驅動汽車更多，導致這個專案完全失去了競爭力。這幾年又跳出來的壓縮空氣車有能力和電動汽車一爭高下嗎？

單從能源清潔角度看，壓縮空氣車做到了完全的清潔，這一點和電動車沒什麼差別。但從能源損耗角度看，如果壓縮空氣的生產環節只要用到了電，那它的下場和氫燃料車一樣，勢必會造成電能的損耗，不如直接用電驅動汽車。

問題的根源來到壓縮空氣的生產環節，製造壓縮空氣是不是繞不開電？

壓縮空氣的生產很容易，市面上有大把的壓縮空氣機，只不過這些機器都是電驅動的。大規模的壓縮空氣生產肯定不能用這樣的機器。和風力發電、水力發電、太陽能發電一樣，這些可再生能源都可以直接轉化為壓縮空氣能儲存起來。

實際上我國的電能總體上來說是過剩的，白天用電總高於夜晚，火力發電站、水電站並不是說在晚上就不工作，發出的電無法儲存只能任其流失。如果這些流失的能源能夠轉化成其他能源儲存起來勢必會節約大量能源。

而在儲能能力上，最新的準等溫壓縮空氣儲能技術大大加強了壓縮空氣的儲能效率。現壓縮空氣儲能能力變為鋰電池容量因子的4倍，達到2。7Mj/kg或3。6Mj/m3。市面上主流的磷酸鐵鋰電池單體能量密度在，160Wh/kg，換算成同單位為0。576Mj/kg。這些火電站產生的多餘熱量，水電站浪費的水能都能直接用來壓縮空氣，變成空氣能儲存起來。

實際上為了提高能源的利用效率，我國早在多年前就開始了剩餘能源的儲存計劃，只不過這個計劃的核心是放在抽水蓄能上。在有水利條件的水電站上游建立蓄水池，用多餘的電能再把水抽上去續存起來，在電需求量大的時候再把蓄水池的水放出來發電。我國抽水蓄能電站裝機容量已居世界第一，截至2018年底中國抽水蓄能裝機容量為30GW，佔發電總裝機1。6%，在建規模為50GW。

不過水利儲電的弊端也顯而易見，那就是要有水和高低落差；反觀壓縮空氣儲能則不受地理因素左右，在未來有很大的應用前景。如果真能實現儲能升級，壓縮空氣的生產打破桎梏，壓縮空氣車未來一定在新能源汽車榜上和電動汽車爭一爭。

發動機能效問題又是一座大山

解決了能源生產問題，壓縮空氣車還有一座大山要翻越，那就是發動機能效。電動汽車之所以能逐漸取代燃油車，最主要原因就是電動機比內燃機能源利用率要高得多。

內燃機透過燃燒產生膨脹的氣體帶動活塞運動，本身就會散出大量熱能，這些熱能的損失大大降低了內燃機的能源利用率。資料統計內燃機轉化汽車動能的效率僅為17。9%，而電動機轉化汽車動能效率為67%，當然這只是個平均資料，各自領域內頂尖的機器都能做到更高的水平。

空氣動能發動機的能效能達到多少？

根據最新的研究報告，截止2020年，由加拿大Reza Alizade Evrin博士釋出準等溫壓縮空氣汽車原形擁有壓縮空氣車中最高的能效表現，達到了74%，這個資料與鋰離子電動汽車效率的73%-90%還有一定差距，但仍然表現出了驚人的潛力。

不過看圖就知道，這只是一個簡約的模型機，距離實際投入使用還有很長一段路要走。

正常情況下，無論是空氣壓縮還是高壓氣體釋放都會消耗大量能量，壓縮時氣體升溫，洩壓時氣體降溫。舉個簡單的例子，使用滅火器時，滅火器噴出高壓的內容物，噴嘴、管道處會迅速降溫，所以使用滅火器時不能捏著管子，而要握住特質的隔溫噴頭以防凍傷。

正因為這個物理特性，常規空氣儲能的系統效率僅為40%到45%，只有在絕熱壓縮的情況下，儲能效率才能提高到70%至75%；而在壓縮空氣洩壓釋放的過程中，一般的空氣動能發動機能效僅為50%，Reza Alizade Evrin博士的原型機使用低壓儲氣罐和廢氣回收為石蠟熱交換器系統提供動力，最大程度保證空氣動能發動機的效能，才使得空氣動能發動機摸到鋰離子電動汽車能效的門檻，達到74%

為什麼壓縮空氣車沒能實現商用？它的續航旅程怎麼樣？

從壓縮空氣儲能到發動機能效上看，壓縮空氣車較之電動汽車可以說各有優劣，但這些資料表現只停留在實驗階段，距離商用它還有很長一段路要走。

壓縮空氣車投入商用將會碰到和電動汽車一樣的問題——續航旅程。上文提到的那輛效能極高的空氣動能原型機的續航僅為140公里，這個資料相比現在普通純電汽車400公里的續航是遠遠不及的。

想獲得更高的續航能力，有兩個方向可以考慮，一個是提高單位儲能，一個是增加壓縮氣罐的數量。壓縮空氣罐內的氣壓平均在300MPa以上，為保證安全性已經使用強度極高的碳纖材質作為罐體材料，提升單位儲能難度很大。如果考慮堆疊氣罐數量增加續航旅程，成本上又會提升一大截。

想當年電動汽車出來的時候也不過一兩百公里的續航，經過幾十年的技術積累現在也能與燃油車一較長短。只要大方向不錯，說不定壓縮空氣車也能成為下一代的新能源車。

你覺得空氣動能發動機靠譜嗎？如果投入商用還有哪些路要走？