郭烈錦院士：以“能源有序轉化”引領能源技術革命和產業(yè)變革

　　能源短缺、環(huán)境污染是制約中國經濟、社會和生態(tài)發(fā)展的長期重大瓶頸。人類進化發(fā)展的歷史就是一部不斷向自然界索取和利用能源的歷史。

　　從18世紀的蒸汽機工業(yè)文明，到19世紀的內燃機動力與工業(yè)電氣化，再到20世紀中下葉的火電、核電大型化，繼后的新能源和可再生能源綠色風潮，每一次能源技術的變革都驅動人類文明大踏步地向前邁進，意味著重大的社會革命。

　　迄今為止全球一次能源供給的主體依然是石油、天然氣、煤炭等化石燃料，人類利用一次能源的主體方式依然是“一把火燒”的以燃燒放熱為主的熱能動力過程。

　　也正是工業(yè)革命以來以“一把火燒+簡單熱力循環(huán)”的化石能源傳統(tǒng)轉化利用方式的廣泛使用導致了高能耗、高污染、高碳排放的嚴峻局面。

　　其根源在于以燃燒發(fā)熱為源頭構建的一次能源釋放轉化過程的高度無序化，造成巨大的能勢下降、有效能損失和能量無效損耗，并產生大量污染物，對環(huán)境、生態(tài)造成嚴重污染和破壞。

　　如煤燃燒將煤炭化學能轉化為無序的熱能，熵增極大，熱工轉化過程又造成大量能質損失和無效能量損耗，并產生大量SOX、NOX氣體、溫室氣體CO2和粉塵顆粒等污染物的排放。

　　中國以煤為主的能源資源秉賦與供給消費特點短期內難以改善，因此，基于現(xiàn)實的、近中遠期結合相融相洽的、全局優(yōu)化的能源供給體系與發(fā)展戰(zhàn)略及措施，只能也必然是變革煤炭利用方式實現(xiàn)潔凈無污染低碳化，同時大力發(fā)展可再生能源、提高其占比、改善能源消費結構，大力推動全社會的能源供給與消費體系向以氫能、電能共為二次能源主體，氫電互換互補，實現(xiàn)由自然一次能源到人類終端用能間轉化輸送的完全潔凈、低碳、高效、安全的綠色可持續(xù)發(fā)展目標。

　　因此，中國乃至世界能源科學與技術領域所面臨的兩個重大挑戰(zhàn)：

　　(1)創(chuàng)新發(fā)展變革性的潔凈低碳高效的煤炭轉化原理與技術;

　　(2)發(fā)展原創(chuàng)的可再生能源低成本、高效、大規(guī)模轉化理論與技術，這同時也必將是中國在全球科技競爭中掌握先機、發(fā)揮引領作用的重要突破口。

　　國家自然科學基金“能源有序轉化”基礎科學中心項目就是要通過基礎科學研究創(chuàng)建能源從一次源頭轉化的新理論，發(fā)展新方法，實現(xiàn)能源科學理論和方法的革命，并帶動能源技術革命和產業(yè)變革。

　　“能源有序轉化”科學理論的核心是關于能量釋放端與接收端的能勢全面合理匹配原則、多相能量流/物質流在多尺度的時空上高度匹配互補與多子耦合、物質轉化與能量轉換有機關聯(lián)機制及熱力循環(huán)與碳氫循環(huán)的構建原則等。

　　它通過重構物質轉化與能量轉換的關聯(lián)方式，從一次能源轉化的源頭開始構建能量的“能勢匹配”、載能子的“多子耦合”、物質轉化的“碳氫循環(huán)”，最大限度地減少能量轉換中的無序化損失、提高有序化程度，提高能量轉換的有效能利用效率，實現(xiàn)潔凈、無污染、低碳甚至無碳排放的環(huán)境效果。

　　對于化石能源而言，由“氣相環(huán)境、直接燃燒、熱力循環(huán)”轉變?yōu)?ldquo;水相環(huán)境、吸熱還原、物質循環(huán)耦合熱力循環(huán)”;

　　對于太陽能而言，由“單一的光利用或熱利用”轉變?yōu)?ldquo;光/熱耦合協(xié)同利用”;

　　同時，將“化石能源、可再生能源各自獨立的”改變?yōu)?ldquo;多能互補的”轉化利用形式及系統(tǒng)。

　　擬通過5~10年努力，創(chuàng)建化石能源與太陽能協(xié)同轉化、清潔低碳高效三位一體的能源有序轉化的新理論，提出化石能源與太陽能協(xié)同轉化和CO2源頭控制的變革性原創(chuàng)方法，形成能源轉化的顛覆性技術，推動能源技術革命和產業(yè)變革。

　　在技術上，力求煤制氫能耗下降30%、煤發(fā)電效率高達50%以上;

　　太陽能制氫或制碳氫燃料的效率提高到30%;

　　太陽能發(fā)電效率從單純太陽能發(fā)電的15%提高到互補型系統(tǒng)中低溫太陽能凈發(fā)電效率達40%。

　　這為人類從根本上解決一次能源的潔凈無污染低碳高效轉化利用、實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展、提供科學指導和現(xiàn)實方案與供給體系，保障中國能源的長期供給安全，具有重大戰(zhàn)略意義。