能源短缺、環(huán)境污染是制約中國經(jīng)濟、社會(huì )和生態(tài)發(fā)展的長(cháng)期重大瓶頸。人類(lèi)進(jìn)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(dòng)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(fēng)潮，每一次能源技術(shù)的變革都驅動(dòng)人類(lèi)文明大踏步地向前邁進(jìn)，意味著(zhù)重大的社會(huì )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(lèi)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(dòng)力過(guò)程。

也正是工業(yè)革命以來(lái)以“一把火燒+簡(jiǎn)單熱力循環(huán)”的化石能源傳統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(guò)程的高度無(wú)序化，造成巨大的能勢下降、有效能損失和能量無(wú)效損耗，并產(chǎn)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(xué)能轉化為無(wú)序的熱能，熵增極大，熱工轉化過(guò)程又造成大量能質(zhì)損失和無(wú)效能量損耗，并產(chǎn)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(diǎn)短期內難以改善，因此，基于現實(shí)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)展戰略及措施，只能也必然是變革煤炭利用方式實(shí)現潔凈無(wú)污染低碳化，同時(shí)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(dòng)全社會(huì )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(shí)現由自然一次能源到人類(lèi)終端用能間轉化輸送的完全潔凈、低碳、高效、安全的綠色可持續發(fā)展目標。

因此，中國乃至世界能源科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域所面臨的兩個(gè)重大挑戰：

（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(shù)；

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

國家自然科學(xué)基金“能源有序轉化”基礎科學(xué)中心項目就是要通過(guò)基礎科學(xué)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(shí)現能源科學(xué)理論和方法的革命，并帶動(dòng)能源技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革。

“能源有序轉化”科學(xué)理論的核心是關(guān)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(zhì)流在多尺度的時(shí)空上高度匹配互補與多子耦合、物質(zhì)轉化與能量轉換有機關(guān)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(guò)重構物質(zhì)轉化與能量轉換的關(guān)聯(lián)方式，從一次能源轉化的源頭開(kāi)始構建能量的“能勢匹配”、載能子的“多子耦合”、物質(zhì)轉化的“碳氫循環(huán)”，最大限度地減少能量轉換中的無(wú)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(shí)現潔凈、無(wú)污染、低碳甚至無(wú)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)椤八喹h(huán)境、吸熱還原、物質(zhì)循環(huán)耦合熱力循環(huán)”；

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

同時(shí)，將“化石能源、可再生能源各自獨立的”改變?yōu)椤岸嗄芑パa的”轉化利用形式及系統。

擬通過(guò)5~10年努力，創(chuàng )建化石能源與太陽(yáng)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(yáng)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(shù)，推動(dòng)能源技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革。

在技術(shù)上，力求煤制氫能耗下降30%、煤發(fā)電效率高達50%以上；

太陽(yáng)能制氫或制碳氫燃料的效率提高到30%；

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

這為人類(lèi)從根本上解決一次能源的潔凈無(wú)污染低碳高效轉化利用、實(shí)現綠色可持續發(fā)展、提供科學(xué)指導和現實(shí)方案與供給體系，保障中國能源的長(cháng)期供給安全，具有重大戰略意義。

來(lái)源：科技導報