南方才子的睿智，北方汉子的豁达，这是郭烈锦院士给我留下的第一印象。

 

　　采访之前，我了解到，他的建树，主要在能源动力多相流热物理领域和新能源转化及高技术领域中的多相流研究方面。官方报道是这样介绍的：师从西迁老教授陈学俊院士的中科院院士郭烈锦20年磨一剑，自主创新研发出煤炭超临界水制氢发电技术，有望从源头上解决导致雾霾的“燃煤之疾”。

 

　　碳达峰 碳中和

 

　　谈及“燃煤之疾”，自然绕不过现在最火的热词：碳达峰、碳中和。众所周知，实现碳达峰、碳中和是我国向世界作出的庄严承诺，也是一场广泛而深刻的经济社会变革。

 

　　碳达峰，是指某个地区或行业年度二氧化碳排放量达到历史最高值，然后经历平台期进入持续下降的过程，是二氧化碳排放量由增转降的历史拐点。碳中和，是指某个地区在一定时间内人为活动直接和间接排放的二氧化碳，与通过植树造林、农业和碳移除等吸收的二氧化碳相互抵消，实现二氧化碳“净零排放”。碳达峰与碳中和紧密相连，前者是后者的基础和前提，达峰时间和峰值高低直接影响碳中和实现的时长和难度；后者是对前者的紧约束，要求达峰行动方案必须在实现碳中和的引领下制定。

 

　　郭烈锦非常清楚，燃煤是碳排放、空气污染的重要来源，“一煤独大”的格局严重制约减污降碳目标的实现。而严峻的现实却是我国生态环境保护结构性、根源性、趋势性压力总体上尚未根本缓解，最突出的是“三个没有根本改变”：即以重化工为主的产业结构、以煤为主的能源结构和以公路货运为主的运输结构没有根本改变；污染物排放和生态破坏的严峻形势没有根本改变；生态环境事件多发频发的高风险态势没有根本改变。特别是当前中国距离实现碳达峰目标已不足10年，从碳达峰到实现碳中和目标也仅有30年，与发达国家相比，我们实现这一远景目标时间更紧、幅度更大、困难更多、任务异常艰巨。具体表现在排放总量大，减排时间紧，制约因素多。我国经济体量大、发展速度快、用能需求高，能源结构以煤为主，使得我国碳排放总量和强度“双高”。2019年我国煤炭消费比重达到58%，碳排放总量占全球比重达到29%，人均碳排放量比世界平均水平高46%。我国仍处于工业化和城镇化快速发展阶段，具有高碳的能源结构和产业结构，发展惯性大、路径依赖强，要用不到10年时间实现碳达峰，再用30年左右时间实现碳中和，意味着实现减排目标需要付出艰苦努力。碳减排既是气候环境问题也是发展问题，需统筹考虑能源安全、经济增长、社会民生、成本投入等诸多因素，这对我国能源转型和经济高质量发展提出了更高要求。

 

　　从国际看，《巴黎协定》确立了全球应对气候变化的长期目标：到本世纪末，将全球气温升幅控制在工业化前水平2℃以内，并努力将气温升幅控制在工业化前水平1.5℃以内。从国内看，在2℃目标下，到2050年，我国非化石能源要占到70%以上，非化石能源电力将占总发电量的约90%，基本形成以新能源和可再生能源为主体的近零碳排放能源体系，并从根本上保障能源供给安全，从源头上控制常规污染物排放。这就促使“十四五”时期，我国生态文明建设进入以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。推动绿色低碳发展，建立健全绿色低碳循环发展经济体系，促进经济社会发展全面绿色转型势在必行。“十四五”期间要坚决控制煤炭消费量增长，争取实现煤炭消费量零增长，到“十四五”末实现煤炭消费的稳定达峰并开始持续下降。“十五五”期间可努力实现石油消费量达峰；天然气消费增长导致的碳排放增加，则由煤炭消费量下降带来的碳排放减少来抵消。

 

　　那么，实现碳达峰、碳中和的路径在哪里？核心技术在我们手里吗？

 

　　于是，氢能经济成为密切关注的热点。

 

　　西北望 射天狼

 

　　氢能被视作21世纪最具潜力的二次能源，将成为未来能源的主体。那么，在全球高度关注氢能经济的当下，中国应如何做出独特贡献？氢能供给体系和产业链将如何变革，能否满足清洁低碳、高效节能等多重目标？我们的交流由此从“背景”介绍正式进入“主体”揭示。

 

　　作为能源动力多相流及氢能科学技术领域的著名专家，郭烈锦在多年前就敏锐地认识到：正是工业革命以来以“一把火烧+简单热力循环”的化石能源传统转化利用方式的广泛使用导致了高能耗、高污染、高碳排放的严峻局面。其根源在于以燃烧发热为源头构建的一次能源释放转化过程的高度无序化，造成巨大的能势下降、有效能损失和能量无效损耗，并产生大量污染物，对环境、生态造成严重污染和破坏。要改变这一局面，氢能是实现碳中和与碳达峰最关键的因素，氢电互补是未来能源体系变革的核心内容，基于化石能源的清洁无污染制氢和可再生能源的低成本高效大规模制氢，将是我国乃至世界能源科技产业及其供给体系的重大战略选择和终极目标。谈起氢能建设，郭烈锦如数家珍：目前全球每年生产氢气近7000万吨，累计建设400座加氢站，投用超30万个固定燃料电池动力系统，部署超1.3万辆燃料电池汽车。据测算，能源体系变革成以氢为主体后，氢能及其相关产业链的产值将达到十数万亿至数十万亿元。

 

　　2019年10月26日，由联合国开发计划署、中国汽车工业协会联合主办的2019联合国开发计划署氢能产业大会在广东佛山隆重举行。郭烈锦在论坛上发表了以《能源有序转化理论及大规模低成本可持续的制氢技术研究》为题的主题演讲，系统地介绍了团队的研发思路和国际领先的优秀成果。“在氢能产业链上，制氢是氢能新型产业链上最为重要的一环。基于我国能源的禀赋，以化石能源的清洁无污染制氢和可再生能源的的低成本高效大规模制氢，将是我国能源科技产业链及其供给体系重大战略选择和终端的目标。”    

 

　　“对于中国而言，煤炭制氢加上炭在制氢过程中的自然低成本捕集，应该是近、中期发展的主要技术和途径。可再生能源的制氢，特别是低成本的大规模的制氢是我们的主要目的，也是未来可以把中国的整个能源供给体系推向完全清洁可持续发展的最终选择。”

 

　　要解决这样一个问题，必须从热力学和转化途径两个方面进行深刻的变革性的思考。比如传统的燃煤发电靠单一提高参数和容量来提高效率，在这个过程中，只考虑了温、压的匹配，而没有考虑多方面的能量品质和势位的匹配，它是先污染后治理，忽略了能源转化过程中的物质转化和能量转换之间的有机关联。不仅无序化的程度严重，而且载能方式各自独立，互不耦合。能源转化涉及到的不仅仅是能量的转化，不仅仅是量的传递，它还涉及到载能方式、载能形式的转变。在郭烈锦看来，能源转化利用必须经过协同努力，实现从能源源头到终端能源间的能势匹配，让物资流和能量流在时空上高度匹配互补，并实现多载能子耦合。将物质转化和能量转化有机关联，去构建后面的产品链的完全洁净、可持续，即碳氢循环，这就从源头上控制了污染物的生成和二氧化碳的排放，使地球上存在的能源和大自然赋予我们的能源都能实现洁净可持续发展利用。

 

　　为了方便理解，郭烈锦举例说，传统的煤气化制氢是部分氧化+放热的过程，跟煤的燃烧非常相近。这个过程后续的工艺都需要净化、转换、脱硫、脱碳等等，条件苛刻、高污染、系统复杂。这样的过程叫“以空气为基”，水煤分离，一把火烧，污染低效。通过思考和探索以后，郭烈锦和他的团队创造性地开启了“以水为基”——水煤直接接触，清洁、高效制氢的过程：煤炭在超临界水中，以吸热还原的方式制取氢气，得到溶解在超临界水中的氢气和二氧化碳，这是纯的。然后再把超临界水这种复杂的溶解了氢气和二氧化碳的均相介质去推动做功、供氢、供热、发电，再根据压温的变化匹配，适当时候把氢拿出来，把二氧化碳拿出来，实现低能耗完全洁净的净化。经过20多年的努力，已经达到国际领先水平，在全球也是独一无二的！相关领域的学者们对郭烈锦团队的产业化方案进行了论证，认为这是最有原创的自主知识产权的高新技术，与传统的煤气化对比，反应条件很温和，温度最高不超过700度，可以非常高效地、跨越式地把传统的煤制氢效率从60%以下提高到80%，而且产物中无气态污染物和焦油产生。

 

　　接下来，郭烈锦又讲了一个能够实现可持续发展的方法：太阳能光热耦合制氢。科学告诉我们，太阳能是有很宽的光谱，目前人们只能利用太阳能总能的49%左右，即黄色的这一片。由于光电、光催化等等原理使用过程中因过电位的影响，这49%的能量就有20%多被损失掉。如果考虑其他的热耗损失，当前全球可以大规模使用的效率仅仅2%左右。

 

　　郭烈锦经过研究发现，这个过程最主要、最巨大的损失是高能光子的热化损失和低能谱光子的热损失，而物质流和能量流时空尺度上的接收与释放端的不匹配，是最主要的原因。这是国内外当前在利用太阳能方面的一个重大发现！因此，要想进一步降低成本，就必须把效率提高、把太阳能全光谱的最大部分充分的使用起来。这就需要构建新的从太阳能到终端产品这样一个系统体系。这个系统体系涉及到从微观到介观、再到宏观的大的连续流反应体系的构建。比如光催化制氢，催化剂对于能谱结构及光谱的响应问题，在能量传输过程中有无降阻、是否能够维持高效传输通道的构建等等。基于这种思考，郭烈锦团队经过近20年的努力，在自己的实验室创建了一套中试装置，在华山脚下建了一座更大规模的示范装置，实现了太阳能到氢能量效率的最大化，从2%多一步跳跃到6.6%。美国能源部和国际能源署已经提出，太阳能制氢如果能够达到10%的效率就完全可以跟现在最便宜的制氢方法对比，可以商业化。无疑，郭烈锦的这项研究具有无限广阔的美好前景。

 

　　化“奇石” 补天阙

 

　　纵观人类发展的历史，每一次能源技术的创新和能源体系的转变，都必然带来重大的社会进步，这也是引领大国崛起和发展的重要标志。

 

　　已经引领国际潮流的郭烈锦就像站在大地上的安泰，谋划着更加深入地挺进，更大场域的收获。进一步发展的方向是什么？还是光和热，不过，是对太阳全光谱的光和热的耦合利用，包括光化学、光催化、光热化学、光电化学在反应体系和材料上的有机匹配和耦合，使太阳能的转化效率不是单一的光催化或者热催化效率，而是使更多的耦合有机结合起来，实现能势匹配、多子耦合，以实现大的跨越。比如制氢反应体系，把制氢和自燃料有机结合，再把反应的产物有机地匹配上，就有可能大幅地得到我们新的结果。对于微观而言，能量的形式多种多样，要在微观上实施多种载能型的载能值的耦合和匹配，就要形成光、声、电分子等能量的有机结合，形成有序转化，效率就有可能大幅度的提高。比如催化剂的颗粒一面接受传播光谱，另一面接触的是短波。长波激发的是热化学，短波激发的是光催化反应，这种可能在同一体上协同实现。对于产物而言，一个体系要耦合多种产物，就有可能实现最终的碳的完全没有排放，使得碳和氢“以水为基”的构成体系中实现完全循环，从而实现高效、清洁、低碳三个目标的协同和同时实现。 光热耦合的制氢和碳氢燃料就由实现“以水为基”的碳氢循环，水和氢、水和二氧化碳过程中内部的循环，把能量输入和输出高效地转化成为我们需要的终端。这样的思考将有可能实现跨越，在自然科学基金会基础研究科学中心项目的支持下，规划将基于现有的基础，在5年左右的时间实现比较大的跨越，10年内争取达到理论用太阳能转化效率30%左右的目标。近年来，郭烈锦团队在宁夏太阳山上创建的一个太阳能光热耦合超临界水接生物质和煤制氢体系，能量效率值超过了80%。

 

　　郭烈锦承担的国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心项目就是要通过基础科学研究创建能源从一次源头转化的新理论，发展新方法，实现能源科学理论和方法的革命，并带动能源技术革命和产业变革。

 

　　“能源有序转化”科学理论的核心是关于能量释放端与接收端的能势全面合理匹配原则、多相能量流/物质流在多尺度的时空上高度匹配互补与多子耦合、物质转化与能量转换有机关联机制及热力循环与碳氢循环的构建原则等。它通过重构物质转化与能量转换的关联方式，从一次能源转化的源头开始构建能量的“能势匹配”、载能子的“多子耦合”、物质转化的“碳氢循环”，最大限度地减少能量转换中的无序化损失、提高有序化程度，提高能量转换的有效能利用效率，实现洁净、无污染、低碳甚至无碳排放的环境效果。对于化石能源而言，由“气相环境、直接燃烧、热力循环”转变为“水相环境、吸热还原、物质循环耦合热力循环”；对于太阳能而言，由“单一的光利用或热利用”转变为“光/热耦合协同利用”；同时，将“化石能源、可再生能源各自独立的”改变为“多能互补的”转化利用形式及系统。

 

　　他们准备通过5——10年努力，创建化石能源与太阳能协同转化、清洁低碳高效三位一体的能源有序转化的新理论，提出化石能源与太阳能协同转化和CO2源头控制的变革性原创方法，形成能源转化的颠覆性技术，推动能源技术革命和产业变革。在技术上，力求煤制氢能耗下降30%、煤发电效率高达50%以上；太阳能制氢或制碳氢燃料的效率提高到30%；太阳能发电效率从单纯太阳能发电的15%提高到互补型系统中低温太阳能净发电效率达40%。这为人类从根本上解决一次能源的洁净无污染低碳高效转化利用、实现绿色可持续发展，提供科学指导和现实方案与供给体系，保障中国能源的长期供给安全，具有重大战略意义。（文/王遂社 黄明）

 

　　郭烈锦简介

　　郭烈锦，江西遂川人，西安交通大学教授，博导，工程热物理与能源利用学科专家。教育部跨世纪人才，国家杰出青年科学基金获得者，霍英东高校青年教师基金获得者，入选中组部、国家人事部“百万人才工程”第一层次专家。现任西安交通大学能源与动力工程学院院长、动力工程多相流国家重点实验室主任。“973”项目首席科学家，863先进能源技术领域专家组成员。作为主持人或主要研究者，承担完成国家重点基础研究发展规划（973）项目、国家自然科学基金重大项目、国家“九五”“十五”海洋863项目等40多项，2017年当选中国科学院院士。