科技引领，双碳不难：高质量碳中和必由之路暨顶层设计之建议

李华玉     中国石油大学（华东）           

李鸿瑞     天津大学

导读

人类的原始文明起源于对火的主动利用，而现代工业文明起源于火变动力；卡诺早逝等原因造成能源科学基础理论缺位过多，致使人类能源利用存在严重浪费，导致世界发展陷入能源困局。

能源严重浪费是导致世界气候变化难以控制的罪魁祸首，实现碳中和是世界共同愿景与担当；中国学者在能源科学领域获全方位、多层次基础理论突破，为破解人类能源困局提供根本支撑。

科技突破为支撑，科学利用抓本源，顶层设计/国家行动成关键；源头突破，科技引领，全国一盘棋，在冷、热、动、电、储五领域根除能源浪费，釜底抽薪，实现高质量碳中和不是难事！

一、前言

300年前，蒸汽机诞生，实现热能向机械能的转化；1824年，卡诺创建热力循环，开启热科学的建立和发展；200年来，蒸汽机、内燃机、燃气轮机、蒸汽动力装置和制冷技术的发明，开启和支撑了人类发展的第一、二、三次工业革命与现代文明。

热能以超过85%的比例存在于能源生产与利用的众多领域与环节中，不幸的是，长久以来，以热科学为核心的能源科学领域存在着基础理论缺位过多和根本技术严重不足的问题；人类发展进程中的多次能源革命，都没有解决能源科学的基础理论缺位难题，均属“半拉子”革命，致使工业革命以来世界能源浪费极为严重，人类发展陷入能源困局。

中华民族有智慧，有担当，有创造。面对人类发展能源困局，习近平总书记高屋建瓴、高瞻远瞩，立足中国能源国情，放眼世界，提出了要推动能源消费革命、能源供给革命、能源技术革命、能源体制革命等重大能源战略，为建设能源强国指明了根本方向。

中国科学家，初心不忘，通过近40年的研究、探索和实践，直面理论不足，直面现实需求，在能源科学领域获得基础与应用基础理论的全方位突破；其意义在于：立足源头，实现能源的科学生产与科学利用，破解因基础理论缺位造成的世界性能源浪费难题（为降低40%能源总消耗提供支撑——40%是一个令人难以置信的数字，但比较50%以上的能源浪费还有一段距离），安全、经济、快速、稳妥、主动地实现高质量碳中和目标，实现创新驱动高质量发展。杜绝能源浪费，是世界各国实现高质量碳中和的核心选择和必由之路。

二、能源现状

（一）能源困局。人类发展陷入能源困局，体现在能源安全难以保障、生态环境破坏严重、气候变化难以控制和非短缺性能源消费受限制四大方面；其中，气候变化是全人类面临的共同挑战，早日实现碳中和是全世界的共同期盼。

（二）能源浪费。人类的发展史，特别是工业革命发展史，也是一部能源浪费史。依据热力学原理和能源科学新进展，人类社会90%以上的能源生产与利用中存在严重的温差/能差不可逆损失——这些损失是看不见的，属于能量隐性损失，比如能源供需中的品位不符、“大马拉小车”、原理缺位或技术存在缺陷等。

能源浪费的严重程度极为惊人，时至今日浪费比例仍然高达50%以上——这还不是理论数据，而是依据现有技术条件支撑得到的结果；现有理论和技术，无法以简单、主动、安全和经济的手段杜绝如此严重的能源浪费——这意味着节能潜力巨大；若从历史累计的角度看，浪费比例更加惊人——比如，最初的蒸汽机热变功效率不足3%。

1、火力发电领域存在40%的燃料浪费，工业锅炉/加热炉存在55%的燃料浪费，锅炉直接供暖存在55%的燃料浪费，热电联供存在35%的燃料浪费，这些领域均存在巨大的温差损失；机械压缩式制冷存在20%的电力浪费，该领域存在严重的能差损失；高品质能源大材小用，低品质能源浪费严重，可再生能源利用效率低，工业生产过程的伴生热资源利用效率不高……能源浪费无处不在，浪费程度极为严重。

2、人类任何形式的生产与生活，都离不开能源的支撑；产业结构调整和能源结构调整，可以影响能源消耗量和温室气体排放量，但无法有效降低能源浪费的程度。发达国家单位GDP的能源消耗低，是其低能耗、高附加值产业结构占比相对较高的结果，其能源生产与利用领域同样存在着严重的能源浪费。

3、除了阳光，天下没有哪种能源是白送的；无论采用何种能源，能源浪费对应着投资浪费，必然阻碍经济健康发展。严重的能源浪费，是实现碳中和的最大障碍，是能源转型的头号敌人和能源革命的真正对象；能源浪费不除，能源的生产与利用难以实现简单、主动、安全和经济。

4、归根到底，世界工业化进程中的能源严重浪费，才是造成人类发展能源困局的首位原因；毋容置疑，当今世界面临且难以控制的气候变化，主要是人类工业化进程中能源浪费的结果；显而易见，根除能源浪费，是能源转型的当务之急，是能源革命成功与否的关键与根本所在，是破解人类发展能源困局的根本途径，是实现高质量碳中和的核心抓手和必由之路！

三、问题根源

（一）理论缺位。两百多年来，众多科学家追求能源生产与利用的简单化和高效化，但在冷、热、动、电、储五大能源生产与利用领域，下述问题在世界范围内长久存在：

1、缺乏使热变功效率合理化的基本理论和简单化技术，致使火力发电为典型代表的热变功领域存在约40%的燃料浪费。

2、缺乏利用热能进行制冷和制热的基本理论与简单化技术，致使供热/加热领域长期以锅炉供热为主，能源浪费高达约55%以上。

3、缺乏利用机械能（电能）进行高效制冷和高效制热的核心理论和关键技术，致使制冷领域存在20%的电力浪费，致使机械能（电能）在高温供热领域无用武之地。

4、缺乏从源头供给到用户需求之间简单、直接、主动、高效的技术路线，致使用能系统复杂化、被动化、能源利用率低、安全性低、经济性差。

5、缺乏实现能尽其用的基本理念和系统理论，致使能源科技严重缺位；高品质能源价值发挥受限，低品质能源浪费严重。

6、技术手段缺乏，致使储能领域能源损失严重；能源越储越少，且无法实现长储。

※ 以天然气和煤炭为例：依据热力学原理，火力发电热变功效率取决于高温热源与冷环境之间的温差；天然气和煤都可以形成高温热源，但是——前者利用燃气-蒸汽联合循环工作原理得到60%热变功效率，后者因缺乏能够依据的联合循环工作原理而不尽人意！

（二）问题根源。基础理论和应用基础理论突破属于“卡脑袋”问题，是世界性难题，各国重视；六大原因——创始人早逝、热的抽象性、火变动力的重要性、路径依赖性、习惯成自然和原理创建难——使得能源科学的基础理论缺位严重。

1、创始人早逝：天才科学家萨迪·卡诺，提出卡诺循环和卡诺热机，热力学真正的基础理论建立者，36岁去世，导致热科学核心基础理论未能建全。

※一般人难以理解创始人的付出，无法洞悉创始人认识问题的着眼点——创始人创建一个理论，哪怕是提出一个观点，都是反复思考、仔细斟酌、多方比对、深思熟虑的结果；创始人是真正能够理解事物本质的人！

2、热的抽象性：热是抽象的，需要清晰的逻辑思维能力。

3、火变动力的重要性：火变动力（正向循环）极端重要，吸引大批科学家投身于热变功领域的研究，而忽视了热的直接应用领域基础理论的探索和研究。

4、路径依赖性：近200年来，正向循环和逆向循环是根本；后人习惯于在正向循环和逆向循环之下展开研究，热的直接应用领域难有重大基础理论突破。

5、习惯成自然：直接利用火（热能），可以方便快捷地完成很多热需求；天冷要烤火，习惯成自然。

6、原理创建难：基本原理突破需要灵感、智慧、汗水，是“卡脑袋”问题，在世界范围内都是个难题，这远比“卡脖子”问题难得多；许多科学家投身于热能利用领域研究，但往往研究八年、十年而无实质性突破与收获，不得不放弃研究方向，转而寻求研究其它热科学问题。

四、双碳之难

德国政府计划在2045年实现碳中和，美国、日本、欧盟宣布在2050年实现碳中和；中国宣布力争在2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标。大势所趋，共同意愿，世界上近百个国家计划实现碳中和。

发达国家碳中和时间短则需要长达40年（如美国），长则需要近80年（如英国），由此不难推断：在现有技术基础上实现碳中和，难度之大，超乎想象！

尽管实现碳中和非常艰难，然而迫于气候变化的严峻局面，即将在11月召开的《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方大会，被认为将担负重要历史使命，COP26将敦促各国提呈更具雄心的减排承诺，加快国际社会迈向碳中和目标的步伐。

2021年7月30日，中共中央政治局召开会议，针对双碳“乱象”，果断提出六项新指示/新要求：要统筹有序做好碳达峰、碳中和工作，尽快出台2030年前碳达峰行动方案，坚持全国一盘棋，纠正运动式“减碳”，先立后破，坚决遏制“两高”项目盲目发展。六项新要求的提出，清晰地体现出了发展中国家实现碳中和目标的难度之高。

特别值得一提的是，坚持全国一盘棋这一要求可谓非常及时，有重要内涵，有特殊意义——为实现高质量碳中和指明方向，为避免出现各自为战的低质量碳中和（比如，带病型、奢侈型、自私型、外购型等）和防止碳中和资源的低水平利用敲响警钟！气候变化是全球性挑战，而碳中和是全球性要求；具体到一个国家，在局部区域实现低端水平的碳中和不仅没有示范意义，而且往往会造成优质资源浪费，进而影响整个国家的高质量碳中和进展！

必须依靠强有力的科技支撑，抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，才能安全、经济、快速、稳妥、主动地实现高质量碳中和目标，实现创新驱动高质量发展。节能提效是实现碳中和的优先手段，杜绝能源浪费则是实现高质量碳中和的核心选择。

五、科学突破

基础研究是“卡脑袋”问题，计划不出来，更没有捷径可走。两百年来，全世界一代接一代的众多科学家呕心沥血，穷尽毕生对能源科学进行探索研究，企冀实现能源科学基础理论重大突破。

中国科学家，以理论和实践为基础，以问题为导向，以需求为牵引，以“十年磨一剑”的定力，数十年如一日，耕耘不辍，收获实现能源革命/高质量碳中和的“十八般兵器”——创建以能源科学基础核心理论（热力循环）为主要内容的八大基础理论体系和十项以上应用基础理论体系，在多领域实现从“0”到“1”的根本性突破，全面弥补能源科学领域基础理论缺位。

能源科学新突破，具备原创性、基础性、先进性和全面性，并具有可快速转化性，以及经济上的可行性与可预见性；优势显著，多方位占据能源科学制高点。

（一）基础理论突破。主要有第一类制热循环、第二类制热循环、第三类制热循环、第四类制热循环、正向单工质联合循环、逆向单工质联合循环、第一类单工质联合循环、第二类单工质联合循环；以及温差/能差利用方法，能源携同利用方法；填补基础理论空白，增加12种能量转换与利用基本方式，卓有成效地丰富了能源科学核心理论体系。

（二）应用基础理论突破。主要有系列吸收式热泵新技术、系列热驱动压缩-吸收式热泵技术、系列热驱动压缩式热泵技术、系列高效热动技术、系列机械压缩式热泵新技术、系列联合循环热泵技术、系列高效热驱动压缩式热泵技术、系列热升压技术、系列双工质压缩式热泵技术、系列双工质高效热动技术、系列能源携同高效热泵技术、系列能源携同高效热动技术。填补应用基础理论空白，卓有成效地丰富了能源科学基本与关键技术。

六、科技引领

能源科学新突破源于实践和公理，是基于源头的重大创新，是能源科学基础核心理论的补位、传承和突破，具有原创性、突破性、颠覆性和引领性；填补多项基础理论和技术空白，全方位弥补能源科学领域存在的基础核心理论缺位；在冷、热、动、电、储五领域，全方位提供实现能源革命和高质量碳中和的突破性技术、颠覆性技术、关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、关键绿色技术和快速可转化性技术。

早日实现碳中和，特别是早日实现高质量碳中和，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。科技创新是解决碳达峰、碳中和的关键，能源科学新突破，集实现节能、减排、经济、安全于一体，并助力储能、CCS或CCUS、高质能源生产，为实现高质量碳中和提供根本性科技支撑；科技引领，碳达峰指日可待，高质量碳中和前途光明。

（一）为培养高端人才、科技协作、政策制定和技术路线制定等提供关键科学依据。

特别指出的是，快速培养全面掌握能源科学核心理论和关键技术的人才，也是实现高质量碳中和必不可少的关键环节。

（二）针对冷、热、动、电、储五领域，从单体到系统，从区域到全域，从供给到需求，从微观、中观到宏观各个层面，支持全视角、多层次诊断，提供多手段、系统性解决方案，实现能源的科学生产与科学利用。

（三）为构建国家“安全主动、经济高效、清洁低碳”的高质量能源体系，提供科学的系统性解决方案；支撑能源消耗降低40%以上，支撑温室气体排放降低50%以上。

※根除能源利用大漏洞，其意义之大，毋庸赘言！

1、引领电力发展与应用，为大力发展电力和大幅度提升社会用能的电力化程度提供科技支撑。

2、引领火力发电科学生产，为燃煤发电进行低能耗、低排放、灵活性三项内容为核心的升级改造（目标：能耗减少约37%，二氧化碳排放减少约74%）提供技术支撑。

此举将使国家具有安全、稳定、经济、低能耗、低排放或零排放（如增加CCS或CCUS措施）、灵活性调节能力的电网友好型绿色主力电源（压舱石），还具有如下重要意义：

⑴ 避免前期投资浪费，保障国家资产安全。

⑵ 提高电网系统安全性，保障经济健康发展。

⑶ 消纳更多的不稳定电力，提高能源清洁性。

⑷ 防治或有效减缓供电成本的过度/过快上升。

⑸ 保障就业稳定，保障职工利益；减少转型阵痛，促进社会和谐稳定。

※ 此举意义重大而深远！早些时候，美国气候特使克里敦促中国关闭燃煤电厂，还有个别专家提出快速关闭所有燃煤电厂……显而易见，这样的主张是馊主意，危害大，不科学。高质高用、联合循环、先进热源等综合措施可实现燃煤电厂升级换代，使其成为绿色主力电源！

3、引领电力用户侧高效利用，为扩大用户端电力使用提供技术支撑。加大电力在制冷、供暖、海水淡化等多领域的高效利用，有效降低温室气体排放——高效压缩式制冷/制热技术，是实现这一目标的根本技术。

4、引领供热领域实现颠覆性突破。高效高温机械压缩式热泵技术，热驱动高效压缩式热泵技术，能够颠覆传统工业锅炉供热模式，实现供热领域的大幅度节能和减排。

5、为电源侧构建增效、长储系统提供技术支撑，提升风电、太阳能发电负荷；再加上前述绿色主力电源作基础，能源科技新突破将大力促进风电、太阳能发电。

6、引领多种能源科学利用，为高质能源低能耗生产、高质能源高质高用、余热余压高效利用、低品质能源高效利用提供核心技术支撑。

举例1——以氢能为例：氢能的生产、储存、运输和利用各过程中，都涉及到能源的科学生产与科学利用；能源科学新突破，将在上述过程中发挥积极作用，特别是为氢能的高质高用提供核心技术支撑——氢能属于高品质能源，大幅度提升其利用价值非常重要——“好钢用在刀刃上”，将有利于氢能产业发展。

举例2——以天然气为例：天然气属于高品质质能源，城市用天然气属于“黄金用作黄铜”，浪费极大；将城市天然气撤出并以电替换，则其利用价值将达到原来的3倍以上，并大幅提高城市用能安全性——科技引领，价值倍增。

7、助力CCUS（包括CCS）技术融入能源生产与利用体系。一是大幅度提升能源利用效率为基础，可为CCUS提供能源支撑；二是大幅度降低温室气体排放为前提，从而缩减CCUS的规模、投资和运行维护成本——毕竟CCUS的引入是迫不得已且难以具有经济性的被动手段。

可见，通过源头降耗使得CCUS规模、成本、能耗大幅度降低的前提下，将CCUS融入到有着显著节能效益和经济效益的零排放新技术体系中，从而增加高质量碳中和的主动性。

8、引领发展以大幅度杜绝能源浪费为特点的经济增长，实现资源节约型或资源低付出型经济发展，即经济增长与能源消耗之间呈明显的负相关关系；引领冷、热、动、电、储五领域产业升级，能源安全有保障，经济上有好回报，环境效益突出，社会效益显著，实现可持续健康发展。

七、双碳不难

实现高质量碳中和，是践行创新、协调、绿色、开放、共享发展新理念、构建新发展格局、实现能源革命、高质量发展和中华民族伟大复兴的重大举措；事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体，意义重大，意义非凡。

能源科学新突破，集节能、减排、安全、主动、经济稳定增长与社会稳定多维并举、和谐共赢于一体，釜底抽薪，从根本上破解能源转型规模大时间短、能源供应安全难以确定、能源利用经济性难以保障、关键技术缺位和关键矿产资源难以为继的挑战。

能源科学新突破，破解“能源不可能三角”，为构建安全主动、经济高效、清洁低碳的能源体系提供科技支撑，为高质量可持续绿色发展奠定基础；能源科学新突破，解决社会发展重大难题，形成重大产业，实现巨大的节能、环保、经济、社会效益。

八、顶层设计之建议

实现高质量碳中和，经济上可行，技术上不难，全国一盘棋，做好顶层设计是关键。

（一）建议之一。建议国家在顶层设计中将如下内容纳入碳中和指导思想与基本方针：

1、将“清洁低碳、安全高效”八字方针调整为“安全主动、经济高效、清洁低碳”十二字方针。

2、将“碳中和”提升为“高质量碳中和”。

※高质量碳中和，以杜绝能源浪费为核心，有安全、经济、简单、主动、低排放多维度之特征/要求，牵牛鼻子，打蛇七寸，解能源困局主要矛盾，有事半功倍之效！

3、将杜绝能源生产与利用中的浪费列为硬性指标，将一低（低碳）调整为双低（低能耗+低排放）；淡化新旧能源之分，回归能源本质，提倡科学生产与科学利用。

4、构建能源生产与利用新一代基本原则和基本标准，出台相应强制性基本等级标准，从根本上杜绝能源浪费。

（二）建议之二。建议国家在顶层设计中将如下内容纳入碳中和目标体系：

1、清洁能源发电与燃煤电厂升级改造同步发展，大力发展电力，大幅度提升社会用能的电力化程度。

2、对燃煤发电进行低能耗、低排放、灵活性三项内容为核心的升级改造（目标：能耗减少约37%，二氧化碳排放减少约74%）。

3、推行能源利用全国一盘棋技术路线，杜绝主力能源“单打独斗”式能源生产造成的严重浪费。

4、推行高质高用、低质高用、能源携同技术；大力发展高品质能源，全面推行能源的高质高用，杜绝高质低用浪费现象。

5、城乡燃气撤出，实现供能电力化和高效化；提升用能安全性，提升人们生活质量。

⑴将城乡所用天然气（包括液化气等）全部撤出，以电力或电力结合新技术提供能源供给。

⑵充分发挥天然气及其它高质能源（如氢气、甲醇、沼气等）的引领作用，杜绝隐性损失，引领低质高用，实现能源增值。

6、推行城乡供热管网安全化，构建高效、低温、安全的低压型供热体系，提升人们生活质量。

7、推行双低技术取代工业锅炉/加热炉。

8、推行制冷领域高效化。

9、推行增效、长储能源协同储-产一体化。

10、推行能源系统简单化技术。

（三）建议之三。建议国家围绕能源科学新突破，采取新型举国体制，明确目标，分解任务；在人才培养、科技协作、示范工程和海外布局等方面，快速衔接，全面布局，率先行动；掌握实现碳中和的主动权，实现重大发展，实现中华民族伟大复兴。

1、人才培养。能源领域技术人员普遍存在理论严重欠缺、认识极其模糊、能力亟待提高问题；人才匮乏，世界短板。教育部应尽快将能源科学基本理论纳入到高中物理和大学物理教学体系中；及时对动力工程及工程热物理一级学科进行全面升级，布局相关师资人员培训；布局以能源科学为核心的碳中和科学与工程学院，构建碳中和人才培养体系，启动碳中和关键人才培养工作。

2、科技协作。支撑能源科学新突破所需的基本部件、单元技术、材料技术和制造能力，就世界范围来看不是问题，但我国存在短板；建议科技部围绕能源科学新突破，积极推进和布局协同攻关、平台建设、成果示范和国际科技合作。

⑴能源科学新突破中，可直接应用于工程实践的新技术占比较高，并开始实际工程应用。

⑵针对不足，有的放矢：布局低压高温传热元件、低压高温膨胀机、低压中温压缩机、低压高温压缩机、低压高温电站锅炉的研发和产业化。

⑶锻炼人才，技术升级，产品优化，领域拓宽，放眼世界。

3、示范工程。建议国家相关部委优先支持如下示范工程：

⑴燃煤电厂低能耗、低排放、灵活性升级改造示范工程。

⑵低温、低压、安全、高效的低压型供热管网示范工程。

⑶增效、长时储能、零碳化能源携同储-产一体化示范工程。

⑷电力/热力驱动高效压缩式热泵替代工业锅炉示范工程。

4、建议国家提供专门资金支持，构建集核心人才培养、领域拓展、技术协作、科技攻关、产品研发、实践应用于一体的引领型科技平台。