节约优先：抓住实现高质量双碳目标的“牛鼻子”

李华玉     中国石油大学（华东）

李鸿瑞     天津大学

一、前言

10月24日，新华社发布《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》。

《意见》明确提出：实现碳达峰、碳中和目标，要坚持“全国统筹、节约优先、双轮驱动、内外畅通、防范风险”的工作原则。在笔者看来，五项原则中的“节约优先”这一工作原则，可谓一针见血，牢牢抓住了实现高质量双碳目标的“牛鼻子”。

从“节约优先”的具体要求——把节约能源资源放在首位，实行全面节约战略，持续降低单位产出能源资源消耗和碳排放，提高投入产出效率，倡导简约适度、绿色低碳生活方式，从源头和入口形成有效的碳排放控制阀门——来看，其中特别指出“把节约能源资源放在首位”和“实行全面节约战略”——把节约能源资源提升到国家战略层次，更加凸显出节约能源资源的重要性。

在《意见》“二、主要目标”部分中，给出了贯穿双碳目标三个阶段关于能源利用效率的具体要求，分别是：到2025年，绿色低碳循环发展的经济体系初步形成，重点行业能源利用效率大幅提升；到2030年，经济社会发展全面绿色转型取得显著成效，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平；到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平。三阶段能源利用效率目标的提出，充分体现出节约能源资源的极其重要性；从节能减排的角度看，直接凸显出节能是第一能源的优先地位。

令人欣喜和振奋的是，在《意见》“五、加快构建清洁低碳安全高效能源体系”第（十一）部分中，针对现役煤电，明确给出了“加快现役煤电机组节能升级和灵活性改造”的具体意见。这看似极其简单的意见，实则意义十分重大——从全局看，能源科学新突破完全能够将火力发电升级为低能耗（能耗降低37%）、低排放（温室气体减排74%）或零排放（增加CCS或CCUS）的绿色主力电源；这不仅将使我们国家的电力生产稳妥、可靠、绿色、低碳或零碳从而成为压舱石，同时也能够为电网接纳更多的风力发电、太阳能发电提供支撑。这一掷地有声的意见，对构建安全主动、经济高效、清洁低碳的高质量能源体系来说，至关重要！

二、能源利用效率

这里需要指出的是，《意见》中提及的能源利用效率，涉及到两种定义模式，分别为能源利用产值效率和能源利用技术效率，需要加以区分。本文从能源科学新突破来谈节约能源，涉及的是能源利用技术效率。能源利用效率的两种定义简述如下：

能源利用产值效率，也就是单位GDP能耗；调整产业结构和提升能源科技水平，都可以提升能源的利用价值（效果），也就意味着能源利用产值效率得到提升。

能源利用技术效率，也就是能源装置的投入产出比，比如热动装置的热效率、制冷装置/热泵装置的性能指数COP。与能源利用产值效率不同的是，无论产业结构调整，还是能源结构调整，都无法有效提升能源利用技术效率；能源利用技术效率的有效提升，必须依靠能源科技的新突破。

三、不谋而合

我们在9月22日通过自媒体公开的《科技引领，双碳不难：高质量碳中和的必由之路暨顶层设计之建议》（https://mp.weixin.qq.com/s/RRJOwF_aSLuq9xwv4kDYMg）文章中指出：

能源科学基础理论缺位多，导致能源利用技术效率过低，致使人类的能源生产与利用存在严重浪费，世界经济发展陷入能源困局——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到限制。

因能源科学基础理论过多缺位造成的能源浪费，普遍存在于能源生产与利用的各个领域；特别指出的是，这样的能源浪费有着非专业人士难以察觉和认清的特性；时至今日，能源浪费比例仍然高达50%以上——这意味着节能减排的潜力十分巨大；实现高质量双碳目标，必须把杜绝能源浪费放在首位；换句话说，根除能源浪费是关键的能源节约，是实现高质量碳中和的必由之路。

四、节能领域及潜力

人类的发展史，特别是工业革命发展史，就是一部能源浪费史。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。

越来越多的人认识到：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，都会导致严重的能源浪费。

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，必将严重阻碍高质量碳中和目标的实现。

能源浪费无处不在，能源浪费的严重程度极为惊人；冷、热、动、电、储五大领域，能量损失大，节能潜力大。举例说明如下：

（一）下列技术领域，温差损失巨大。

1、以煤电为代表的火力发电领域，存在着40%的燃料浪费。其原因在于：热变功装置以朗肯循环为工作原理，存在原理性缺陷；循环工质获取高温热负荷过程温差损失大且难以解决，超过700℃以上的温差没有得到利用，致使热效率过低。

2、热电联供存在40%的燃料浪费。原因在于：从源头看，热变功装置以朗肯循环为工作原理，存在原理性缺陷，导致热力发电厂存在燃料浪费；采取热电联供技术手段，消除的是锅炉直接供热的能源浪费漏洞，热动装置自身缺陷没有任何实质性改善，依然是超过700℃以上的温差没有得到利用。

3、燃气-蒸汽联合循环系统，同样有很大的节能潜力可挖掘。原因在于：上下热力循环之间的传热温差过大，顶部布雷顿循环仍有潜力待挖掘；从热变功的角度来看，热效率应该从当前的65%提升到75%以上。

4、工业锅炉/加热炉存在55%的燃料浪费。其原因在于：缺乏实现温差充分利用的工作原理，高温低用，高温热源与被加热介质之间接近1000℃的温差没有得到利用，不可逆损失巨大。

5、锅炉直接供暖存在70%的燃料浪费。其原因在于：缺乏实现温差充分利用的工作原理，高温低用，高温热源与被加热介质之间接近1200℃的温差没有得到利用，不可逆损失十分巨大。

※上述技术领域中，无论投入化石燃料，还是投入生产成本较高的零碳燃料，原理不到位（热力发电、热电联供、燃气-蒸汽联合循环系统），或是缺乏温差有效利用的工作原理（工业锅炉/加热炉供热、冬季锅炉直接供暖），都带来巨大的温差损失！

（二）下列技术领域，能差损失严重。

1、机械压缩式制冷/热泵，冷凝液节流降压过程带来两大负面作用——一是冷凝液中的显热没有得到有效利用，二是节流过程对低温热负荷的获取产生负作用，从而导致20%的电力浪费，能差损失严重；与此同时，放热过程中循环工质与被加热介质（冷却介质）之间还常常存在过剩的温差不可逆损失。

2、机械压缩式热泵，随着放热温度的提升，节流负作用影响直线上升，导致机械压缩式热泵在高温供热领域无用武之地。

（三）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……这样的能源浪费普遍存在，浪费程度极为严重。

举例1：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。若以热效率来衡量其利用水平，其热变功效率应该达到75%以上——显而易见，将氢能输送到千家万户的举措将严重降低其利用价值。

举例2：天然气属于高品质能源，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，能源科学新突破支持其利用价值达到原来的3倍以上——这是令人难以置信的数字；天然气撤出，还将大幅提高城市用能安全性。科技引领，全国一盘棋，天然气的利用价值将实现倍增。

举例3：大量的低温热资源，如乏汽、温度过低的地热，在面对高温热需求时，传统热泵技术难以对其加以有效利用——尽管其品位不高，但热资源利用不起来，同样是浪费。

（四）风力发电、太阳能发电等领域，能量损失严重：弃电是严重的能源浪费，缺乏长储且高效的技术手段使电能越储越少。

（五）余热发电等领域，余热资源利用率低。当今余热发电，主要着眼于如何将余热高效地转换为动能，但技术原理不够先进。问题的严重性在于，技术人员没有能够从系统的角度来挖掘潜力，观小处而不识大局，拣芝麻而丢西瓜，从而造成能源严重浪费。

（六）储能领域能源浪费严重。当今所有的储能技术与装置，不仅难以实现长储，而且无论储冷、储热、储电、储燃料、抽水蓄能和压缩空气储能等，都存在着储-用过程中的能量损失。

五、能源科学新突破

众所周知，科技创新是推动社会经济发展、实现高质量碳中和、应对气候变化挑战的决定性因素；今天，中国学者在能源科学领域获得全方位重大突破，为应对人类共同挑战贡献中国力量。

中国学者初心不忘、使命在肩，直面理论不足，直面现实需求，历经近40年的研究、探索、积累和实践，在能源科学领域获得基础与应用基础理论的全方位、多层次突破，弥补能源科学基础与应用基础理论缺位，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。

（一）基础理论突破

创建第一类制热循环、第二类制热循环、第三类制热循环、第四类制热循环，以及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。

创建温差/能差利用新方法、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基础理论体系，为冷、热、动、电、储的科学生产提供基础理论支撑。

（二）应用基础理论突破

创建单工质高效热动技术、双工质高效热动技术、氢燃料高效热动技术、能源携同高效热动技术、吸收式热泵新技术、热驱动压缩式热泵技术、机械压缩式热泵新技术、热驱动压缩-吸收式热泵技术、双工质压缩式热泵技术、长储高效储-产一体化技术。填补能源科学应用基础理论空白，卓有成效地丰富了能源科学关键技术，为冷、热、动、电、储的科学生产提供技术支撑。

六、更新换代与颠覆

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。

在冷、热、动、电、储五大领域，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，能源科学新突破支持全视角、分层次诊断，以及提供多手段、系统性解决方案；根除浪费，深度节能，实现能源的科学生产与科学利用。

1、热动/电力领域

高质高用、联合循环、先进热源等综合措施，引领火力发电科学生产，大幅度提升热变功效率。

为燃煤发电进行低能耗、低排放、灵活性为核心的升级改造提供技术支撑；初步计算：能耗降低37%，二氧化碳减排74%；实现燃煤电厂升级换代，使其成为安全可靠的绿色主力电源，从而为国家创新驱动高质量发展提供根本性能源保障！

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），同时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：在实现双碳目标体系中，非化石、零排放能源消费比重越大，实现高质量碳中和的难度越大；燃煤电厂升级换代而成为绿色主力电源，新型电力系统中的化石能源消耗少而贡献大（以低能耗保持高比例电力供给），这对构建既经济又安全的电力系统来说意义十分巨大！

2、制冷/供热领域

热能或机械能驱动的高效制冷得以实现，制冷领域实现大幅度节能；高效机械压缩式制冷机和热驱动高效压缩式制冷机，将取代传统制冷装置，实现升级换代；实现机械能（电能）节约20%，或实现燃料节约50%以上。

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，二者将颠覆传统工业锅炉供热/供汽模式，实现供热领域的大幅度节能和深度减排。

高效高温机械压缩式热泵，热驱动高效压缩式热泵，二者对供热设备（工业锅炉）实现颠覆性取代，实现燃料节约50%以上；显而易见，节能必然带来温室气体相应减排。

3、光热发电领域

单工质联合循环取代朗肯循环，大幅度提升光热发电效率；工作原理到位，支持光热发电效率达到50%。

4、核电领域

单工质联合循环取代朗肯循环，工作原理到位，支持核燃料热变功效率得到有效提升，意义重大。

5、高品质能源高效利用

为高质能源实现高质高用，提供核心技术支撑。天然气、氢能、甲醇、沼气、高温余热等高品质能源在制冷、供热、动力和发电领域，实现高效利用。

6、长储高效储产一体化

在电源侧和负荷侧，以能源科学新突破为依托，把储能需求和能源高效利用相结合，构建具有长时储能、消除浪费、实现所储能源利用价值（效率）大幅度提升的储产一体化系统。

7、冬季供暖领域

能源科学新突破，支持构建高效、低温、安全的低压型供热体系，消除城乡供热管网安全隐患，提升人们生活质量。

七、人才培养

实现高质量双碳目标，科技创新是关键，人才培养须跟上。2021年7月12日，教育部出台《高等学校碳中和科技创新行动计划》，布局碳中和科技创新和人才培养，意义重大。

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，世界性短板。

人才培养，要把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；以动力工程及工程热物理一级学科为基础，将能源科学新突破全面纳入该学科培养体系；设立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。

八、结束语

根除能源浪费，是能源节约的核心，是最关键的能源节约。能源科学新突破，立足源头，破解世界性能源浪费难题，为降低40%能源总消耗和减排50%以上温室气体提供根本性科技支撑。

节约优先，抓住了实现高质量双碳目标的“牛鼻子”；全面节约战略，为安全、经济、快速、稳妥、主动地实现高质量碳中和目标，为实现创新驱动高质量发展，指明了前进的根本方向。

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