近日，实验室主任郭烈锦院士团队应邀在新创办的国际学术期刊《Carbon Neutrality》发表团队在直接碳减排技术方面的研究成果，通过采用能源有序和资源化无害化转化利用的新原理，建立了以超临界水蒸煤氢电热气多联产和以可再生能源驱动的CO2还原制化学品及燃料等技术为核心的新型碳中和能源转化利用体系。
在保障我国电网的安全稳定性和终端供能产业的安全可靠性上，无论近、中期还是长期内，煤炭均将起到主导的、支柱性的作用，煤炭利用的CO2减排是实现碳中和目标的关键。通过25年的艰苦探索，动力工程多相流国家重点实验室郭烈锦团队采用能源有序和资源化无害化转化利用的新原理，建立了以超临界水蒸煤氢电热气多联产和以可再生能源驱动的CO2还原制化学品及燃料等技术为核心的新型碳中和能源转化利用体系，可以在低成本高效生产氢电热的同时，实现煤炭利用的巨量CO2直接减排和资源化无害化利用，为我国构建完全符合碳中和目标的新型清洁、低碳（零碳）、安全、高效的现代能源体系提供可靠的技术保障。
本研究主要创新点：1）阐述了能源有序和资源化无害化转化利用的新原理；2）基于煤炭超临界水气化氢电热气多联产技术实现直接碳减排；3）基于可再生能源驱动的CO2循环利用技术实现碳资源回收利用；4）提出了煤、太阳能等一次能源联合驱动的新型碳中和能源转化利用体系。
图1 以超临界水气化制氢多联产技术耦合可再生能源驱动的CO2还原技术为核心的碳中和体系
人类开展大规模工业活动以来，由温室气体排放造成的全球气候变暖已成为威胁人类生存和发展的最大非传统安全挑战，由此引发的自然灾害频发、环境污染及能源短缺问题日益突出。
图2 海洋气温异常变化与全球每年CO2排放总量（数据来源于Statista）
据国际能源署（IEA）统计，近年来全球每年CO2排放近350亿吨，由煤炭消耗导致的全球CO2排放达150亿吨。2020年，中国CO2总排放量达98.99亿吨，由煤炭消耗产生的CO2排放约占国内总CO2排放的79.5%，远高于全球44%的平均水平。实现煤炭消耗产生的巨量CO2减排是我国实现碳中和目标的关键。
图3 中国能源消费结构与单位发电CO2排放（数据来源于Statista）
煤炭是我国一次能源结构主体，在保障我国电网的安全稳定性和终端供能产业的安全可靠性上，无论近、中期还是长期内，煤炭均将起到主导的、支柱性的作用。以燃煤为主的煤炭利用方式不可避免地带来环境污染严重、能量转化综合效率低和巨量CO2排放等突出问题。
以燃煤发电为例，该过程：1）为确保装备“安全”，通常需要使用高性能材料；2）为实现系统“高效”，需提高机组参数和容量；3）在除尘、脱硫、脱硝等烟气处理需求下，需花费高额成本投入，同时该环节可能导致煤电转化效率降低2~4个百分点；4）若考虑减排，不仅需要巨额投资，还会导致煤电转化效率降低10~13个百分点；5）若要考虑彻底解决产生的气、液、固废弃物的有害性和污染问题，兼顾“多联产高质价”，则必然要增加更多的废弃物处理装备投资和成本、进一步降低煤电转化效率。这是典型的“链式发展模式”，不可持续。
图4 传统燃煤发电技术弊端
改变传统以燃煤为主的煤炭利用方式，推动煤炭清洁转化利用已成为碳中和背景下我国能源产业发展的必然趋势。另一方面，氢能具有显著的零碳优势，构建“氢电互补”的二次能源结构体系正逐渐成为行业共识。
能源的转化利用不仅是一个含能体资源物质所存能量的形式转换和量的传输过程，而且还是一个含能体资源物质的化学分子组成和物质结构的转化过程。高污染、高能耗、高碳排放的问题是由物质转化和能量转换的匹配协同不当造成的，本质是由物质转化和能量转换的错误搭配或匹配协同不当造成的系统不可逆损失大、产物有害、污染、高碳等的结果；若能够从转化源头上做到物质转化和能量转换选配得当、优化匹配协同，则可实现“洁净、零碳、高效、节水、低成本、多联产高质价”多目标协同的发展模式。
图5 能源有序转化理论
能源有序转化旨在实现最大限度地减小能源转化过程的无序化，使能量转换与物质转化在时间和空间尺度上、在动态变化上都有机关联，实现能势匹配和耦合互补。其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。
当前，我国在“发电/制氢”重大前沿技术领域拥有独立自主且原创的“煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术”（图6），可以完全实现洁净（无SOx、NOx等有害气体及废液和粉尘颗粒污染物等排放）、低碳（零碳）（发电工艺流程中自然富集CO2，不额外增加能耗）、高效（煤电净发电效率大于50%）、节水（发电为零耗水；制氢耗水量达最低值，为分解水制氢的理论耗水量）、低成本（百万千瓦机组一次投资比火电机组低20%左右，度电煤耗小于250 g/kWh）、电热气多联产和高质价转化利用（发电、供热的同时，可联产H2和高纯CO2，继而可进行化工工艺链接匹配创新，联产高性价含碳化学品；而由煤的灰分所产出的灰渣完全无害，是性能良好的建筑原材料，对于特殊煤种还是其微量元素提纯的好办法，图7）。
图6 超临界水蒸煤技术原理图
图7 超临界水蒸煤电热气多联产系统流程图
动力工程多相流国家重点实验室郭烈锦团队通过25年的艰苦探索，攻克了煤炭超临界水气化技术工程化应用的诸多问题，陆续完成了示范验证，已安全连续稳定生产超两万余小时，迫切需要推动该技术的大型化示范机组的建设与运行。
图8 五单元并联煤炭超临界水气化示范系统
煤炭超临界水气化多联产技术可根据终端产业需求，实现氢、电、热及高纯CO2、无机盐、氨等多种高质价化学品联产，促进众多传统相关产业升级并催生新的产业形态，实现能源有序转化和资源的全面无害化利用。目前动力工程多相流国家实验室正在积极推进在炼化、发电等多个行业的工业化示范项目建设。
图9 基于超临界水气化多联产的制氢-供热工业示范项目原理图
如图10所示，相比于传统燃煤发电，煤炭超临界水气化发电技术在发电效率、发电煤耗方面具有显著优势，在CO2减排方面具有零碳排放的绝对优势。
图10煤炭超临界水气化多联产技术优势：（a）与燃煤发电效率对比；（b）与燃煤发电煤耗对比；（c）与燃煤发电CO2排放对比。
煤炭超临界水气化多联产技术带来可观的社会经济效益，据测算：
（1）在2035年前，若逐步推进超临界水蒸煤技术在制氢、发电等领域示范并扩大单机组示范规模，有望分别在当年装机中占比5.8%及1%；替代传统煤气化制氢及燃煤发电装备后，可实现每年约减排氮硫气态污染物及粉尘颗粒物56吨，节煤658万吨，节水4945万吨，减排二氧化碳1.4亿吨。
（2）2050年前，向变革性合成氨等下游产业链技术延伸，可逐步在制氢发电供热及煤化工领域占主导地位并实现技术输出。在国内制氢、发电装机中占比潜力分别可达35％及25％，可相应减排氮硫气态污染物及粉尘颗粒物532万吨，节煤1.3亿吨，节水12.4亿吨，减排二氧化碳36.8亿吨。
（3）2060年前，成为制氢发电供热及煤化工核心支撑技术和产业，有望分别在当年制氢、发电装机中占比50％及38％；相应地，可减排氮硫气态污染物及粉尘颗粒物1530万吨，节煤2.5亿吨，节水22亿吨，减排二氧化碳64.1亿吨。
在保障能源安全方面，该技术立足我国以煤为主的能源禀赋，可缓解油气对外依存度过高的难题，加速构建未来“氢电互补”的变革性能源体系。在促进产业升级方面，该技术能够成为产业升级增长点，若对我国现有的煤电等领域装备升级替代，预期产值可超过2万亿；若对交通行业进行替代，预期产值可超过70万亿。
此外，可再生能源驱动的CO2还原制化学品及燃料技术，能够将能量密度低、分散性强、不稳定、不连续的太阳能转化为清洁无污染、能量密度高、易存储、易输运的碳氢燃料或高质价值化学品，同时实现碳的资源化回收利用。依靠该技术，水和CO2可转化成诸如一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇、乙醇、乙酸、乙烯、乙烷、乙炔、丙酮等小分子含碳物质。通过对系统布局、催化剂结构以及反应工况的优化设计，可实现不同产品的高选择性制备，降低后续提纯、集储成本。目前该技术主要包括：直接太阳能光催化CO2还原、直接太阳能光电化学CO2还原、太阳能光伏直接耦合电解CO2还原、太阳能驱动的金属氧化物两步热化学循环CO2还原四种路线。
图11 四种典型的太阳能直接驱动的CO2还原制化学品及燃料技术路线
太阳能等可再生能源驱动的CO2还原制化学品及燃料在生产环节基本不会对环境排放任何有害物质，是绿色清洁的可再生能源转化与利用技术，已经成为全球可再生能源研究领域的热点。全球主要经济体在实施碳中和计划过程中，均对该技术的基础和应用研究做了大量的布局。然而该技术的高效、稳定、连续流动运行，涉及多相流动的反应界面局部环境及不同时空尺度的多物理场互耦合，需要结合基础科学与工程科学来系统的解决技术应用难题。
基于超临界水煤气化制氢发电多联产技术与可再生能源驱动的CO2还原制化学品及燃料等技术，本文进一步提出了一种由煤和可再生能源共同驱动，用于生产电能、机械能、加热和化学品（H2、O2和有机原料）的新型碳中和能源转化利用体系。该体系可以最大限度的做到少排“碳”甚至不排“碳”，为我国构建完全符合碳中和目标的新型清洁、低碳（零碳）、安全、高效的现代能源体系提供可靠的技术保障。
图12 由煤、太阳能、风能等一次能源联合驱动的新型碳中和能源转化利用体系
在我国“以煤为主”的能源禀赋特征和国家“双碳”战略背景下，坚定不移的推进煤炭资源的清洁无害化利用是我国能源发展的重要环节。煤炭超临界水气化技术改变传统的煤炭利用方式，从源头上构建能源转化过程中的能量转换和物质转化匹配方式，将煤炭化学能和低品位热能高效有序转化为氢、电、热及高纯CO2、无机盐、氨等多种高质价化学品，实现“洁净、零碳、高效、节水、低成本、多联产高质价”的多目标协同；通过与可再生能源驱动的CO2还原等技术相结合，高纯度CO2可作为原料进一步转化为化学品及碳基燃料，实现煤炭利用的巨量CO2直接减排和资源化无害化利用。该技术为我国实现能源发展向清洁、低碳（零碳）、安全、高效的现代化能源体系转型提供了可行的发展路径。
研究成果“Technological innovations on direct carbon mitigation by ordered energy conversion and full resource utilization”在国内首创学术期刊《Carbon Neutrality》发表，并且为该刊首次发表的第一篇原创性研究论文，实验室主任郭烈锦院士为通讯作者，郭烈锦院士及团队成员欧治松、刘亚、葛志伟为文章的共同第一作者，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室为第一单位和唯一通讯单位。研究成果获得国家自然科学基金能源有序转化基础科学中心项目（51888103）资助。
通讯作者介绍
郭烈锦，中国科学院院士，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室主任
研究领域
主要从事能源动力多相流及氢能科学技术的研究。
个人简介
郭烈锦，中国科学院院士，世界科学院院士，工程热物理与能源利用学家，我国能源动力多相流及氢能学科的主要学术带头人，主要从事能源动力多相流及氢能科学技术研究。在推动能源科学重大原创性突破、引领全球能源体系技术革命等方面做出了突出贡献。现任西安交通大学教授、博导，动力工程多相流国家重点实验室主任，国际清洁与可再生能源研究中心创始主任，西安交通大学新能源科学与工程专业创始及学科带头人，国家自然科学基金项目“能源有序转化”基础科学中心负责人。
同时兼任中国工程热物理学会副理事长及多相流分会主任，中国可再生能源学会副理事长及氢能专委会顾问，全国氢能标准化技术委员会（SAC/TC309）副主任委员，国家技术标准创新基地（氢能）专家委员会主任委员，国家市场监管总局第六届特种设备安全与节能技术委员会副主任委员，国际能源光电子学杂志、工程热物理学报副主编。还是国际氢能、国际多相流、国际传热传质、eScience等期刊的编委及顾问编委会委员，ICMHT委员、ICeM通讯委员、国际氢能学会IAHE 7人奖励委员会成员等。
1983年本科毕业于西安交通大学获热能工程学士学位，1989年获工学博士学位。1992年被破格晋升为教授，1997年获国家杰出青年科学基金，1999受聘为教育部首批长江学者特聘教授。曾任国务院学位委员会动力工程及工程热物理学科评议专家组组长、863计划能源领域专家组成员、教育部科技委工程学部委员兼副主任、西安交通大学能动学院院长，澳洲昆士兰大学名誉教授，沙特阿拉伯国王大学客座合作教授等。是国家自然基金委员会工程热物理与能源利用学科首个创新群体带头人并获工程领域首个连续三期滚动资助，是科技部“利用太阳能规模制氢”连续两期“973”计划重大项目的首席科学家、国家重点专项“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”首批项目的首席科学家。
在氢能制备与燃料电池理论与技术研究方面，荣获首个关于太阳能规模制氢方向的国家自然科学二等奖；独创“超临界水蒸煤制氢发电多联产理论与技术”，获评2017年中国高校十大科技进展，首届国家创新争先奖。在Nat. Energy、Nat. Comm、Chem. Rev、Int J Hydrogen Energy等期刊合作发表氢能研究的学术论文300多篇，以第一完成人获国家自然科学奖二等奖二项、国家技术发明奖二等奖一项、部省级科学技术奖五项，获国家发明专利近百件。培养已毕业博士研究生百余人。
Carbon Neutrality《碳中和》是由上海交通大学与Springer Nature合作创办的国际英文学术期刊（ISSN：2731-3948,https://link.springer.com/journal/43979/volumes-and-issues/1-1）。Carbon Neutrality 是低碳科学与技术、碳金融与碳管理及相关政策领域的国际性跨学科综合期刊。本刊旨在打造碳中和领域旗舰期刊和国际一流期刊，主要刊载低碳相关领域具有高度原创性、能够反映学科水平的高质量研究论文和评论性综述文章，为国内外从事低碳研究的专家学者提供一个专业的国际学术交流平台。内容涵盖可再生能源应用技术、储能技术、制氢、综合智慧能源系统、碳足迹分析和管理、低碳转型投融资、碳排放政策法规，以及废弃物资源化利用、生物质、能源和环境政策、碳捕捉和存储、气候投融资等一系列横跨低碳科技、管理和经济的热点话题等。
Carbon Neutrality期刊编委会由顾问委员会（Advisory Board）、主编、副主编、编委共同构成。Advisory Board成员均为国内外著名学者，其中院士10余名。主编由上海交通大学讲席教授、中英国际低碳学院院长赵长颖担任。编委会成员由来自一流高校和研究机构的40余位具有国际影响力的资深学者组成，其中国际编委25名，涵盖近10个不同国家。
