能源短缺、環(huán)境污染是制約中國經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)發(fā)展的長期重大瓶頸。人類進(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(jì)的蒸汽機(jī)工業(yè)文明，到19世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)動力與工業(yè)電氣化，再到20世紀(jì)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(qū)動人類文明大踏步地向前邁進(jìn)，意味著重大的社會革命。
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力過程。
也正是工業(yè)革命以來以“一把火燒+簡單熱力循環(huán)”的化石能源傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化利用方式的廣泛使用導(dǎo)致了高能耗、高污染、高碳排放的嚴(yán)峻局面。
其根源在于以燃燒發(fā)熱為源頭構(gòu)建的一次能源釋放轉(zhuǎn)化過程的高度無序化，造成巨大的能勢下降、有效能損失和能量無效損耗，并產(chǎn)生大量污染物，對環(huán)境、生態(tài)造成嚴(yán)重污染和破壞。
如煤燃燒將煤炭化學(xué)能轉(zhuǎn)化為無序的熱能，熵增極大，熱工轉(zhuǎn)化過程又造成大量能質(zhì)損失和無效能量損耗，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短期內(nèi)難以改善，因此，基于現(xiàn)實的、近中遠(yuǎn)期結(jié)合相融相洽的、全局優(yōu)化的能源供給體系與發(fā)展戰(zhàn)略及措施，只能也必然是變革煤炭利用方式實現(xiàn)潔凈無污染低碳化，同時大力發(fā)展可再生能源、提高其占比、改善能源消費結(jié)構(gòu)，大力推動全社會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(bǔ)，實現(xiàn)由自然一次能源到人類終端用能間轉(zhuǎn)化輸送的完全潔凈、低碳、高效、安全的綠色可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。
因此，中國乃至世界能源科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域所面臨的兩個重大挑戰(zhàn)：
(1)創(chuàng)新發(fā)展變革性的潔凈低碳高效的煤炭轉(zhuǎn)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(guī)模轉(zhuǎn)化理論與技術(shù)，這同時也必將是中國在全球科技競爭中掌握先機(jī)、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(zhuǎn)化”基礎(chǔ)科學(xué)中心項目就是要通過基礎(chǔ)科學(xué)研究創(chuàng)建能源從一次源頭轉(zhuǎn)化的新理論，發(fā)展新方法，實現(xiàn)能源科學(xué)理論和方法的革命，并帶動能源技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革。
“能源有序轉(zhuǎn)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)流在多尺度的時空上高度匹配互補(bǔ)與多子耦合、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換有機(jī)關(guān)聯(lián)機(jī)制及熱力循環(huán)與碳?xì)溲h(huán)的構(gòu)建原則等。
它通過重構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換的關(guān)聯(lián)方式，從一次能源轉(zhuǎn)化的源頭開始構(gòu)建能量的“能勢匹配”、載能子的“多子耦合”、物質(zhì)轉(zhuǎn)化的“碳?xì)溲h(huán)”，最大限度地減少能量轉(zhuǎn)換中的無序化損失、提高有序化程度，提高能量轉(zhuǎn)換的有效能利用效率，實現(xiàn)潔凈、無污染、低碳甚至無碳排放的環(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(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;水相環(huán)境、吸熱還原、物質(zhì)循環(huán)耦合熱力循環(huán)”;
對于太陽能而言，由“單一的光利用或熱利用”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;光/熱耦合協(xié)同利用”;
同時，將“化石能源、可再生能源各自獨立的”改變?yōu)?ldquo;多能互補(bǔ)的”轉(zhuǎn)化利用形式及系統(tǒng)。
擬通過5~10年努力，創(chuàng)建化石能源與太陽能協(xié)同轉(zhuǎn)化、清潔低碳高效三位一體的能源有序轉(zhuǎn)化的新理論，提出化石能源與太陽能協(xié)同轉(zhuǎn)化和CO2源頭控制的變革性原創(chuàng)方法，形成能源轉(zhuǎn)化的顛覆性技術(shù)，推動能源技術(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(dá)50%以上;
太陽能制氫或制碳?xì)淙剂系男侍岣叩?0%;
太陽能發(fā)電效率從單純太陽能發(fā)電的15%提高到互補(bǔ)型系統(tǒng)中低溫太陽能凈發(fā)電效率達(dá)40%。
這為人類從根本上解決一次能源的潔凈無污染低碳高效轉(zhuǎn)化利用、實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展、提供科學(xué)指導(dǎo)和現(xiàn)實方案與供給體系，保障中國能源的長期供給安全，具有重大戰(zhàn)略意義。
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