《低碳能源》双周刊在今年2月8日的创刊号上刊登了《科学时报》记者采访笔者和其他几位专家的文章，之后不久，编辑部转来何祚庥院士对这组讨论中国低碳能源战略的评论文章。何祚庥先生一方面对双周刊的出版表示支持，另一方面也在提高能效、热功转换、IGCC、CCS等方面，针对笔者的一些观点提出了不同的意见。笔者对何先生的关心和指教深为感谢，同时也应《科学时报》编辑部的要求就他提出的质疑进行讨论和商榷。

 

媒体本是社会公器，《低碳能源》的创刊为各方关心能源问题的有识之士提供了一个讨论问题、发表意见的公共平台，因此，笔者非常乐意公开回复何先生的质疑，对可能被人误读、误解之处作些解释，避免在概念上纠缠不休而影响对一些能源领域深层次问题的深入研究，如此或许可以达到真理越辩越明的效果，有助于真正推动构建适合中国的低碳能源战略。

 

 

何祚庥先生在他的文章中针对笔者的提法认为：“能源问题的‘关键’决不能仅仅归结为‘热功转换’这四个字。”讨论这个问题，我们首先应该弄清楚现阶段主流能源技术究竟是什么？

 

能源技术的主流，一是要解决电力生产的问题，二是要解决各种交通运输工具的动力问题。以美国2008年的能源结构为例：根据美国能源部的《能源回顾报告2008 》(Annual Energy Review 2008)，美国电力生产消耗占能源消耗总量的40%，而交通运输则占能源总能耗的28%，两者相加占到了总能耗的68%以上。电力生产中，风力、水力和太阳能发电分别只占总发电量的1.2%，6%和0.17%。电力生产的主要部分依靠的是煤炭、天然气、石油和核能，它们各自占有总发电量的51%、17%、1%和8.5%。至于交通运输的能源消耗，基本上都靠石油和天然气。因此，不论是电力生产还是交通运输，热功转换都是关键的技术问题。因为不论是化石能源还是核能，都要通过热功转换将化学能或核能转换为热能，再通过各种热机（包括蒸汽轮机、燃气轮机和内燃机）的应用来实现热功转换。至于我国的情况大体也是如此。全国2007年火力发电在我国电力生产中约占83%，核电约占1.9%，水力发电和风力发电各占14.4%和0.16%，很显然，无论是火力发电还是核电也都是以热功转换为基础。

 

在热功转换过程中，首当其冲的是高品位热能的产生。目前，化石燃料的燃烧是热能的主要来源，燃烧学便是研究这一过程的专门学科。核裂变、地热能、聚光太阳能以及生物质的燃烧也为热功转换提供了热能。至于热能转换为机械功，更涉及了热力循环分析与设计，工质的选择和开发，传热传质，相变和多相流，压缩和膨胀，流动和滞止等诸多工程热物理问题，并且还与机械工程，自动控制等学科紧密交叉。我国已故著名能源科学家吴仲华先生在生前提出了“温度对口，梯级利用”的基本原则，徐建中院士在其近著中对“科学用能”的基本原则作了进一步诠释和论述。

 

何先生在文章的标题中提到了光伏电池，燃料电池和温差热发电三种无须热功转换的动力体系，他说：“温差热发电‘百分之百’属‘热功转换的动力体系’”，这个观点是不正确的。

 

我们所说的功是指工程热力学意义上的机械功（mechanical work），它是力和力的方向上的位移的乘积，温差热发电按照上述定义没有运动部件，也没有位移，因此也没有直接产生机械功。所以它不是一个工程热力学范畴内的热功转换过程。至于燃料电池和光伏发电，在现阶段，它们在能源结构中所占的比例都是非常小的，至少在现阶段都还称不上是主流能源技术。实际上这三种技术的历史同内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机相比大体上是相同的，只不过上述各种热机技术在过去的100年左右的时间里已经发展成为了大规模的产业，成为了当前的以化石燃料为主体的主流能源技术。而上述三种无须热功转换的能源技术中，光伏发电只是在近期才开始逐步走向大规模的工业应用，至于燃料电池和温差热发电技术目前似乎都还没有实现大规模产业化。这三种技术虽然也有可能成为未来新能源技术的主流，但是还需要相当长时间的研究和发展，理应给予大力的支持和资助。所以说，热功转换是当前主流能源技术的关键问题，应该是站得住脚的。

 

热功转换效率已经“相当接近”卡诺循环效率了吗？

 

何祚庥先生在文章中说道：“据我所知，我国‘超超临界’火力发电技术转化效率已高达44%，其转化率已相当接近卡诺循环”，同时何先生还说：“马教授只说‘提高’热功转换效率，也未明确说要打破卡诺循环所确定的热功转化效率”，“我们的质疑是，马教授能否告诉我们，人类将怎样利用复式循环，进一步‘打破’超超临界技术已达到的44%的热功转化效率？”实际上何先生在他的文章中已经回答了他自己提出的问题，那就是他在文章中两次提到的IGCC技术。

 

IGCC的英文原文是Integrated Gasification Combined Cycle，可以译为“整体煤气化联合循环”。遗憾的是何先生似乎在翻译和理解这个专有名词的时候有一些小的差错，他在文中两次把IGCC称为“多联产清洁煤技术”或“洁净煤技术”，而没有注意到IGCC是与煤气化技术集成的联合循环技术。至于多联产洁净煤技术则是我国倪维斗院士倡导的另一重大能源技术，两者概念是完全不同的。

 

IGCC目前在国外还处于示范和半商业化运行阶段。这种技术对于以煤炭为主要能源的中国具有特别重要的意义。在这个技术领域我们同西方国家相比还有一定的差距。根据我国一次能源以煤为主的国情，加快IGCC的研发与示范可能势在必行。此外，岑可法院士也提出了一条具有自主知识产权的技术路线——以发电为主的煤分级利用、多级联产新技术，值得我们充分关注。

 

所谓燃气—蒸汽联合循环是指把燃气轮机循环与蒸汽轮机循环组合为一个整体的联合热力循环系统。燃气轮机的初温很高（约1200℃~1500℃），它的排气温度大约在500℃~590℃之间。这种联合循环供电效率很容易达到55%以上，先进的联合循环系统效率已达60%，如美国的通用电气公司生产的7H和9H型，日本三菱重工的M501H型，都达到了60%的热效率（见王大中主编的《21世纪中国能源科技发展展望》）。很显然，通过联合循环，热功转换效率要比何先生提到的44%已经高出了16个百分点！即使如此，60%的热效率依然同卡诺循环的效率有很大的差距。以三菱重工的M501H系统为例，其燃气的进口温度为1500℃，相应的卡诺循环效率约为82%，与何先生提到的44%的效率相比，高出了约38个百分点！因此，对电力生产来说，“其转化率已相当接近卡诺循环”，这个说法是完全站不住脚的。

 

在电力生产之外，我们也来考察一下交通运输动力系统的热功效率。以重型卡车的柴油发动机为例，目前柴油机的热功转换效率略高于40%，而仅发动机废气带走的热能就大体达到了这个比率。美国阿贡（Argonne）国家实验室在分析了各类内燃机的节能技术后认为：余热能回收利用具有最大的节能潜力。作为全球最大的独立发动机制造商，美国的康明斯（Cummins）公司在预测内燃机转化效率的发展趋势时认为，通过余热能的回收利用，到2015年可使内燃机的转化效率达到60%左右。今年1月11日美国能源部长朱棣文先生宣布美国能源部要拨出1.87亿美元，支持上述研究方向，推动以重型卡车为主的新型联合循环动力系统的开发和应用。这种新型动力系统基于狄塞尔循环或奥托循环与朗肯循环或有机朗肯循环的集成，可以发展成一种在纯电动、油电混合动力和燃料电池动力之外的另一种新型混合动力汽车。笔者本人目前也正在从事这方面的研发工作。

 

因此，我们目前的以热功转换为基础的、以化石能源为主体的能源技术，还有很大的节能发展空间和潜力。何先生怎么能够说“转化率已相当接近卡诺循环”呢？也许正是这个错误的判断才使何先生提出了“马教授只说‘提高’热功转换效率，也未明确说要打破卡诺循环所确定的热功转化效率”这样的问题。实际上，卡诺循环所确定的热功转换效率是不可能被打破的，否则就违反了热力学第二定律。作为理论物理工作者似乎不应该提出这样的问题。或许正是因为这样的认识才使何先生大大低估了提高能效的重要意义。

 

为了达到充分挖掘节能的潜力，大幅度提高热功转换效率，我们在理论、方法和技术上都需要有新的突破。即使对于美国这样能源技术发达的国家，目前的热功转换效率距离卡诺循环效率仍然相差很远，在理论、方法和技术上仍然都有大量的问题需要解决。对于我们中国，这个技术差距就更大了。因此，何先生说“恐怕马教授所提出的‘非常重大的任务’，很难站得住脚”，可能就是源于断定现有的热功转化率已“相当接近卡诺循环效率”这样一个误判。应该说这是一个重大的理论、技术和政策问题，如果不澄清和纠正这个误判，节能和提高能效的战略意义自然就不存在了，或许这也正是何先生在他的文章中提出的“可以用‘节能’来限制发展，妨碍发展”这种似是而非的武断说法的理论和思想的根源。

 

 

在何先生的文章中提出了对CCS技术的很多质疑。CCS原文为Carbon Capture and Storage，可以译作“碳捕获与储存”。何先生译为“碳埋存”，大体不错，虽然不是完全准确。另外需要澄清的是，如果认真阅读当期采访文章不难得出，包括笔者在内的受访专家都没有“大肆提倡”CCS技术，至多也不过是认为中国应该掌握并做好CCS技术的研发储备。

 

我很同意何先生的质疑，同时也对这种技术的可行性颇多怀疑。这种技术不但成本甚高而且长期的安全性似乎也难以保证。在《低碳能源》第一期中，记者采访姚强教授的文章讲得很有道理。我们应当谨慎地对待CCS技术的研究和应用。国家能源局局长张国宝在2009年7月3日召开的全球智库峰会上发表的《中国能源发展和国际合作》演讲中提到，“碳捕捉所能够储存的碳量非常有限，而代价非常高。付出巨大代价所能封存的碳和每年向大气排放的碳相比是微乎其微的，完全不足以影响温室气体的进程。不如多种一点树、减少荒漠化更好一点”。在这个问题上，我同何先生并没有本质的分歧。

 

何先生在文中强调了可再生能源的发展，我很同意何先生对风力发电和太阳能光伏发电的高度重视。除了光伏发电之外，太阳能热发电技术似乎也值得我们给予更多的关注。去年7月24日，科技部部长万钢在《人民日报》发表了《五项新能源技术特别值得关注 加强科技创新 促进新能源发展》一文。文中他把太阳能热发电技术列为首项。这种技术也是基于热功转换的原理，同时还可以应用熔融盐技术进行高温蓄热，不仅提高了设备的使用效率，并且解决了可再生能源供应不稳定的技术难题。实际上，能量的储存是我们在低碳能源技术的发展中所遇到的重大挑战。熔融盐蓄热技术具有独特优势，它提供了一个低成本、高效率的解决方案，可以为太阳能热发电技术的发展和应用提供重要的技术支撑。

 

 

何先生是著名的理论物理学家，具有很高的知名度。理论物理是一门精密高深的基础学科。那么为什么理论物理工作者何先生在现有的先进能源技术是否已经“相当接近卡诺循环”这样一个根本问题上作出了令人难以理解的误判呢？我想这个疏忽可能是因为何先生对于工程热物理学科学习、关注不够所造成的后果。

 

工程热物理是一门研究能量的传递、储存、转化和利用的基本规律的应用基础学科，其经典的研究内容主要针对热和功的能源形式。近年来，学科的研究工作更覆盖了可再生能源的各个领域。工程热物理学科的内涵丰富，外延广阔，包括工程热力学、内流流体力学、传热传质学、燃烧学、多相流、可再生能源利用等多个分支学科。中国工程热物理学会每年年会所发表的论文总数已经接近2000篇。因此，工程热物理学科的研究和应用理应受到更多的重视。

 

能源技术具有渐进式的发展特点，投资大，周期长，见效慢。同时能源也是国民经济发展的动力和命脉，决定了一个国家的科学技术水平、竞争实力和综合国力，已经成为关系到国家和社会安全的重大问题，引起世界各国高度的重视，成为了优先考虑的国家战略。热功转换效率是提高能效的根本问题，也是工程热物理研究的重要内容。热功转换的理论分析和工程实践都已充分的说明，目前我们先进能源技术所达到的转换效率仍然远远低于卡诺循环效率，绝对不是两者“相当接近”。因此，“节能优先”的国策在相当长的时期内都不可以动摇和改变！

 

能源价格特别是石油价格的飙升，迫使我们必须在热功转化效率方面寻求新的突破，需要我们在理论、方法和技术上实现重大的创新。或许这就是我们同何祚庥先生进行讨论和商榷的意义所在。同时我们也相信何先生的智慧会带给我们新的启发。

 

（笔者感谢本人科研团队中，吴玉庭教授，郭航教授、王景甫教授、王伟讲师、陈永昌副教授、鹿院卫副教授、桑丽霞副教授以及刘斌、何为博士在成文过程中提出的宝贵意见和给予的帮助，并对北京工业大学环境与能源工程学院刘中良院长、夏国栋副院长的协助表示感谢。）

 

《科学时报》 (2010-5-10 B3 争鸣)