前沿课题——未来燃料的开发与利用

发布时间:2018-05-13

编者按：为庆祝中国科协成立60周年，为科技界研判未来科技发展趋势、抓住科技创新突破口、前瞻谋划和布局前沿科技领域与方向提供依据，推进世界科技强国建设，中国科协将通过各全国学会、学会联合体面向广大科技工作者征集“引领世界科学的前沿科学问题、建设世界科技强国的工程技术难题”。下面分次介绍其中能源环境领域的课题。

问题概述：

近年来，世界主要国家均致力于对现有能源生产与消费模式进行颠覆式革命，把能源技术视为新一轮科技和产业革命的突破口。我国是世界上最大的能源消费国，长期以来煤炭和石油等一次能源占据主导地位，由于化石燃料储量不足、环境污染与温室效应问题、先进动力燃料需求等一系列因素，国家制定了2050年非化石能源消费占比50％的目标，未来燃料形势将发生巨大变革，其中生物燃料、废物衍生燃料、氢燃料、航空替代燃料、金属燃料以及其他燃料（人工光合作用合成燃料、太空行星存储燃料等）将成为未来能源结构中的重要组成。生物质作为唯一的含碳可再生能源资源，资源量巨大，基于生物质资源的生物燃料开发对于替代化石燃料意义重大；废物衍生燃料的开放和利用是解决我国未来废弃物造成环境污染问题的关键途径；氢燃料由于其燃烧的清洁性，是实现未来零污染能源与动力技术的重要方向；航空燃料难以被电力或天然气燃料所替代，国内外航空界对航空替代燃料的产业需求缺口巨大；金属含能材料的开发为特殊燃烧场合提供了新型燃料；人工光合作用合成燃料以太阳能和CO2为原料，有望成为绿色能源工程研发的开端。然而，未来燃料的发展均存在着巨大的挑战，亟待解决燃料制备过程的转化率低、成本高、现有动力装置上的适应性等问题。

关键科学和技术问题包括：
1） 未来燃料的绿色高效制取
未来燃料来源广泛、性质多样且转化技术复杂，在未来燃料的制备过程中还存在转化效率低、品质差、成本高等问题，同时部分未来燃料的制备过程中环境问题的影响也不可忽视，因此未来燃料的绿色、高效制备是目前亟待解决的关键问题。
 未来燃料来源与目标燃料的关联机制；
 未来燃料的定向转化路径；
 转化过程的绿色和优化控制；
 未来燃料的规模化与集成。

2） 未来燃料的燃烧特性
未来燃料作为新兴的燃料资源，如何实现其高效、洁净燃烧，其燃烧过程机理的揭示以及燃烧过程的监控与高效燃烧技术的开发是其面临的关键问题。
 未来燃料高效燃烧机制；
 活性基团与中间产物的准确表征；
 燃烧过程的监测和诊断；
 高效、清洁燃烧工艺技术的开发。

3） 未来燃料在传统动力装置上的适应性
未来燃料的物理及化学特性不同于现有化石燃料，其最佳工作环境亦有别于现有动力装置，需要根据其基本属性和燃烧特性设计相应的存储装置、动力系统和控制机构，确保动力装置安全、高效、稳定运行；未来燃料来源广泛，存在形式多种多样，为解决动力装置对某种特定燃料的依赖性，需扩展动力系统对未来燃料的兼容性，从而满足不同地域和气候条件下的正常运行。需解决的关键科学和技术问题包括：
 未来燃料在传统动力装置存储过程中潜在的不稳定机制和低成本安全存储方法；
 未来燃料燃烧过程的有效控制机理，解决燃烧不稳定、不安全以及燃料不兼容问题；
 适合未来燃料高效燃烧的新型动力装置研发。

4） 未来燃料的零污染排放控制
燃料燃烧过程不可避免会产生一定的污染物，可能包括重金属、NOx、SO2、颗粒物、未燃尽CO和HC等。未来燃料由于来源的多样性以及与传统燃料性质的差别，如何实现清洁燃烧，并联合污染物脱除工艺，实现零污染排放，是其规模化应用中不可忽视的关键问题之一。
 未来燃料利用过程中污染物的形成与演变机理；
 污染物的协同脱除机制与方法；
 高效低污染燃烧器与燃烧动力装置的开发。

重要意义：

随着煤炭和石油等一次性燃料的日渐枯竭，开发生物燃料、废物衍生燃料、氢燃料、航空替代燃料、金属燃料等未来燃料是未来经济和社会发展的动力源泉，有利于减少我国对石油、煤炭等不可再生能源的依赖，对于构建绿色燃料体系、缓减环境污染与温室气体效应问题、满足先进与高端动力燃料需求、促进可持续发展等均具有重要意义。我国拥有丰富的生物质资源，开发基于生物质资源的生物燃料将有利于促进能源利用多元化及能源战略安全，有利于调整农林产业结构，拓宽农民就业渠道和农业的功能，推进新农村建设。可燃废物处理是我国未来经济社会可持续发展所面临的重大环境问题，开放和利用废弃物衍生燃料是实现废弃物清洁高效安全快速减容减量处理的必然方向，有助于未来城市能源体系的保障。氢燃料的利用形式多样，不仅可在常规民用动力装备及航天领域实现氢在线制取、储存、输运及燃烧进而产生动力的整个过程，也是人类保障能源安全的战略选择之一。航空替代燃料的开发利用，将实现航空燃料多样化、低碳化和可持续发展，为我国的交通运输，能源安全和国防建设提供强有力的保障，也是助推我国航空工业腾飞的又一股新生力量。人工光合作用合成燃料的开发利用，不仅不会排放CO2等温室气体或其它污染物，而且会大量吸收、固定人类活动产生的CO2，并将其还原成甲醇、甲烷和烃等燃料和工业原料，从而净化空气、缓解大气变暖的趋势，改善人类的生存环境，实现太阳光能和CO2的高效利用，开辟绿色能源工程的新篇章。