前沿課題——未來燃料的開發與利用

編者按：為慶祝中國科協成立60周年，為科技界研判未來科技發展趨勢、抓住科技創新突破口、前瞻謀劃和布局前沿科技領域與方向提供依據，推進世界科技強國建設，中國科協將通過各全國學會、學會聯合體面向廣大科技工作者徵集「引領世界科學的前沿科學問題、建設世界科技強國的工程技術難題」。下面分次介紹其中能源環境領域的課題。

問題概述：

近年來，世界主要國家均致力於對現有能源生產與消費模式進行顛覆式革命，把能源技術視為新一輪科技和產業革命的突破口。我國是世界上最大的能源消費國，長期以來煤炭和石油等一次能源佔據主導地位，由於化石燃料儲量不足、環境污染與溫室效應問題、先進動力燃料需求等一系列因素，國家制定了2050年非化石能源消費佔比50％的目標，未來燃料形勢將發生巨大變革，其中生物燃料、廢物衍生燃料、氫燃料、航空替代燃料、金屬燃料以及其他燃料（人工光合作用合成燃料、太空行星存儲燃料等）將成為未來能源結構中的重要組成。生物質作為唯一的含碳可再生能源資源，資源量巨大，基於生物質資源的生物燃料開發對於替代化石燃料意義重大；廢物衍生燃料的開放和利用是解決我國未來廢棄物造成環境污染問題的關鍵途徑；氫燃料由於其燃燒的清潔性，是實現未來零污染能源與動力技術的重要方向；航空燃料難以被電力或天然氣燃料所替代，國內外航空界對航空替代燃料的產業需求缺口巨大；金屬含能材料的開發為特殊燃燒場合提供了新型燃料；人工光合作用合成燃料以太陽能和CO2為原料，有望成為綠色能源工程研發的開端。然而，未來燃料的發展均存在著巨大的挑戰，亟待解決燃料製備過程的轉化率低、成本高、現有動力裝置上的適應性等問題。

關鍵科學和技術問題包括：

1） 未來燃料的綠色高效製取

未來燃料來源廣泛、性質多樣且轉化技術複雜，在未來燃料的製備過程中還存在轉化效率低、品質差、成本高等問題，同時部分未來燃料的製備過程中環境問題的影響也不可忽視，因此未來燃料的綠色、高效製備是目前亟待解決的關鍵問題。

? 未來燃料來源與目標燃料的關聯機制；

? 未來燃料的定向轉化路徑；

? 轉化過程的綠色和優化控制；

? 未來燃料的規模化與集成。

2） 未來燃料的燃燒特性

未來燃料作為新興的燃料資源，如何實現其高效、潔凈燃燒，其燃燒過程機理的揭示以及燃燒過程的監控與高效燃燒技術的開發是其面臨的關鍵問題。

? 未來燃料高效燃燒機制；

? 活性基團與中間產物的準確表徵；

? 燃燒過程的監測和診斷；

? 高效、清潔燃燒工藝技術的開發。

3） 未來燃料在傳統動力裝置上的適應性

未來燃料的物理及化學特性不同於現有化石燃料，其最佳工作環境亦有別於現有動力裝置，需要根據其基本屬性和燃燒特性設計相應的存儲裝置、動力系統和控制機構，確保動力裝置安全、高效、穩定運行；未來燃料來源廣泛，存在形式多種多樣，為解決動力裝置對某種特定燃料的依賴性，需擴展動力系統對未來燃料的兼容性，從而滿足不同地域和氣候條件下的正常運行。需解決的關鍵科學和技術問題包括：

? 未來燃料在傳統動力裝置存儲過程中潛在的不穩定機制和低成本安全存儲方法；

? 未來燃料燃燒過程的有效控制機理，解決燃燒不穩定、不安全以及燃料不兼容問題；

? 適合未來燃料高效燃燒的新型動力裝置研發。

4） 未來燃料的零污染排放控制

燃料燃燒過程不可避免會產生一定的污染物，可能包括重金屬、NOx、SO2、顆粒物、未燃盡CO和HC等。未來燃料由於來源的多樣性以及與傳統燃料性質的差別，如何實現清潔燃燒，並聯合污染物脫除工藝，實現零污染排放，是其規模化應用中不可忽視的關鍵問題之一。

? 未來燃料利用過程中污染物的形成與演變機理；

? 污染物的協同脫除機制與方法；

? 高效低污染燃燒器與燃燒動力裝置的開發。

重要意義：

隨著煤炭和石油等一次性燃料的日漸枯竭，開發生物燃料、廢物衍生燃料、氫燃料、航空替代燃料、金屬燃料等未來燃料是未來經濟和社會發展的動力源泉，有利於減少我國對石油、煤炭等不可再生能源的依賴，對於構建綠色燃料體系、緩減環境污染與溫室氣體效應問題、滿足先進與高端動力燃料需求、促進可持續發展等均具有重要意義。我國擁有豐富的生物質資源，開發基於生物質資源的生物燃料將有利於促進能源利用多元化及能源戰略安全，有利於調整農林產業結構，拓寬農民就業渠道和農業的功能，推進新農村建設。可燃廢物處理是我國未來經濟社會可持續發展所面臨的重大環境問題，開放和利用廢棄物衍生燃料是實現廢棄物清潔高效安全快速減容減量處理的必然方向，有助於未來城市能源體系的保障。氫燃料的利用形式多樣，不僅可在常規民用動力裝備及航天領域實現氫在線製取、儲存、輸運及燃燒進而產生動力的整個過程，也是人類保障能源安全的戰略選擇之一。航空替代燃料的開發利用，將實現航空燃料多樣化、低碳化和可持續發展，為我國的交通運輸，能源安全和國防建設提供強有力的保障，也是助推我國航空工業騰飛的又一股新生力量。人工光合作用合成燃料的開發利用，不僅不會排放CO2等溫室氣體或其它污染物，而且會大量吸收、固定人類活動產生的CO2，並將其還原成甲醇、甲烷和烴等燃料和工業原料，從而凈化空氣、緩解大氣變暖的趨勢，改善人類的生存環境，實現太陽光能和CO2的高效利用，開闢綠色能源工程的新篇章。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！