□倪维斗
倪维斗，清华大学热能系教授、博导，中国工程院院士。1950年入清华大学，1951年被报送到苏联莫斯科包曼高等工业学院读书，1957年回校任教，历任我校热能系、汽车系主任，副校长，1999年当选中国工程院院士。长期从事热力涡轮机系统和热动力系统动态学方面的研究，同时长期研究和关注我国能源的可持续发展问题。
煤的现代化利用
我国的一次能源在相当长的一段时间内主要是煤，而煤的直接燃烧引起严重的环境问题，因而，煤的现代化利用——以煤的气化为龙头的多联产系统是对应我国能源问题严重挑战的战略方向。煤基多联产系统的框图如下：
以煤气化为核心的多联产系统概念图
煤经气化后成为合成气（CO+H2），净化以后可用于生产化工原料、液体燃料（合成油、甲醇、二甲醚）和电力。这些生产过程的能量流、物质流、火用流（exergy）按最优原则耦合在一起，比分别生产相关产品在基本投资、单位产品成本、污染的排放（硫、汞、颗粒物）、环境等方面都有显著的效益。这种多联产系统在化工产品、液体燃料和电力之间可以按市场需求或是发电的“峰-谷”差适当调节，有很好的灵活性。
多联产系统所生产的液体燃料，尤其是甲醇和二甲醚是绝好的煤基车用替代燃料，可以有份额地缓解我国石油的短缺。同时，甲醇还可以用来生产烯烃和丙烯，用煤化工去“替代”一部分传统的石油化工，以减少石油消耗。二甲醚是一种物理性质与液化石油气（LPG）相近的化工产品，除了替代柴油外，是一种绝好的民用燃料，可以给城市和一些缺乏能源的地区提供清洁能源服务。
在整个工艺过程中可以捕捉（Capture）高浓度、高压的CO2，为温室气体减排创造条件，所耗费的能量与成本比常规电站烟气中捕捉CO2低得多。
随着技术的进一步发展，例如大容量高温固体氧化物燃料电池（SOFC）的商业化，这类多联产系统把SOFC耦合进来，还有很大提高效率的潜力，使发电效率提高到60%～65%，这将是发电的一个新的里程碑。
这种多联产系统组成部件的绝大部分技术是成熟的，如大型煤的气化装置（2000～5000吨/天）、各种化学反应器和相应的催化剂、燃用合成气的燃气/蒸汽联合循环等。只要我国各部门（煤炭、化工、电力）打破行业界限，通力合作，加上国际合作，在3～5年内就有可能建立大型的示范多联产装置，并在2020年前后有相当数量的推广。这类多联产系统有很大的进一步提高能源利用效率、减少环境污染的潜力。要研究的关键技术如：
①温室气体的捕捉和埋存（Carbon Capture and Sequestration，简称CCS）；②多种不同配置的系统的集成、优化；③系统的变工况运行，系统的动态特性；④系统的最优控制策略，系统的安全运行及故障诊断；⑤用膜技术来代替目前的空分（ASU）；⑥收率更高的一次通过的浆态床技术；⑦用膜技术来低耗能地分离CO2和H2；⑧用更高初温、燃用合成气或是富氢气体、甚至纯氢的燃气/蒸汽联合循环；⑨把SOFC耦合到整个系统中来……这些都是要下大功夫研究的问题，花费一代人的精力也不为过。
煤基醇醚燃料的应用和车用动力液体车用燃料的短缺将是我国现代化发展的瓶颈，尤其是近年来随着我国汽车工业和汽车保有量迅速增长，短缺形势将更为严重。2005年我国生产汽车570万辆，仅次于美国和日本，居世界第三。2005年比2004年汽车保有量增加20%。近年来车用燃料消费量增长很快，平均约为12%，2005年全国汽油消耗是4770万吨，柴油消耗是8513万吨。在我国石油储量、产量不多和车用液体燃料必须安全供应的形势下，煤基醇醚燃料的替代成为我国必然的战略方向。
用于替代汽油的甲醇有很高的辛烷值，在汽油机车应用可以提高压缩比（从9到12，甚至14），从而提高发动机的热效率。按热值，汽油和甲醇是2:1，但由于效率提高，甲醇替代汽油可以做到1.6:1。当然，燃用甲醇也有一系列问题，如金属腐蚀，橡皮元件溶胀，冷起动困难，非常规排放物（甲醛等）等，但是经过多年努力，这些问题都可得到适当解决。甲醇低比例掺烧（10%）对原发动机只需作小量改动，而高比例（85%）或是纯甲醇，则需重新设计发动机，对此，国内有关研究单位已设计并成功试运行纯甲醇汽车。当然，在这方面还需进行大量的科研和开发工作。
用于替代柴油的二甲醚（DME）有很高的十六烷值，燃烧完全，排放满足欧Ⅲ，经优化它可满足欧Ⅳ标准。NOx排放比常规柴油机可降低50％以上，运行噪声低，无黑烟排放。但二甲醚在常温是气态，所以车的燃油系统必须加压，此外，二甲醚粘度只有柴油的三十分之一，且杨氏模量小，燃油喷射系统的零件磨损以及喷射时间的严格控制都有新的问题需要解决。
总的来说，一种新的燃料在汽车中应用不会一帆风顺，但是，正因为如此，需要我们科技工作者加倍努力，从理论—实践—再理论—再实践中走出具有中国特色的道路来。醇醚燃料的应用也是我国自主创新、形成自己有特色的汽车工业的一个契机。在这方面国外由于其国情方面的原因，应用得不多，或是刚起步不久（如瑞典Volvo，日本三菱），如果我们加强研究和实践，就可以跨越式前进，走出自己的道路来。
非粮食乙醇也是一个可行的方向，关键是这种能源作物不能与粮食和其他人民生计农作物争地、争水，且单位面积有高产出率。生物柴油从技术来看基本上是成熟的，关键在于含油植物的资源。各种能源作物如何大规模种植，通过基因调控和分子生物学，培植耐旱、耐碱、高产的品种，这将是农业能源专家们的重大课题。
说到车用燃料替代，就要提到燃料电池汽车，以及前几年由美国带头炒得很热的“氢能经济”。氢气只不过是一种象电一样的载能体，是要用其他一次能源转换得到的。一种十分迷惑人的说法是氢能可以从“水到水（fromwater to water）”，用电解水制氢，通过燃料电池发电，又变成水。其实电解水要耗费大量的电，1公斤氢要耗9公斤高纯度水，45～50度电，而电本身又绝大部分来自化石能源。关于燃料电池汽车，目前有很多关键技术有待突破，如氢的制备、压缩、储运、车载、加氢的基础设施建设、要用价格昂贵的铂作催化剂……，对燃料电池汽车，积极开展基础性研究是必需的，但离真正商业化还有很长的路要走，少说也得15～20年。
从现代汽车产业的发展趋势来说，各种混合动力方兴未艾，有强大的生命力，尤其是最近发展起来的“插电（plug-in）”汽车，在50～60公里范围内可以通过蓄电池来驱动，而蓄电池可以十分方便地用市电充电。一般在城市内行驶距离不大，就可以不用液体燃料，只是要长距离行驶时，才会起动发动机，从而使车用燃料耗量大大减少。所以，应该从多种混合模式，从汽车给用户提供服务的方式，从充分发挥电作为载能体的角度来进行研究。近来纯电动车（锂离子电池）一次充电可行驶300公里，城市公共交通用超级电容、锌空气电池都有示范，以电为载能体的交通工具正在迅速发展。若在蓄电池方向有突破的话，将来在汽车动力上是否还有燃料电池的“位置”是一个大问号。把氢能燃料电池看作是汽车动力的“最高目标”是不妥的。多种技术的多元发展将会提出新的问题，有新的结论。可以设想一下，如果研制出200或以上瓦时/公斤的高能蓄装置，且充电方便，对汽车动力和其他可再生能源的应用将会产生革命性影响。百年技术发展的历程证明，电是最好的载能体，多种化石能源、可再生能源，核能都可以转化为电，而且对电能已经建立了基本覆盖全球、也覆盖我国国土的网络，再去建立氢的网络是不可能也没有必要的。
（《清华人》2007-3期）
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