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《雁栖湖论坛》杂志第五期:科学超人的“氢”云之志

来源: 环球科技网  日期:2022-10-09  责编: 殷绪江  
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   【环球科技网】“一个产业不是说今天想做,明天就能做出来,培育这个市场是很难的,是咬着牙做。”中国工程院院士、中国矿业大学教授彭苏萍说道。
   1988年,彭苏萍毕业于中国矿业大学北京研究生部,获得博士学位,随后长期从事煤炭和氢能源与燃料电池的科研工作。自1997年开始,他组建团队开展20余年的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)发电技术研究,组织翻译世界上第一本固体氧化物燃料电池技术专著,推动固体氧化物燃料电池技术在中国的发展。
   作为首席科学家,他承担了《煤气化固体氧化物燃料电池近零排放发电技术研究》国家重大科技研发项目,组织100多位院士专家开展《我国氢能源和燃料电池发展规划研究》等多个项目,为中国能源科技进步做出了杰出贡献。
   2007年,48岁的彭苏萍当选中国工程院院士,成为当时最年轻的院士之一。但对他来说,院士只是一个符号,科研才是他最大的追求。“当院士之后,别人想我还能干啥,我喜欢搞科研,院士本身是个职称,科学家任何时候都要坚持科研第一。”彭苏萍说道。
   如今,已年过六旬的彭苏萍依然冲在科研第一线,担任中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室主任,在固体氧化物燃料电池、矿山生态治理、城市道路探测及煤矿安全开采等四个方向孜孜不倦地追求。
   2022年8月,由于在能源领域的贡献与成就,彭苏萍获得雁栖湖论坛首届“鸿雁奖”。他表示:“相信在大家的努力之下,中国的能源一定会有突飞猛进的发展和跨越式的进步,我愿意和大家一起为这个目标而努力。”
投身能源行业
   从上世纪80年代开始,彭苏萍就投身能源行业,至今已四十余年。
   长期以来,中国能源的生产与消费结构呈现以煤炭为主、多能互补的结构。中国煤炭资源丰富,煤炭储量居世界第三位,是世界上少数以煤为主的国家。“富煤、少气、缺油”的资源条件,决定了煤炭在我国能源结构中的基础地位。
   彭苏萍前期的能源研究工作,主要围绕煤炭展开。“我前二十年主要做煤探测技术方面的工作,主要精力在煤矿安全、地质隐患。”中国的煤炭工业从以前的普采、炮采向机械化开采,特别是智能化开采发展,对地质的要求越来越高。
   彭苏萍是煤田地质与工程物探专家,长期从事矿井地质和矿井工程物探工作,在精细地质构造、灾害源探测技术与装备研究和城市工程地球物理方面取得突出成绩。多年来,研究成果不仅获得国家技术发明奖、国家科技进步奖、军队科技进步奖,还获得孙越崎能源大奖、光华工程科技青年奖和科技部优秀野外技术工作者。
   2006年,彭苏萍牵头组建的煤炭系统第一个国家重点实验室——煤炭资源与安全开采国家重点实验室(简称“煤炭国重”)正式批准建设,围绕煤炭资源高效、安全和环境友好开采问题,在环境协调的绿色开采理论与技术、煤矿重大灾害防治的关键理论与技术两大研究方向,开展基础理论研究和技术开发及成果转化。
   在煤炭研究工作之余,彭苏萍一直关注国际能源行业的动态。上世纪90年代,日本科技厅发布消息称,日本要在十年内普及燃料电池。这给彭苏萍带来很大启发,他意识到中国以煤为主的能源结构,总有一天会受到制约,包括污染物排放和二氧化碳排放,而氢能与燃料电池技术被誉为21世纪高科技之首。
   于是,彭苏萍做出了一个重要的决定,研究氢能与燃料电池。当时彭苏萍担任中国矿业大学科研处处长,由于科研成绩突出,团队经费相对充足。于是从1997年开始,彭苏萍就从科研经费节余里拿出一部分,做燃料电池方面的研究。他选择了燃料电池里最难的方向——固体氧化物燃料电池。
   在彭苏萍研究燃料电池的前几年,南斯拉夫爆发了战争。他发现,一旦发生战争,首先遭到破坏的就是能源基地和电厂。这场战争让他意识到国家能源安全的重要性,进一步坚定了研究氢能的决心。“这次战争让我们进一步确定,燃料电池要从集中式供电到分布式供电模式,当遇到外来干涉或自然灾害时,我们要有可靠的能源支持,这是我们必须要做的工作。”
   此后多年,彭苏萍带领团队建立固体氧化物燃料电池中心,开展固体氧化物燃料电池发电技术与装备研究,并承担了国家重点研发计划。2009年,他在《自然》杂志发表论文《煤基/碳基固体氧化物燃料电池技术发展前沿》,系统论述了整体煤气化燃料电池发电(IGFC)学术观点。
   在彭苏萍看来,氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,是连接传统化石能源与可再生能源的桥梁,也是当前能源产业发展的重要领域。发展氢能,不仅可以有效优化能源结构,降低传统化石能源的消费量,促进能源结构转型升级,还可以有效减少碳排放并降低环境污染,有助于实现碳达峰、碳中和目标。
   经过二十多年发展,彭苏萍带领的固体氧化物燃料电池中心已经成为SOFC领域国内最大的研发团队,不仅发展了燃料电池基础理论体系,突破了SOFC关键技术,还实现了具有自主知识产权的材料、器件、发电模块、系统全产业链技术开发,同时与国家能源集团、国家电网、华能集团、中核集团等积极合作,持续推动行业和技术发展。
   “做氢能,不下决心是做不成的。”彭苏萍说道。
推动氢能发展
   从1997年到2022年,在彭苏萍研究氢能的25年,我国氢能产业发展环境发生了重大变化。
   2022年3月23日,国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》(以下简称“规划”),其中明确了氢能的战略定位,氢能是未来国家能源体系的重要组成部分,是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体,氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。
   从全球来看,我国已经成为世界上最大的制氢国,目前已初步掌握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系统集成等主要技术和生产工艺,在部分区域实现燃料电池汽车小规模示范应用。全产业链规模以上工业企业超过300家,集中分布在长三角、粤港澳大湾区、京津冀等区域。
   从产业链来看,氢能产业分为上游制氢、中游储运、下游应用,涉及制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等环节,具有链条长、关联度强、辐射广等特点。彭苏萍研究的固体氧化物燃料电池,是氢能发展的关键核心技术,也是氢能产业链条最难的一环。
“中国氢能发展最关键的不是制氢问题,而是将能源转化为电的装置——燃料电池技术的发展与提升。我们研究的是最难的部分,固定氧化物燃料电池,从材料、单电池到系统,整个产业链我们都在做。”彭苏萍说道。
   氢燃料电池是以氢气为燃料,通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能。当前主要的氢燃料电池技术有两种,质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池。前者工作温度低,但需要氢的纯度高,一般化石燃料制出的氢和工业副产品氢,纯度达不到要求,因此价格偏高,这成为影响氢能源推广的因素之一。
   彭苏萍表示,如果将燃料电池工作的温度提高,氢气纯度的要求就可以降低,生产氢的成本就能大幅度降低。而固体氧化物燃料电池技术,不仅对氢的纯度要求低,还可以使用液化气、天然气等碳基燃料,燃料成本和传统能源相似,且能量转化率高,在大型集中供电、分布式发电、热电联供及交通领域都有广泛应用。
   在彭苏萍看来,氢能发展的最大意义是能改善中国能源的品质,而固体氧化物燃料电池可以发挥重大作用。一方面,通过燃料电池发电,可以将发电效率从现在的40%提升到60%;另一方面,通过固体氧化物电解池(SOEC)技术,可以将二氧化碳在高温之下变成甲醇、甲烷等化工产品,有效推动能源结构变革。
   传统能源的最大问题是碳排放,如果能够将二氧化碳消解,或许能够为中国能源革命提供一种新方式。“可再生能源不是很稳定,存在季节性问题、白天晚上问题、风大风小问题等。”彭苏萍表示,煤是一种稳定的能源,但最大的问题是二氧化碳,如果能利用技术消解二氧化碳,就能为中国的能源革命和能源转型走出一条新路子。
   “我们的奋斗目标是不用纯氢,甚至不用氢,用现在的碳氢燃料,通过高效率发电,把高温的二氧化碳转化掉。”彭苏萍指出,在一些偏远地区,还可以用沼气池、甲烷等,使大家共同利用清洁能源体系,保证我们的能源安全。只有这样,中国的能源转型可能才会真正到来。
   在彭苏萍看来,绿色甲醇和绿氨将是氢能的2.0发展模式。“氨水的运输和分离技术相对简单,中国的肥料、农用化肥产业很发达,对氨的属性比较了解,做甲醇我们有比较优势,现在正加快这个领域的探索发展。”
   彭苏萍表示,氢有三重属性,原料属性、能源属性、储能属性。从储能属性看,现在公认比较可靠的是抽水蓄能,但各地气候有差异性,东西部资源禀赋等都存在差异,而利用煤、可再生能源制氢,不仅可以提高能源效率、降低碳排放,还可以作为风、光发电的调峰工具。
   在制氢成本持续走低的前景下,氢能的储运效率成为制约氢能产业规模化发展的瓶颈环节。当下储氢运输有两种主流路线,加氢站和储氢瓶,而目前汽车加氢还面临很大的成本问题。彭苏萍指出,按200公里的运输距离进行核算,目前可以把一公斤的氢成本降到10元以下,但是运输和加氢的成本高达30元,很难降下来,因为市场还没有培育出来。“目前中国氢能只能用于商务车,未来要往公交车、重卡车等交通运输方向努力。”
   氢既是一种能源,也是一种储能载体。氢能与固体氧化物的结合,可以将发电效率提升20%到30%,有助于推进双碳目标的实现。彭苏萍认为,双碳目标可以从根本上促进中国能源形式的转化,提升能源品质。“但是中国双碳目标实现的难度,比任何一个国家都大,作为科研人员,我们值得从这个方面努力。”
固体氧化物燃料电池(SOFC)
科研路上的“坚持”
   从大学毕业到年过六旬,彭苏萍已经在科研领域奋斗了近四十年。
   在彭苏萍看来,做科研不是一朝一夕的事情,而是长期积累的结果。“搞科研并不是说,现在国家要做,你就能做得好,都要通过长期的积淀。”在煤炭和氢能之外,彭苏萍还有两个长期研究的领域,矿山生态治理和城市道路探测。
   他认为做科研最重要的有三点,有决心、有耐心、实干,下决心定的目标不要随意更改。“我在四个方向的研究都超过20年,研究氢能有20多年,研究黄河流域生态治理20年,研究城市道路探测30多年,所以做科研要有耐心,还要坚决干,不干不行,工科院校不光是做理论研究,还得靠勤奋。”
   做科研过程中,难免遇到难题,但彭苏萍选择乐观面对,只想办法解决问题。“应该说每个科研成果都在克服难题,一方面自己认真干,大量实践,另外遇到难题也会向别人请教。”
   他回忆道,做燃料电池的前10年,第一个博士生的毕业论文就遇到难题,当时矿业大学的燃料电池研究基础很弱,一些测试平台还不强,所以就到吉林大学向别人请教,请求别人帮助。“我们课题组通过20多年的努力,在固体氧化物方面做一点工作,虽然有难题,但我们一直去追求,去努力。”
   “坚持”是同事和学生对彭苏萍评价最多的一个词,“放弃”两个字没有出现在他的人生字典里。“我这个人有一股拧劲儿,自己想好的东西就坚决做下去,我没有想过放弃,而是要把它做好。我不是燃料电池方面的专家,可以说一直是学习的过程。但是我不会轻易放弃,会想方设法解决困难。”
   谈及年轻时候的梦想,彭苏萍坦言,自己并未想到以后会成为一名科学家,而是打算做一名医生。“父母希望我学医,1998年我得过敏性哮喘,到中医研究院去看病的时候,《伤寒论》大多数我还能读出来。但我当医生的梦想已经基本上实现不了,目前的工作还是比较繁重的。”彭苏萍说道。
   与现在年轻人以“兴趣”为导向选择职业不同,彭苏萍表示,自己的选择更多是国家和社会需要。“我们当时考大学没有自己的兴趣,是国家需求。我今年60多岁了,国家的需求、社会的需求、行业的需求,个人奋斗跟它吻合才能得到最好的发展,离开这些谈自己的需求是很难的。”在彭苏萍看来,年轻人在某个时期,当有些事物看不清楚的时候,社会、国家和行业的需求,是成才最快的捷径。
   做科研除了决心、耐心、实干,最重要是身体要好。在工作之余,彭苏萍坚持锻炼身体,日行万步已经成为习惯。“身体不好,有天大的本事也不行,我每天都走15000步,晚上10点半之后就开始走路,有时候11点多才走完。”早上6点起床,晚上11点半下班,每天走上万步,这是彭苏萍的日常作息。据学生透露,彭苏萍总是充满热情,每天精力充沛,面带微笑,“连学校保安都认识他,每天都到学校关门才下班。”
   从煤炭到氢能,从矿山生态治理到城市道路探测,彭苏萍凭借自己的热爱与坚持,一直不断挑战新的科研高峰。虽已年过六旬,他依然健步如飞,全年无休地投入到科研工作,是一位名副其实的“科学超人”。
   “今后这个领域肯定不是我最有名,我只是做前期的探索,别人在我们的基础上会做得更好。”彭苏萍最后说道。











 

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