工业实验室和能源世界的变化

在这次采访中，最近退休的壳牌化学工程首席科学家约瑟夫·b·鲍威尔博士向AZoM讲述了能源和化学品工业实验室的过去、现在和未来，他将在今年的匹兹堡大学华莱士·h·库尔特讲座上介绍这个实验室。

你能从定义和描述一个“工业实验室”开始吗?

虽然可能不像过去那么常见，但许多公司都有大型实验室，在那里“内部”开发新产品和工艺。对于制药和特种材料、主要汽车制造商、半导体和微电子，以及其他研发对差异化技术和产品开发至关重要的行业来说，情况尤其如此。也可以探索基础科学，以开创未来的机会，通常与外部合作相一致。

壳牌在休斯顿、阿姆斯特丹和班加罗尔设有主要研发中心。这些中心包括用于小规模台架实验的实验室，以及用于扩大工艺规模所需的大型中试工厂和开发单元。工业实验室在公司交付新产品和工艺以及扩大商业部署的使命中扮演着非常重要的角色。

对能源和化学品的研究，特别是对其过去、现在和未来的分析，对科学和工程工业有多重要?

这非常重要，因为世界和社会的需求是不断变化和演变的。必须不断开发新的和改进的工艺和产品，以满足不断增长和新兴的产品和可持续性需求。今天的关键问题是气候变化和循环经济。

为了有效应对这些挑战，我们不仅必须解决科学目标和技术需求，还必须解决如何进行研究以及如何更有效地进行研究。为此，我们审视我们是如何进行研发的，并寻求不断改进我们的方法和能力。这对于我们引领行业创新、满足客户、利益相关者和整个社会的需求是非常重要的。

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你能描述一下在工业实验室环境下能源和化学研究的发展吗?

就实际的试验工厂设备而言，壳牌在埃默里维尔的试验工厂可以追溯到188金宝搏手机网页版20世纪40年代，与我们今天拥有的一些设备看起来并没有什么不同。因此，当涉及到试点和扩大规模时，工艺设备本身通常看起来有点相似。188金宝搏手机网页版

然而，当涉及到研发和一些更先进的方法时——例如，催化的多通量实验，先进的现场测量设备和催化剂制备的机器人——我们在增强实验能力方面已经取得了相当大的进展。仪器仪表、自动化控制和数据监控在所有系统中都取得了进展，在未来，我们将看到实验室的进一步自动化，以及数据分析、计算建模、机器学习和人工智能的更多使用，以提高效率和设计。能够在更短的时间内，在更小的实验室规模上探索和开发更多的技术，减少足迹和提高安全性是很重要的。

告诉我们化学和生物工程在日常生活中的重要性?

能源和化学品领域的巨大挑战将持续下去，化学工程将处于寻找解决方案的最前沿。手机及其显示器、电视、笔记本电脑、视频游戏机、智能手表、药品和医疗设备、家里的衣服和织物、你坐的坐垫、你用来旅行或为你带来在线订单的汽车、公共汽车或卡车，我们现在所谓的日常生活的几乎所有特征都是由通过化学工程188金宝搏手机网页版设计和生产的材料和组件支撑的。

研究和优化所需的过程和工业系统，必须整合到能源和化学品中，这样做就需要化学工程。自1950年以来，塑料工业一直在以每年大约8%的速度增长，其中包括了我们今天所使用的构成“现代世界”的所有产品。

对新解决方案的需求仍然很高。展望未来，我们的行业必须继续满足所有利益相关者的需求，以减少环境足迹为消费者提供产品，以保护地球、气候和资源。

你要做的是华莱士·h·库尔特演讲，你的演讲题目是“能源和化学品的工业实验室:过去、现在和未来”。告诉我们你今年要展示什么。

我将阐述减少碳足迹以减缓气候变化的迫切需要，同时满足对提高生活质量的能源和产品日益增长的需求。能源和化工领域所需的过渡和转型将需要前所未有的新技术发展速度。我们需要更高效、更有效的研发方式。我将探讨一些使用实验室设备和先进方法来应对这些重大挑战并加速新技术的开发和部署的例子。188金宝搏手机网页版

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你能告诉我们更多关于能源行业面临的挑战，以及你的研究将如何帮助克服这些挑战吗?

将可再生能源纳入能源系统，解决间歇性、低能量密度和土地利用等问题，是重大而重要的挑战。电力和氢气将在将能源输送给最终用户的过程中发挥越来越大的作用。我们需要进一步探索如何利用生物基或循环原料来合成化学产品和燃料。

我将阐述这些发展项目是什么样子的，挑战是什么，以及化学工程和化学基础的核心专业知识将如何提供解决方案的途径。必须找到这些问题的解决方案，然后开发和扩大规模，以便能够部署和商业使用。能源行业知道如何设计和实施所需的大规模能源和化学过程系统。

你的研究领域包括新型化学工艺、石油回收和生物燃料。生物燃料是什么?它们在解决当今能源挑战方面的潜力是什么?

大多数人都熟悉乙醇生物燃料，它是通过发酵制成的。例如，我们在巴西的Raizen业务在向消费者提供甘蔗乙醇方面处于世界领先地位。

我花了10多年的时间研究先进的生物燃料，壳牌公司继续进行这些开发，将食物或植物废物、农业残留物、木屑或其他垃圾填埋材料等不可食用的原料转化为燃料。先进的生物燃料将是传统汽油、柴油或航空燃料的临时替代品。不需要新的基础设施，但效率和可持续的转换是一个巨大的挑战!

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多年来，能源和环境一直被科学研究交织在一起，这是能源对碳经济学的最新关注。对于能源转型为净零碳经济，您有什么建议?

为碳定价非常重要，这样我们才能在应对气候变化和循环方面取得进展，并将我们几十年来一直在开发和进步的技术推向市场。

如果你看看欧洲和加利福尼亚这样的地方，现在有一定程度的碳定价和激励措施。这为氢作为一种清洁能源载体进入市场提供了动力，可能用于驱动燃料电池汽车，或将其转化为电能为电池电动汽车提供动力。

如何大规模实现这一目标，并成为交通和能源的主导形式，将提供许多令人兴奋的机会。

你谈到了气候变化是能源社区和能源应用的一个重要因素。你的研究涵盖能源和化学品，但也强调可持续发展。可持续发展的优先级如何影响你的工作方向?

我毕业时正值七八十年代能源危机，当时能源极度匮乏。汽油实行定量配给，全球都对我们共同的未来感到高度焦虑。为人类寻找能源是当天“可持续性”的首要问题——这是头版新闻!

从那时起，我们发现了许多不同种类的能源。问题已经变成了使用哪些能源，在哪里使用，如何使用，以解决环境管理问题，保护地球，以及负担得起的问题，以便全球所有人都能获得合理的能源。

利益相关者和消费者越来越多地要求将可持续性的这些方面加入到等式的经济部分，这一直是我们过去几十年在能源和化学品方面的新发展的重点。

当我回顾过去三十年我们在化工领域备受瞩目的项目时，这些项目都是通过向市场提供更清洁的产品，以及减少环境足迹的过程来推动的。壳牌在1999年成立了可持续发展网络，我就这个主题出版了一本书，几十年来，这一直是我们创新机会背后的主要驱动力。

2020年7月，你发表了“一种用于优化带存储的可再生能源系统的分层聚类分解算法”。你能告诉我们更多关于这项研究的信息吗?

我必须感谢我在德州农工大学能源研究所的一些同事，他们为这项研究提供了高水平的数学，该研究涉及可再生能源的间歇性。当试图优化和观察具有高度间歇性和复杂性的能源系统时，计算量非常大。

这篇论文描述了一种新的算法，用于对太阳能和风能可用性的代表性天数进行分组，然后可以将其输入到一个大型参数模型中，从而在我们的一生中产生结果，从而可以考虑和评估多个选项。

在计算方面，开发这些先进的算法非常重要，因为我们正在解决的能源系统问题是巨大的。好消息是，这些非常大的参数模型可以放在一起，以研究整个系统的优化，并可以引导我们在如何设计和配置未来能源系统方面获得新的见解。这也是使用外部协作的一个很好的例子。

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无论是利用空气、水还是太阳能，可再生能源已经成为能源进步的前沿。这种能源技术的优点和缺点是什么?

可再生能源的间歇性必须得到解决，因为人们对能源的需求是全天候的。考虑太阳能和风能可用性的昼夜和季节变化，以及供暖和电力。可再生能源解决方案必须能够在需要的时候提供能源，而不仅仅是在容易或方便的时候。好消息是，可再生能源的选择更清洁、更广泛，但它们不是每时每刻都可用，或者在世界各地以同样的强度可用。

目前大多数人居住的大城市周边的土地使用是一个问题。土地通常很贵，而且可用性有限。我们真的必须考虑开发能源载体，将能源从资源丰富、土地可用且价格低廉的地区转移到城市中心。以这种方式为可再生能源和清洁能源提供氢等载体，存在巨大的挑战和机遇。

你在纽约市和德克萨斯州从事了一些关于合成燃料和化学品生产的具体案例研究。你能多给我们讲讲这些案例吗?

我们考虑将风能和太阳能等可再生能源从德克萨斯州转移到纽约市，以提供一部分电网供应。制造氢这样的载体是有代价的——氨是另一个氢基载体的例子——但一旦载体造好了，你就可以利用德克萨斯州太阳能和风能的资源密集度更高，土地使用成本也更低，然后就有机会把它长途运输到纽约这样的城市。这样做，也提供了存储容量，因为载流子可以比电子更容易大量存储。

建模显示，尽管在制造载体并将其转化为电能的过程中消耗了一些能源，但在较低的土地成本、较高的太阳能和风能强度以及存储效益方面具有潜在优势。这些案例研究是移动可再生能源，储存它，并将其运送到需要它的城市需求中心的一个很好的例子。

考虑到您向我们讲述的多年来的研究案例以及您在壳牌公司的时间，您在能源和化学品研究过程中遇到过哪些令人惊讶的障碍?

主要的障碍是预测未来的能力。在我的职业生涯中，能源和环境可持续性形势发生了翻天覆地的变化，从能源完全匮乏到能源丰富，这是水力压裂和页岩气革命、深水油气开采等新技术的出现，以及用于生产可再生能源的太阳能光伏和风能成本的急剧下降的结果。

随着时间的推移，消费者也会改变他们的产品偏好，环境和经济压力因素的相对权重，这与外部事件一起促成了不断变化的能源格局，这需要一个熟练的研究团体来应对利益相关者利益和需求的变化。

保持领先于这些变化当然是一个巨大的挑战，去年的COVID是一个很好的例子，在我们如何处理我们的业务和工作，我们的个人生活，我们优先考虑的事情，以及我们需要做的事情方面发生了变化。期待变化并对变化做出反应是关键。

感染新冠病毒后，你有什么变化?你是如何适应的?

我们的科技专家分布在全球各地，壳牌的科技专家分布在三个主要的全球中心，因此我们加快了虚拟会议和工具的使用，以加强协作，同时减少了出差需求。基于云的协作工具还允许跨越不同时区，有效利用员工时间。

使用过程控制和数据库工具包对实验程序进行远程监控是可能的，因此没有必要在实验室中获得良好的实际感受正在发生什么。虚拟会议和协作工具可以在全球范围内包含所有的集体专业知识，人们可以通过避免花费在旅行上的时间来安排更多的会议和时间来解决问题。我确信我们已经减少了CO₂使用新工具来减少航空旅行的足迹，这将继续作为一种新的最佳实践。

航空旅行是碳排放最重要的来源之一。你认为引入可持续航空燃料的路线图是什么?

航空是最大的挑战领域之一，因为有效设计和运行大型喷气式飞机所需的能量密度。道路运输行业是能源消耗大户，目前已有解决方案，如电池电动汽车和氢燃料电池汽车，但空中旅行，特别是大型喷气式飞机的脱碳尤其困难。

电池可能适用于本地航线上非常小的飞机，而氢燃料电池可能适用于稍大的飞机，但对于最大的洲际喷气式飞机旅行，需要更高能量密度的燃料。氢可能还不够。

出于这个原因，壳牌正在致力于提供未来的清洁燃料，以解决航空脱碳的问题。生物燃料可用于此目的，但壳牌也在研究直接从空气中捕获CO₂这种燃料可以用可再生或清洁的氢进行改造，制成太阳能或零碳燃料。这将是目前使用的喷气燃料的临时替代品，但会大大减少碳足迹。

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作为美国能源部氢与燃料电池技术咨询委员会(HTAC)的现任主席，您能够为政策贡献科学知识。这段经历对你的作品有何影响?

HTAC支持能源部与美国化学工程师学会(AIChE)合作创建氢安全中心(CHS)。这为建立一个分享最佳实践和安全处理氢的全球研究所铺平了道路，考虑到新参与者进入氢领域的程度，这是非常重要的。

在HTAC中，行业、国家实验室和学术委员会成员可以在以下领域相互学习，包括新燃料电池的研发和商业开发、用于制造氢的电解槽、存储材料、氢运输和分配、安全，以及市场上新的移动解决方案和燃料电池汽车和加气站的可用性方面的动态。

这种互动有助于我们共同建议和确定应该进行哪些类型的研发，如何利用合作，并鼓励在整个供应链上建立伙伴关系。

与电池存储等更成熟的技术相比，使用氢作为可再生能源的能量载体和存储有什么优势?

两者都有各自的用法。电池在存储方面的效率是70%到90%，但问题是能量密度、持续时间和成本。

虽然它是短期存储的一个很好的解决方案，在相对低密度的系统是合理的，比如你的笔记本电脑或手机，氢更适合当需要更高的能量密度时，比如在季节性的风能和太阳能存储中，或者当能量长距离移动时。他们都有自己的机会空间。

壳牌在这两方面都在努力，但每一项都有其发挥最佳作用的地方。例如，重型卡车需要更高的能量密度，以使其相对于航程和有效载荷具有良好的价值主张。由于氢气必须从可再生能源或清洁能源中制造出来，因此在将氢气作为载体并将其转化为电能的往返效率方面付出了代价。因此，往返或循环效率低于电池，但存储和能量密度增加，这对于长期电网或重载运输应用是重要的。

您还是壳牌化学工程的首席科学家。壳牌在化学工程和燃料工业中扮演着怎样的角色?

壳牌在引领能源创新方面有着悠久的传统。我现在站在一些非常优秀和著名的工程师、科学家和发明家的肩膀上，他们在公司100多年的历史中一直是公司的一部分。我很荣幸能帮助传承这一传统。

壳牌的员工贡献广泛，从石油和天然气生产的基础科学和工程，化学品生产，现在扩展到生物燃料和生物基化学品等生物科学，以及先进的过程控制和环境催化等，使行业更清洁，更高效。化学工程一直是壳牌在其地面设施中所做的一切的核心，现在在地下，包括提高石油采收率，捕获和封存二氧化碳或有限公司2．

壳牌的旗舰项目之一是位于卡塔尔的全球最大天然气液化工厂。该工厂将天然气转化为清洁燃烧的柴油，以及对人类和环境本质安全的碳氢化合物，用作溶剂或润滑剂。这是近年来发生的一项重大技术发展的例子，该技术利用化学工程和催化的基础知识，在多步工艺中实现了有利的清洁解决方案。

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您能多告诉我们一点您在能源和化学品方面的研究前景吗?

壳牌对氢这种清洁、零排放燃料的广泛应用感到非常兴奋。此外，在未来捕获CO的前景₂从空气中提取来制造太阳能燃料或碳氢化合物，这些燃料是可再生的，因此可以燃烧而不受碳足迹惩罚。这需要化学工程转换，但我们正在致力于上述所有工作，以便能够提供一种清洁和环保的未来航空燃料。生物学可以用来帮助生产燃料，并为碳减排提供基于自然的解决方案，而先进的碳捕获和储存可以为净负排放或消除碳排放提供机会有限公司2来自大气。

壳牌还继续致力于先进的生物燃料、化学品和循环产品经济，为回收塑料废物提供激励，并防止其对环境的损失。

你希望有更多的技术来帮助我们减少塑料垃圾吗?

事实上，有一些很棒的技术将可再生能源与塑料垃圾回收结合起来，包括使用电气化和氢来提供工艺热量。这些新趋势将可再生或清洁能源驱动因素与保护气候和生态系统的循环结合起来。实现高效回收将为防止塑料泄漏到环境中提供激励。

在今年的Pittcon大会上，您还会讨论哪些可再生能源的应用?

我将讨论清洁能源，以及我们如何将风能和太阳能(这是我们的重点)整合到能源系统中，以及我们如何继续使用天然气和生物资源，并将它们与有限公司2捕获和隔离，使它们干净。

我的演讲将侧重于管理能源转型，以实现不超过1.5摄氏度的温度上升，同时满足发展中国家的能源需求，并实现化学产品的循环。我将描述为什么这个领域需要这么多新的和不同的技术，并深入探讨一些必须追求的实验室和研究机会，以提高效率，因为必须进行大量的新技术开发才能实现这一目标。

谈到Pittcon，我们非常期待与先进方法和实验室能力的提供者建立联系，并向他人学习。持续改进我们的工具包和能力对于实现这些雄心勃勃的目标非常重要。

Pittcon如何影响化学工程和能源科学领域?

Pittcon是一个很好的机会和空间，可以了解该领域的新事物，以及一个网络和交流我们的挑战和需求的机会，以便开发新的实验室组件和能力。

在未来，我看到机器人在实验室项目运行方面的更大应用。人们可以想象一下，用机器人系统做一些我们今天在工作台上做的事情，人们可以简单地拨打电话或对当前需要的配置进行编程，然后实现。这可以提高速度和安全性。此外，通过使用数据分析，发现化学将有更多的交叉学习，通过机器学习和计算建模来加速材料发现。

我认为Pittcon是一个很好的双向交流平台，可以让行业和研究实验室的需求与提供解决方案的人进行交流。

你期待虚拟的Pittcon吗?你认为它会带来什么新趋势?

虚拟的Pittcon令人兴奋。我个人发现，如果不把那么多时间花在旅行上，我可以参加更多的会议、会议和研讨会。通过一些创造力和努力，人们有可能在虚拟世界中建立新的联系，包括虚拟现实在内的视觉工具正变得越来越普遍。我看到过一些使用虚拟工具的非常有趣的突破和交流会议，考虑到它还能减少碳足迹，我非常致力于将这种工作延续到新冠疫情之后的未来。

对于与会者和观众来说，虚拟演讲和录音可以避免时间冲突，并且可以纳入个人的日程安排，因此有扩大的潜力，甚至可以看到比面对面发生的更多。

2020年是非常不同的一年。为什么像Pittcon这样的活动对科学界来说比以往任何时候都重要?

我们面临的挑战比以往任何时候都大，我们需要了解新的发展。我发现保持人际关系非常有价值，不仅可以了解我们的机会，还可以了解我们的利益相关者的利益。

提交会议论文的行为无疑有助于推动研究界展示最新成果，并从同行那里获得关于新发展的投入。同行的输入和反馈是技术开发和改进的关键方面，也是通过利用经验和知识作为一个社区向前发展的关键方面。学习机会可以转化为我们日常工作中所做的事情。我希望虚拟方面将是一个优势，我们可以在未来做得更多。

关于乔·鲍威尔

Joe Powell (Joseph B. Powell，博士)是美国化学工程师学会的研究员和前主任，从2006年到2020年底退休，曾担任壳牌的第一位首席科学家-化学工程，在36年的行业职业生涯中，他领导了新化学工艺、生物燃料、提高石油采收率的研发项目，并为能源过渡到净零碳经济的研发提供建议。鲍威尔博士是超过125项专利申请(60项授予)的共同发明人，曾获得AIChE / ACS / R&D杂志创新、服务和实践奖，并与人合著了《过程工业的可持续发展:案例和影响》(2010)。他曾担任美国能源部氢与燃料电池技术咨询委员会(HTAC)主席，并在化学科学与技术委员会任职两届后当选为美国国家工程院院士(2021年)。他曾担任今天的催化天然气利用，化学和生物工程年度评论的编委会成员，并是Crosscutting Technologies团队的负责人和Mission Innovation碳捕获利用和存储(2017年)的作者。他目前在能源、化学品和工艺开发(ChemePD LLC)提供咨询。乔1984年获得威斯康星大学麦迪逊分校的博士学位，1978年获得弗吉尼亚大学化学工程学士学位。