工业实验室和变化中的能源世界

在这次采访中，最近退休的壳牌化学工程首席科学家Joseph B. Powell博士与AZoM谈论了能源和化学工业实验室的过去、现在和未来，他将在今年的pitcon Wallace H. Coulter讲座上发表演讲。

你能从定义和描述“工业实验室”开始吗?

虽然可能不像过去那么普遍，但许多公司都有大型实验室，在那里他们“内部”开发新产品和新工艺。这对制药和特殊材料、主要汽车制造商、半导体和微电子等行业来说尤其如此，这些行业的研发对差异化技术和产品的开发至关重要。欧洲杯足球竞彩基础科学也可以探索未来的欧洲杯线上买球机会，通常与外部合作。

壳牌在休斯顿、阿姆斯特丹和班加罗尔都有主要的研发中心。这些中心包括用于小规模试验台实验的实验室，以及扩大工艺所需的大型试点工厂和开发单位。工业实验室在公司交付新产品和新工艺以及扩大到商业部署的使命中扮演着非常重要的角色。

对能源和化学的研究，特别是对其过去、现在和未来的分析，对科学和工程行业有多重要?欧洲杯线上买球

这是非常重要的，因为世界和社会的需求是不断变化和进化的。必须不断开发新的和改进的过程和产品，以满足不断增长的和新兴的产品和可持续性的需要。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，我们着眼于如何进行研发，并寻求不断改进我们的方法和能力。这对于我们在行业中领先创新的目标非常重要，以满足我们的客户、利益相关者和整个社会的需求。

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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演变吗?

就实际的试验厂设备而言，20世纪40年代埃默里维尔的壳牌试验厂2020欧洲杯下注官网与我们今天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，工艺设备本身往往看起来有些相似。2020欧洲杯下注官网

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技术——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，我们将看到实验室进一步自动化，以及更多地使用数据分析、计算建模、机器学习和人工智能来提高效率和设计。能够在更小的实验室规模，在更短的时间内探索和开发更多的技术，减少占地面积，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?

能源和化学领域的巨大挑战仍在继续，而化学工程将处于寻求解决方案的最前沿。手机及其显示器，电视机，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，你坐的垫子，你用来旅行或给你带来在线订单的汽车，公共汽车或卡车，2020欧洲杯下注官网事实上，我们现在所说的日常生活的所有特征都是由化学工程设计和生产的材料和部件支撑的。欧洲杯足球竞彩

研究和优化过程和工业系统，这些过程和工业系统是必须和必须集成到能源和化学品中的，要做到这一点，就必须使用化学工程。自1950年以来，塑料工业以每年大约8%的速度增长，其中包括你今天使用的构成“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，以减少对环境的影响，保护地球、气候和资源。

你将做华莱士·h·库尔特讲座，你的报告题目是“能源和化学工业实验室:过去、现在和未来”。告诉我们你今年要做什么。

我将阐述减少碳足迹以减缓气候变化的迫切需要，同时满足不断增长的能源和提高生活质量的产品需求。能源和化学品方面所需的过渡和转变将需要以前所未有的速度发展新技术。需要以更有效的方式进行研发。我将探讨一些使用实验室设备和先进方法的例子，以应对这些重大挑战，加速新技术的开发和部署。2020欧洲杯下注官网

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您能告诉我们更多关于能源行业面临的挑战以及您的研究将如何帮助我们克服这些挑战吗?

将可再生能源纳入能源系统，解决间歇性、低能源密度和土地利用等问题，是重大而重要的挑战。电和氢将在能源如何输送给最终用户方面发挥越来越大的作用。我们需要进一步探索如何利用生物或循环原料来合成化工产品和燃料。

我将阐述这些发展项目是什么样的，面临的挑战是什么，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问题的途径。必须找到这些问题的解决方案，然后加以开发和扩大，以便能够部署和用于商业。能源工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。

您的研究内容包括新型化学工艺、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，它是由发酵制成的。例如，我们在巴西的Raizen业务在向消费者提供从甘蔗提炼的乙醇方面处于世界领先地位。

我花了超过10年的时间研究先进的生物燃料，壳牌还在继续这些发展，将非食用的原料，如食物或植物废料、农业残留物、木屑或其他垃圾填埋场的材料，转化为燃料。欧洲杯足球竞彩先进的生物燃料将取代传统的汽油、柴油或航空燃料。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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近年来，科学研究一直将能源和环境紧密联系在一起，最新的能源关注焦点是碳经济。您对能源向净零碳经济转型有何建议?

重要的是要为碳设定一个价值或价格，这样我们才能在应对气候变化和循环问题上取得进展，并将我们几十年来一直在开发和进步的技术带入市场。

如果你看看欧洲和加州，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，可能是用于驱动燃料电池汽车，也可能是将氢转化为电力，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要形式，提供了许多令人兴奋的机会。

您谈到了气候变化是如何成为能源界和能源应用的一个重要因素。你们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塑造你的工作方向?

我从学校毕业时正值70年代和80年代的能源危机，当时能源极度匮乏。汽油实行定量供应，全球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”的首要议题——这成了头版新闻!

从那时起，我们发现了许多不同种类的能源。现在的问题已经变成了使用哪一种能源，在哪里使用，如何使用，来解决环境管理问题，保护地球，但同时也要负担得起，这样全球所有人都能获得能源。

利益相关者和消费者越来越多地要求将这些方面的可持续性纳入到经济方面，这也是我们在过去几十年里在能源和化学品方面的新发展的重点。

回顾过去30年我们在化工领域备受瞩目的项目，这些项目都是通过向市场提供更清洁的产品，减少对环境的影响。壳牌公司在1999年建立了可持续发展网络，我还出版了一本关于这个主题的书，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，您发表了《一种基于存储的可再生能源系统优化分层聚类分解算法》。你能告诉我们更多关于这项研究的情况吗?

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级数学，研究可再生能源的间歇性问题。当试图优化和查看具有高度间歇性和复杂性的能源系统时，它是非常计算密集型的。

那篇特别的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日进行分组，然后将其输入到一个大的参数模型中，该模型可以在我们的有生之年产生结果，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是非常重要的，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，以便查看整个系统的优化，并可以引导我们对如何设计和配置未来的能源系统有新的见解。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，可再生能源都已成为能源发展的前沿。这些能源技术有哪些优点和缺点?

可再生能源的间歇性必须得到解决，因为人们的需求是全天候的能源需求。考虑太阳能和风能的昼夜和季节变化，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，可再生能源更清洁，也更容易获得，但它们并非总是可用，也不是在世界各地都能同等强度地使用。

大多数人居住的大城市周围的土地使用是一个问题。土地通常很贵，而且可用性有限。我们必须开发能源载体，将能源从资源丰富、土地便宜的地区转移到城市中心。在以这种方式提供氢等载体以移动和储存可再生和清洁能源方面，存在着巨大的挑战和机遇。

你在纽约市和得克萨斯州做过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研究吗?

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，以提供部分电网供应。有一个点球让一个载体氢-氨氢动力航母将是另一个例子——但是一旦承运人,您可以利用太阳能和风能资源强度更高在德克萨斯州,也有降低土地成本,然后有机会把它搬到像纽约这样的城市。这样做，也提供了存储容量，因为载体可以更容易地存储大量，比电子的情况。

模型显示了一个潜在的优势，在更低的土地成本，更高的太阳能和风能强度，以及存储效益，尽管事实上，一些能源消耗在制造载体，然后将其转换回电力。这些案例研究是一个很好的例子，将可再生能源四处移动，储存，并将其运送到需要它的城市需求中心。

考虑到你告诉我们的关于你多年来的研究和你在壳牌的时间的案例研究，你在能源和化学品研究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的变化让我感到惊讶，在水力压裂和页岩气革命等新技术的推动下，能源从完全缺乏变成了充足，深水石油和天然气的生产，以及太阳能光伏和风能生产可再生能源成本的急剧下降。

随着时间的推移，消费者也会改变他们的产品偏好、环境和经济压力源的相对权重，这与外部事件一起有助于不断演变的能源格局，这需要一个熟练的研究社区来应对利益相关者的利益和需求的变化。

保持这些变化之前,无疑是巨大的挑战,去年COVID被改变的一个很好的例子我们要对我们的业务和工作,我们的个人生活,我们优先,因此我们需要做的前进。对变化有期待并及时做出反应是关键。

在COVID中，你是如何改变的?你是怎么适应的?

我们的科学和技术专家分布在全球各地，壳牌遍布全球三大中心，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，以有效利用员工时间。

使用过程控制和数据库工具包可以对实验程序进行远程监控，所以不必在实验室里就可以对正在发生的事情有良好的实际感受。虚拟会议和协作工具可以在全球范围内包含所有集体专业知识，通过避免花费在旅行上的时间，可以安排更多的会议和解决问题的时间。我确信我们已经减少了CO₂通过使用新工具从空中旅行的足迹，这将作为一个新的最佳实践持续到未来。

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，因为有效设计和操作大型喷气式飞机所需的能量密度，例如。道路运输部门消耗大量能源，已经有了电池电动汽车和氢燃料电池汽车等解决方案，但航空旅行，尤其是大型飞机的航空旅行，特别难以脱碳。

电池可能适用于当地航线上的小型飞机，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，则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，以解决航空脱碳问题。生物燃料可以用于这一目的，但壳牌也在寻求直接从空气中捕获CO₂它可以用可再生或清洁的氢进行改造，制造太阳能或零碳燃料。这些燃料将是今天使用的喷气式燃料的直接替代品，但脚印会大大减少。

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作为美国能源部氢和燃料电池技术咨询委员会(HTAC)的现任主席，您能够为政策提供科学知识。这段经历对你的工作有什么影响?

HTAC支持能源部与美国化学工程师学会(AIChE)合作建立氢安全中心(CHS)。这为全球机构分享氢的最佳实践和安全处理铺平了道路，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，工业、国家实验室和学术委员会成员可以在以下领域相互学习:新型燃料电池的研发和商业开发、制氢用电解槽、储存材料、氢运输和分配、安全、欧洲杯足球竞彩以及市场上正在发生的新的移动解决方案，燃料电池汽车和加油站的可用性。

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，并鼓励整个供应链的伙伴关系。

与电池储能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?

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

虽然它是一个很好的短期存储解决方案，相对低密度系统是可行的，比如你的笔记本电脑或手机，氢更适合更高的能量密度需要，如风能和太阳能的季节性存储或长距离移动。他们都有自己的机会空间。

壳牌两家公司都在努力，但每一家公司都有自己的优势。例如，重型卡车运输，需要更高的能量密度，与氢一起，以使一个良好的价值主张相对于射程和有效载荷。由于氢必须由可再生能源或清洁能源制造，因此将氢作为载体再将其转化为电能的往返效率要受到惩罚。因此，往返或循环效率低于电池，但存储和能量密度增加，这是重要的长期电网或较重负荷的运输应用。

你还是壳牌化学工程的首席科学家。壳牌在化学工程和燃料行业的角色是什么?

壳牌在引领能源创新方面有着悠久的传统。我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，他们是公司100多年历史的一部分。我很荣幸能帮助传承这一传统。

壳牌的员工在石油和天然气生产的基础科学和工程，化学品生产，现在扩展到生物科学，包括生物燃料和生物基化学品，以及先进的过程控制和环境催化等方面做欧洲杯线上买球出了广泛的贡献，使行业更加清洁和高效。化学工程一直是壳牌公司在其地面设施中所做的一切的核心，现在也在地下，包括提高石油采收率，捕获和封存二氧化碳或其他有限公司2．

壳牌的旗舰项目之一是卡塔尔的天然气液化工厂，这是世界上最大的。该工厂将天然气转化为清洁燃烧的柴油，以及本质上对人类和环境都安全的碳氢化合物，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一个例子，该技术利用化学工程和催化的基础，通过多步骤过程，实现了得天独厚的清洁解决方案。

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您能告诉我们您在能源和化学方面的研究未来会有什么发展吗?

壳牌对氢这样的能量载体在广泛的应用中作为一种清洁、零排放的燃料而感到非常兴奋。同时，在未来捕获一氧化碳的前景₂利用空气来制造太阳能燃料或碳氢化合物，这些燃料是可再生的，因此燃烧时不会产生碳足迹。这需要化学工程转换，但我们正在努力实现上述所有目标，以提供一种清洁的、有利于环境的未来航空燃料。生物技术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提供机会有限公司2从大气中。

壳牌还在继续研究先进的生物燃料、化学品和循环产品经济，鼓励回收塑料垃圾，防止其对环境造成的损失。

你认为会有更多的技术帮助我们减少塑料垃圾吗?

事实上，有一些伟大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过程热量。这些新趋势将可再生或清洁能源与循环能源结合起来，以保护气候和生态系统。实现有效的回收将为防止塑料泄漏到环境中提供激励。

在今年的pitcon大会上，你还将讨论哪些其他可再生能源的应用?

我将讨论清洁能源，以及我们如何将风能和太阳能，这一直是我们的重点，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，将它们与有限公司2捕获和封存，让它们变得干净。

我的演讲将侧重于管理能源转型，以实现温度上升低于1.5摄氏度，同时为发展中国家提供能源需求，并实现化工产品的循环。我要画一幅画,为什么需要这么多新的和不同的技术在这个空间,并深入探讨的一些实验室和研究机会,必须使这个更有效率,考虑到大量的新技术开发,必须进行来实现这一点。

当谈到pitcon时，我们真的很期待与先进的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。

pitcon是如何影响化学工程和能源科学领域的?欧洲杯线上买球

pitcon是一个了解该领域新情况的绝佳机会和空间，同时也是一个网络和沟通我们的挑战和需求的机会，从而可以开发新的实验室组件和能力。

在未来，我看到机器人将在实验室项目如何运行方面有更大的应用。大家可以想象一下，我们今天在长凳上做的很多事情，使用一个机器人系统，人们可以简单地拨号或编程一个当前需要的配置，然后执行。这样可以提高速度和安全性。此外，通过使用数据分析，在发现化学中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。欧洲杯足球竞彩

我认为pitcon是一个很好的双向交流平台，在工业和研究实验室之间，以及在提供解决方案的人之间。

你期待虚拟pitcon吗?你认为它会带来什么新趋势?

虚拟pitcon是令人兴奋的。我个人发现，如果不花那么多时间在旅行上，我可以参加更多的会议和研讨会。只要有一些创造力和努力，就有可能在虚拟环境中建立新的联系，包括虚拟现实在内的视觉工具正变得越来越普遍。我看到了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，我非常致力于让这项工作在Covid之后的未来发挥作用。

对于参会者和观众来说，虚拟演示和录音可以避免时间冲突，而且可以列入日程，因此，与真人相比，虚拟演示和录音的潜力更大，可以看到更多内容。

2020年是非常不同的一年。为什么像pitcon这样的事件对科学界来说比以往任何时候都重要?欧洲杯线上买球

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。我发现联系人脉非常有价值，不仅是我们的机会是什么，还有我们的利益相关者的利益是什么。

提交一篇会议论文的行为当然有助于推动研究界向前展示最新成果，并从同行那里获得对新发展的投入。同行的意见和反馈是技术发展和改进的一个关键方面，也是社区通过利用经验和知识向前发展的一个关键方面。学习机会可以转化为我们在日常工作中所做的事情。我希望虚拟方面将是一个优势，我们可以在未来做更多。

关于乔·鲍威尔

乔·鲍威尔(约瑟夫·b·鲍威尔博士)研究员、前美国化学工程师学会的主任,并担任壳牌公司的前首席科学家——化学工程从2006年到2020年底退休,最后一个36年的行业的职业生涯,他带领研发项目在新化学过程,生物燃料,提高石油复苏,并为能源转型为净零碳经济的研发提供建议。Powell博士是超过125项专利申请的共同发明人(60项已获批准)，曾获得AIChE / ACS / R&D杂志的创新、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)。他担任美国能源部氢和燃料电池技术咨询委员会(HTAC)主席，并在化学科学和技术委员会任职两届后当选为美国国家工程院(2021年)成员。欧洲杯线上买球他曾担任《纽约时报》的客座编辑今天的催化《天然气利用》(Natural Gas Utilization)，《化学与生物工程年度评论》(Annual Review of Chemical and Biological Engineering)编委会成员，Crosscutting Technologies团队负责人，《创新任务:碳捕获利用和存储》(Mission Innovation Carbon Capture Utilization and Storage, 2017)作者。他目前在能源和化学品和过程开发(ChemePD LLC)担任顾问。乔于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。