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              【中國科學報】擅弈能源之棋

                來源:《中國科學報》

                發布時間:2019-07-26

              中科院大連化學物理研究所供圖

              中科院潔淨能源A類先導專項啓動會

              第二屆潔淨能源高端論壇

              潔淨能源國家實驗室(籌)實驗樓

              大連極紫外自由電子激光

                ■本报记者 李晨阳

                能源是一局大棋,擅弈則利國利民。

                在關系全人類命運的能源“棋盤”上,散布著一顆顆大小不一的棋子:煤炭、石油、天然氣、風能、水能、光能、生物能源、核能……縱覽全局,你會發現,三大傳統化石能源依然占據絕對優勢,爲數衆多的新能源雖然生命力旺盛,但始終偏居一隅。更令人遺憾的是,大多數時候,這些棋子各自爲戰,缺少縱橫捭阖的全局戰略和分進合擊的協同戰術。

                “现有能源体系中的各个分系统不仅相对独立、缺乏联系,还存在许多结构性矛盾。”中國科學院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)所长、中国工程院院士刘中民说,“能源体系太庞大、太复杂了,常常是一个领域的专家完全不懂另一个领域的事,这对科学家个人能力也提出了挑战。”

                有着数十年煤化工、石油化工领域研究经历的刘中民,心中一直揣着这盘能源的棋局。他期待着我国能加强顶层设计,整合国内能源领域优势力量,构建国家能源新体系。在这条路上,大连化物所的步伐从未停下,而2017年开始建设的中國科學院洁净能源创新研究院(以下简称洁净能源创新研究院),就是其中一项积极探索。

                全國一盤棋

                能源体系关乎国家命运,国家政策又反过来影响能源布局。对这一点,大连化物所研究員朱文良深有感触。

                乙醇是世界公認的清潔燃料,具有無毒、可降解、含氧量高等特點。在大氣汙染問題日益凸顯的今日,發展燃料乙醇的意義已毋庸置疑。

                當前制備乙醇的方法主要以糧食爲原料,有可能造成“與人爭糧”的局面。假如能以煤炭爲原料生産乙醇,則可以避免這些問題,但又有很大技術難度。

                作爲一個人均耕地面積只有世界平均水平40%的人口大國,中國顯然難以承載糧食燃料乙醇的大規模發展。2006年,國家收回了燃料乙醇項目的審批權,轉而推動非糧燃料乙醇項目。然而,在煤炭制乙醇等技術取得突破進展的同時,相關政策法規、標准制定卻依然滯後。

                2017年1月,陝西延長石油(集團)有限責任公司(以下簡稱延長石油)10萬噸/年合成氣制乙醇工業示範項目産出合格的無水乙醇,成爲煤制乙醇技術領域的全球領跑者。作爲項目負責人的朱文良知道,這雖然是一個了不起的成功,但未來要走的路還需求國家政策支持。

                多年來,世界範圍內尚未有成熟、經濟的煤制乙醇技術。不是大家不想做,而是這件事情實在不好做。2010年前後,僅大連化物所就有4個團隊在研發煤制乙醇技術。無聲的賽跑、激烈的競爭,給每個人帶來不小的壓力。

                2013年初,劉中民、朱文良研究團隊率先攻克難關。看到實驗成功的那一刻,每個人臉上都洋溢著難以抑制的欣喜和自豪。

                短暫的喜悅後,他們很快沈下心來,快速投入後續工作中。探索催化劑成型、研發適于工業放大的工藝技術、建設全流程生産線……最終他們和延長石油一起,合作完成了相關工業示範項目,並且成功運行投産。兩年多來,這條生産線保持著良好的運行狀況和盈利能力,吸引了一撥又一撥企業前來洽談合作。

                “但就在這個節點上,我們陷入膠著,大規模工業化進展緩慢。”朱文良說。現行的乙醇汽油國家標准是針對生物乙醇提出的,全新的煤基乙醇則由于沒有標准,一直處于“無標可依”的尴尬地位。

                “實際上,煤基無水乙醇的各項指標完全符合燃料乙醇的要求,且成本從生物乙醇每噸5500元左右降低到3500元左右。”朱文良說,“很多企業對煤基乙醇很感興趣,但因爲煤基乙醇尚未被納入國家燃料乙醇標准,政策不到位,所以觀望者居多。”

                “我國煤炭資源占化石資源總量的95%,以煤爲原料制取燃料、用煤替代石油制取大宗化學品,是彌補我國能源結構缺陷、緩解石油供應壓力的关键途徑。”劉中民說。在我國能源體系中,類似這樣亟待變革的問題還有很多。但要讓這些嘗試改革的探索走得通,只靠技術是遠遠不夠的。能源領域每一個微小的變化,都牽涉到標准規範的制定、制度架構的重整、産業結構轉型乃至更大範圍的洗牌。

                “因此,要想構建國家能源新體系,就必須從頂層設計出發,布局實施能源領域重大科技任務;同時打造高端智庫,開展統攝全局的能源發展戰略研究,爲國家政策制定和路線規劃提供科學依據。”劉中民說,“這需求一個前所未有的、大規模的綜合性研究機構。”

                遣棋布陣

                劉中民理想中的研究機構,是一個多學科交叉、全鏈條貫通的潔淨能源國家實驗室。從2006年科技部提出啓動第二批國家實驗室試點建設起,大連化物所就開始了國家實驗室的籌建工作。與國內其他籌建中的國家實驗室一樣,潔淨能源國家實驗室建設也面臨著重重挑戰——來自不同系統的創新單元如何高效聯動、優勢互補,來自不同單位的各種人才如何順暢交流、通力合作,都考驗著制度設計的智慧和統籌管理的能力。

                中科院“率先行動”計劃啓動實施後,研究所分類改革提出的“四類機構”的嶄新概念給大連化物所帶來了新機遇、新靈感。作爲四類機構之一的“創新研究院”,正是從頂層設計出發,整合相關科研機構或科技資源,牽頭承擔重大科技任務,解決重大科技問題。大連化物所領導班子意識到,策劃籌建一個潔淨能源領域的創新研究院,將爲探索潔淨能源國家實驗室建設儲備寶貴的經驗和資源。

                在2017年第7次中科院院長辦公會議上,大連化物所報送的潔淨能源創新研究院實施方案獲得審議通過。同年10月,中科院潔淨能源創新研究院正式籌建。

                潔淨能源創新研究院采取“1家依托單位+X家參與單位+N個合作團隊”的發展模式籌建。與其他相似體制的創新研究院不同,它的依托單位不是“1”,而是“1+1”。自2017年3月起,應中科院黨組要求,大連化物所和中科院青島生物能源與過程研究所開始了融合發展。

                “剛剛接到兩所融合的任務時,我們也有些困惑:一台計算機裝兩套操作系統,難道不會死機嗎?”劉中民說。于是他們首先把兩家研究所的所有規章制度重新檢查一遍,做到統一標准、統一體系。在此基礎上,用一套行政班子、兩套黨委和紀委班子,通過深化科技體制改革實現“1+1>2”的融合發展目標。

                此外,在“X”的層面上,潔淨能源創新研究院聯合中科院工程熱物理研究所、廣州能源研究所、山西煤炭化學研究所、電工研究所、中國科學技術大學(以下簡稱中國科大)等中科院內十余家能源領域優勢力量;在“N”的層面上,則積極拓展與行業領軍企業的戰略合作,集中建立示範和産業化基地,探索科技與金融融合發展的新模式。

                從研究所到創新研究院的改革,是從單一部隊到集團軍的變革。“最大的挑戰在于,怎麽把這麽多單位、這麽多人聯合起來做事情。”大連化物所黨委書記王華說,“我們在實踐中認識到,這種聯合還是要落實在項目中人與人的合作上。”

                于是他们把洁净能源创新研究院每年运行费的95%拿出来,作为“合作基金”,鼓励共建单位合作申请项目。也就是说,任何一个大连化物所的研究員要想申请到这笔经费,都必须和某个共建单位的人一起申报项目。

                “沒有一個人能單獨拿到這筆錢。”王華笑著說。

                大连化物所研究員吴忠帅是第一批申请到“合作基金”的科研人员之一,他和中国科大教授余彦共同申报了一项固态钠离子电池项目。

                “余老師團隊近幾年一直關注發展高性能鈉離子電池研究,已經取得了不少原創性研究成果,目前也在積極地將部分成果逐步推向産業化。”吳忠帥說,“我們團隊聚焦于二維能源材料研發,其中一些二維材料如石墨烯、黑磷烯、二硫化钼等有助于提高鈉離子電池的比容量、安全性和延長使用壽命。”

                “合作基金”的出現,將雙方合作落到了實處。“這對我們工作的幫助是很大的,不僅是因爲拿到了一筆經費,更关键的是,能充分發揮雙方的長處,進行優勢互補,圍繞一個研究方向合作,共同開展創新性研究。這種跨單位、跨領域合作,很好地拓展了我們的研究方向,正在産出一些更好的科研成果。”吳忠帥說。

                去年,洁净能源创新研究院从76份申请书中批准了首批24个“合作基金”项目,每项200万元经费。而今年,已经有181份申请书向科技處涌来。“可见去年的首轮尝试中,大家尝到了甜头。”大连化物所科技處处长肖宇说。

                今年提出申请“合作基金”的研究人员中,年轻人比例特别高。但对很多初出茅庐的科研人员来说,他们的人脉和眼界还有局限,并不知道找谁合作最合适。于是科技處特地增加了“牵线配对”服务,根据申请者提出的合作需求,为其在整个洁净能源创新研究院内寻觅 匹配的合作者。

                別具一格的“合作基金”制度得到了中科院相關領導的肯定。在連續兩年的創新研究院評估考核中,潔淨能源創新研究院成績都是“優秀”,評分名列前茅。

                全盤發力

                2018年4月,依托于潔淨能源創新研究院的中科院戰略性先導科技專項(A類)“變革性潔淨能源關鍵技術與示範”正式立項。潔淨能源創新研究院以先導專項爲抓手,全面推動體制機制創新,進一步爲爭取建設國家實驗室而探索機制改革,夯實科研實力。

                針對我國能源結構現有缺陷和發展趨勢,該先導專項提煉出3條發展主線:化石能源清潔高效利用與耦合替代、清潔能源多能互補與規模應用、低碳化多能戰略融合。圍繞3條主線,爲構建清潔低碳、安全高效的國家能源新體系提供技術基礎。

                大连化物所研究員王峰的课题就属于第二条主线。经过长期探索,他们开发了一种利用光能驱动生物质下游产品,同时生产氢气和柴油的技术。这项技术符合开发可再生能源、减少化石能源使用、提升清洁能源比例的基本思路。

                “生物質能源的開發利用非常关键,但面對的問題相當複雜。過去十幾年,這個領域經曆過一個研究高潮,簡單的問題解決了,此後剩下的都是硬骨頭,而願意啃硬骨頭的科研人員卻逐漸減少。”王峰說。

                多年來,王峰和他的團隊耐住寂寞,在那些“不好發文章”的領域裏一次又一次攻堅克難。“總得有人啃硬骨頭。”他說。他期待著,在潔淨能源創新研究院乃至國家實驗室自上而下的頂層設計中,人才能按需布局,在關鍵領域做关键的事,將3條主線打造得更加紮實全面,將整個能源體系的大廈構建得更加堅固牢靠。

                值得欣慰的是,洁净能源创新研究院正在各个领域、各个方向上布局本人的人才储备。例如,与中国科大合作筹建化学物理学院,与大连理工大学共建张大煜学院,与郑州大学共建绿色催化研究所,与辽宁省、大连市共建的中國科學院大学能源学院也即将迎来首批入学新生……多渠道的人才培养措施,将为能源领域的全方位发力持续输血。

                他们还定期举办洁净能源国际高端论坛,给国内外专家发去的每一封约请函都严肃地署上“中國科學院洁净能源创新研究院”,让更多中外科学家了解洁净能源创新研究院,也让他们通过学术交流与交锋,酝酿全新的合作机遇和发展方向。

                2018年,潔淨能源創新研究院與大連市簽訂大連先進光源預研項目合作框架協議。大連市政府將在項目選址、建設資金上予以支持。作爲一個獨具特色的綜合性基礎科學研究平台,大連先進光源建成後,將有力推動能源化學、凝聚態物理、原子分子物理、結構生物學、先進材料等學科領域,以及相關高技術産業的精密加工和尖端制造的發展。

                寶貴契機

                朱文良有一個很深的感觸:“做科研,研究平台非常关键。假如平台不夠大,研究成果就很難走出實驗室,繼續向工業化轉化。”

                在潔淨能源創新研究院“1+X+N”的架構中,“N”正是那個幫助科學家和科研成果走出實驗室、走向更寬廣舞台的窗口。

                大连化物所研究員邵志刚越来越体会到这扇窗口的能量。就在6月中旬,他刚刚创下一天连开7个学术会议的纪录。他们团队研发的质子交换膜燃料电池被认为是未来清洁汽车的最佳候选电源之一,与太阳能发电相结合的可再生氢氧燃料电池也属于当前最具优势的储能发电再生能源技术。

                6月13日,在杭州舉行的2019年全國大衆創業萬衆創新活動周上,參展的新一代車用氫燃料電池備受矚目。中國廣核集團有限公司、天津博弘化工有限責任公司等國內諸多知名企業紛紛抛來橄榄枝;加拿大國家研究院、美國普渡大學等國際知名科研機構也陸續前來尋求合作,邵志剛每天奔波于一個又一個會面中,成了大家眼裏的“大忙人”。

                2018年4月,潔淨能源創新研究院大同轉化基地成立。潔淨能源創新研究院和大同市、大同全科盟新能源産業技術研究院三方簽署了共建協議。大同市素有“煤都”之稱,近年來資源枯竭、産業落後、環境汙染等問題日益嚴峻,如何推進煤炭資源清潔高效利用、促進煤炭産業科技成果轉化,是擺在這座城市面前的關鍵問題。

                潔淨能源創新研究院看中了大同這片土地的資源禀賦。除了煤炭儲量豐富外,大同還有大量風能,當地政府和企業也對發展清潔能源抱有極大熱情。未來,隨著一系列科技成果轉化項目在大同落地生根,這裏有望成爲全國清潔能源多能互補的示範轉化基地,煥發出嶄新面貌。

                除大同外,有“中國能源中樞”之稱的榆林、以煤質優良易開采著稱的六盤水、積極布局氫能産業的蘇州,都正在或即將與潔淨能源創新研究院共建集中示範和産業化基地。在這些基地內,潔淨能源創新研究院的科技成果可以從上至下、“一條龍”實現産業化。

                “我們的構想是,把我國各典型能源地區的模式,例如資源、人口、市場等都分析清楚,提供有針對性的戰略規劃和技術示範。”劉中民解釋說,“中國太大了,不可能用一套方案解決所有地方的問題。”

                “中國太大了”“能源領域太大了”,在接受《中國科學報》采訪時,劉中民一次次談到這些令人敬畏的“大”。他相信,面對“大”時代的“大”問題,需求“大”團隊、“大”機構,需求把散落在各地的生力軍彙成一支凝心聚力的集團軍,需求從政府到企業、從資本到平台,爭取一切可以團結的力量,共同迎接挑戰、改變格局、闖出一片新天地。

                在2015年舉行的巴黎氣候大會上,中國鄭重承諾:“2030年中國單位國內生産總值二氧化碳排放比2005年下降60%~65%,使二氧化碳排放達到峰值並爭取盡早實現;非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右。”在《能源生産和消費革命戰略(2016—2030)》中,中國更是明確提出2050年非化石能源消費比重達到50%。

                對每一個能源人來說,這不僅是迫在眉睫的計劃表,也是挑戰重重的任務書。單純依靠現有技術的累積性進步,幾乎無法實現2050年的願景目標。以潔淨能源創新研究院爲代表的中國能源科研機構,正在探索建立更強健能力、更完整覆蓋和更交叉協同的全鏈條科技創新體系,正努力重整棋盤、再布新局,用“高精尖”的棋子下出一盤“穩准妙”的大棋,爲中國和全人類爭取一個更加綠色、更有希望的明天。

                以下是該媒體報道地址:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/7/428737.shtm

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