作者:崔雪芹 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/14 13:27:19
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“氢装上阵”:冬奥史册上浓墨重彩的一笔
中科院院士邹才能揭秘冬奥绿氢火炬背后故事

 

邹才能院士与冬奥火炬合影。(邹才能供图)

 

冬奥赛事正在如火如荼进行中。在众人热议的诸多“没想到事件”中,当然包括北京冬奥会的开幕仪式上,火炬“飞扬”的小火苗成为本届冬奥会的主火炬。与往届奥运会大量使用液化天然气或丙烷等气体作为火炬燃料不同,北京2022年冬奥会首次使用氢能作为火炬燃料。

首次采用氢能作为火炬燃料,最大限度减少碳排放,向世界展示了中国绿色低碳的发展理念。近日,记者专访了中国科学院院士、中国石油深圳新能源研究院院长邹才能,他向大家解密了他带领的绿氢团队如何在最短的时间内完成技术攻关。“‘氢装上阵必将成为冬奥史册上浓墨重彩的一笔。” 邹才能告诉《中国科学报》。

绿氢火炬“一起向未来”

《中国科学报》:北京冬奥会火炬首次用绿氢作为火炬燃料,请问您作为绿氢核心技术负责人,这项工作共有多少单位多少人参与?何时接到任务,用了多久完成?

邹才能:我们早在2012年,在集团公司内部率先组建了纳米技术研发团队,这支团队在金旭博士的带领下,超前开展了绿氢、储能等新能源材料技术的研发。2017年,在电解水和光解水领域取得重要突破,经过5年的研发和储备,已经具备产业化基础。

2020年6月,重新组建了一支20余人的氢能技术研发团队,专业从事绿氢制备、储运和应用等的技术攻关。

本次任务时间紧迫,是在2021年12月20日接到的紧急任务,要求利用电解水制氢装置生产绿氢直供冬奥。此时距离绿氢供应的要求时间只有短短的一个月,任务非常艰巨,必须全力以赴,容不得半点闪失。

中国石油高度重视,生产运营部等职能部门统筹协调,勘探开发研究院精心组织科研管理处、计划财务处、新能源研究中心等部门和单位,成立以熊波、金旭、李建明等14名科研人员为核心的技术团队和保障团队,进驻勘探院廊坊科技园区。团队克服了重重困难,日以夜继,用了一个月左右的时间,完成全部准备工作。

1月25日,绿氢团队完成制氢和加注装置试验,经过系统参数调试和检测后,26日一早正式向冬奥会专用高压氢气瓶组中充装绿氢。1月30日,中国石油绿氢瓶组运抵冬奥会张家口赛区,经过专业检测,达到开幕式火炬台使用标准。2月4号首次点燃了太子城火炬。

《中国科学报》:请谈一下在您看来,奥运历史首次实现使用绿氢火炬有何重要意义?

邹才能:在当前力争实现“双碳”目标的大背景下,绿氢行业正迎来蓬勃发展的新机遇。尽管当前仍然面临着诸多挑战,但随着未来可再生能源发电成本的下降与绿氢全产业链的规模发展,考虑到化石能源短缺、碳税增收、环境污染等因素,绿氢将逐渐具有价格竞争优势,预计2030年以后将实现规模化利用。

此次中国点燃冬奥历史上首支绿氢火炬,不仅向全球彰显了我国新能源领域的技术实力,更创造了冬奥火炬用能历史,首次实现燃料生产到应用全过程碳零排放,践行了科技奥运、绿色奥运的理念,承接了北京冬奥会“一起向未来”的美好愿景,响应了世界“低碳环保”的号召,赋能冬奥,氢装上阵必将成为冬奥史册上浓墨重彩的一笔。

两次绿氢生产加注

《中国科学报》:在研发过程中,有何技术瓶颈?最难的技术攻关是什么?

邹才能:一是专业人才严重匮乏。大家都知道,勘探院在油气领域的研发实力雄厚,但是在新能源领域,尤其是氢能领域,专业人才非常稀缺。我在10年前,就着手开始创建了纳米油气工作室,先后引进3位专业技术人才,组建以新材料开发利用为方向的核心团队,超前开展了绿氢、储能等新能源材料技术的基础研发。

二是研发设备和场地缺失。勘探院的主营是油气行业,新能源开发利用的评价测试平台基本缺失,要研发绿氢等新能源,必须要设备和场地。我们只能前往高校、科研院所、企业参观调研,逐渐引进研发最为迫切需要的相关仪器设备,同时在北京和廊坊两地都建立了实验室。

三是开发方向选择困难。中国石油新能源方面起步较晚,如何选择开发方向是当时面临的现实的题。我们在2019年,开展国内、国际合作,先后和北京大学、中国科学院、德国能源署等机构开展技术攻关,逐渐掌握了氢能产业中的核心关键技术,理顺并把握了绿氢的开发方向。

四是周边质疑的声音不断。实际上,我们的新能源团队和油气团队一样,都是非常严谨认真,超前储备新能源技术。例如,我们初次获得电解水催化剂材料降低分解水过电势的实验结果,团队成员反复进行了几十次的实验合成和累计几千小时的性能测试,力保材料性能数据的稳定可靠。坚持不懈才有了这次冬奥会上唯一的绿氢。

《中国科学报》:用这么小的绿氢火炬,团队给与的支撑是什么?是更简单还是更复杂?多久加一次氢?

邹才能:氢能团队披荆斩棘,助力北京冬奥会如期开幕。第一,改善地面及墙面陈旧老化的问题,完成场地改造,保障了实验场地安全性;第二,冲破大雪等环境因素为制氢系统组装与场地建设带来的巨大阻碍,顺利完成制氢设备、缓存罐与加注装置间的系统管路连接与保压测试;第三,针对场地具体条件,安装并调试撬装式电解水装置,优化场地水电气路系统,保障了供氢的万无一失。

为保障火炬加注顺利实施,团队高标准、高质量完成了电解水制氢装置橇装化设计改造、屋顶光伏铺设、示范场地水电气连接与环境改造等前期工作,做到24小时全程参与值守。

在加氢过程中,为确保生产和加注过程万无一失,绿氢团队两人一班,每隔一段时间进行一次制氢加氢全链路泄漏排查和充装进度记录。

为响应绿色办奥理念,本次火炬用氢量较少。我们开发的绿氢制备系统,主要是用于科研及示范推广,设计的产氢量也不高。这种小气量的充注,为氢气的高压加注增加了很大的难度。我们采用的光伏电制备绿氢,计划在冬奥会与冬残奥会期间完成两次绿氢生产加注。

提供关键预警

《中国科学报》:科研过程中有没有特别难忘的经历或事,能否讲一下?

邹才能:我们团队刚进入这个行业,印象最深刻的是仪器设备熟悉,了解它们的功效,许多东西都是边请教边钻研边研发。一开始接触绿氢电解水装备,了解到核心是自主开发高性能的电催化剂材料,为了获得一种催化活性高、稳定性好的催化剂材料,多次在节假日,组织讨论替代常规镍催化剂的方案,并开展真实工作环境对其性能评价。

在大家的不懈努力下,我们终于研发出了具有更高活性与寿命,适用于商品化电解水装置的新型镍铁催化剂。

面对绿氢生产,赋能冬奥的艰巨任务,我一开始就在犹疑,是采用成熟的电极材料,还是自主开发的电极催化剂材料。通过多次和团队沟通,反复确认可能失败的概率和结果后,顶着压力使用了自己的电催化材料。

2022年1月22日,廊坊地区突降大雪,地面积雪深度没过脚踝。由于低温超出预期,已经做好保温措施的制氢设备水管仍然出现结冰堵塞现象。项目组成员立即对全部可能堵塞位点逐一排查,通过加热枪和铺设伴热管保证供水系统畅通,保障制氢流程顺畅。

此外,厚重的积雪也“袭击”了屋顶光伏设备,严重影响电解水制氢设备的电力供应。李建明博士急中生智,从库房找到鼓吹机,背着设备爬上了5米高的梯子,清理屋顶光伏板积雪,让阳光可以照射光伏板。

1月28日晚11点,轮班值守人员金旭博士和李建明博士在详细巡检过程中发现,冬奥储氢瓶的集装格支撑轮因为一直处于寒冷和积雪环境,轮子与集装格连接处多处出现裂缝,在移动过程中存在极大的脱落风险,为高压氢气瓶运输过程造成极大的安全隐患。

他们意识到这一问题的严重性,及时联系河北销售运输公司同事为集装格支撑轮组做好修复方案设计,同时立刻向公司冬奥保障组进行汇报,为冬奥会赛区其他供氢瓶组出现类似问题提供了关键预警。

 
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