我的“十四五”丨把二氧化碳當(dāng)寶貝，張信榮的零碳攻關(guān)路

（來源：中國環(huán)境網(wǎng)）

轉(zhuǎn)自：中國環(huán)境網(wǎng)

在北京大學(xué)新奧工學(xué)大樓的實(shí)驗(yàn)室里，CO2熱科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的指示燈不停閃爍，屏幕上跳動的溫度、壓力等參數(shù)，正勾勒著零碳能源系統(tǒng)的鮮活脈絡(luò)。北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院教授張信榮站在實(shí)驗(yàn)臺前，指尖輕觸操作臺。回望“十四五”五年攻關(guān)路——從冬奧“冰絲帶”的冰面之上，到機(jī)場、煤礦、城市樓宇的零碳能源系統(tǒng)之中，他與團(tuán)隊(duì)追著CO2“跑”了五年，讓這一被視作溫室氣體的物質(zhì)，化作零碳能源的核心能量載體，在一個個“卡脖子”難題的突破中，見證著中國碳中和技術(shù)從自主創(chuàng)新到行業(yè)引領(lǐng)的堅(jiān)實(shí)步伐。

在實(shí)驗(yàn)室的張信榮。

張信榮的“十四五”，是與天然工質(zhì)CO2深度相伴的五年，更是讓基礎(chǔ)熱科學(xué)研究扎根國家“雙碳”戰(zhàn)略、對接國家和地方重大工程需求的五年。他常說：“別人關(guān)注碳減排，我們致力于把CO2當(dāng)成‘資源’或‘寶貝’來用。”

讓CO2成為零碳能源技術(shù)的“核心原料”

2022年北京冬奧會籌備期間，國家速滑館“冰絲帶”的制冰技術(shù)攻關(guān)，成為張信榮難忘的回憶。他第一個提出在北京冬奧制冰場利用天然工質(zhì)CO2替代氟利昂。彼時，CO2跨臨界直冷制冰技術(shù)在國內(nèi)大型場館應(yīng)用尚屬空白，國外技術(shù)壁壘高筑，而滿足冬奧賽事對冰面溫差≤0.5℃的嚴(yán)苛要求，更是讓這項(xiàng)攻關(guān)如同“在針尖上跳舞”。

沒有經(jīng)驗(yàn)可循，就自己闖出一條路。張信榮科研團(tuán)隊(duì)和工程設(shè)計(jì)、建造團(tuán)隊(duì)密切配合，針對CO2跨臨界系統(tǒng)構(gòu)建、制冰換熱及能效提升等技術(shù)難點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)逐一拆解問題、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在無數(shù)次試驗(yàn)與改進(jìn)后，終于打造出冬奧史上“最快、最環(huán)保的冰”——冰面溫差精準(zhǔn)控制在0.5℃以內(nèi)，系統(tǒng)能耗較傳統(tǒng)方式降低30%以上，余熱還可回收用于場館采暖及熱水供應(yīng)，真正踐行了綠色冬奧理念。

這一技術(shù)成果也成為“十四五”我國天然工質(zhì)制冷技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要起點(diǎn)，之后快速走進(jìn)全國多地的冰雪場館、冷鏈物流基地，徹底打破了國外在高端制冰技術(shù)上的壟斷。

“把溫室氣體變廢為寶，讓CO2成為零碳能源技術(shù)的‘核心原料’”是張信榮堅(jiān)持的目標(biāo)，也是他和團(tuán)隊(duì)五年攻關(guān)的不變方向。“十四五”期間，他們不斷拓展對CO2技術(shù)的認(rèn)知與應(yīng)用邊界。

在工業(yè)領(lǐng)域，張信榮于2005年首次提出中低溫?zé)嵩纯缗R界CO2發(fā)電循環(huán)，率先打破了超臨界CO2循環(huán)僅適用于具有中高溫?zé)嵩吹入娬镜墓逃姓J(rèn)知，定義并實(shí)踐了“中低溫、跨臨界”的中低溫?zé)崮芾眯侣窂剑瑸楹罄m(xù)中低溫?zé)嵩闯R界CO2發(fā)電技術(shù)的發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)，構(gòu)建了現(xiàn)代超臨界CO2發(fā)電循環(huán)的技術(shù)起源。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)圍繞超臨界CO2發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)問題持續(xù)攻關(guān)。依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國防科工等項(xiàng)目，系統(tǒng)揭示近臨界流體強(qiáng)變物性高效傳熱機(jī)理及其在極端熱邊界下的對流表現(xiàn)，形成面向第三代太陽能/廢熱熱發(fā)電關(guān)鍵部件以及高溫發(fā)汗冷卻關(guān)鍵技術(shù)的理論機(jī)制和應(yīng)用模型，有力支撐最新一代超臨界CO2發(fā)電技術(shù)的突破和落地，助力我國高效清潔發(fā)電領(lǐng)域邁向“原創(chuàng)引領(lǐng)”時代。

將CO2這一天然工質(zhì)融入各行各業(yè)的碳中和實(shí)踐

在重大工程的舞臺上，CO2技術(shù)的創(chuàng)新成果也持續(xù)綻放光彩。

作為北京大學(xué)鄂爾多斯能源研究院首席科學(xué)家，張信榮牽頭打造的零碳機(jī)場項(xiàng)目，攻堅(jiān)難度絲毫不亞于冬奧制冰技術(shù)開發(fā)。針對機(jī)場復(fù)雜的建筑關(guān)系和用能需求，張信榮帶著團(tuán)隊(duì)從零開始自主探索，開啟了“白加黑”的攻關(guān)模式。白天，他們在機(jī)房盯著系統(tǒng)的每一次調(diào)試，觀察溫度變化，優(yōu)化系統(tǒng)布局，哪怕一個閥門的參數(shù)偏差，都要揪出來反復(fù)校準(zhǔn)；夜晚，回到實(shí)驗(yàn)室，通過理論模擬與熱力學(xué)分析，不斷優(yōu)化循環(huán)方案，常常工作到深夜。

經(jīng)過三年的摸爬滾打，他們打造出全球首個從源頭到使用全鏈路零碳的機(jī)場能源系統(tǒng)，創(chuàng)新構(gòu)建了“風(fēng)—光—儲—冷—熱—電”一體化零碳能源技術(shù)體系。研發(fā)出大型化寬溫域、多源跨臨界CO2冷熱系統(tǒng)，跨季節(jié)蓄采地源系統(tǒng)等核心技術(shù)，全面取代了燃?xì)忮仩t與氟利昂制冷機(jī)組；開發(fā)“零碳芯片”，通過智慧化能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全場能源供需的實(shí)時預(yù)測與優(yōu)化。這項(xiàng)以CO2冷熱一體化為核心的“風(fēng)光儲冷熱電零碳能源技術(shù)”，構(gòu)建起全流程零碳供能體系，讓機(jī)場的供暖、制冷、供電全部實(shí)現(xiàn)綠色清潔，削減綠電裝機(jī)容量60%，減少碳排放超過95%，被中國交通運(yùn)輸協(xié)會專家評價為“整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平”。

張信榮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域也蹚出了一條寶貴的零碳之路。安徽淮南有很多深達(dá)千米的煤礦，井下高溫高濕需要大量制冷，而井上礦井廢水處理、煤粉干燥又有大量熱需求。傳統(tǒng)做法都是采用氟利昂冷水機(jī)組在井下制冷，同時燒煤解決熱需求，不僅制冷效果差，能源浪費(fèi)也很嚴(yán)重。張信榮團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)煤礦“CO2制冷—除濕—水處理—供熱—動力”五位一體系統(tǒng)，攻克深地?zé)o動力新循環(huán)、環(huán)境協(xié)同降溫除濕新方法、多參數(shù)耦合復(fù)雜系統(tǒng)調(diào)控優(yōu)化新策略等世界級科學(xué)技術(shù)難題，相較于常規(guī)井下降溫技術(shù)節(jié)能60%以上，實(shí)現(xiàn)了礦井能源循環(huán)利用與近零排放，破解了我國深層采礦的關(guān)鍵制約性難題，為全球傳統(tǒng)高耗能行業(yè)低碳化改造提供了中國技術(shù)范本。

此外，在數(shù)據(jù)中心冷卻、建筑節(jié)能、新能源裝備等領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的CO2相關(guān)技術(shù)也相繼落地，讓這一天然工質(zhì)，真正開始融入各行各業(yè)的碳中和實(shí)踐。

碳中和事業(yè)需要一代又一代人接續(xù)努力

張信榮不僅是科研攻關(guān)的帶頭人，也是青年人才的培育者。作為博士生導(dǎo)師，他堅(jiān)持把學(xué)生帶到工程一線，在真實(shí)項(xiàng)目中提升理論思考與實(shí)踐能力。他鼓勵學(xué)生大膽探索、不怕試錯，在他的悉心指導(dǎo)下，一批青年科研骨干快速成長，成為碳中和領(lǐng)域的新生力量。

“碳中和事業(yè)不是一個人的戰(zhàn)斗，需要一代又一代人接續(xù)努力，培養(yǎng)好青年人才，就是為這項(xiàng)事業(yè)筑牢根基。”張信榮如是說。

歲月不負(fù)耕耘，五年攻關(guān)結(jié)出累累碩果。張信榮團(tuán)隊(duì)在CO2熱科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表高水平論文180余篇，授權(quán)專利100余項(xiàng)，多項(xiàng)成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。我國天然工質(zhì)熱科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，也在這五年間實(shí)現(xiàn)了從跟跑到并跑、部分領(lǐng)域領(lǐng)跑的跨越，為國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，更在國際舞臺上，發(fā)出了中國碳中和技術(shù)創(chuàng)新的響亮聲音，走出了屬于中國人自己的零碳能源技術(shù)之路。

站在新起點(diǎn)上，實(shí)驗(yàn)室的科研探索仍在繼續(xù)，張信榮的指尖依舊執(zhí)著于每一個參數(shù)的測量與優(yōu)化，心中懷揣著對綠色能源的熱愛，目光投向了更遠(yuǎn)的未來。他和團(tuán)隊(duì)將向AI智算中心、跨季節(jié)儲能、聚變堆熱管理等前沿方向邁進(jìn)，推動關(guān)鍵材料與先進(jìn)技術(shù)深度融合、同頻創(chuàng)新，以永不止步的科研初心，為我國能源綠色轉(zhuǎn)型持續(xù)貢獻(xiàn)力量。讓CO2作為“寶貝”，在更多場景里發(fā)揮更大的作用。