荷蘭選手伊雷妮·斯豪滕獲得速度滑冰女子3000米決賽冠軍，瑞典選手尼爾斯·范德普在速度滑冰男子5000米比賽中奪冠……北京冬奧會速度滑冰比賽開賽以來，在國家速滑館“冰絲帶”1.2萬平方米晶瑩剔透的冰面上，冬奧會紀(jì)錄屢屢被打破。

    在兩三厘米厚的冰面下，埋了十余層不同結(jié)構(gòu)。防潮層、防凍層、滲透層……其中一層，是密布的制冰管，其中流動著液態(tài)二氧化碳。它們是這塊冰面下隱藏的“硬核新科技”。

    創(chuàng)新

    “走沒人走過的新路”

    這是冬奧歷史上第一次采用天然工質(zhì)二氧化碳制冷技術(shù)替代傳統(tǒng)制冷劑氟利昂制造的冰面。

    “我們時刻面臨著兩條路的選擇，要么就是走現(xiàn)在的老路，要么就是走沒人走過的新路。”北京大學(xué)工學(xué)院教授張信榮選擇了探索那條未知的新路。

    張信榮多年來一直研究與開發(fā)“跨臨界二氧化碳技術(shù)”，讓溫室氣體化身高效資源，在賽場上實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能最大化。

    參賽選手的成績和冰面的硬度密切相關(guān)。“冰軟會滑得慢一點(diǎn)，冰硬會滑得快。更重要的是冰面硬度的均勻度，有些地方硬、有些地方軟，就會影響滑冰的速度。”張信榮解釋稱，冰的硬度和溫度相關(guān)，冰面不同區(qū)域溫差越小，冰面的平整度和硬度越均勻，滑行速度就能越快，這有利于運(yùn)動員創(chuàng)造好成績。

    經(jīng)過研究與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的努力，國家速滑館“冰絲帶”這塊通過二氧化碳制冷制造的冰面溫差最終控制在0.5℃，低于奧組委提出的1.5℃標(biāo)準(zhǔn)，硬度均勻。

    記者了解到，去年10月舉行的國際測試賽上，6名運(yùn)動員中，有5位在這塊冰面上創(chuàng)造了個人最好成績。“這跟冰的質(zhì)量絕對相關(guān)。”可以說，這一次“打造了冬奧歷史上最快的一塊冰”。

    與此同時，在成功打造了國家速滑館這塊冰之后，中國在“跨臨界二氧化碳技術(shù)”方面也走在了最前列。

    “我們中國是負(fù)責(zé)任的大國，果斷決定采用二氧化碳替代氟利昂。借著這個機(jī)會，我們也掌握了一系列核心技術(shù)，將來對于我們實(shí)現(xiàn)‘彎道超車’非常重要。”張信榮充滿自信。

    在張信榮看來，這次冬奧會如果用氟利昂，容易又不用承擔(dān)任何風(fēng)險(xiǎn)，但是不會有新興產(chǎn)業(yè)，也很難談得上為碳中和做貢獻(xiàn)。走“跨臨界二氧化碳技術(shù)”這條新路，需要承擔(dān)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)和壓力，但是除了碳中和、環(huán)保意義之外，還可以帶來新興產(chǎn)業(yè)，本質(zhì)是高質(zhì)量發(fā)展。

    挑戰(zhàn)

    把二氧化碳變?yōu)榭衫觅Y源

    選擇這條沒人走過的新路，并不容易。

    一向“讓人頭疼”的溫室氣體二氧化碳，能否作為資源被加以利用？2003年底，張信榮成為國際上第一個提出利用二氧化碳跨臨界熱力學(xué)循環(huán)發(fā)電的研究者。但當(dāng)時在世界范圍內(nèi)，水蒸氣、氟利昂發(fā)電的主導(dǎo)地位難以撼動，他的創(chuàng)新性觀點(diǎn)并未得到認(rèn)同。

    2015年7月，在得知北京申辦冬奧會成功后，張信榮首先想到冬奧會制冰問題。“已經(jīng)是21世紀(jì)了，難道還要用氟利昂造冰嗎？我們不服氣，就想看看用二氧化碳能不能搞出來。”

    記者了解到，過去歷屆冬奧會制冰都采用氟利昂和氨等傳統(tǒng)制冷劑制冷方式。氟利昂是一種人為合成的制冷劑，“使用一噸氟利昂就相當(dāng)于3980多噸的二氧化碳排放，不但會破壞臭氧層，還會造成地球暖化。”而氨具有微毒、易燃易爆的特性，安全性難以控制。

    二者都無法與二氧化碳相比。“二氧化碳作為一種天然工質(zhì)，在自然界空氣中本身就存在，將其作為一種資源用于制冷，非常高效，制冰質(zhì)量和環(huán)保性能也很好，又非常安全。”

    出于興趣，2015年9月份一開學(xué)，張信榮就開始帶著學(xué)生搞設(shè)計(jì)，嘗試用二氧化碳搞冰場、造雪，效果都不錯。但那時，能用二氧化碳技術(shù)為冬奧做貢獻(xiàn)還只是張信榮的“美好愿望”。

    巧合出現(xiàn)在2016年9月。當(dāng)時張信榮正在國外參加學(xué)術(shù)會議，突然接到了一個來自北京冬奧組委的電話，邀請他盡快回國參會討論制冰造雪問題。

    “北京2022年冬奧會用什么方式制冰好？面對冬奧組委的發(fā)問，張信榮毫不猶豫地給出答案：用二氧化碳。

    雖然選擇新技術(shù)必定伴隨著風(fēng)險(xiǎn)和壓力，但張信榮心里還是有把握的。2013年，他就做過一個大型的二氧化碳制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，這為后來的冬奧會造冰造雪奠定了基礎(chǔ)。“我們用跨臨界的方法造冰，還能實(shí)現(xiàn)全熱回收，這項(xiàng)技術(shù)沒有問題。”

    然而，論證過程一波三折。選擇這項(xiàng)技術(shù)是一條全新的路，國內(nèi)甚至世界范圍內(nèi)都鮮有先例。除了新技術(shù)本身帶來的壓力和風(fēng)險(xiǎn)，還有更為錯綜復(fù)雜的因素。“有人會問，既然大家都知道氟利昂不好，為什么不早就用二氧化碳？氟利昂產(chǎn)業(yè)已經(jīng)很大、很成熟，走出一個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、走向一個新興產(chǎn)業(yè)并不容易。”

    據(jù)悉，北京冬奧組委用兩三年時間，進(jìn)行了無數(shù)次論證，最終才通過這份方案。

    “在碳達(dá)峰、碳中和背景下，是非常好的選擇，我們國家努力在冬奧史上首次用二氧化碳替代氟利昂制冰，有非常重要的意義。”張信榮說。

    技術(shù)

    挑戰(zhàn)“直冷”，能量回收同時制冷制熱

    張信榮介紹，“跨臨界二氧化碳技術(shù)”是一個物理過程，其原理是通過液態(tài)二氧化碳蒸發(fā)吸熱制冰，再將吸收熱量的二氧化碳放到高溫高壓下冷凝釋放能量。

    這次，張信榮參與的冬奧團(tuán)隊(duì)大膽地使用了國際上最前沿最先進(jìn)的技術(shù)“直冷”。張信榮解釋稱，“這次‘冰絲帶’是1.2萬平米的超大型冰面，面積越大，越難保證冰面溫度的均勻性。如果用過去使用的防凍液間接制冷，防凍液鋪開后各區(qū)域溫度不同，會導(dǎo)致冰面硬度不均勻。”

    “直冷”意味著不使用防凍液、直接用二氧化碳制冰。二氧化碳相變過程中溫度是不變的，效率非常高，也比較環(huán)保。

    然而，前沿技術(shù)必然伴隨未知風(fēng)險(xiǎn)。張信榮說，跨臨界二氧化碳壓縮過程目前還離不開潤滑油，而潤滑油會隨著二氧化碳一直在系統(tǒng)里流動，特別是壓縮完之后，超臨界二氧化碳和油完全互溶，更加無法分辨。“油流到什么地方去了？”

    “這是不行的。油必須要及時回到壓縮機(jī)，否則壓縮機(jī)就會失去動力沒法工作；更重要的是，一定不能讓油進(jìn)到冰面下，否則油會堵塞管道，導(dǎo)致無法制冰。這會是一個災(zāi)難性的后果。”張信榮意識到，一定要在液態(tài)二氧化碳進(jìn)到冰面下之前，把油全部分離出來。這是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

    幸運(yùn)的是，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，對“回油”問題，張信榮已有了解決思路。2013年的大型實(shí)驗(yàn)讓他印象深刻，“系統(tǒng)建好了，但運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)，潤滑油怎么也加不夠，因?yàn)橛突夭粊恚膊恢廊ツ牧恕！?/p>

    張信榮帶著團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場找了一個多星期。最終，張信榮發(fā)現(xiàn)，大部分油都躲在了氣液分離罐中。當(dāng)時，“我把閥門一打開，油全都噴出來了，噴得我全身是油。”張信榮解釋稱，二氧化碳?xì)庖悍蛛x的時候，油的比重比較大，就沉在下面了。

    有了這次經(jīng)驗(yàn)，張信榮帶著團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了二氧化碳制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，讓油能夠及時回到壓縮機(jī)，保持系統(tǒng)正常工作。

    這項(xiàng)技術(shù)中的另一個關(guān)鍵詞是“跨臨界”。張信榮稱，“二氧化碳的飽和液體線和飽和氣體線交叉的臨界點(diǎn)是在31.1度，壓力是在7.38個兆帕，這時二氧化碳就會進(jìn)入到跨臨界狀態(tài)。”

    過去利用氟利昂制冷，吸收了很多能量，但能量最終都散到環(huán)境中，被浪費(fèi)掉。而二氧化碳到跨臨界狀態(tài)時，具有攜帶能量的特性，可以把制冰過程中吸收和釋放的能量都回收利用。

    傳統(tǒng)場館的熱水、供暖等都需要燒鍋爐；而在國家速滑館，冰面下地基防凍、冰面平整和場館供暖等，完全靠回收的能量來實(shí)現(xiàn)。“其實(shí)二氧化碳就是個搬運(yùn)能量的載體，把需制冷區(qū)域的能量攜帶到需制熱區(qū)域，同時實(shí)現(xiàn)兩個區(qū)域的制冷制熱。”張信榮解釋道。

    展望

    解決“卡脖子”問題，希望冬奧成為起點(diǎn)

    20多年前，張信榮在國際上最早提出用二氧化碳發(fā)電。“研究發(fā)現(xiàn)，用超臨界的二氧化碳去發(fā)電，效率可以大大提高。我們連圖紙都做出來了。”但在當(dāng)時，這樣的創(chuàng)新性想法被視為“天方夜譚”，質(zhì)疑、否定接踵而至。

    那時，張信榮還是個毛頭小伙子，他最早投稿發(fā)表的相關(guān)論文在國際上屢屢被拒稿了。“主編問得最多的就是為什么要用二氧化碳，解釋有時也沒有用，別的論文都4個評審人，到我們這是8個、12個人來評審，提出一堆意見，我們把科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拿出來也還是不行。”

    “在科研領(lǐng)域，提出新的東西有時很難讓人接受。甚至有評審人會覺得你在挑戰(zhàn)權(quán)威。”很長一個時期內(nèi)，張信榮經(jīng)受著“坐冷板凳”的孤獨(dú)。

    慢慢地，局面有了改觀。尤其從2012年以后，張信榮發(fā)現(xiàn)，隨著對環(huán)保問題越來越重視以及后來的“能源革命”、“雙碳”目標(biāo)的提出，自己堅(jiān)信的事也一步步得到更多認(rèn)可。“進(jìn)到十三五以后，煤炭清潔能源利用的重大專項(xiàng)有二氧化碳發(fā)電，核能發(fā)電的重大專項(xiàng)有二氧化碳發(fā)電，太陽能熱發(fā)電的重大專項(xiàng)也有二氧化碳發(fā)電……一下都上來了。”

    “這次冬奧會是一個非常好的推動科技創(chuàng)新的契機(jī)，但是我們希望絕不止步于此。”多年來，張信榮專注于研究如何把二氧化碳作為資源加以利用，如今，他的探索終于迎來即將開花結(jié)果的時刻。

    在“雙碳”目標(biāo)下，他希望，冬奧會成為一個起點(diǎn)，未來，二氧化碳在各行各業(yè)的能源替代上都能發(fā)揮很好的作用。

    在張信榮看來，冰雪產(chǎn)業(yè)還是小產(chǎn)業(yè)，二氧化碳利用好了還可以發(fā)電、制冷、用做動力。在這項(xiàng)技術(shù)后續(xù)的轉(zhuǎn)化和運(yùn)用上，張信榮團(tuán)隊(duì)也在持續(xù)探索。譬如，作為新型動力，“未來汽車到加油站充的不是電，也不是氫，而是二氧化碳，這是很有可能的。”

    另外，對于煤炭開采行業(yè)的能源替代，張信榮也已經(jīng)有了探索。“現(xiàn)在煤礦越采越深，礦內(nèi)越來越熱，礦工下去工作不到一小時就熱得跑上來；但是在煤礦上，礦工洗澡、井口防凍、煤粉干燥等等又需要很多熱量，目前還需燒鍋爐來提供。針對這個狀況，我們設(shè)計(jì)了一套二氧化碳系統(tǒng)，能夠把礦底下的能量都帶到上面來，這樣，礦工下礦工作涼快了，礦上的鍋爐也可被取代，變害為寶，一舉兩得。”

    “這其實(shí)是國外對我們‘卡脖子’的技術(shù)。”張信榮告訴記者，日本利用二氧化碳的產(chǎn)品在2006年就已經(jīng)上市了，目前日本有上百萬家庭熱水器都是使用二氧化碳，但是，到現(xiàn)在都不對中國出口。

    “如果我們中國人不去解決自己的問題，靠別人來解決，那一定是‘卡脖子’的，是‘天價(jià)’的。”張信榮說，這不僅僅是一塊冰的問題，還關(guān)系到國家的綜合國力和國際競爭力。“最終還是要靠自己。”

    這不僅僅是一塊冰的問題，還關(guān)系到國家的綜合國力和國際競爭力。 ——張信榮