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，冬奧會紀錄屢屢被打破。

    在兩三厘米厚的冰面下，埋了十余層不同結構。防潮層、防凍層、滲透層……其中一層，是密布的制冰管，其中流動著液態二氧化碳。它們是這塊冰面下隱藏的“硬核新科技”。

    創新

    “走沒人走過的新路”

    這是冬奧歷史上第一次采用天然工質二氧化碳制冷技術替代傳統制冷劑氟利昂制造的冰面。

    “我們時刻面臨著兩條路的選擇，要么就是走現在的老路，要么就是走沒人走過的新路。”北京大學工學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“跨臨界二氧化碳技術”，讓溫室氣體化身高效資源，在賽場上實現環保節能最大化。

    參賽選手的成績和冰面的硬度密切相關。“冰軟會滑得慢一點，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，冰面不同區域溫差越小，冰面的平整度和硬度越均勻，滑行速度就能越快，這有利于運動員創造好成績。

    經過研究與設計團隊的努力，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℃標準，硬度均勻。

    記者了解到，去年10月舉行的國際測試賽上，6名運動員中，有5位在這塊冰面上創造了個人最好成績。“這跟冰的質量絕對相關。”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”方面也走在了最前列。

    “我們中國是負責任的大國，果斷決定采用二氧化碳替代氟利昂。借著這個機會，我們也掌握了一系列核心技術，將來對于我們實現‘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，容易又不用承擔任何風險，但是不會有新興產業，也很難談得上為碳中和做貢獻。走“跨臨界二氧化碳技術”這條新路，需要承擔相應的風險和壓力，但是除了碳中和、環保意義之外，還可以帶來新興產業，本質是高質量發展。

    挑戰

    把二氧化碳變為可利用資源

    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循環發電的研究者。但當時在世界范圍內，水蒸氣、氟利昂發電的主導地位難以撼動，他的創新性觀點并未得到認同。

    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。“已經是21世紀了，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，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，制冰質量和環保性能也很好，又非常安全。”

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

    巧合出現在2016年9月。當時張信榮正在國外參加學術會議，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。

    雖然選擇新技術必定伴隨著風險和壓力，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實驗，這為后來的冬奧會造冰造雪奠定了基礎。“我們用跨臨界的方法造冰，還能實現全熱回收，這項技術沒有問題。”

    然而，論證過程一波三折。選擇這項技術是一條全新的路，國內甚至世界范圍內都鮮有先例。除了新技術本身帶來的壓力和風險，還有更為錯綜復雜的因素。“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？氟利昂產業已經很大、很成熟，走出一個傳統產業、走向一個新興產業并不容易。”

    據悉，北京冬奧組委用兩三年時間，進行了無數次論證，最終才通過這份方案。

    “在碳達峰、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

    挑戰“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”是一個物理過程，其原理是通過液態二氧化碳蒸發吸熱制冰，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隊大膽地使用了國際上最前沿最先進的技術“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，防凍液鋪開后各區域溫度不同，會導致冰面硬度不均勻。”

    “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，也比較環保。

    然而，前沿技術必然伴隨未知風險。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，否則壓縮機就會失去動力沒法工作；更重要的是，一定不能讓油進到冰面下，否則油會堵塞管道，導致無法制冰。這會是一個災難性的后果。”張信榮意識到，一定要在液態二氧化碳進到冰面下之前，把油全部分離出來。這是一項巨大的挑戰。

    幸運的是，經過多次實驗，對“回油”問題，張信榮已有了解決思路。2013年的大型實驗讓他印象深刻，“系統建好了，但運行時發現，潤滑油怎么也加不夠，因為油回不來，也不知道去哪了。”

    張信榮帶著團隊在現場找了一個多星期。最終，張信榮發現，大部分油都躲在了氣液分離罐中。當時，“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，二氧化碳氣液分離的時候，油的比重比較大，就沉在下面了。

    有了這次經驗，張信榮帶著團隊改進了二氧化碳制冷系統設計，讓油能夠及時回到壓縮機，保持系統正常工作。

    這項技術中的另一個關鍵詞是“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是在31.1度，壓力是在7.38個兆帕，這時二氧化碳就會進入到跨臨界狀態。”

    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境中，被浪費掉。而二氧化碳到跨臨界狀態時，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現。“其實二氧化碳就是個搬運能量的載體，把需制冷區域的能量攜帶到需制熱區域，同時實現兩個區域的制冷制熱。”張信榮解釋道。

    展望

    解決“卡脖子”問題，希望冬奧成為起點

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

    那時，張信榮還是個毛頭小伙子，他最早投稿發表的相關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，我們把科學實驗數據拿出來也還是不行。”

    “在科研領域，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權威。”很長一個時期內，張信榮經受著“坐冷板凳”的孤獨。

    慢慢地，局面有了改觀。尤其從2012年以后，張信榮發現，隨著對環保問題越來越重視以及后來的“能源革命”、“雙碳”目標的提出，自己堅信的事也一步步得到更多認可。“進到十三五以后，煤炭清潔能源利用的重大專項有二氧化碳發電，核能發電的重大專項有二氧化碳發電，太陽能熱發電的重大專項也有二氧化碳發電……一下都上來了。”

    “這次冬奧會是一個非常好的推動科技創新的契機，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果的時刻。

    在“雙碳”目標下，他希望，冬奧會成為一個起點，未來，二氧化碳在各行各業的能源替代上都能發揮很好的作用。

    在張信榮看來，冰雪產業還是小產業，二氧化碳利用好了還可以發電、制冷、用做動力。在這項技術后續的轉化和運用上，張信榮團隊也在持續探索。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，對于煤炭開采行業的能源替代，張信榮也已經有了探索。“現在煤礦越采越深，礦內越來越熱，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，我們設計了一套二氧化碳系統，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。”

    “這其實是國外對我們‘卡脖子’的技術。”張信榮告訴記者，日本利用二氧化碳的產品在2006年就已經上市了，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’的。”張信榮說，這不僅僅是一塊冰的問題，還關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，還關系到國家的綜合國力和國際競爭力。 ——張信榮