二氧化碳是大气圈中维持生命碳循环的重要物质，是优良的能量搬运工。人类工业发展带来的大量二氧化碳排放造成全球变暖。本次茶座，张信荣像我们讲述二氧化碳的“点石成金”之路。
2024年5月29日下午4点，本学期第三期“周三茶座”有幸邀请到了张信荣教授以“能量的搬运工——温室气体二氧化碳资源化利用与节能减碳”为题向大家深入讲解如何利用二氧化碳搬运能量、实现节能减排。刘珂教授主持了此次茶座。中国科学院院士王恩哥教授担任本次茶座的与谈人。
主讲人张信荣
在讲座中，张信荣教授深入介绍了二氧化碳在临界状态下的独特性质及其对于快速能量运输的重要性。他将理论研究成果转向实际，向我们分享了一系列二氧化碳搬运能源的应用案例，给了茶座听众极大的触动与启发。
二氧化碳的基础研究
张信荣教授首先向我们介绍了当前人类文明进展中的能源挑战，以及现有技术的局限性。在发电方面，虽然现代火力发电厂能效有了显著进步，但依然受限于卡诺循环的理论极限。供热方面，以北京市燃气供暖为例，居民只需要310K的温度，却使用能提供2000K的天然气作为热源，这意味着极低的㶲效率。制冷方面，虽然制冷剂从环境危害大的氯氟烃（CFCs）转变为氢氟烃（HFCs），但这些新型制冷剂对环境的负面影响仍然存在。
随后，张信荣教授分享了他对二氧化碳在物质输运及其在冷、热、电、动力转换领域的机理研究成果。他指出，二氧化碳在近临界区域展现出独特的临界特性：在特定的压力下，温度区间内物性参数会经历剧烈的变化。物性奇异带来了流动传热新现象和新机制：活塞效应，由局部热扰动和发散热物性引发的一种快速热平衡过程。他们也在开发理论约束神经网络以预测非平衡相变热力学过程，以便更好地服务于实际应用。
张信荣教授介绍二氧化碳理论研究
二氧化碳资源化利用
在社会普遍将二氧化碳视为温室气体并采取多种措施限制其排放的背景下，张信荣教授向我们展示了如何基于其理论研究成果，将二氧化碳转化为一种宝贵的资源。
张信荣教授首先介绍了跨临界二氧化碳在发电中的应用。张信荣老师是国际上第一个提出二氧化碳跨临界热力学循环发电的研究者，他们的发电方法效率更高，得到了全球同行的关注。除了传统的燃煤发电以外，他们也在开发基于跨临界二氧化碳的聚光太阳能热发电装置、中低温废热发电、冷能-温差发电等技术。
张信荣教授接着介绍了跨临界二氧化碳制冷技术。该技术通过跨二氧化碳三相点，能够同时实现冷热供应，覆盖从零下60度到80度的温度范围，并能分阶段提供热量。这种技术的效率非常高，有能力取代传统的冷、热能源系统以及氟利昂类工质。张信荣教授详细介绍了他们团队如何将这项技术应用于2022年北京冬奥会的场馆，实现了使用二氧化碳代替氟利昂进行制冰，并精确控制冰面温差在±0.7℃。此外，制冰过程中产生的余热也得到了充分利用，比如用于场馆供暖和除湿。
矿井开采中存在“热害”问题，尤其是在深度达千米的矿井中，温度高达50度，相对湿度达到100%。传统的降温方法在地上使用氟利昂制作冷水，并将冷水输送到千米深的井下制冷。然而这种技术效果不佳，冷水穿过千米后温度也达到了20度，效率不高。而张信荣教授采用二氧化碳制冷技术，直接将零下温度的临界二氧化碳输送到井下，可以同时解决矿井的动力、制冷、消防、除湿等问题。随着二氧化碳的热量循环，井下的热量被送到地面上进行回收，用于煤粉干燥和废水处理，实现废热的资源化利用。
随后，张信荣教授也向我们探讨了二氧化碳的进一步应用。二氧化碳可以进行储能，以更低成本对绿色电力进行削峰填谷。二氧化碳作为超临界流体，也可以应用于农产品精深加工中，例如提取鲜花精油、制作功能型饮品等。
张信荣教授介绍二氧化碳应用于农产品精深加工
讲座结束后，在场的听众与张信荣教授进行了积极的交流。王恩哥教授询问了这些项目使用的二氧化碳是如何产生、收集的？张信荣教授回答道目前采用轻工业产生的二氧化碳废气，变废为宝。此外听众询问了二氧化碳的管道问题，超临界需要更高压力，在矿场、建筑的布设高压管线会不会很难？张信荣教授回答道超临界二氧化碳可以高效地传输能量，这样管线可以做得很细，对管壁的强度要求也更低，并不需要过多的材料。而二氧化碳具有很高的热稳定性，化学稳定性好，不像氢会导致“氢脆”现象，可以兼容大部分的管壁材料。
张信荣教授与听众交流
随后刘珂教授代表前沿交叉学科研究院和听众对张信荣教授的精彩讲座表示了衷心感谢并赠送了周三茶座纪念品。
张信荣教授与王恩哥教授合影留念
