鄂尔多斯是我国著名的能源城市，有丰富的天然气、煤矿、稀土资源，经济基础良好，同时有较大的风能和太阳能等新能源开发潜力。2022年9月，为支撑服务国家能源战略、推动生态文明建设、推动产业升级、加速鄂尔多斯能源转型，北京大学与鄂尔多斯市人民政府签约，共建北京大学鄂尔多斯能源研究院，确立了“能源战略与碳中和路径”、“智慧矿山”、“新型储能”、“分布式能源”、“地下清洁能源资源”、“节能减碳”、“二氧化碳捕集利用与封存”、“能源大数据”、“能源软件平台”9个项目研究方向。2023年6月15日，内蒙古自治区党委书记孙绍聘在鄂尔多斯会见北京大学党委书记郝平，并于16日共同为北京大学鄂尔多斯能源研究院揭牌。

图1 北京大学-鄂尔多斯能源研究院揭牌仪式

北京大学新型能源系统研究中心主任、北京大学碳中和研究院双聘教师张信荣教授领衔的节能减碳团队，以“双碳”目标为引领，针对鄂尔多斯能源产业碳排放量大、能耗高、冷热分离等现状，以天然工质二氧化碳资源利用为核心，提出高效、低碳、环保的二氧化碳制冷-制热-发电-储能四位一体综合利用技术，推动鄂尔多斯市能源产业绿色低碳转型发展。

零碳机场项目作为节能减碳方向2023年重点项目之一，经过前期充分论证，有望在近期进行示范工程建设。该项目充分利用鄂尔多斯自然环境优势，建设光伏发电、风能发电设备，实现机场绿色安全供电、清洁高效用电。通过跨临界二氧化碳冷热一体化机组，充分开发地热能和空气能，满足机场供冷、供暖、供热水等需求，并将富余的冷、热、电储存起来，实现冷热电储能四位一体的跨区域联供，大大减少了碳排放，降低了能耗。项目团队以北京大学张信荣教授为负责人，集聚了来自热力学、通信、计算机等领域的17位科研人员，为实现零碳机场智能化、低碳化、保障机场能源安全协作提出建议和方案。

图2 零碳机场冷热电储能四位一体综合利用示意图

零碳机场项目核心技术——跨临界二氧化碳冷热一体化技术，在系统性能优化提升、关键核心技术和设备研发等方面处于国际领先水平，且技术工艺成熟，已成功应用于2022年北京冬奥会国家速滑馆，同时满足1.2万平米超大冰面制冷和场馆其他区域供热的需求，场馆碳排放趋近于零，年节电200万度。

图3 2022年北京冬奥会国家速滑馆

零碳机场项目展现了能源供应零碳化的可行性与应用典范，该技术后续可辐射到零碳社区、零碳酒店、零碳工厂等其他建筑领域。例如将城市建筑用中央空调系统重构，跨临界二氧化碳冷热一体化技术向建筑提供冷量同时回收系统余热，满足建筑物的用冷用热需求，对建筑物冷热供应体系进行重构。

图4 重构城市建筑用中央空调系统示意图

课题组还将致力于开展先端二氧化碳储能耦合发电技术、煤化工新型冷热一体化技术、农牧业低碳冷热能源一体化及精深加工技术等在鄂尔多斯市的转化应用，帮助鄂尔多斯市完成资源型城市的绿色低碳转型，打造高质量新兴产业。

先端二氧化碳储能耦合发电技术

张信荣教授率先在国内提出跨临界CO2发电热力学循环，在朗肯发电和布雷顿发电循环基础上创新开发新型超临界CO2储能耦合发电技术。该技术具有能量转换效率高、结构紧凑、适用范围广等优势。在碳达峰、碳中和背景下，该技术在能源领域有较大发展潜力。

图5 先端二氧化碳储能耦合发电技术示意图

煤化工新型冷热一体化技术

煤化工作为鄂尔多斯市的支柱产业之一，存在传统化石能源消耗量大，冷热分离制备，余热未回收利用等问题。团队致力于为煤化工工艺过程重构冷热一体化供给系统，整合煤化工企业及周边区域冷热需求，打造区域协同的能源供给体系，降低区域整体能耗，促进煤化工企业及鄂尔多斯市绿色低碳发展。

图6 煤化工新型冷热一体化技术示意图

农牧业低碳冷热能源一体化及精深加工技术

内蒙古农牧资源丰富，农牧业低碳精深加工是促进产业可持续发展的重要途经。团队致力于开展以下研究：

(1)高品质、低碳排、低能耗的牛羊肉CO₂冷热一体化保鲜与加工技术和装备研究

(2)高品质、低碳排、低能耗的奶制品CO₂冷热一体化保鲜与脱水干燥加工技术和装备研究

(3)动物骨头、内脏等高附加值成分及产品工艺与装备研究

(4)绿色、低能耗、高品质的干燥、蒸煮及萃取加工技术与装备研究

图7 农牧业低碳冷热能源一体化及精深加工技术示意图