“超碳一号”成功商运，新技术实现更高效的能量转换

发电告别“烧开水”，咋做到的？

超临界二氧化碳发电机组。 核动力院供图

“超碳一号”正式投入商运。四川日报全媒体记者 宁宁 摄

□四川日报全媒体记者 宁宁

工作原理
接单“揽件”
从热源处“揽收”巨大热能

极速“配送”
带着热能高速冲向涡轮机

“卸货”发电
膨胀做功将热能高效转换为电能

“返程”冷却
完成任务冷却后恢复初始状态，在压气机的驱动下继续投入“配送”

何为超临界二氧化碳？
　　液、气两相相界面消失的状态点就叫临界点，物质超过该临界点后的状态就是超临界态。当二氧化碳温度超过31摄氏度，压力升高至73个大气压以上，二氧化碳就进入超临界态

为何选择二氧化碳？
　　既像液体一样具有高密度，又像气体一样具有低黏性、易压缩。处于超临界状态的二氧化碳是发电的“天选之子”——相比水“力气”更大，做功能力更强

未来前景怎么样？
　　该技术可与各种热源组合成发电系统，在火力、核能、工业余热、地热、生物质等领域发电，构建千瓦级至千兆瓦级等不同功率等级的模块化、智能化发电机组

　　以电为代表的能源是人类文明进步的基础和动力。我们获得的电，70%以上使用传统蒸汽发电技术。在发电过程中，水是能量传递和热功转换的工质，但在系统复杂度、效率、响应速度等方面已难以满足时代需求。于是，科学家们将目光投向超临界二氧化碳。
　　12月20日，全球首台商用超临界二氧化碳发电机组在贵州六盘水首钢水城钢铁（集团）有限责任公司成功商运。这是全球首个超临界二氧化碳余热发电技术“超碳一号”示范工程，相比现役烧结余热蒸汽发电技术，发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上。
　　这一新技术如何实现更高效的能量转换？记者采访了中国核动力研究设计院项目研发团队。

用二氧化碳发电，全球竞逐的新赛道
　　何为超临界二氧化碳？我们知道，水有固体、液体和气体3种相态。随着环境中温度和压力的升高，液、气两相相界面消失的状态点就叫临界点，物质超过该临界点后的状态就是超临界态。与水相似，二氧化碳也存在超临界态。“当二氧化碳温度超过31摄氏度，压力升高至73个大气压以上，二氧化碳就进入超临界态。”“超碳一号”总设计师黄彦平说。
　　此时，二氧化碳既不是气体也不是液体，却兼具两者的优点，既像液体一样具有高密度，又像气体一样具有低黏性、易压缩。科学家们认为，处于超临界状态的二氧化碳是发电的“天选之子”——相比水“力气”更大，做功能力更强，这也正是它高效搬运能量的基础。
　　现役烧结余热蒸汽发电技术，类似于“烧开水”，用热量将水变为水蒸气，推动汽轮机转动发电。“超碳一号”不再“烧开水”，而是采用超临界二氧化碳为循环工质。
　　“可将超临界二氧化碳看作能量搬运的‘超级快递员’。”团队打了个比方，将其应用到发电系统中，只需经过接单“揽件”、极速“配送”、“卸货”发电、“返程”冷却4个步骤，即从热源处“揽收”巨大热能、带着热能高速冲向涡轮机、膨胀做功将热能高效转换为电能，以及完成任务冷却后恢复初始状态，在压气机的驱动下继续投入“配送”。“它并不生产能量，而是不断将热能转换为电能，可提高热能利用率，实现更高的发电效率。”
　　理论正在照进现实，这一颠覆性技术已成为全球竞逐的焦点。美国将其列为国家能源领域战略性前沿技术，投入巨资开展工业验证和示范。日本、法国、韩国、加拿大、捷克等国也在持续跟进。
　　目前，我国已将该技术列入《“十四五”能源领域科技创新规划》，国内各大高校、研究机构、企业共同参与攻关。

勇闯“无人区”，逾15年攻坚实现全球领先
　　新技术意味着从零开始探索。2009年，团队开始开展超临界二氧化碳动力转换技术研究。当时该技术在国内处于空白，团队面临设计、制造、试验“三缺”的局面。“没有先例参考，得自己筹钱干，还面临多方面质疑。”尽管如此，黄彦平带领的这支平均年龄只有30岁左右的团队仍充满信心。
　　团队进行了大胆摸索。具体来说，要攻克的难点在于“两机三器”，即技术所用到的透平机、压缩机、换热器等关键设备。
　　首先，换热“压力山大”。黄彦平打了个比方：超临界二氧化碳换热好比一个壮汉背麻袋，壮汉一次能背好几袋，但需要工具辅助，将麻袋搬到壮汉的肩上。“换热器就是这样的工具，将热源能量传递到工质上。”
　　然而，当时国内面临技术封锁。黄彦平记得，2017年他前往国外企业调研时，对方只拿出个样品，无法看到丝毫门路。更大的挑战是，当时国内连制造这种特殊换热器的工业母机都没有。
　　难的还有控制泄漏。由于超临界二氧化碳密度大，想要转起来，旋转设备的结构尺寸相比同功率的汽轮机要小很多，这也对设备的密封性能提出极高要求。“这一技术同样无人可以咨询。”团队成员说。
　　面对难关，团队勇闯“无人区”——长达六七年不断计算分析、试验，与合作伙伴协同攻关，形成焊接工艺，建成试验台，终于打破国际垄断，发明超临界二氧化碳能量传递技术工程化的工业母机，研制验证了多功能多型式的型谱化样机，具备了全系统与微通道换热器、压缩机、透平机等关键设备的成套研制能力。
　　“通过布雷顿循环，热能可以高效转化为电能，具备高效率、小体积、快响应等优势。”黄彦平说。此后，技术迭代持续加速，2021年团队再创全球首次再压缩型兆瓦级系统满功率发电，全面巩固技术优势。
　　逾15年攻坚，在硬件突破的同时，团队还打造了国际首款基于Modelica的先进核能系统统一建模与分析平台（NUMAP），为技术优化提供强大的软件支撑。

市场规模已达千亿级，多场景赋能绿色转型
　　谈及全球首台商用超临界二氧化碳发电机组满功率发电，研发团队介绍，相比传统蒸汽发电技术优势明显——减少一半的场地需求，而且有系统紧凑、辅助系统少和响应速度快的优势，发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上，相当于每年多发电7000万千瓦时。
　　3000多公里外，另一示范项目正在新疆落地——熔盐储热与超临界二氧化碳结合，将形成综合发电技术。“这一发电技术用水量少，在干旱缺水地区很有优势。”研发团队预计，项目将于2028年完成示范应用。
　　此外，该技术还可与各种热源组合成发电系统，在火力、核能、工业余热、地热、生物质等领域发电，构建千瓦级至千兆瓦级等不同功率等级的模块化、智能化发电机组，不仅为钢铁行业，也将为水泥、玻璃等其他行业的余热利用带来技术变革。业内人士估计，该技术当前市场规模已达千亿级，未来有望突破万亿级。
　　“就全球而言，这一技术才刚起步，竞争颇为激烈，对手赶超速度很快。”黄彦平希望未来有更多人参与进来，共同攻克共性技术难关，发掘更多的应用场景潜力。