“超碳”登場，發電不再“燒開水”

來源：光明日報

作者：黃彥平

從首次蒸汽發電至今，人類利用“燒開水”獲取電力已有140余年。截至目前，蒸汽發電仍是現代火力發電廠與核電廠的主要發電方式，即便在現役的核動力航母等尖端裝備上，同樣離不開“蒸汽做功”。難怪網友調侃：人類科技的盡頭就是燒開水。

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然而，以蒸汽為循環工質的發電技術面臨效率瓶頸，而體積大、系統復雜的固有特點又限制了其在中小功率領域的應用。但隨著超臨界二氧化碳發電技術的出現，“燒開水”發電將迎來質變。

什么是超臨界二氧化碳？它有何厲害之處，能勝過發電元老——蒸汽？

物質的常見狀態有固、液、氣三態，對于二氧化碳而言，當溫度超過31℃、壓力升高至73個大氣壓以上時，就會進入超臨界狀態，此時的二氧化碳既像液體一樣密度高，做功能力強，又像氣體一樣黏度低，流動阻力小。

超臨界二氧化碳發電技術就是以超臨界態的二氧化碳作為工質，實現從熱能到電能的轉換。由于超臨界二氧化碳工質的特殊物質屬性，該發電技術具有高效率的核心技術優勢。其理論發電效率可以突破50%。我們的研發經驗表明，該技術可填補世界范圍內中小功率規模、中高溫熱源場景的高效發電技術空白，實現節能降碳，推動能源結構的優化和可持續發展。

得益于超臨界二氧化碳的獨特物性，該發電技術的機組體積小、能量密度高，可有效減少設備數量和體積，有助于模塊化集成部署。以我國自主研發的“超碳一號”系統為例，主要設備僅有壓氣機、膨脹機、冷卻器、回熱器和熱源換熱器，機組體積較傳統蒸汽發電機組減少一半，且操控簡單、運維成本低。更重要的是，超臨界二氧化碳發電技術應用范圍非常廣泛，是光熱發電、工業余熱利用、新型儲能等多個先進能源領域的共性前沿技術。

既然超臨界二氧化碳發電有諸多優勢，為何蒸汽發電卻“獨領風騷”百余年？簡言之，該技術要實現工業應用存在三大挑戰。

首先是熱傳遞難。超臨界二氧化碳的表面換熱能力較差，只有水的1/3左右，需要采用高比表面積、高承壓能力、耐腐蝕性強的換熱器來彌補其換熱能力不足的短板。這不僅需要設計全新的換熱構型，還要解決毫米級薄板的高強度大面積非連續焊接問題。為此，我們采用真空擴散焊工藝，自主研制系列化工業母機——大尺寸擴散焊機，實現了超臨界二氧化碳換熱設備全國產、型譜化研制，攻克了高效、緊湊換熱設備的工程級研制難題。

其次是密封難。發電過程中，高溫高壓的超臨界二氧化碳推動渦輪機高速旋轉，要保障它盡可能少地向環境泄漏工質，系統的密封結構必須做到耐高溫高壓、耐磨損。我們研發了“特種材料+內冷卻”專用干氣密封技術，通過氣流控制建立穩定氣隙，解決了這個全球性難題。

最后是控制難。在閉式熱力循環系統中，某個設備得“流感”，別的設備也會被“傳染”。超臨界二氧化碳發電響應速度快，如何控制好設備間的協同關系，阻斷“流感”的傳播？我們研制并驗證了面向多應用場景，具備多功能、多型式的型譜化樣機，根據設備特性量身定制控制方案，開發出一套綜合動態控制系統，打通了創新技術走向工程應用的全路徑。

前不久，全球首臺商用超臨界二氧化碳發電機組——超碳一號成功商運。作為全球首臺15兆瓦超臨界二氧化碳發電示范機組，相比現役燒結余熱蒸汽發電機組，超碳一號的場地占用減少50%，凈發電量提升50%以上，每年可多發7000余萬度電。如果將其應用于全國的燒結余熱發電機組改造，預計每年可節約標準煤約483萬噸，減少二氧化碳排放約1285萬噸。

助力傳統工業全面綠色轉型的同時，超臨界二氧化碳發電技術正在新型能源體系構建中大展拳腳。

太陽能與風能等新能源具有間歇性和波動性特點，不僅存在棄風、棄光現象，也給電網調度安全帶來挑戰。為破解這一難題，我們啟動了“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發電”示范項目。該項目充分利用風光大基地棄電，將低溫熔鹽加熱至近600攝氏度，儲存熱能；再通過高溫熔鹽驅動超臨界二氧化碳動力循環，將熱能轉化為電能，充分利用超臨界二氧化碳發電技術具有的響應迅速、轉換效率高等優勢，為新型電網提供調峰調頻調慣量的新手段，進一步提升電網運行的穩定性與安全性。

當前，超臨界二氧化碳發電技術已成為全球能源科技攻關的前沿領域。面對日趨激烈的國際競爭，我們必須持續攻關新技術，在保持技術水平國際領先地位的同時，發掘更多應用場景，為傳統工業綠色轉型和能源科技自立自強貢獻力量。