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超碳一号:告别“烧开水”的能源革命

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2025年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成功商运,标志着我国自主研发的超临界二氧化碳余热发电技术“超碳一号”正式从实验室走向商业落地。


这一被业内称为“能源领域颠覆性突破”的技术,不仅改写了人类两百年来依赖“烧开水”(蒸汽发电)的传统模式,更为工业低碳转型与“双碳”目标实现提供了全新解决方案。


什么是“超碳一号”?——革新型热电转换技术的核心逻辑

“超碳一号”是由中核集团中国核动力研究设计院牵头,联合济钢集团国际工程技术有限公司、首钢水城钢铁(集团)有限责任公司共同研发的15兆瓦级超临界二氧化碳烧结余热发电系统。其核心创新在于以“超临界二氧化碳”替代水作为循环工质,通过闭式布雷顿循环实现高效热电转换。


所谓“超临界二氧化碳”,是指温度超过31℃、压力升至73个大气压以上时,二氧化碳呈现出的特殊流体状态——既像液体一样密度大、能储存更多能量,又像气体一样粘度低、流动阻力小,被称为“第四态物质”。“超碳一号”总设计师黄彦平形象地解释:“这种状态的二氧化碳就像‘力气大增的壮汉’,能更高效地传递能量,推动发电机旋转发电,且循环过程中不发生相变,从根本上提升了能量转换效率。”


相较于传统蒸汽发电的“烧开水”原理,“超碳一号”的工作流程更为简洁:先将二氧化碳提纯加压至超临界状态,再通过压缩机和换热器进一步提升其压力与温度,高温高压的超临界二氧化碳推动透平旋转发电,做功后的二氧化碳经冷却后循环复用,形成闭环系统。

核心优势何在?——效率与经济性的双重突破

与现役烧结余热蒸汽发电技术相比,“超碳一号”的优势体现在多个维度,其中效率提升最为显著:发电效率提升85%以上,净发电量提升50%以上。对首钢水钢而言,在原有烧结工艺完全不变的情况下,仅通过余热回收系统改造,每年即可多发电7000余万度,增加发电收入近3000万元。


除了效率优势,“超碳一号”还实现了系统的“极致瘦身”:由于超临界二氧化碳的高密度特性,系统所需设备数量大幅减少,辅助系统简化,场地需求直接降低50%,同时运维成本显著下降,具备“系统紧凑、响应速度快、机动性强”的特点。专家测算,若将该技术推广至全国钢铁行业烧结余热改造,每年可节约标准煤约483万吨,减少二氧化碳排放1285万吨以上,环保效益与经济效益同样突出。


十年磨一剑——自主创新的攻关之路

“超碳一号”的成功并非一蹴而就。早在2009年,中核集团核动力院就启动了超临界二氧化碳发电技术研究,历经十余年攻关,逐步攻克了“两机三器一系统”(压缩机、透平机、回热器、冷却器、吸热器及系统集成)的设计、制造与集成应用等系列关键技术。其中,微通道扩散焊换热器的研制打破了国外技术封锁,团队自主研发的全球最长扩散焊工业母机,实现了从原材料到整机检测的全流程国产化;在压缩机透平发电机组方面,攻克了启动设计、推力平衡等难题,实现装备轻量化、小型化,最终形成了完全自主的精细设计和成套供货能力。


研发过程中,核动力院联合东方电气集团、西安交通大学、清华大学等国内优势企业和高校,构建了产学研协同创新体系。2023年5月,核动力院与济钢国际签署合作协议;同年12月,“超碳一号”示范工程正式开工;2025年12月,全球首台商用机组成功商运,完成了从技术验证到商业落地的关键跨越。

不止于余热发电——广阔的应用前景

作为中小功率规模、中高温热源高效利用的颠覆性技术,“超碳一号”的应用场景远不止钢铁行业烧结余热回收。当前,钢铁、水泥、玻璃等传统产业是能源消耗和碳排放的重点领域,大量工业余热被直接排放,“超碳一号”的推广将为这些行业的余热利用带来技术变革。


放眼未来,该技术还可与多种热源组合形成发电系统:在新能源领域,与光热发电结合可提升储能效率;在储能领域,中核集团已启动“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范项目,该项目入选国家能源领域第五批首台(套)重大技术装备,预计2028年完成示范应用,可有效解决风电、光伏等新能源的间歇性、波动性问题,为电网调峰提供支撑;此外,其紧凑、高效的特点还适用于海洋平台、化工等特殊场景。


超临界二氧化碳发电技术早已得到全球认可:美国能源部2017年将其列为国家能源领域战略性前沿技术第二位,2018年入选《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”,我国也将其列入“十四五能源领域科技创新规划”。“超碳一号”的商业落地,不仅标志着我国在该领域实现全球领跑,更首次将超临界二氧化碳发电技术从实验室推向工业化应用,为全球工业低碳转型提供了中国方案。

从“不被理解的概念”到“商业运行的现实”,“超碳一号”的十年攻关之路,是我国能源科技自主创新的生动缩影。在“双碳”目标引领下,这一技术有望成为推动能源结构优化、培育新质生产力的关键引擎,为全球能源革命注入中国力量。

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