走近大国重器丨用二氧化碳发电

用二氧化碳发电

——探访“超碳一号”示范工程

重要论述：

在新时代科技事业发展实践中，我们不断深化规律性认识，积累了许多重要经验。主要是：坚持党的全面领导，坚持走中国特色自主创新道路，坚持创新引领发展，坚持“四个面向”的战略导向，坚持以深化改革激发创新活力，坚持推动教育科技人才良性循环，坚持培育创新文化，坚持科技开放合作造福人类。这些经验必须长期坚持并在实践中不断丰富发展。

二氧化碳怎么可能发电？这样的质疑，中核集团首席科学家、“超碳一号”总设计师黄彦平已记不清在过去的十几年间听过多少次。

二氧化碳真的用来发电了！2025年12月20日，由中核集团中国核动力研究设计院研发的全球首台商用超临界二氧化碳发电机组，也是超临界二氧化碳发电技术“超碳一号”的全球示范工程，在贵州六盘水首钢水城钢铁（集团）有限责任公司成功投入商业运行。这是全球首次将超临界二氧化碳发电技术从实验室推向商业应用，我国在这一领域实现领跑。

“超碳一号”示范工程厂房外景。中核集团供图

二氧化碳用来发电，具有巨大优势。同样应用场景下，相比蒸汽余热发电技术，“超碳一号”能提高发电效率85%以上，提高净发电量50%以上。同时，还具有系统简化、设备减少、运维便利、场地面积减少50%等优点。如今，随着商运成功，相关科技成果的推广应用也在加速。

用二氧化碳如何发电？“领跑”的背后，研发团队在自主创新的路上闯过了哪些难关？记者采访了中核集团核动力院“超碳一号”研发团队。

“这条路，走得通”——

勇闯“无人区”，从零开始探索，让废弃余热变身清洁电能

在首钢水钢的厂区内，“超碳一号”示范工程正稳定运行，将钢铁烧结（通过高温处理，使矿粉、颗粒状物料等致密化并形成固体的工艺过程）生产线排放的余热，转化为清洁电能。

从外观看，这台发电机组似乎与传统的烧结余热发电机组差别不大。本质区别在于，它的热力循环工质是超临界二氧化碳，也就是人们所说的“用二氧化碳发电”，而不是用蒸汽发电。

蒸汽发电技术在工业余热发电、火力发电以及核电等传统发电领域应用广泛，其原理类似于“烧开水”——热量将水变为水蒸气，推动汽轮机的叶片高速旋转，带动发电机转动发电。但这一技术诞生百余年后，在效率、响应速度等方面已难以满足时代发展需求。

“超碳一号”的出现带来了重大变革。黄彦平说：“以后我们不用‘烧开水’了，‘烧’二氧化碳，确切地说是‘烧’超临界二氧化碳。”

超临界二氧化碳怎么“烧”？研发团队介绍，大体分为压缩、加热、膨胀、冷却四个步骤。听上去并不复杂，那么高效发电的奥秘在哪？就在“超临界”上。

物质的常见状态有固、液、气三态，但当物质所处的温度高于其临界温度、压力高于其临界压力时，就进入了超临界态。“当温度超过31℃、压力升高至73个标准大气压以上，二氧化碳就会进入超临界态。”黄彦平解释，超临界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度。

研发团队成员郑若涵将超临界二氧化碳比作搬运能量的“超级快递员”：“在发电系统中，它从热源处‘揽收’热能，带着热能高速冲向透平机，膨胀做功将热能高效转换为电能，完成任务冷却后恢复初始状态，继续投入‘配送’。它不断将热能转换为电能，提高热能利用率和发电效率。”

事非经过不知难，成如容易却艰辛。把看似简单的原理运用于实践，经历了一段艰苦探索。

2009年，黄彦平在一次专题研讨会上收到了中国工程院院士孙玉发托人递来的一张纸条，上面提到了超临界二氧化碳发电技术。

“超碳一号”示范工程主控室。中核集团供图

“国家有需求，研究有潜力，国外有人在尝试。我要不要带个团队试试？”黄彦平回忆道，回答是肯定的。

但要“试试”谈何容易！黄彦平以前主要研究第四代核电技术超临界水冷堆。同属超临界态，超临界二氧化碳却与超临界水完全不同，这是他从未接触过的陌生领域。在世界范围内，关于这一前沿领域的公开研究资料极少，而且多数停留在理论阶段，缺少深度基础研究，技术工程化是一片空白。

“前后左右都没有人，真的是‘无人区’，没有经验可参考，完全从零开始。”黄彦平从研究超临界二氧化碳的物性着手，花了三年时间研究基本原理，弄清楚了“为什么要选择超临界二氧化碳，而不是超临界态的其他气体或者水”。“这条路，走得通！”他带领团队向着技术工程化落地开始艰难探索。

“咬住牙，自己干”——

从一颗螺丝钉开始，攻克系列关键技术，实现全产业链自主可控

研究基础技术理论，搭建试验平台，进行技术验证，研发团队要闯过一个又一个关卡。令他们印象深刻的，是“一封二控三传递”。

封，指的是密封。高温高压状态下的超临界二氧化碳，在高速旋转的转轴间隙如何尽量减少泄漏？密封结构必须既耐高温又耐磨损。研发团队以一种独特的密封结构，解决了这个全球性难题。“关键的密封材料，是大家在食堂吃饭的时候聊出来的。”研发团队成员刘旻昀介绍，黄彦平喜欢把大家拉在一起聊天，聊的内容合理就立刻投入实验。

控，则是控制系统。超临界二氧化碳发电技术通过构建闭式循环实现高效稳定做功，设备与设备之间连接紧密。黄彦平这样形容：“如果一个设备‘感冒’了，另一个也会‘感冒’。”为阻止“感冒”，研发团队在开展基础科研时便把能想到的问题串起来，用近十年时间开发出一套综合动态控制系统。

传递，则是指热量的传递。超临界二氧化碳要搬运热量，需要外力——换热器来帮忙把热量“放”到身上。全新的热力循环工质需要全新设计的换热器，但他们连用来焊接换热器的工业母机都需要从头研发，为此花了六七年时间。

“当时国内没有厂家能制造，到国外采购，对方连看都不让看，过了一年还禁运了。”黄彦平说，“面对技术封锁怎么办？只能咬住牙，自己干！”

每一个难题的解决都无经验可循。2016年，超临界二氧化碳发电技术进入实验室测试阶段。在最为关键的实验室小规模发电验证阶段，接连不断的失败，让研发团队倍感压力。“当时团队成员开玩笑，说我一去现场机器就出故障，不让我去。”黄彦平说，其实有故障说明问题还在，得想办法把它“跑通”。一天凌晨，正在北京出差的他接到了实验室团队负责人打来的电话。“成了！”研发团队在全球首次实现兆瓦级超临界二氧化碳简单循环发电系统满功率稳定运行！

“超碳一号”示范工程设备厂房内。中核集团供图

就这样，从一颗螺丝钉开始研发工业母机，研发团队攻克了“两机三器（透平机、压缩机、换热器、回热器、冷却器等关键设备）一系统”从设计、制造到集成应用的一系列关键技术，建立了超临界二氧化碳发电技术研发体系，完成了技术验证，直至实现全产业链自主可控。

“仰望星空，脚踏实地。我们团队一直坚持‘理论指导下的技术发明和工程创新’，以问题为导向，依靠自主创新，扎扎实实解决一个个问题，向着工程化的目标前进。”黄彦平说。

科技创新靠人才。艰难的探索之路，也是一批青年科技人才迅速成长之路。研发团队建立之初，加上黄彦平只有四人。“一起战斗”的创新精神、“谁说的对就听谁的”的创新氛围……研发团队吸引了大批人才，队伍不断壮大。

“持续向前跑，才能保持领跑”——

从实验室出发，迈向更多应用场景，助力实现“双碳”目标

我国《“十四五”能源领域科技创新规划》将超临界二氧化碳发电技术列为集中攻关重点任务之一；国务院印发的《“十四五”节能减排综合工作方案》，提到“重点行业绿色升级工程”，涉及钢铁、有色金属、建材、石化化工等行业。

乘着政策的东风，研发团队加速推进成果走出实验室，走向工程化应用。

2022年夏天，济钢集团国际工程技术有限公司（简称“济钢国际”）负责人来到核动力院寻求合作，想将公司的烧结余热发电技术与超临界二氧化碳发电技术结合，用在钢铁厂的余热回收利用上。双方很快达成初步合作意向。2023年，由核动力院与济钢国际、首钢水钢共同推进的全球首套2×15兆瓦超临界二氧化碳烧结余热发电工程启动。项目计划建设2台15兆瓦发电机组，“超碳一号”示范工程正是其中一台。

如今，“超碳一号”示范工程已连续稳定运行一个多月。按照规范化的操作规程，日常只需两三个人值守运维。运行情况好到超出预期，经济效益、生态效益也非常可观。在原来发电基础上，这台机组每年可多发7000余万度电，发电收入增加近3000万元，减少碳排放数万吨。

“超碳一号”的推广应用正在加速。2026年1月23日，一场超临界二氧化碳工质高效发电技术科技成果对接会在山东举行。一批钢铁、化工企业将通过应用这一科技成果，加快绿色低碳高质量发展。

中核集团核动力院超临界二氧化碳发电技术研发团队。中核集团供图

“我们在超临界二氧化碳发电技术方面，领先其他团队5年，实现了领跑。”黄彦平进一步解释“领跑”，“一是我们在国家支持下，通过基础科研、实验室验证到商运落地，在全球首次‘全部跑通’；二是我们的突破能给其他团队起到引领作用，会吸引更多人参与研究；三是我们要持续向前跑，才能保持领跑。‘超碳一号’只是我们在超临界二氧化碳发电技术中一个已落地的技术型号，接下来我们将研究更多应用场景，实现更多突破，进行模块化推广。”

超临界二氧化碳发电技术可与各种热源组合成发电系统，除了工业余热发电领域，还能应用在火力、核能发电以及风光发电与储能等领域，构建不同功率等级的模块化、智能化发电机组，助力实现“双碳”目标。

实际上，更多的应用场景早已在进行中。中核集团2024年启动的50兆瓦“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范项目已入选国家能源领域第五批首台（套）重大技术装备，预计将于2028年完成示范应用。

“超临界二氧化碳发电技术刚起步，全球竞争颇为激烈，对手赶超起来速度很快。”黄彦平表示，希望未来有更多人参与，共同攻克共性技术难关，发掘更多应用场景潜力，满足社会对传统工业绿色转型和高效、清洁能源的需求。（本报记者 初英杰 通讯员 王博尔）