告别“烧开水”：中国首创二氧化碳发电，又一顶落后帽子送给美国

本文作者——迟惑｜《太空探索》杂志专业撰稿人

人类终于可以告别“烧开水”了，这次，是中国人实现的一场“能源革命”。

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，“超碳一号”示范工程，在贵州六盘水的首钢水城钢铁（集团）有限责任公司成功投入商业运行。

这意味着我国赶在欧美前面，率先将超临界二氧化碳发电技术从实验室推向了商业应用，实实在在地实现了从0到1的进步。

相比之下，美国能源部在德克萨斯州建设的超临界转型电力（STEP）试验设施，在2024年实现了首次发电。

但这套设施的既定目标并不是商业运营，而是组件验证、系统行为验证和风险测试，额定功率仅有大约10兆瓦，稳定运行时间非常短，距离商用还远，基本相当于我国在2019年的水平，落后至少五年以上。

而我们“超碳一号”则是由两台15兆瓦的机组构成，全部组件都是按照商业化应用的要求来设计的，可以长时间满功率运转。

“超碳一号”总设计师黄彦平接受采访时明确地说，我们是全球第一个，也是唯一一个实现该技术工业化商业运营的团队，外国想要做到这个水平，至少要五年以后了——具体领先多少年，要看他们什么时候做出来。

如果换在航天领域，那么“超碳一号”就相当于“猎鹰9号火箭”的地位，我们是领跑者，后面都是追赶者。

或者说就像六代机一样，我们又把一顶“落后的帽子”送给了美国，希望他们也拥有更多的“后发优势”。

（全球首台商用超临界二氧化碳发电机组“超碳一号”投入商业运营）

什么是“二氧化碳发电”？

相信大部分网友对“超临界二氧化碳发电”都感到陌生，难道二氧化碳还能用来发电？

实际上这种技术并不是把二氧化碳当作燃料来发电，而是把二氧化碳作为介质，代替水蒸气，推动涡轮机转动，再带动发电机来发电。

那什么是“超临界”呢？要解释这些技术概念，先要了解传统核电厂和火电厂的技术原理。

（火电厂是燃烧煤炭来烧锅炉产生水蒸气，推动涡轮机转动发电）

（核电厂是利用核裂变产生的热量来烧锅炉产生水蒸气，推动涡轮机转动发电）

人类首次建设火电厂已经过去上百年，首次建设核电站也已经有数十年历史，其基本原理都是“烧开水”产生高压水蒸气，再用水蒸气推动涡轮机转动发电。

只不过火电厂是燃烧煤来烧锅炉；而核电厂则是利用反应堆内的核裂变产生热，通过多回路介质把热量引到反应堆外来烧开水。

为了提高发电效率，人们希望推动涡轮转动的高压水蒸气既有很高的密度，又有很低的粘度，因为高密度能更有效地向涡轮叶片传递动能，低粘度能让涡轮叶片转动的阻力更低。

那么怎样做才能实现这个目标呢？

物理学研究发现了物质在固态、液态和气态之外的第四种状态：超临界态。

水在超临界态下会进入“超临界流体”状态，此时水的液态和气态界限消失，变成一种密度极大、能量极高但粘度又很低的“超级流体”。用这种流体推动涡轮机，力量就更足，能量转换效率就更高。

因此我国近些年新建的火力发电厂，基本都是“超临界”机组或者“超超临界”机组。

对水来说，超临界通常指压力在22.1-25 兆帕，温度在 560-580℃的状态；超超临界通常指压力在25-31 兆帕，温度在 580-610℃（甚至更高）。

超超临界机组的发电效率可达 45%以上，而普通亚临界机组只有38% 左右，这意味着发同样的电，超超临界机组能节省 10%-15% 的煤，直接降低了发电成本，同时排放的二氧化碳等物质更少，更加环保。

但是实现水的超临界状态技术门槛极高，必须使用昂贵的镍基合金等特种耐高温材料来制造锅炉和管道，这也是建设成本较高的原因。

这时候，“超临界二氧化碳”就登场了。

“超临界二氧化碳”的极大优势

当二氧化碳被加热到31℃以上、加压到7.38兆帕以上时，就会进入介于气体和液体之间的“超临界”状态，密度极高，流动性极好。

从上面的指标可以看出，二氧化碳超临界态的温度和气压比水的超临界态低多了，因此在整个系统的实现上，有可能大大降低成本，并降低体积和重量。

超临界二氧化碳发电系统的发电效率可以达到50%以上，体积和重量有可能缩小到应用在船舶上。

更有利的是，二氧化碳超临界态的温度几乎就是室温，因此加热做功后冷却下来的二氧化碳所需要的热量小于水，除了可以燃烧各种燃料进行加热以外，甚至可以利用钢铁厂或者其他高能耗工厂的余热来发电。

“超碳一号”，就是利用一座钢铁厂的余热发电，把原本浪费的热量，变成了年产7000万度电的经济效益。

因此，超临界二氧化碳发电系统的应用场景非常广泛。

（超临界二氧化碳发电系统原理图）

超临界二氧化碳发电系统的所有零部件与传统依靠加热水的发电系统都不一样，全部需要重新研制和优化，这就是这种技术发展的困难所在。

中核集团科研团队面临是世界上尚不存在事物，一切都要靠创新，一切都是从0到1。

总有人说中国人不善于从0到1，只善于从1到10，这是西方的偏见和抹黑。我国已经在非常多的工业领域开展自主创新，超临界二氧化碳发电就是从0到1的绝佳案例。

原理都懂，但是能不能做出来，谁都没底。就像谁都知道质能方程，但能造出原子弹的就是没几个。这次，中国人先做出来了。

在去年的12月20日，“超碳一号”正式商业运营。它仅用大约半个篮球场的空间，就能创造惊人的效益，理论年增发电7000余万度，为企业增收超3000万元，而占地面积仅是传统火力发电机组的一半。

经过一段时间的商业运营，该技术必然会在更多的领域推广，利用钢铁、化工、水泥、玻璃等多个传统行业的余热发电，还可以跟核电、光能发电结合。

可以预计，一场大幅度提高发电效率的能源革命即将到来。

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