“超碳”登场，发电不再“烧开水”

来源：光明日报

从首次蒸汽发电至今，人类利用“烧开水”获取电力已有140余年。截至目前，蒸汽发电仍是现代火力发电厂与核电厂的主要发电方式，即便在现役的核动力航母等尖端装备上，同样离不开“蒸汽做功”。难怪网友调侃：人类科技的尽头就是烧开水。

然而，以蒸汽为循环工质的发电技术面临效率瓶颈，而体积大、系统复杂的固有特点又限制了其在中小功率领域的应用。但随着超临界二氧化碳发电技术的出现，“烧开水”发电将迎来质变。

什么是超临界二氧化碳？它有何厉害之处，能胜过发电元老——蒸汽？

物质的常见状态有固、液、气三态，对于二氧化碳而言，当温度超过31℃、压力升高至73个大气压以上时，就会进入超临界状态，此时的二氧化碳既像液体一样密度高，做功能力强，又像气体一样黏度低，流动阻力小。

超临界二氧化碳发电技术就是以超临界态的二氧化碳作为工质，实现从热能到电能的转换。由于超临界二氧化碳工质的特殊物质属性，该发电技术具有高效率的核心技术优势。其理论发电效率可以突破50%。我们的研发经验表明，该技术可填补世界范围内中小功率规模、中高温热源场景的高效发电技术空白，实现节能降碳，推动能源结构的优化和可持续发展。

得益于超临界二氧化碳的独特物性，该发电技术的机组体积小、能量密度高，可有效减少设备数量和体积，有助于模块化集成部署。以我国自主研发的“超碳一号”系统为例，主要设备仅有压气机、膨胀机、冷却器、回热器和热源换热器，机组体积较传统蒸汽发电机组减少一半，且操控简单、运维成本低。更重要的是，超临界二氧化碳发电技术应用范围非常广泛，是光热发电、工业余热利用、新型储能等多个先进能源领域的共性前沿技术。

既然超临界二氧化碳发电有诸多优势，为何蒸汽发电却“独领风骚”百余年？简言之，该技术要实现工业应用存在三大挑战。

首先是热传递难。超临界二氧化碳的表面换热能力较差，只有水的1/3左右，需要采用高比表面积、高承压能力、耐腐蚀性强的换热器来弥补其换热能力不足的短板。这不仅需要设计全新的换热构型，还要解决毫米级薄板的高强度大面积非连续焊接问题。为此，我们采用真空扩散焊工艺，自主研制系列化工业母机——大尺寸扩散焊机，实现了超临界二氧化碳换热设备全国产、型谱化研制，攻克了高效、紧凑换热设备的工程级研制难题。

其次是密封难。发电过程中，高温高压的超临界二氧化碳推动涡轮机高速旋转，要保障它尽可能少地向环境泄漏工质，系统的密封结构必须做到耐高温高压、耐磨损。我们研发了“特种材料+内冷却”专用干气密封技术，通过气流控制建立稳定气隙，解决了这个全球性难题。

最后是控制难。在闭式热力循环系统中，某个设备得“流感”，别的设备也会被“传染”。超临界二氧化碳发电响应速度快，如何控制好设备间的协同关系，阻断“流感”的传播？我们研制并验证了面向多应用场景，具备多功能、多型式的型谱化样机，根据设备特性量身定制控制方案，开发出一套综合动态控制系统，打通了创新技术走向工程应用的全路径。

前不久，全球首台商用超临界二氧化碳发电机组——超碳一号成功商运。作为全球首台15兆瓦超临界二氧化碳发电示范机组，相比现役烧结余热蒸汽发电机组，超碳一号的场地占用减少50%，净发电量提升50%以上，每年可多发7000余万度电。如果将其应用于全国的烧结余热发电机组改造，预计每年可节约标准煤约483万吨，减少二氧化碳排放约1285万吨。

助力传统工业全面绿色转型的同时，超临界二氧化碳发电技术正在新型能源体系构建中大展拳脚。

太阳能与风能等新能源具有间歇性和波动性特点，不仅存在弃风、弃光现象，也给电网调度安全带来挑战。为破解这一难题，我们启动了“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范项目。该项目充分利用风光大基地弃电，将低温熔盐加热至近600摄氏度，储存热能；再通过高温熔盐驱动超临界二氧化碳动力循环，将热能转化为电能，充分利用超临界二氧化碳发电技术具有的响应迅速、转换效率高等优势，为新型电网提供调峰调频调惯量的新手段，进一步提升电网运行的稳定性与安全性。

当前，超临界二氧化碳发电技术已成为全球能源科技攻关的前沿领域。面对日趋激烈的国际竞争，我们必须持续攻关新技术，在保持技术水平国际领先地位的同时，发掘更多应用场景，为传统工业绿色转型和能源科技自立自强贡献力量。

（作者系中核集团首席科学家、中国核动力研究设计院超碳一号总设计师）