二氧化碳，一种我们熟知的温室气体，如今成为了一种变革性发电技术的关键载体。12月20日，位于成都的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在贵州六盘水首钢水钢集团成功商运，这也是超临界二氧化碳余热发电技术“超碳一号”的全球示范工程。
相比现役烧结余热蒸汽发电技术，“超碳一号”发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上。
“超碳一号”有助于突破世界范围内中小功率规模、中高温热源高效利用的技术瓶颈，加速形成新质生产力，本次商运也意味着全球首次将超临界二氧化碳发电技术从实验室推向商业落地，标志其向政产学研用结合的技术创新体系迈进。
■“点碳成金”
二氧化碳如何发电？
“超碳一号”是什么？它如何将温室气体“点碳成金”？
中核集团首席科学家、“超碳一号”总设计师黄彦平揭秘——当二氧化碳被加压超过73个大气压、加热超过31℃时，会进入超越气态和液态物质特性的“超临界态”，兼具高密度和低粘度的双重优势，成为发电领域的“超级工质”。“主要目标就是替代传统的水蒸气发电技术，在同样的能源消耗条件下发更多的电。”
黄彦平解释，把超临界二氧化碳送进发电系统里，再通过压缩机和换热器把超临界二氧化碳的压力和温度都升上去，这时候，高温高压的二氧化碳就像充了气的皮球一样，推动机器旋转起来，进而产生电能。“在超临界状态下的二氧化碳既像液体一样密度大，又像气体一样容易被压缩，发电效率也就更高了。”
得益于超临界二氧化碳的物质属性，“超碳一号”具有效率高、系统紧凑、辅助系统少和机动性强的核心优势，且未来有望向更大功率、更高温应用场景拓展。
以首钢水钢为例，通过本次项目改造，采用超临界二氧化碳发电技术进行余热回收，较烧结余热发电行业平均水平，发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上，同时系统简化、设备减少、运维便利，场地需求减少50%。此外，在节能减排方面，如果将这项技术应用于全国的烧结余热改造，预计每年可以节约标准煤约483万吨，减少二氧化碳排放1285万吨以上。“这不仅对钢铁行业产生了深远的影响，同时也为水泥、造纸等其他余热利用行业带来了深刻的技术变革。”黄彦平说。
■技术攻关
走通自主创新之路
“替代传统的水蒸气发电技术”，简单几个字，背后却是数年来艰辛的技术攻关。自2009年起，核动力院开始开展超临界二氧化碳发电技术研究。黄彦平回忆道，研究初期面临诸多质疑与不解：“最早的时候，有人听说用二氧化碳发电，甚至质疑我们是骗子。而后在技术攻关遇到瓶颈时，各种各样的评价也随之而来，那也是最艰苦的阶段。”
困难不仅限于此。2017年，黄彦平团队远赴海外，到当时全球唯一掌握超临界二氧化碳换热器制造技术的公司进行调研，却遭遇严密技术封锁。“他们连车间的门都不让进”。
回来后，黄彦平便潜心钻研、自主攻关，带领着团队进行了一次又一次“从无到有”的突破，经过十余年的艰难探索，攻克了“两机三器一系统”从设计、制造到集成应用的系列关键技术，建立了超临界二氧化碳发电技术研发体系并完成技术验证。
更为重要的是，核动力院在研发过程中集合了东方电气集团、西安交通大学、西北工业大学、清华大学、四川大学等国内优势企业和高校团队，形成了以超临界二氧化碳发电技术为核心的产学研共同体，真正具备了不依赖国外、完全自主的精细设计和成套供货能力。
■拥有“四川基因”
多个领域拥有广阔应用前景
全球首台商用超临界二氧化碳发电机组成功商运，是世界范围内超临界二氧化碳发电技术首次工程化应用。这一“全球首台”的研发地，是位于成都的核动力院。“高科技研究院为我们奠定了科研基础，而成都这座城市本身也具有强大的人才吸引力——就业机会多、生活便利，吸引了来自全国各地的优秀毕业生。”黄彦平表示，“我们核心团队几十人，几乎都来自985高校并拥有博士学位，平均年龄仅35岁左右，是一支非常年轻的队伍。这也是我们能在这一技术上走到全球前列的重要原因之一，既有人力资源的支撑，也有城市环境的支持。”
在黄彦平看来，成都完善的产业基础也为技术研发提供了重要助力。“研发过程中涉及多项关键核心技术，离不开四川和成都本地企业的协作。”他回忆道，最初开展超临界二氧化碳发电技术研究时，相关产业链几乎为零。团队只能一步步向企业解释技术需求，并依托现有工业动力装备制造基础进行共同探索。例如，面对关键设备“压缩机”的问题，联合东方电气参考了燃机技术进行设计。
记者了解到，除了该示范项目，中核集团还于2024年启动了“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2028年完成示范应用。此外，超临界二氧化碳还在光热发电等多个领域拥有广阔应用前景。 （来源：成都商报）