二氧化碳如何化身“发电高手”？全球首台商用超临界二氧化碳发电机组成功商运每年可多发电超7000万千瓦时
利用二氧化碳发电？这听起来或许不可思议，如今已成为现实。
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。
超临界二氧化碳发电技术具有高效率、超紧凑、快响应等优势。美国能源部2017年曾将该技术列为国家能源领域战略性前沿技术第2位，进行长期持续投资；2018年，超临界二氧化碳发电技术入选《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”。截至目前，美政府和企业已投入数亿美元经费，开展工业级验证和示范。
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。
“相比于此前的工艺，‘超碳一号’每年可多发电超7000万千瓦时，发电收入多出3000万元以上。”中国核动力研究设计院“超碳一号”总设计师黄彦平介绍，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1284万吨。
从“烧开水”到烧超临界二氧化碳
从第一次蒸汽发电开始，人类利用“烧开水”获取动力已经有200年历史。随着超临界二氧化碳发电技术的出现，“烧开水”发电迎来质变。
据了解，“超碳一号”主要利用钢铁厂烧结机产生的烟气余热，配合超临界状态下的二氧化碳进行发电，是一种革新型的热电转换技术，具体发电过程可分为压缩、加热、膨胀、冷却四个步骤。
“可以想象为向一个钢铁容器里吹气，随着气体越来越多，容器里的气体密度和压力越来越大，再给容器内部升温，形成高温高压气体。”黄彦平作此比喻，“这个时候，给容器开一个小孔，高温高压气体快速喷出，从而实现推动发电机转动发电。而冲出的气体还可以再被吹进容器，从而重复这个过程。”
热电转换的介质为何选择二氧化碳？
核动力院“超碳一号”科研人员郑若涵向记者介绍，当温度超过31摄氏度、压力升高至73个大气压以上时，二氧化碳会进入一种超临界状态。
“这种状态下的二氧化碳密度接近液体，使得其能储存更多能量，如同一个‘壮汉’，比起传统水蒸气‘肌肉’更多。而且它的黏度很低，接近气体，意味着流动阻力更小。”郑若涵表示，“与液态水和蒸汽的相态变换不同，循环过程中二氧化碳始终处于超临界的单一相态，可直接加热膨胀做功，过程更简单，响应速度更快。”
“总的来说，‘超碳一号’就是把之前的‘烧开水’换成了烧超临界二氧化碳这种能量传递的高效介质，从而实现发电效率的大幅提升。”黄彦平总结称。
数据显示，相比于此前烧结余热蒸汽发电技术，“超碳一号”在发电效率上提升超过85%，年发电量提升50%以上。
据了解，2007年，核动力院开始开展超临界二氧化碳发电技术研究，经过十余年的探索，2023年10月，核动力院与济钢集团国际工程技术有限公司签订了示范工程合同，启动了“超碳一号”示范工程的建设，在贵州六盘水首钢水钢厂区内建设2台15兆瓦超临界二氧化碳余热发电机组，实现了对烟气余热的高效利用。
从余热发电到多场景应用
研究“超碳一号”的过程并非一帆风顺。
据黄彦平介绍，在超临界二氧化碳发电技术的研发过程中，面临着能量传递、二氧化碳密封以及系统动态控制等技术难题。
“那是花钱的十余年。”黄彦平这样形容，为了把超临界二氧化碳各项特性摸清楚、摸透彻，实现发电技术的根本性突破，整个超碳团队依靠国家科研资金和院内项目扶持摸索前行。
“尽管很多人不理解我们在做什么，更不懂二氧化碳发电有什么好研究的，但核动力院没有放弃过，支持我们坐‘冷板凳’。”黄彦平回忆称。
如今，“超碳一号”项目已从实验室走向工程化应用，迈出了产业化关键一步，也让我国的超临界二氧化碳技术在国际上遥遥领先。
“紧随本次项目之后已经有数个钢铁厂等待改造。”黄彦平说，“‘超碳一号’为中小功率规模、中高温热源场景下能源的高效利用提供了颠覆性技术方案，未来可向全国300余套同类机组推广应用。”
除利用钢铁厂烧结机余热进行发电，记者了解到，超临界二氧化碳发电技术还有更加多元的应用场景。
“最典型的是与新能源技术结合，应用于风光等新能源发电与储能等场景。”黄彦平透露。
“太阳能与风能等新能源具有间歇性、波动性等特点，无法像传统能源一样按需调节。”黄彦平介绍，“我们将超临界二氧化碳发电技术与熔盐储能技术结合，用富余的电力把低温熔盐升至高温，当电网发出指令需要用电后，可通过超临界二氧化碳发电技术将热能快速转化为电能。”
“超临界二氧化碳发电响应更快、效率更高，不仅能多发电，还能为电网提供转动惯量，通俗来讲就是能让电网更稳定。”黄彦平表示。
据悉，目前核动力院已启动“熔盐储能+超临界二氧化碳发电”示范工程，并入选国家能源领域第五批首台（套）重大技术装备，预计2028年并网投产。
“这一技术能够有效减少温室气体排放，是加快形成新质生产力与实现绿色低碳循环发展的有机结合。”黄彦平表示，未来，核动力院还将创造更多样的超临界二氧化碳应用场景，助力我国能源结构转型升级。