川观新闻记者 宁宁

以电为代表的能源是人类文明进步的基础和动力。我们所获得的电，70%以上来自传统蒸汽发电技术。这一过程中，水是能量传递和热功转换的工质，但在系统复杂度、效率、响应速度等方面已难以满足新时代需求。于是，科学家们将目光投向了超临界二氧化碳。

正式商运现场 宁宁 摄

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城钢铁（集团）有限责任公司成功商运。这是全球首个超临界二氧化碳余热发电技术“超碳一号”示范工程，相比现役烧结余热蒸汽发电技术，能将发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上。

正式商运现场 宁宁 摄

这种神奇的新技术如何实现更高效的能量转换？川观新闻记者采访了中国核动力研究设计院项目团队。

此前，超临界二氧化碳热功转换关键技术项目成果荣获四川省技术发明奖一等奖。核动力院供图

用“二氧化碳”发电，全球竞逐的新赛道

何为超临界二氧化碳？

我们知道，水有固体、液体以及气体三种相态。随着环境的温度和压力升高，液、气两相相界面消失的状态点就叫临界点，物质超过该临界点后的状态即为超临界态。与水相似，二氧化碳也存在超临界态。“当二氧化碳温度超过31℃，压力升高至73个大气压以上，二氧化碳就会进入超临界状态。”总设计师黄彦平说。

此时，二氧化碳既不是气体也不是液体，却兼具两者的优点，像液体一样具有高密度，又像气体一样具有低粘性、易压缩。经过国内外大量研究，科学家们认为，处于超临界状态的二氧化碳是发电的“天选之子”——相比水，它的“力气”更大，做功能力更强，这也正是它高效搬运能量的基础。

“可将超临界二氧化碳看作能量搬运‘超级快递员’。”团队打了个比方，将其应用到发电系统中只需要经过接单揽件、极速“配送”、“卸货”发电、“返程”冷却四个步骤，即从热源处“揽收”巨大热能、带着热能高速冲向涡轮机、膨胀做功将热能高效转换为电能，以及完成任务冷却后恢复初始状态，在压气机的驱动下继续投入“配送”。“它并不生产能量，而是不断将热能转换为电能，可提高热能利用率，实现更高的发电效率。”

理论正在照进现实。当前，这一颠覆性技术已成为全球竞逐的焦点。

在国外，2015年美国将该技术列为国家能源领域战略性前沿技术，累计投入数亿美元用于开展工业验证和示范，日本、法国、韩国、加拿大、捷克等国也持续跟进。

目前，我国已将该技术列入《“十四五”能源领域科技创新规划》，国内各大高校、研究机构、企业共同参与攻关。

勇闯“无人区”，15年攻坚实现全球领先

新技术意味着从零开始探索。

2009年，团队开始开展超临界二氧化碳动力转换技术研究。当时，该技术在国内处于一片空白，团队面临着设计、制造、试验“三缺”的局面。“没有先例可以参考，得自己筹钱干，还面临着多方面质疑。”尽管如此，黄彦平带领的这支平均年龄30岁左右的团队仍充满信心，“因为我们知道这一技术是可行的。”

超临界二氧化碳热功转换关键技术项目团队。核动力院供图

老办法不能套用到新技术，团队进行了大胆摸索。具体来说，要攻克的难点在于“两机三器”，即技术所用到热源、透平机、压缩机、换热器等关键设备。

首先，换热“压力山大”。黄彦平打了个比方：超临界二氧化碳换热好比一个壮汉在码头背麻袋，壮汉力气大，一次能背好几袋。但问题在于，需要有工具辅助，将重重的麻袋从码头搬到壮汉的肩上。“换热器就是这样的工具，将热源能量传递到工质上。”

然而，当时国内面临技术封锁。黄彦平记得，2017年他前往世界上唯一掌握这一技术的国外企业调研时，对方遮遮掩掩，只拿出个样品，无法窥得丝毫门路。更大的挑战是，当时国内连制造这种特殊换热器的工业母机都没有。

难的还有控制泄漏。由于超临界二氧化碳密度大，要转起来，旋转设备的结构尺寸相比同功率的汽轮机就要小很多，这也对设备的密封性能提出了极高要求。“这一技术同样无人可以咨询。”团队说，要让旋转设备“掌上起舞”更是难上加难。

面对难关，团队勇闯无人区——六七年间不断计算分析、试验，与合作伙伴协同攻关，形成焊接工艺，建成试验台，终于打破了国际垄断，发明了超临界二氧化碳能量传递技术工程化的工业母机，研制验证了多功能多型式的型谱化样机，具备了全系统与微通道换热器、压缩机、透平机等关键设备的成套研制能力。

“通过布雷顿循环，热能可以高效转化为电能，具备效率高、小体积、快响应等优势。”黄彦平说。此后，技术迭代持续加速，2021年团队再创全球首次再压缩型兆瓦级系统满功率发电，全面巩固技术优势。

硬件突破的同时，团队还打造了国际首款基于Modelica的先进核能系统统一建模与分析平台（NUMAP），为技术优化提供了强大的软件支撑。

千亿市场落地开花，多场景赋能绿色转型

谈及全球首台商用超临界二氧化碳发电机组满功率发电，团队介绍，相比传统蒸汽发电技术，优势明显——减少了一半的场地需求，发电效率提升85%以上，净发电量提升50%以上，相当于每年多发7000万度电。

3000多公里外，另一示范项目正在新疆落地——熔盐储热与超临界二氧化碳结合，将形成综合发电技术。“这一发电技术用水量少，对较为干旱缺水的地区很有优势。”团队预计，将于2028年完成示范应用。

此外，该技术还可与各种热源组合成发电系统，在火力、核能、太阳能热、工业余热、地热、生物质等领域发电，构建千瓦级至千兆瓦级等不同功率等级的模块化、智能化发电机组。业内人士估计，当前市场规模已达千亿级，未来有望突破万亿级。

“就全球而言，这一技术才刚起步，竞争颇为激烈，对手赶超速度很快。”黄彦平希望，未来有更多人参与进来，共同攻克共性技术难关，突破瓶颈，发掘更多的应用场景潜力，满足社会对传统工业绿色转型和高效、清洁能源的需求。

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