川觀新聞記者 寧寧
以電為代表的能源是人類文明進步的基礎(chǔ)和動力。我們所獲得的電，70%以上來自傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電技術(shù)。這一過程中，水是能量傳遞和熱功轉(zhuǎn)換的工質(zhì)，但在系統(tǒng)復(fù)雜度、效率、響應(yīng)速度等方面已難以滿足新時代需求。于是，科學(xué)家們將目光投向了超臨界二氧化碳。
正式商運現(xiàn)場 寧寧 攝
12月20日，全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組在貴州六盤水首鋼水城鋼鐵（集團）有限責任公司成功商運。這是全球首個超臨界二氧化碳余熱發(fā)電技術(shù)“超碳一號”示范工程，相比現(xiàn)役燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)，能將發(fā)電效率提升85%以上，凈發(fā)電量提升50%以上。
正式商運現(xiàn)場 寧寧 攝
這種神奇的新技術(shù)如何實現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換？川觀新聞記者采訪了中國核動力研究設(shè)計院項目團隊。
此前，超臨界二氧化碳熱功轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)項目成果榮獲四川省技術(shù)發(fā)明獎一等獎。核動力院供圖
用“二氧化碳”發(fā)電，全球競逐的新賽道
何為超臨界二氧化碳？
我們知道，水有固體、液體以及氣體三種相態(tài)。隨著環(huán)境的溫度和壓力升高，液、氣兩相相界面消失的狀態(tài)點就叫臨界點，物質(zhì)超過該臨界點后的狀態(tài)即為超臨界態(tài)。與水相似，二氧化碳也存在超臨界態(tài)?！爱敹趸紲囟瘸^31℃，壓力升高至73個大氣壓以上，二氧化碳就會進入超臨界狀態(tài)?！笨傇O(shè)計師黃彥平說。
此時，二氧化碳既不是氣體也不是液體，卻兼具兩者的優(yōu)點，像液體一樣具有高密度，又像氣體一樣具有低粘性、易壓縮。經(jīng)過國內(nèi)外大量研究，科學(xué)家們認為，處于超臨界狀態(tài)的二氧化碳是發(fā)電的“天選之子”——相比水，它的“力氣”更大，做功能力更強，這也正是它高效搬運能量的基礎(chǔ)。
“可將超臨界二氧化碳看作能量搬運‘超級快遞員’。”團隊打了個比方，將其應(yīng)用到發(fā)電系統(tǒng)中只需要經(jīng)過接單攬件、極速“配送”、“卸貨”發(fā)電、“返程”冷卻四個步驟，即從熱源處“攬收”巨大熱能、帶著熱能高速沖向渦輪機、膨脹做功將熱能高效轉(zhuǎn)換為電能，以及完成任務(wù)冷卻后恢復(fù)初始狀態(tài)，在壓氣機的驅(qū)動下繼續(xù)投入“配送”。“它并不生產(chǎn)能量，而是不斷將熱能轉(zhuǎn)換為電能，可提高熱能利用率，實現(xiàn)更高的發(fā)電效率?！?/p>
理論正在照進現(xiàn)實。當前，這一顛覆性技術(shù)已成為全球競逐的焦點。
在國外，2015年美國將該技術(shù)列為國家能源領(lǐng)域戰(zhàn)略性前沿技術(shù)，累計投入數(shù)億美元用于開展工業(yè)驗證和示范，日本、法國、韓國、加拿大、捷克等國也持續(xù)跟進。
目前，我國已將該技術(shù)列入《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，國內(nèi)各大高校、研究機構(gòu)、企業(yè)共同參與攻關(guān)。
勇闖“無人區(qū)”，15年攻堅實現(xiàn)全球領(lǐng)先
新技術(shù)意味著從零開始探索。
2009年，團隊開始開展超臨界二氧化碳動力轉(zhuǎn)換技術(shù)研究。當時，該技術(shù)在國內(nèi)處于一片空白，團隊面臨著設(shè)計、制造、試驗“三缺”的局面?！皼]有先例可以參考，得自己籌錢干，還面臨著多方面質(zhì)疑。”盡管如此，黃彥平帶領(lǐng)的這支平均年齡30歲左右的團隊仍充滿信心，“因為我們知道這一技術(shù)是可行的?！?/p>
超臨界二氧化碳熱功轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)項目團隊。核動力院供圖
老辦法不能套用到新技術(shù)，團隊進行了大膽摸索。具體來說，要攻克的難點在于“兩機三器”，即技術(shù)所用到熱源、透平機、壓縮機、換熱器等關(guān)鍵設(shè)備。
首先，換熱“壓力山大”。黃彥平打了個比方：超臨界二氧化碳換熱好比一個壯漢在碼頭背麻袋，壯漢力氣大，一次能背好幾袋。但問題在于，需要有工具輔助，將重重的麻袋從碼頭搬到壯漢的肩上。“換熱器就是這樣的工具，將熱源能量傳遞到工質(zhì)上?！?/p>
然而，當時國內(nèi)面臨技術(shù)封鎖。黃彥平記得，2017年他前往世界上唯一掌握這一技術(shù)的國外企業(yè)調(diào)研時，對方遮遮掩掩，只拿出個樣品，無法窺得絲毫門路。更大的挑戰(zhàn)是，當時國內(nèi)連制造這種特殊換熱器的工業(yè)母機都沒有。
難的還有控制泄漏。由于超臨界二氧化碳密度大，要轉(zhuǎn)起來，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸相比同功率的汽輪機就要小很多，這也對設(shè)備的密封性能提出了極高要求。“這一技術(shù)同樣無人可以咨詢?！眻F隊說，要讓旋轉(zhuǎn)設(shè)備“掌上起舞”更是難上加難。
面對難關(guān)，團隊勇闖無人區(qū)——六七年間不斷計算分析、試驗，與合作伙伴協(xié)同攻關(guān)，形成焊接工藝，建成試驗臺，終于打破了國際壟斷，發(fā)明了超臨界二氧化碳能量傳遞技術(shù)工程化的工業(yè)母機，研制驗證了多功能多型式的型譜化樣機，具備了全系統(tǒng)與微通道換熱器、壓縮機、透平機等關(guān)鍵設(shè)備的成套研制能力。
“通過布雷頓循環(huán)，熱能可以高效轉(zhuǎn)化為電能，具備效率高、小體積、快響應(yīng)等優(yōu)勢?！秉S彥平說。此后，技術(shù)迭代持續(xù)加速，2021年團隊再創(chuàng)全球首次再壓縮型兆瓦級系統(tǒng)滿功率發(fā)電，全面鞏固技術(shù)優(yōu)勢。
硬件突破的同時，團隊還打造了國際首款基于Modelica的先進核能系統(tǒng)統(tǒng)一建模與分析平臺（NUMAP），為技術(shù)優(yōu)化提供了強大的軟件支撐。
千億市場落地開花，多場景賦能綠色轉(zhuǎn)型
談及全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組滿功率發(fā)電，團隊介紹，相比傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電技術(shù)，優(yōu)勢明顯——減少了一半的場地需求，發(fā)電效率提升85%以上，凈發(fā)電量提升50%以上，相當于每年多發(fā)7000萬度電。
3000多公里外，另一示范項目正在新疆落地——熔鹽儲熱與超臨界二氧化碳結(jié)合，將形成綜合發(fā)電技術(shù)。“這一發(fā)電技術(shù)用水量少，對較為干旱缺水的地區(qū)很有優(yōu)勢。”團隊預(yù)計，將于2028年完成示范應(yīng)用。
此外，該技術(shù)還可與各種熱源組合成發(fā)電系統(tǒng)，在火力、核能、太陽能熱、工業(yè)余熱、地熱、生物質(zhì)等領(lǐng)域發(fā)電，構(gòu)建千瓦級至千兆瓦級等不同功率等級的模塊化、智能化發(fā)電機組。業(yè)內(nèi)人士估計，當前市場規(guī)模已達千億級，未來有望突破萬億級。
“就全球而言，這一技術(shù)才剛起步，競爭頗為激烈，對手趕超速度很快?！秉S彥平希望，未來有更多人參與進來，共同攻克共性技術(shù)難關(guān)，突破瓶頸，發(fā)掘更多的應(yīng)用場景潛力，滿足社會對傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和高效、清潔能源的需求。
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同樣的熱量，發(fā)出更多電；同樣的土地，承載更多可能。這就是科技的進步！
它很“小”，卻能驅(qū)動大未來；它很“新”，卻已照亮千億級市場。
這技術(shù)就像給電找了個“超級跑腿”，讓每份余熱都拼盡全力發(fā)光，原來工業(yè)的硬核心臟也能如此溫柔。
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15年磨一劍，磨出了不簡單！——中國超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)領(lǐng)跑全球，凈發(fā)電量飆升50%以上。這真的是一項不簡單、很了得、了不起的神奇的新技術(shù)！在用“二氧化碳”發(fā)電，全球競逐的新賽道，中國的技術(shù)領(lǐng)跑，將不僅帶給中國、而且也帶給世界以新的希望——極大地滿足社會對傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和高效、清潔能源的需求。
不容易啊，15年攻堅實現(xiàn)全球領(lǐng)先，多少人默默付出才有今天的成果！