不用烧煤炭！“超临界”二氧化碳如何颠覆百年发电方式？

近日，重庆市江增公司自主研制的超临界二氧化碳循环发电关键技术及国际首座5兆瓦机组示范应用项目，荣获2023年国家电力科学技术进步奖一等奖。作为核心关键设备，这一发电机组运用在华能集团研制的世界参数最高、容量最大、效率最优的首座5兆瓦超临界二氧化碳循环发电系统，标志着我国在这一领域的主要技术指标达到国际领先水平。

长期以来，无论是火电煤炭燃烧还是核电核裂变反应等，它们产生的巨大能量都无法直接变为电能，最终都绕不开“烧开水”。强大的热量会将水烧开蒸发为水蒸气，就像水电站的水一样推动蒸汽轮机转动，然后发出电来。而超临界二氧化碳循环发电系统内，流动的不再是水和水蒸气，处于特殊状态的二氧化碳——超临界二氧化碳，通常为气体，并不能直接用来发电。

什么是超临界状态？就是部分物质随着温度和压力的变化，会相应地呈现出固态、液态、气态三种状态。当把处于气态、液态平衡的物质升温升压时，热膨胀引起液体密度减小，压力升高使气液两态的界面消失而呈现非气非液的状态，这一点就称为临界点。如果环境温度和压力高于一种物质的临界点，这时就进入了超临界状态，流体就是超临界流体。

不过，它虽然不是气体、液体，却具有气体、液体的特性，黏度低、密度大，有良好的流动、传质、传热和溶解性能。超临界二氧化碳的临界温度和压力约为31.10℃和7.39兆帕，约相当于73.9个大气压，远远低于水的临界点，比超临界水的获得容易得多，加上能作为超临界流体的化合物性质稳定、无毒、不易燃易爆、价廉而得到广泛发展，这也使它成为超临界发电的最佳媒介物质。

同传统用水做媒介的发电机组相比，超临界二氧化碳循环发电机组有着绝对的优势：在600℃温度下发电效率高3—5%；在同等装机容量情况下体积小，重量也轻得多；碳排放量可减少10%，能减轻有害气体对环境的危害；能在任何负荷下快速启动，深度参与调峰，有利于促进风电、光伏发电等新能源消纳利用；由于二氧化碳的惰性腐蚀性很低，机组的金属部件更加耐用，显著提高工作的连续性和稳定可靠性，同时大大减少检修和部件更换，还让发电系统的设计更加灵活。

超临界二氧化碳发电在很多领域具有良好的应用前景，主要可用于核能、舰船动力、太阳能光热、工业废热利用等方面，并开始取代发电厂的蒸汽涡轮机。超临界二氧化碳发电机组体积小、效率高的优势，对舰船有着举足轻重的应用价值，因为舰船内部空间有限，对船内设备尺寸要求严格。

目前，我国的超临界二氧化碳发电技术装置，已从科研机构、高校的研究和实验阶段发展到商业化的临界点。美国、英国、德国等国家均开展了超临界二氧化碳发电技术的研究，世界上已有多台1—10兆瓦级别的机组处于商业示范运营阶段，更高功率和参数等级的机组正在设计研发。因此，我们相信它的优势和实用性将会给人们带来更加广泛的应用，前景将是光明的。

（作者系湖南省科普作家协会会员）