二氧化碳发电技术原理：利用二氧化碳发电

文｜老史

编辑｜老史

你敢相信吗？二氧化碳也能发电，而这项技术就出现在中国。

目前中国首座二氧化碳发电机组在西安开始投入生产，是目前世界最大容量最大的机组。不过这究竟是一项什么样的技术能让二氧化碳发电？我们是否领先西方先进水平？

什么是二氧化碳发电技术？

用二氧化碳发电，你没听错，二氧化碳变废为“宝”了。而这项技术就是利用温室气体来发电的，这听起来可新鲜？您还别说，咱们还真的做成了。

就在今年12月8日，中国华能集团公司自主研发的一套超临界二氧化碳循环发电实验机组完成了72小时的试运行，并开始正式投产。

整套机组的发电功率达到5兆瓦，虽然功率不大，但是这套机组已经是世界容量最大的超临界二氧化碳循环发电机组，而且是100%的国产，一点外国零部件都没有。

其设备内部最高温度可达600℃，最高压力高达20兆帕，堪比一个即将爆发的火山。

不过这套设备要这么高压力和温度究竟是干嘛的？并且该设备是如何利用二氧化碳发电的？为什么咱们中国能率先攻克这项技术，甚至领先美日韩等发达国家？今儿我们就来一探究竟。

二氧化碳发电技术的起源和发展

用二氧化碳发电，这听起来不是骗人的吧？还真不是，目前咱们中国华能西安热工院已经将这项技术投入使用了。

咱们是不是该为华能集团的相关研究人员点个大大的赞。

不过这项技术究竟是如何发电的？在此之前，我向大家隆重介绍一个东西-它就是超临界二氧化碳。这超临界二氧化碳究竟是何物？

要了解超临界二氧化碳，我们就要先知道超临界究竟是什么？

咱们都知道地球上的任何一种物质都有气、液、固三种相态。就拿水来说，有看不见的水蒸气、看得见的液体水，以及冰。

而水有一种状态是既有气态的，也有液态的。因为同时存在二种状态，并且成平衡态共存，所以叫平衡点。

水要达到气液共存的状态就必须是在特殊的环境，当水呈现液、气平衡状态达到的温度和压力叫做临界点。

在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力，水的临界温度和临界压力分别为374℃和21.7MPa。

而二氧化碳的临界温度和压力分别是 31.10 °和7.39 MPa。但是当环境温度和压力高于物质的临界温度和临界压力时的环境，我们称为超临界状态。

当物质达到超临界状态时，气体物资可以像液体一样流动，而液体可以像气体一样被压缩。此刻的气液两相性质非常近似，如同阴阳两极，相辅相成，很难分清气体和液体之间的差别，而超临界的流体比原本的物体的液体状态拥有更好的流动性和热传导性

所以二氧化碳发电技术利用的就是超临界二氧化碳出色的流动性和热传导性，因为超临界状态的二氧化碳比液体水比气态水蒸气更丝滑和柔顺，所以作为工质可将更多热源的热量转化为机械能。

而二氧化碳发电技术的技术原理可以简单理解为把推动蒸汽轮机的水蒸气换成了超临界状态的二氧化碳，利用高温高压的超临界二氧化碳吹动燃气轮机的叶轮产生机械能，而二氧化碳动力循环的好处体现在以下几个方面。

首先是二氧化碳相对比较廉价并且容易获得；其次二氧化碳的高温性质比较稳定，不易燃对金属的腐蚀性弱；最后是二氧化碳动力循环兼具了蒸汽和燃气循环的所有优点，且避免了他们各自的缺点。

所以开发超临界二氧化碳为工质成为了主流国家的研究方向，而对二氧化碳作为循环动力的研究最早可追溯到上世纪40年代，由瑞士的苏尔寿有限公司最先开始，该公司于1775年创立并延续至今，其主要从事的就是机械类产品的加工和制造。

随后美国、意大利、英国、德国、西班牙都开始了以二氧化碳为工质的相关研究，但当时各个国家对叶轮机械的加工技术缺乏经验，且核电等相关技术还没有发展起来，所以关于二氧化碳作为动力循环的研究进展不大。

一直到人类开始普及核电技术，随着蒸汽轮机的发展，人类开始对蒸汽轮机的叶轮加工技术升级改造，有了相关经验，随即继续开始了二氧化碳动力循环的相关研究。不过关于临界二氧化碳动力系统热器的制造一直没有达到理想状态，所以超临界二氧化碳发电系统的研究工作一直未获得实质性进展。

一直到一个名为多斯塔尔的研究人员对布雷顿循环进行了优化，才让超临界二氧化碳的研究工作出现突破。

而这个布雷顿循环原理就是大飞机的涡扇喷气式发动机的原理类似，原理为压缩机压缩空气后进入燃气轮机燃烧室，和燃料混合加热形成高温燃气并进入燃气透平进行膨胀作功。

不过多斯塔尔为了超临界二氧化碳发电系统能进行工作，开发的超临界布雷顿循环则多了不少的部件，主要是由压缩机、透平、发电机、热交换器、回热器和预冷器组成。

而热交换器的热能可来自核反应堆、太阳能、地热能、工业废热、发电燃烧热等多个领域。

这也让超临界二氧化碳发电系统，极有可能在未来代替朗肯循环。而朗肯循环就是蒸汽循环，对高压液体加热形成高压蒸汽吹动蒸汽轮机运动。

煤电、核电都采用朗肯循环，所以朗肯循环的发电设施层一度占据了我们人类发电总量的90%以上。

朗肯循环

不过水蒸气较强的腐蚀性，而且水的临界温度和临界压力远远高于二氧化碳，这意味着未来利用二氧化碳的动力循环会更加节能。

所以美国在2015年就已经制造出功率可达10 MW的EPS100超临界二氧化碳动力系统，在此之前，美国就开始了超临界二氧化碳布雷顿循环系统在核动力船舶的研究工作，目的不言而喻，当然这也很符合美腻坚的调性。

除了美国，韩国对超临界二氧化碳的设备研究也极为超前；爱认爹的昭和男儿 也早已经完成了 300 MW 超临界二氧化碳循环火力发电电厂的系统及关键部件的初步设计；而法国 EDF 公司也完成了捕捉火电二氧化碳联合超临界二氧化碳循环混合火力发电的概念电厂设计。

在当时，我国对这些领域的研究较为落后，那么我们该如何实现逆袭？在未来让中国率先实现“碳中和”呢？

中国能否在二氧化碳发电技术上实现逆袭

二氧化碳发电技术，已经成为大国必争之术。谁能率先掌握这项技术，可以说在未来能源发展占据优势，其原因是这项技术的应用实在太广阔了。

尤其是美国、法国、日本、韩国布局太早，并且都想获得相关技术的主导权，这对我们未来的能源安全形成制约。

为了应对国外的技术封锁，从2014年开始，华能集团就和西安热工院合作，并联合清华大学、西安交通大学、中国科学院电工研究所、中国原子能科学研究院等40家高校、科研院所和龙头企业，成立了中国超临界二氧化碳循环发电技术创新联合体。目的就是为了在未来的二氧化碳发电技术上占据上风。

这项技术真的这么重要吗？不亚于“东风全球快递”对我国的重要性。

因为超临界二氧化碳的特殊性质，尤其是在全循环过程中，二氧化碳一直处于超临界状态，不会发生相变，所以冷却器和管路附件尺寸可以做小。

据论文介绍，因为超临界二氧化碳的密度较大，所以运动时产生的动能会更大，这样的好处是减少压缩机的涡轮级数量，所以临界二氧化碳发电系统相比传统蒸汽发电系统体积可减少一半以上。

目前我国拥有第四代特征的石岛湾核电站采用的是氦作为载热工质，但氦气的密度小，所以压缩机体积大耗功大，从而降低了系统热效率。

为提升氦冷堆系统循环的热效率，必须提高氦气的出口温度，这对我国的材料研究就是个非常高的要求，而材料领域恰恰又是我们的短板。

如果我国第四代核电使用采用超临界二氧化碳布雷顿循环系统就可以很好地解决此类问题。

因为二氧化碳的密度大，压缩机可压缩系数低，压缩机功耗更低，比起氦气发电系统，使用超临界二氧化碳发电系统能将循环热效率提高45％～50％，并大幅减少设备体积。

所以超临界二氧化碳布雷顿循环核电系统成熟以后，非常适合安装在核潜艇、核航母等空间有限的大型军事设备上。

除此之外，超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术，可以从火力发电、冶金、工业废气中捕捉高温二氧化碳，相关设备对回收的二氧化碳进行处理后可以利用超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术转化成机械能，可以进一步提高不可再生能源的利用效率。

这项技术可以帮助我国实现可持续发展、进一步缓解能源紧缺问题，加快我国“双碳”计划的布局。

所以我们的超临界二氧化碳创新联合体，不辞辛苦。历时七年的科研和付出以后，我们终于追赶上了西方国家在这方面的领先优势，这次华能集团的项目成功，充分了我们科研人员的付出和汗水。

因为超临界二氧化碳系统相当于重新设计了一套全新的热力发电技术，其中包括压缩机、锅炉、换热器、透平、干气密封等多个关键装置全部由咱们国家自己设计和制作。核心设备国产化率达到100%，意味着我国在相关技术的研究已经取得领先位置。

超临界二氧化碳循环原理

根据华能集团的计划，未来会对超临界二氧化碳循环发电技术进行下一步的研究，会将超临界二氧化碳循环发电技术与光伏、电热储能、以及核电和火电结合。相信这项技术彻底成熟并且普及之时，中国将有望摆脱能源和全球变暖的困扰。

,