瓦特的棺材板有點摁不住了。
自從瓦特改良蒸汽機(jī)以來,人類已經(jīng)用燒開水的方式發(fā)了100多年的電,哪怕是核電站,本質(zhì)也是燒開水(蒸汽發(fā)電),用蒸汽推動渦輪。
現(xiàn)在,中國人開始燒二氧化碳發(fā)電了。2025年12月20日,全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組“超碳一號”在貴州六盤水投入運營。
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“超碳一號”發(fā)電機(jī)組丨中核集團(tuán)
從空氣里變出電能,還能商業(yè)化運作,這真的有點魔幻了!
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網(wǎng)友們打出滿屏的問號丨bilibili@央視新聞
超臨界二氧化碳,發(fā)電的天選之子
燒二氧化碳發(fā)電,專業(yè)說法叫二氧化碳工質(zhì)發(fā)電。這當(dāng)然不是在空氣中點一把火那么簡單。我們來抓關(guān)鍵詞:超臨界,二氧化碳。
超臨界,物質(zhì)的奇妙屬性
物質(zhì)的常見狀態(tài)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài),還有個等離子態(tài)(比如火)。超臨界態(tài)則是另一種奇妙的狀態(tài):當(dāng)溫度和壓強(qiáng)超過某個特定值,物質(zhì)會同時具有液體和氣體的特性。
想象一下,氣體分子本來處于一種間隔很遠(yuǎn)、四處亂竄的狀態(tài)。如果加上很高的壓強(qiáng),分子會擠在一起,因為互相吸引,不再像氣體分子一樣四處亂竄,變成了液態(tài);這時如果再加上很高的溫度,分子們又會活躍起來,變成一種緊緊擠在一起、又上躥下跳的狀態(tài)(就是那種五彩斑斕的黑的感覺)。
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圖丨Wikipedia
這種狀態(tài)的物質(zhì),在搞電力的人來看就是遠(yuǎn)勝于水的完美發(fā)電介質(zhì)!
它的密度接近液態(tài),能像水一樣攜帶很多能量用以發(fā)電;它黏度接近氣態(tài),又比水的流動性更好,更容易推動渦輪轉(zhuǎn)起來,減少發(fā)電中的能量損耗;但它又不是真正的液體或氣體,沒有沸點來限制它的形態(tài),因此可以達(dá)到很高的溫度,而溫度越高,發(fā)電效率就越高。
總之一句話,超臨界物質(zhì)發(fā)電,劃算!
為什么是二氧化碳?
在世間萬物中選中二氧化碳,主要是因為把它做成超臨界態(tài)比較容易。
拿我們現(xiàn)在常用的發(fā)電介質(zhì)水來說。
要把水搞到超臨界態(tài),需要的溫度和壓強(qiáng)分別是374攝氏度和22兆帕。要達(dá)到374攝氏度的高溫已經(jīng)很不容易了,22兆帕更是個很高的目標(biāo),相當(dāng)于2000多米深的海底的壓強(qiáng),或者相當(dāng)于在1厘米見方的地方的放一頭獅子。
二氧化碳則好搞定很多,達(dá)到超臨界態(tài)需要的溫度是31攝氏度,這在炎熱的地區(qū)甚至不需要專門做保溫;需要的壓強(qiáng)也只有7.38兆帕,僅僅是水的三分之一。
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二氧化碳相態(tài)變化圖,超臨界態(tài)的面積比較大,意味著比較容易達(dá)到丨張義祥, 林沖, 赫建明, 等. 2024. 頁巖的超臨界二氧化碳壓裂機(jī)理及其優(yōu)勢分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 32(4): 1301-1308. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2022-0538.
要把二氧化碳燒到這個溫度,我們甚至可以用很便宜的熱源:鋼廠的工業(yè)余熱。
這些余熱的溫度在300到600攝氏度之間,作為傳統(tǒng)火電的熱源,溫度相對較低,如果用水作為介質(zhì)發(fā)電的話效率極低,所以過去很難利用,很多都白白浪費了。
這是因為超臨界態(tài)的水在發(fā)電過程中,對溫度、壓強(qiáng)要求都很高,稍微下降就會變回氣態(tài)或液態(tài);二氧化碳的超臨界態(tài)容易達(dá)到且很穩(wěn)定,甚至能在整個發(fā)電循環(huán)中維持。
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工業(yè)生產(chǎn)會產(chǎn)生很多熱能,如果能利用起來會是巨大的寶藏丨wikimedia commons/Alfred T. Palmer
所以,“超碳一號”用工業(yè)余熱來讓二氧化碳達(dá)到超臨界態(tài)、用來發(fā)電,綽綽有余,直接變廢為寶!
并且,超臨界二氧化碳,還可以讓發(fā)電設(shè)備更少更緊湊,不僅節(jié)省了投資成本,還避免了能量散失。
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全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組三維示意圖丨中核集團(tuán)
那兩個字怎么說來著?劃算!
以后我們不用燒開水發(fā)電了嗎?
發(fā)電能燒二氧化碳了,但開水還是要繼續(xù)燒的。
比起蒸汽發(fā)電的傳統(tǒng)火電來說,在使用較低溫的工業(yè)余熱發(fā)電領(lǐng)域,二氧化碳工質(zhì)發(fā)電可以更高效地利用能源,效率更優(yōu);但在使用高溫的化石燃料熱源發(fā)電領(lǐng)域,二者效率相差不多,二氧化碳工質(zhì)發(fā)電不存在全方位的優(yōu)勢。
此外,蒸汽發(fā)電目前依然是主流的發(fā)電方式,它龐大的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)慣性,也會讓它長期作為電力系統(tǒng)的壓艙石。
石破天驚的二氧化碳工質(zhì)發(fā)電不是獨霸天下,而是有更適合自己的位置。
因為發(fā)電系統(tǒng)布局緊湊、效率高,二氧化碳工質(zhì)發(fā)電更可能用到一些空間有限的場景,比如海上油井、大型船舶,實現(xiàn)小小身形大大能量。
又因為發(fā)電功率調(diào)節(jié)速度快、范圍廣,二氧化碳工質(zhì)發(fā)電發(fā)電可以完美配合出力十分不穩(wěn)定的新能源發(fā)電,實現(xiàn)電力的穩(wěn)定供應(yīng),主打一個滿分僚機(jī)。
目光再遠(yuǎn)一些,二氧化碳工質(zhì)發(fā)電可能還會用到更多“變廢為寶”的場景里,不僅僅是工業(yè)余熱,其他的光熱發(fā)電、生物質(zhì),甚至未來的核聚變技術(shù)產(chǎn)生的余熱,也能通過二氧化碳工質(zhì)發(fā)電的方式變?yōu)殡娏Α?/p>
Guokr
說到最后,聊點最貼近生活的:貴州的朋友聽音樂時,能從音質(zhì)里聽出火電的燥、水電的潮,以及二氧化碳電的氣泡嗎?
作者:藍(lán)巾
編輯:李小葵
題圖來源:中核集團(tuán)
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