二氧化碳“燒”出高效電，中國團隊攻克世界級難題

這里是位于貴州六盤水的首鋼水城鋼鐵廠2×15兆瓦燒結余熱發電機組，從外表看，與其他燒結余熱發電機組并無太大差別，實際上卻有天壤之別，它首次采用超臨界二氧化碳作為熱力循環介質實現高效發電，是全球首臺商用超臨界二氧化碳發電機組，被命名為“超碳一號”示范工程。

黃彥平：我們是國際上唯一能把機組做到滿發長期穩定可靠運行的團隊，“超碳一號”也是全球第一次，能夠把它工業化商運的團隊。

記者：領先別人多少？

黃彥平：明確的是五年。

黃彥平：超臨界二氧化碳發電技術，是現在21世紀發電技術的最前沿。如果我們處于領先地位，中國能夠把超臨界二氧化碳發電技術，一直保持在領先地位。

目前，在工業余熱發電、火力發電，包括核電等傳統發電領域，主流技術是蒸汽機發電，采用水作為熱力循環介質，把水燒成蒸汽后推動汽輪機發電。而超臨界二氧化碳發電技術是將燒開水改為燒超臨界二氧化碳，對超臨界二氧化碳加溫加壓，推動渦輪機發電。

黃彥平：這個圖基本上就是，現在我們所有做動力構型的構圖。

記者：從哪開始？

黃彥平：一般就是熱源，在“超碳一號”里頭，它就是煙氣換熱器。

黃彥平：就是余熱，二氧化碳在管子里面走，它在管子外頭加熱，把二氧化碳加熱就好了。

記者：二氧化碳從哪到哪？

黃彥平：二氧化碳從加熱到吸熱，進了透平機，它就釋放了能量，推動渦輪機轉動之后帶電機發電。

超臨界二氧化碳發電技術具有效率高、體積小、響應快、節能環保等顛覆性優勢。以“超碳一號”示范工程為例，設備場地僅占原蒸汽發電機組的一半，但發電效率提升85%以上，凈發電量提升50%以上。諸多優勢，加上能夠突破傳統發電技術的場景局限，這項全新的發電技術在傳統發電、新能源儲能，以及有特殊要求的發電領域有著廣泛的應用前景。

黃彥平與超臨界二氧化碳發電技術結緣始于2009年，在一次專題研討會上，他收到了我國核動力領域資深專家孫玉發院士托人遞來的一張手寫的紙條，提到超臨界二氧化碳發電技術具有研究潛力，可以深入探索。當時，作為中國核動力研究設計院核心科研帶頭人，黃彥平主攻第四代核電技術超臨界水冷堆的研究。

在世界范圍內，超臨界二氧化碳發電的理論基礎形成于20世紀中后期。21世紀初，隨著能源效率提升的迫切需求，該技術構想才逐步聚焦于發電應用。在黃彥平帶領團隊著手研究超臨界二氧化碳發電技術的時候，這個技術的工程化還是一片空白。

黃彥平：我前面花了三年的時間。我深度研究過，它從熱能動力基礎理論來講，肯定是走得通的。第一個是換熱技術，這個換熱技術不攻克，不做這種大型的換熱裝備，這型動力是走不下去的。

超臨界二氧化碳發電技術雖優勢顯著，但也存在核心短板，那就是系統的回熱量大，但二氧化碳換熱能力差，僅為水的1/3左右，要想實現高效發電，必須確保有足夠的換熱面積。為此，研制一款具有超大換熱面積，同時滿足耐壓、耐腐蝕等多重要求的換熱器成為關鍵，而研制這種新型的換熱器，必須依靠一種真空擴散焊機，起初，團隊找遍了國內廠家，沒有一家能夠造出來。

黃彥平：2016年為了快速推進原理機的落地，我們也去采購過，在英國買了一臺設備回來，只是用他的擴散焊機給我焊一個設備，超貴，但是從那以后，別人就告訴我，再沒有設備賣給你了。那一次刺激到我們了，我們團隊說怎么辦，只有自己干。后來我們在西工大找到一個老師，材料的焊接專家，我說我要焊這么個東西，用這么一個原理做不做得出來，他說理論上講是做得出來的。我還是非常感謝早期跟我合作的這些專家，我們都希望，國內有更多的團隊來共同開發，像這種新技術干的人越多越好。

黃彥平：因為這個技術，可能在很多場景都可以用，假如說這項技術有很多人都在干，可能有一個聰明人，想到一個高招，他也會驅動這個技術往前發展的，所以說得最簡單點，叫抱團取暖。因為人多了，這個技術大家認同度就高了，就不會像2013年我說超臨界二氧化碳發電，別人說你是神經病，二氧化碳不就是排放氣體嗎？怎么可能讓你發電，這很簡單，至少沒人質疑我這個問題了，那個東西是真可以發電，真是國際的前沿。

歷時7年，在有限的科研經費支撐下，黃彥平帶領團隊完成了基礎理論研究和試驗平臺的搭建，2016年超臨界二氧化碳發電技術進入實驗室測試階段。

2019年初，超臨界二氧化碳發電技術進入最為關鍵的實驗室小規模發電驗證階段，接連不斷的失敗，讓黃彥平經歷了他科研生涯最為煎熬的一段時光。

黃彥平：很可能前面砸的很多錢都浪費了，所以當時我壓力非常大，頭發白成這樣，基本上是這件事情折騰的。后面，我都已經有點扛不住，感覺好像前功盡棄了，前面折騰這七八年都沒有希望了。

讓黃彥平至今記憶猶新的是，2019年10月的某個凌晨，正在北京出差的他接到了實驗室團隊負責人打來的電話。

黃彥平：那時候我手是抖的，接了電話，什么話都沒有，直接給我來句，成了。當時房間里是三點多鐘，都蒙的，他就把電話掛了。掛了之后，后來我好像清醒了又給他打過去，我說什么？那時候大廳里頭很多人都哭了，太難了。后來我趕緊去機場，買了最早的航班，回來因為我們隔得近，就直接到實驗室，我一看滿功率了之后還挺好，操作運行得非常穩定。我們就上報了，那是國際上第一個把這個機器跑通了的。

黃彥平帶領團隊成功實現兆瓦實驗室級超臨界二氧化碳系統滿功率穩定發電，這標志著我國在該技術實驗室階段取得了重要突破。

黃彥平：我們這個技術做出來之后，國際上很快就知道了。知道了之后對做這些技術的同行來講，它最大的好處是一種精神的支撐。因為像這種新技術，如果沒有一個人在前面把它做出來，沒有這種非常實際落地的話，很多搞科研的人心里會有點慌。

超臨界二氧化碳發電技術在世界上逐漸受到重視，2017年被美國列為國家能源領域戰略性前沿技術第2位。后來，超臨界二氧化碳發電技術也被列入我國《“十四五”能源領域科技創新規劃》，成為國家重點推進的前沿能源技術之一。

黃彥平：后來也有很多專家質疑說，你長期運行穩定可靠性怎么樣？我說唯一的辦法就做一款機器，讓它一直跑。這臺機器一天的水電費接近20萬。

巨額的費用，讓后續的驗證試驗舉步維艱。2022年8月，事情迎來了轉機，濟鋼國際董事長高忠升前來尋求商業合作。

黃彥平：很多人都不愿意當第一個吃螃蟹的人，他來了之后，我就問他三個問題，你們認為我這是個新技術嗎？你有錢嗎？你有廠址嗎？我說這三個缺一個都不行。

與濟鋼國際的合作一拍即合，2023年底，將超臨界二氧化碳發電技術應用于鋼鐵廠燒結余熱發電的“超碳一號”示范工程在首鋼水城鋼鐵廠破土動工。

歷經兩年的艱辛，“超碳一號”示范工程商業運行成功，企業通過該項目每年可多發7000余萬度電，發電收入多出近三千萬元。

黃彥平：我現在通過“超碳一號”工程化的過程，才徹徹底底把這項技術從原理到工程應用全串起來。在實驗室做這么大的規模，肯定不是一兩個億的事，但是電廠要發電，肯定就要一直跑，這樣相當于，我就用別人的余熱又給別人發了電，他們賺了電的錢，我這個系統也可以驗證。連續運行3000小時也沒問題，不就好了嗎。就相當于實驗室的科研工作，已經邁出了實驗室，在工業場景做了很多工程化的實驗。

原標題：《二氧化碳“燒”出高效電，中國團隊攻克世界級難題》

欄目主編：張武

文字編輯：高飛

本文作者：央視新聞客戶端