中國儲能網(wǎng)訊：二氧化碳如何化身“發(fā)電高手”？
全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組成功商運每年可多發(fā)電超7000萬千瓦時
利用二氧化碳發(fā)電？這聽起來或許不可思議，如今已成為現(xiàn)實。
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鋼集團成功商運，這也是超臨界二氧化碳余熱發(fā)電技術“超碳一號”的全球示范工程。
▲全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組廠房外景
超臨界二氧化碳發(fā)電技術具有高效率、超緊湊、快響應等優(yōu)勢。美國能源部2017年曾將該技術列為國家能源領域戰(zhàn)略性前沿技術第2位，進行長期持續(xù)投資；2018年，超臨界二氧化碳發(fā)電技術入選《麻省理工科技評論》“全球十大突破性技術”。截至目前，美政府和企業(yè)已投入數(shù)億美元經(jīng)費，開展工業(yè)級驗證和示范。
本次商運也意味著全球首次將超臨界二氧化碳發(fā)電技術從實驗室推向商業(yè)落地。
“相比于此前的工藝，‘超碳一號’每年可多發(fā)電超7000萬千瓦時，發(fā)電收入多出3000萬元以上。”中國核動力研究設計院“超碳一號”總設計師黃彥平介紹，如果將這項技術應用于全國的燒結余熱改造，預計每年可以節(jié)約標準煤約483萬噸，減少二氧化碳排放1284萬噸。
從“燒開水”到燒超臨界二氧化碳
從第一次蒸汽發(fā)電開始，人類利用“燒開水”獲取動力已經(jīng)有200年歷史。隨著超臨界二氧化碳發(fā)電技術的出現(xiàn)，“燒開水”發(fā)電迎來質(zhì)變。
據(jù)了解，“超碳一號”主要利用鋼鐵廠燒結機產(chǎn)生的煙氣余熱，配合超臨界狀態(tài)下的二氧化碳進行發(fā)電，是一種革新型的熱電轉換技術，具體發(fā)電過程可分為壓縮、加熱、膨脹、冷卻四個步驟。
“可以想象為向一個鋼鐵容器里吹氣，隨著氣體越來越多，容器里的氣體密度和壓力越來越大，再給容器內(nèi)部升溫，形成高溫高壓氣體。”黃彥平作此比喻，“這個時候，給容器開一個小孔，高溫高壓氣體快速噴出，從而實現(xiàn)推動發(fā)電機轉動發(fā)電。而沖出的氣體還可以再被吹進容器，從而重復這個過程?！?/span>
熱電轉換的介質(zhì)為何選擇二氧化碳？
▲全球首臺商用超臨界二氧化碳發(fā)電機組三維示意圖
核動力院“超碳一號”科研人員鄭若涵向記者介紹，當溫度超過31攝氏度、壓力升高至73個大氣壓以上時，二氧化碳會進入一種超臨界狀態(tài)。
“這種狀態(tài)下的二氧化碳密度接近液體，使得其能儲存更多能量，如同一個‘壯漢’，比起傳統(tǒng)水蒸氣‘肌肉’更多。而且它的黏度很低，接近氣體，意味著流動阻力更小?！编嵢艉硎荆芭c液態(tài)水和蒸汽的相態(tài)變換不同，循環(huán)過程中二氧化碳始終處于超臨界的單一相態(tài)，可直接加熱膨脹做功，過程更簡單，響應速度更快?！?/span>
“總的來說，‘超碳一號’就是把之前的‘燒開水’換成了燒超臨界二氧化碳這種能量傳遞的高效介質(zhì)，從而實現(xiàn)發(fā)電效率的大幅提升?！秉S彥平總結稱。
數(shù)據(jù)顯示，相比于此前燒結余熱蒸汽發(fā)電技術，“超碳一號”在發(fā)電效率上提升超過85%，年發(fā)電量提升50%以上。
據(jù)了解，2007年，核動力院開始開展超臨界二氧化碳發(fā)電技術研究，經(jīng)過十余年的探索，2023年10月，核動力院與濟鋼集團國際工程技術有限公司簽訂了示范工程合同，啟動了“超碳一號”示范工程的建設，在貴州六盤水首鋼水鋼廠區(qū)內(nèi)建設2臺15兆瓦超臨界二氧化碳余熱發(fā)電機組，實現(xiàn)了對煙氣余熱的高效利用。
從余熱發(fā)電到多場景應用
研究“超碳一號”的過程并非一帆風順。
據(jù)黃彥平介紹，在超臨界二氧化碳發(fā)電技術的研發(fā)過程中，面臨著能量傳遞、二氧化碳密封以及系統(tǒng)動態(tài)控制等技術難題。
“那是花錢的十余年。”黃彥平這樣形容，為了把超臨界二氧化碳各項特性摸清楚、摸透徹，實現(xiàn)發(fā)電技術的根本性突破，整個超碳團隊依靠國家科研資金和院內(nèi)項目扶持摸索前行。
“盡管很多人不理解我們在做什么，更不懂二氧化碳發(fā)電有什么好研究的，但核動力院沒有放棄過，支持我們坐‘冷板凳’?！秉S彥平回憶稱。
▲超臨界二氧化碳發(fā)電技術實驗裝置
如今，“超碳一號”項目已從實驗室走向工程化應用，邁出了產(chǎn)業(yè)化關鍵一步，也讓我國的超臨界二氧化碳技術在國際上遙遙領先。
“緊隨本次項目之后已經(jīng)有數(shù)個鋼鐵廠等待改造?！秉S彥平說，“‘超碳一號’為中小功率規(guī)模、中高溫熱源場景下能源的高效利用提供了顛覆性技術方案，未來可向全國300余套同類機組推廣應用?！?/span>
除利用鋼鐵廠燒結機余熱進行發(fā)電，記者了解到，超臨界二氧化碳發(fā)電技術還有更加多元的應用場景。
“最典型的是與新能源技術結合，應用于風光等新能源發(fā)電與儲能等場景?！秉S彥平透露。
“太陽能與風能等新能源具有間歇性、波動性等特點，無法像傳統(tǒng)能源一樣按需調(diào)節(jié)?！秉S彥平介紹，“我們將超臨界二氧化碳發(fā)電技術與熔鹽儲能技術結合，用富余的電力把低溫熔鹽升至高溫，當電網(wǎng)發(fā)出指令需要用電后，可通過超臨界二氧化碳發(fā)電技術將熱能快速轉化為電能?！?/span>
“超臨界二氧化碳發(fā)電響應更快、效率更高，不僅能多發(fā)電，還能為電網(wǎng)提供轉動慣量，通俗來講就是能讓電網(wǎng)更穩(wěn)定?！秉S彥平表示。
▲超臨界二氧化碳發(fā)電技術研發(fā)團隊
據(jù)悉，目前核動力院已啟動“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范工程，并入選國家能源領域第五批首臺（套）重大技術裝備，預計2028年并網(wǎng)投產(chǎn)。
“這一技術能夠有效減少溫室氣體排放，是加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力與實現(xiàn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展的有機結合?！秉S彥平表示，未來，核動力院還將創(chuàng)造更多樣的超臨界二氧化碳應用場景，助力我國能源結構轉型升級。
