中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：二氧化碳如何化身“發(fā)電高手”？
全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組成功商運(yùn)每年可多發(fā)電超7000萬(wàn)千瓦時(shí)
利用二氧化碳發(fā)電？這聽(tīng)起來(lái)或許不可思議，如今已成為現(xiàn)實(shí)。
12月20日，全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組在貴州六盤水首鋼水鋼集團(tuán)成功商運(yùn)，這也是超臨界二氧化碳余熱發(fā)電技術(shù)“超碳一號(hào)”的全球示范工程。
▲全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組廠房外景
超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)具有高效率、超緊湊、快響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)。美國(guó)能源部2017年曾將該技術(shù)列為國(guó)家能源領(lǐng)域戰(zhàn)略性前沿技術(shù)第2位，進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)投資；2018年，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)入選《麻省理工科技評(píng)論》“全球十大突破性技術(shù)”。截至目前，美政府和企業(yè)已投入數(shù)億美元經(jīng)費(fèi)，開(kāi)展工業(yè)級(jí)驗(yàn)證和示范。
本次商運(yùn)也意味著全球首次將超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向商業(yè)落地。
“相比于此前的工藝，‘超碳一號(hào)’每年可多發(fā)電超7000萬(wàn)千瓦時(shí)，發(fā)電收入多出3000萬(wàn)元以上?！敝袊?guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院“超碳一號(hào)”總設(shè)計(jì)師黃彥平介紹，如果將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于全國(guó)的燒結(jié)余熱改造，預(yù)計(jì)每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約483萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放1284萬(wàn)噸。
從“燒開(kāi)水”到燒超臨界二氧化碳
從第一次蒸汽發(fā)電開(kāi)始，人類利用“燒開(kāi)水”獲取動(dòng)力已經(jīng)有200年歷史。隨著超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，“燒開(kāi)水”發(fā)電迎來(lái)質(zhì)變。
據(jù)了解，“超碳一號(hào)”主要利用鋼鐵廠燒結(jié)機(jī)產(chǎn)生的煙氣余熱，配合超臨界狀態(tài)下的二氧化碳進(jìn)行發(fā)電，是一種革新型的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，具體發(fā)電過(guò)程可分為壓縮、加熱、膨脹、冷卻四個(gè)步驟。
“可以想象為向一個(gè)鋼鐵容器里吹氣，隨著氣體越來(lái)越多，容器里的氣體密度和壓力越來(lái)越大，再給容器內(nèi)部升溫，形成高溫高壓氣體?！秉S彥平作此比喻，“這個(gè)時(shí)候，給容器開(kāi)一個(gè)小孔，高溫高壓氣體快速噴出，從而實(shí)現(xiàn)推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。而沖出的氣體還可以再被吹進(jìn)容器，從而重復(fù)這個(gè)過(guò)程?！?/span>
熱電轉(zhuǎn)換的介質(zhì)為何選擇二氧化碳？
▲全球首臺(tái)商用超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組三維示意圖
核動(dòng)力院“超碳一號(hào)”科研人員鄭若涵向記者介紹，當(dāng)溫度超過(guò)31攝氏度、壓力升高至73個(gè)大氣壓以上時(shí)，二氧化碳會(huì)進(jìn)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(chǔ)存更多能量，如同一個(gè)‘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(dòng)阻力更小。”鄭若涵表示，“與液態(tài)水和蒸汽的相態(tài)變換不同，循環(huán)過(guò)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(guò)程更簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度更快?！?/span>
“總的來(lái)說(shuō)，‘超碳一號(hào)’就是把之前的‘燒開(kāi)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(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的大幅提升?！秉S彥平總結(jié)稱。
數(shù)據(jù)顯示，相比于此前燒結(jié)余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)，“超碳一號(hào)”在發(fā)電效率上提升超過(guò)85%，年發(fā)電量提升50%以上。
據(jù)了解，2007年，核動(dòng)力院開(kāi)始開(kāi)展超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)十余年的探索，2023年10月，核動(dòng)力院與濟(jì)鋼集團(tuán)國(guó)際工程技術(shù)有限公司簽訂了示范工程合同，啟動(dòng)了“超碳一號(hào)”示范工程的建設(shè)，在貴州六盤水首鋼水鋼廠區(qū)內(nèi)建設(shè)2臺(tái)15兆瓦超臨界二氧化碳余熱發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙氣余熱的高效利用。
從余熱發(fā)電到多場(chǎng)景應(yīng)用
研究“超碳一號(hào)”的過(guò)程并非一帆風(fēng)順。
據(jù)黃彥平介紹，在超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，面臨著能量傳遞、二氧化碳密封以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制等技術(shù)難題。
“那是花錢的十余年?！秉S彥平這樣形容，為了把超臨界二氧化碳各項(xiàng)特性摸清楚、摸透徹，實(shí)現(xiàn)發(fā)電技術(shù)的根本性突破，整個(gè)超碳團(tuán)隊(duì)依靠國(guó)家科研資金和院內(nèi)項(xiàng)目扶持摸索前行。
“盡管很多人不理解我們?cè)谧鍪裁矗欢趸及l(fā)電有什么好研究的，但核動(dòng)力院沒(méi)有放棄過(guò)，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(shù)實(shí)驗(yàn)裝置
如今，“超碳一號(hào)”項(xiàng)目已從實(shí)驗(yàn)室走向工程化應(yīng)用，邁出了產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵一步，也讓我國(guó)的超臨界二氧化碳技術(shù)在國(guó)際上遙遙領(lǐng)先。
“緊隨本次項(xiàng)目之后已經(jīng)有數(shù)個(gè)鋼鐵廠等待改造?！秉S彥平說(shuō)，“‘超碳一號(hào)’為中小功率規(guī)模、中高溫?zé)嵩磮?chǎng)景下能源的高效利用提供了顛覆性技術(shù)方案，未來(lái)可向全國(guó)300余套同類機(jī)組推廣應(yīng)用?！?/span>
除利用鋼鐵廠燒結(jié)機(jī)余熱進(jìn)行發(fā)電，記者了解到，超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)還有更加多元的應(yīng)用場(chǎng)景。
“最典型的是與新能源技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于風(fēng)光等新能源發(fā)電與儲(chǔ)能等場(chǎng)景。”黃彥平透露。
“太陽(yáng)能與風(fēng)能等新能源具有間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，無(wú)法像傳統(tǒng)能源一樣按需調(diào)節(jié)。”黃彥平介紹，“我們將超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)與熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合，用富余的電力把低溫熔鹽升至高溫，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)出指令需要用電后，可通過(guò)超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)將熱能快速轉(zhuǎn)化為電能。”
“超臨界二氧化碳發(fā)電響應(yīng)更快、效率更高，不僅能多發(fā)電，還能為電網(wǎng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通俗來(lái)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(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)
據(jù)悉，目前核動(dòng)力院已啟動(dòng)“熔鹽儲(chǔ)能+超臨界二氧化碳發(fā)電”示范工程，并入選國(guó)家能源領(lǐng)域第五批首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備，預(yù)計(jì)2028年并網(wǎng)投產(chǎn)。
“這一技術(shù)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(shí)現(xiàn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展的有機(jī)結(jié)合。”黃彥平表示，未來(lái)，核動(dòng)力院還將創(chuàng)造更多樣的超臨界二氧化碳應(yīng)用場(chǎng)景，助力我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
