11月19日至20日，中國核動力研究設計院舉辦建院60周年暨紀念彭士祿院士誕辰百年媒體活動。記者從活動上獲悉，位于成都的核動力研究設計院研發的全球首套工程化超臨界二氧化碳發電系統“超碳一號”已完成并網調試，并進入滿功率運行沖刺階段，預計年內實現滿功率發電。

超碳一號的出現，代表著中國的超臨界二氧化碳發電技術正在領跑。“這是世界范圍內超臨界二氧化碳發電技術首次工程化應用。”超碳一號總設計師黃彥平說。相比現役燒結余熱蒸汽發電技術，超碳一號在余熱利用率上提升超過50%，發電效率提升42.7%，年發電量提升84%。

圖：超臨界二氧化碳發電試驗裝置

替代水蒸氣，以超臨界態的二氧化碳發電

“電力究竟從何而來？”在介紹“超碳一號”之前，黃彥平拋出了這個問題。“目前蒸汽發電仍是現代火力發電廠和核電廠的主要發電方式，是否能找到一種能替代水蒸氣的工質？”

超臨界二氧化碳就是這樣一個替代工質。隨著超臨界二氧化碳發電技術的出現，“燒開水”發電這件事迎來質變。

什么是超臨界二氧化碳？

黃彥平解釋，水有固、液、氣三態，隨著環境的溫度和壓力升高，液、氣兩相界面消失的狀態點就叫做臨界點，物質超過該臨界點后的狀態就是超臨界態。二氧化碳也一樣，當溫度超過31℃，壓力升高至73個大氣壓以上，二氧化碳就會進入超臨界狀態，即一種連續的流體狀態。

把這樣的連續流體二氧化碳送進發電系統里，再通過壓縮機和換熱器把超臨界二氧化碳的壓力和溫度都升上去，這時候，高溫高壓的二氧化碳就像充了氣的皮球一樣，推動機器旋轉起來，進而產生電能。

“在超臨界狀態下的二氧化碳既像液體一樣密度大，又像氣體一樣容易被壓縮，發電效率也就更高了。”黃彥平說。

簡單來說，超碳一號把“燒開水”換成了燒超臨界二氧化碳這種能量傳遞和轉換的高效介質，從而實現了發電效率的大幅提升。

技術攻關，擁有自主精細設計和成套供貨能力

“聽起來只是找到一個替代工質，但這背后是十余年來的科研攻關。”黃彥平說，作為一個顛覆性發電技術，目前各能源技術發達國家都在對超臨界二氧化碳發電技術進行科研攻關。

美國能源局2015年將其列為國家能源領域戰略性前沿技術，2017年列為第2位，進行長期持續投資；2018年，超臨界二氧化碳發電技術入選《麻省理工科技評論》“全球十大突破性技術”。近年來，以美國為首的能源技術發達國家，圍繞化石能源發電、核能、余熱回收、光熱發電等不同領域也開展了大量超臨界二氧化碳發電技術的研究，希望通過推動能源技術革新打造新一輪的產業發展機遇和行業壁壘。

早在2009年，由核動力研究設計院研究員黃彥平帶領的團隊，就踏上了一段探索超臨界二氧化碳動力轉換技術的旅程。當時，全球關于這一領域的公開研究資料極為有限，而團隊在超臨界水領域的既有經驗，在面對超臨界二氧化碳動力系統時，似乎大部分都變得不再適用。

圖：超臨界二氧化碳發電技術研發團隊

黃彥平推翻已有研究范式，從認識超臨界二氧化碳的本質開始，搭建該技術基礎理論和模型。

面對關鍵設備“壓縮機”卡脖子的問題，他們聯合東方電氣參考了燃機技術進行設計；面對超臨界二氧化碳換熱器的難關，他們靠自己計算分析，不斷試驗，用了整整7年時間，發明了超臨界二氧化碳能量傳遞技術工程化的工業母機，具備了全系統與微通道換熱器、壓縮機、透平機等關鍵設備的成套研制能力……十余年間，正是這樣一次又一次“從無到有”的突破，讓中國的超臨界二氧化碳發電技術在國際上遙遙領先。

最重要的是，每一個難題的解決，都沒有借鑒國外技術和經驗，使得核動力院具備了不依賴國外的自主精細設計和成套供貨能力。

全球首臺商用超臨界二氧化碳發電機組，預計年內實現滿功率發電

歷經十余年潛心攻關，該項研究終于取得重大突破。2019年10月，核動力研究設計院實現了全球首次MW級超臨界二氧化碳發電裝置滿功率穩定發電。

2023年10月，核動力研究設計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，啟動了貴州六盤水超臨界二氧化碳發電示范工程的建設。這是全球首臺商用超臨界二氧化碳發電機組“超碳一號”，預計年內實現滿功率發電。

“這是真正意義上的新質生產力。在原燒結工藝沒有變化的情況下，每年可多發7000余萬度電，發電收入多出3千余萬元。”黃彥平介紹，如果將這項技術應用于全國的燒結余熱改造，預計每年可以節約標準煤約483萬噸，減少二氧化碳排放1285萬噸。

得益于超臨界二氧化碳的物質屬性，超臨界二氧化碳發電技術具有效率高、系統緊湊、輔助系統少和機動性強的核心優勢，恰好填補了世界范圍內長期以來中小功率規模（＜50 MWe）、高溫熱源場景（＞400℃）的能源動力技術空白，且未來有望向更大功率、更高溫應用場景拓展。

記者了解到，核動力研究設計院還于2024年啟動了“熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發電技術”應用示范項目，2025年8月獲批國家能源領域首臺套重大技術裝備，10月完成可研性報告外審，預計2026年上半年在新疆開工建設。此外，超臨界二氧化碳還在火力發電、太陽能發電、地熱發電、生物質發電等多個領域擁有廣闊應用前景。