蒸汽时代走向终结？
近两个世纪以来，发电一直依赖一个自工业革命以来未曾改变的简单原理：将水烧成蒸汽，推动涡轮机旋转，从而发电。如今，兰金循环技术占全球发电量的80%。2025年12月，中国推出“超碳一号”，打破了这一延续至今的传统。这是全球首台商用超临界二氧化碳发电机。该设施位于贵州省六盘水市的一家钢铁厂，开始利用压缩至超临界状态的二氧化碳，将工业余热转化为电能；其效率提升挑战了火力发电的基本经济模式。
该系统由两台15兆瓦机组组成，总装机容量为30兆瓦，接入首钢水城钢铁厂的电网。通过利用此前直接排入大气的烧结余热，该设施每年可发电逾7000万千瓦时，同时为钢铁厂增加约3000万元人民币（约合426万美元）的收入。更重要的是，这项技术展示了改造现有工业设施、而非新建厂房的可行路径。在全球电力需求加速增长之际，这一优势至关重要。
超临界二氧化碳如何改变一切
超临界二氧化碳处于液体与气体之间的混合状态：当流体温度超过31摄氏度、压力超过73个大气压时便会形成这种状态，相当于海面下800米处的压力。在这种状态下，二氧化碳兼具液体的密度和气体的流动特性，因此能够以比蒸汽更大的推力、显著更低的摩擦驱动涡轮机。这项技术以布雷顿循环取代传统兰金循环。兰金循环将约33%的热能转化为电能，而布雷顿循环的理论效率可超过50%。
与蒸汽系统不同，超临界二氧化碳（sCO2）系统采用完全闭式循环，工作流体持续循环利用，不向大气排放，也无需水冷系统。这种无水运行方式对缺水地区尤其有价值，因为传统火电厂在这些地区常受到运营条件限制。与同等蒸汽系统相比，其紧凑设计可将占地面积减少50%；同时，简化的结构减少了辅助部件数量，并能更快响应。
中国核动力研究设计院首席科学家、“超碳一号”总设计师黄彦平用一个生动的比喻说明了其热力学优势。
这就像一个强壮的人骑着一辆涂满润滑油的自行车，可以毫不费力地长距离蹬行。
闭式循环设计有助于解决现代能源基础设施面临的关键限制。人工智能数据中心和先进制造业正推动电力需求急剧增长。仅美国一国，到2030年为人工智能设施供电，就预计需要将发电能力提高165%。在这样的背景下，无需新建电厂即可部署高效发电技术，具有重要的战略意义。这项技术能够回收此前被认为不具备发电经济性的中温余热。
历时17年的研发
“超碳一号”投入商业运行，标志着中国核动力研究设计院于2009年在中国核工业集团有限公司旗下启动的一项研究计划取得成果。研发过程中，团队必须解决一系列根本性的工程难题；自这一概念1948年首次提出以来，这些难题一直阻碍着国际研发进展。突破的关键之一，是研发出微通道换热器，其通道直径约为1毫米，以便在超临界压力下实现高效传热。
制造过程需要在真空扩散焊接技术上取得创新。这种技术在高温高压下将金属板结合起来，而不使其熔化。国外供应商拒绝出口这项技术，并将其列入严格管制的商业管制清单后，黄彦平团队开展了829天的专项研究，在27轮优化中测试了218种焊接参数。成功之前，失败的测试样品堆满了半个仓库。2021年一个寒冷的冬日，在第49次工艺测试中，最终实现了可靠的焊接；实验室监测屏幕上显示的稳定绿色曲线证实了这一成果。
另一项关键难题是密封技术。传统观点认为，兆瓦级sCO2涡轮机无法实现，因为高压旋转轴存在泄漏风险。国外专家建议黄彦平不要尝试研发超过100千瓦的机组，认为兆瓦级系统是“不可能完成的任务”。团队没有退缩，而是分析了多种密封技术，并针对超临界二氧化碳工况开发了干气密封系统，首次成功将兆瓦级干气密封应用于sCO2透平机械。
中国为何抢先美国并网
中国于2025年12月20日宣布该设施并网运行之际，美国仍在桑迪亚国家实验室通过“超临界变革性电力”（STEP）计划测试类似技术。美国的做法是在商业部署前进行全面的实验室验证。2022年4月，桑迪亚首次利用sCO2向电网输送10千瓦电力，持续50分钟；到2024年10月，输电功率提升至4兆瓦并实现并网同步。不过，美国的商业化目标仍瞄准2030年代中期。
这种差异反映了不同的创新理念。美国研究人员优先解决所有理论问题，并在扩大规模前掌握材料的长期性能，同时开展大量腐蚀测试和合金验证工作。中国的研发则采取务实的方法，国内常用“摸着石头过河”来形容。这种先建设、再完善的做法承认运营问题可能出现，并通过反复改进加以解决。这一策略推动了快速部署，但也带来了长期可靠性方面的不确定性；较为保守的研发周期则试图尽量降低这类风险。
美国能源部于2017年将超临界二氧化碳发电列为战略前沿技术，《麻省理工科技评论》也在2018年将其列入十大突破性技术。尽管早早受到关注，监管上的谨慎以及对全面降低风险的重视，仍推迟了美国的商业化进程。
将余热转化为收入
“超碳一号”解决了长期以来中小规模利用中温热源所面临的瓶颈。对于低于一定温度的余热回收，传统蒸汽系统往往缺乏经济可行性，导致大量能源未被利用。sCO2循环热力性能更好，能够捕获原本会散失的能量，为重工业提供了一条切实可行的脱碳路径，无需对整座厂区进行彻底重建。
在钢铁厂的应用中，该系统利用烧结工艺产生的余热。烧结过程中，铁矿粉在送入高炉前需要加热；此前，这部分热量都被浪费了。该设施表明，超临界二氧化碳发电机的发电效率比传统余热蒸汽技术高85%，净发电量高50%，而占地面积仅为后者的一半。
这项技术不仅能带来直接经济回报，还有助于中国实现“双碳”目标，将工业废热转化为清洁电力。该系统不消耗水资源，在中国西南地区尤其有价值，因为水资源短缺常常限制当地工业扩张。蒸汽电厂需要大量冷却水，而sCO2闭式循环设计无需如此，即使在干旱环境中也能有效运行，从而扩大余热回收具备经济可行性的地域范围。
耐久性疑虑与技术风险
尽管取得了这一成就，独立分析人士仍提醒，不应不加审视地接受初期性能指标。CleanTechnica分析师迈克尔·巴纳德评估认为，“超碳一号”在两至五年内出现可测量性能衰减的概率为40%至70%。这一判断基于超临界二氧化碳系统在200个大气压和高温下运行时可能出现的多种相互作用失效机制。
精密换热器通过扩散焊接制造出能够承受极端压力的微通道。一旦焊接界面发生劣化，实际上几乎无法修复，必须更换整个机组。在超临界条件下，碳会渗入钢合金，这种渗碳现象可能使材料变脆，并改变通道内部的表面粗糙度。随着时间推移，这会增大压降、降低循环效率，逐渐削弱设备投运时宣称的85%效率优势。
密封完整性也是一项薄弱环节。高压二氧化碳分子体积小、容易迁移，类似氢分子，因此必须确保旋转轴和法兰在经历热循环和机械循环时完全密封。氢燃料加注站的历史数据显示，密封失效约占服务中断的50%；这表明，认为密封能在多年连续运行中始终保持完好，或许过于乐观。微小泄漏会改变工作流体存量，使压缩机偏离最佳运行点，并增加寄生负荷。
工业污染会进一步加剧这些风险。钢铁厂排气中含有颗粒物、金属氧化物和硫化物，会污染传热表面，逐渐降低效率，类似水垢不断积聚。巴纳德估计，在这种工业环境下，污染导致性能损失的概率在两至五年内为60%至85%；即使内部二氧化碳循环保持完好，也可能降低涡轮机入口温度。
走出钢铁行业：下一个前沿领域
中国核工业集团有限公司已宣布扩展计划，将超临界二氧化碳技术与熔盐储能系统结合，目标是在2028年前开展示范运行。这种混合方案通过将热能储存在熔盐中，并在需求高峰时利用高效sCO2循环将其转化为电力，以应对可再生能源的间歇性挑战。该项目已入选中国第五批首台（套）重大技术装备。
这项技术与光热发电厂的兼容性，也提供了另一条发展路径。太阳能热发电设施可产生适合sCO2布雷顿循环的高温，有望比当前基于蒸汽的太阳能电厂实现更高的转换效率。核能应用同样前景可期：紧凑型透平机械可用于包括小型模块化反应堆和高温气冷系统在内的先进反应堆设计。
黄彦平设想，这项技术还可广泛应用于储能、余热回收和工业供汽领域。它特别针对过去难以实现高效转换的中等规模热源，有望开拓此前发电设备难以实现经济效益的市场。如果未来几年证明这项技术经久耐用，它可能从根本上改变全球分布式发电和工业脱碳的经济模式。
要点
- 全球首台商用超临界二氧化碳发电机“超碳一号”于2025年12月在中国贵州省投入运行
- 这座30兆瓦的设施利用钢铁厂余热发电，效率比传统蒸汽系统高85%
- 超临界二氧化碳在温度超过31摄氏度、压力超过73个大气压时运行，兼具液体般的密度和气体般的流动特性
- 研发历时17年，取得了真空扩散焊接和兆瓦级干气密封技术等突破
- 该闭式循环系统无需用水冷却，可改造现有工业设施，无需新建厂房
- 分析人士提醒，换热器劣化、密封泄漏和工业污染可能导致设备在两至五年内出现性能下降，概率为40%至70%
- 美国仍在通过STEP计划测试类似技术，目标是在2030年代实现商业部署
- 未来应用包括与熔盐储能、光热发电和先进核反应堆结合
