新型發電循環寫下併網里程碑
中國已將全球首座採用超臨界二氧化碳的商用發電機組接上電網，為高效率熱能發電邁入新階段。這座設施位於貴州六盤水首鋼水城鋼鐵廠內，將鋼鐵生產產生的高溫廢熱轉換為電力。該計畫由中國核工業集團旗下的中國核動力研究設計院建造，並由濟鋼國際工程技術提供工程支援，包含兩部各15百萬瓦的機組。工作流體是二氧化碳，而非蒸汽；製造商表示，這些機組回收利用廢熱的效率至少比鋼廠採用的傳統蒸汽系統高出50%。
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這項技術的重要性在於，超臨界二氧化碳（常簡稱為sCO2）可實現更小型的渦輪機、更快的啟動速度，以及在高溫下更高的熱效率。這些特性符合重工業的需求，原本經由煙囪和冷卻系統散失的熱能，可以轉化為穩定的電力來源。這些特性也適用於下一代核反應爐和聚光型太陽能電廠；在這些領域，效率每提高一個百分點，都可能降低成本並縮小核心設備的尺寸。
貴州的計畫也是對這項技術在實驗室以外表現的一次測試。鋼鐵業是能源密集度最高的產業之一，燒結生產線和熔爐會排放大量熱流，溫度遠高於攝氏700度（華氏1292度）。回收這些熱能可改善廠區的能源平衡，並減少對當地電網的用電需求。與蒸汽循環相比，這套系統也可能減少用水量，在水資源吃緊的地區尤其有利。
什麼是超臨界二氧化碳發電？為何重要？
超臨界二氧化碳是指溫度和壓力高於臨界點的二氧化碳，其臨界點約為攝氏31度、74巴。在這種狀態下，二氧化碳是一種兼具氣體和液體特性的高密度流體。這種密度讓工程師能建造體積精巧的渦輪機和熱交換器。在sCO2發電系統中，流體在封閉迴路內循環，從熱源吸收熱能，經渦輪膨脹並帶動發電機，接著在冷卻器中排出熱量，再經壓縮後送回熱源。這種循環稱為布雷頓循環，與噴射引擎所用的燃氣渦輪循環類似，但工作流體是二氧化碳，並透過回熱器在迴路內回收熱能。
循環如何運作
在鋼廠內，來自燒結及相關製程的高溫氣體會經過熱交換器，將能量傳入sCO2迴路。受熱的二氧化碳膨脹並通過渦輪機，帶動發電機產生電力。膨脹後的二氧化碳仍帶有大量熱能，因此會通過回熱器，預熱流入的氣體，提高效率。接著，流體在冷卻器中排出剩餘熱量，經過壓縮後回到熱交換器，開始下一輪循環。由於接近臨界點的二氧化碳比一般氣體容易壓縮，循環所需的壓縮能量較少，有助於提高淨效率。
效率與尺寸優勢
傳統蒸汽蘭金循環技術成熟且可靠，但若不採用極高溫度與壓力，效率便會受限，而且設備體積龐大。中國這項計畫及國際試驗計畫的報告指出，高溫運作的sCO2循環熱效率可超過50%，而相近條件下的現代蒸汽循環效率約為40%。在廢熱應用中，實際效率取決於熱源溫度和設備設計，但sCO2方案能大幅提高熱能轉換為電力的比例。由於二氧化碳的密度遠高於蒸汽，在相同輸出功率下，渦輪機和管路的尺寸也可以小得多。
鋼廠為何是理想的熱源
鋼廠在燒結、煉焦和熱軋等製程中消耗大量能源。燒結會在通常超過攝氏700度的高溫下，將細粒礦石燒結成塊。熔爐和廢氣管道接著會將熱能帶離製程。超臨界二氧化碳迴路可透過耐用的熱交換器截取這股熱流，回收原本會浪費掉的大部分能源。
在工業環境中，這套系統還有其他優點。相較於蒸汽系統，sCO2發電系統用水量很少，因為不需要大量鍋爐給水或濕式冷卻塔。二氧化碳作為工作流體相對惰性，對許多合金的腐蝕性也低於高溫蒸汽，可減輕部分材料方面的挑戰。由於迴路封閉，正常運轉時二氧化碳不會排放到外界。系統仍可能有少量二氧化碳存量損失，需要加以管理，但不必仰賴穩定供應新鮮二氧化碳。
對電廠營運商而言，這些特性意味著發電設備占地較小、輔助設備減少，運轉也更具彈性。相較於蒸汽系統，這套系統可以更快啟動和停機，適合日間溫度會變化的製程。
能否擴展至核能與太陽能發電？
許多先進反應爐設計的出口溫度適合搭配sCO2渦輪機。高溫氣冷反應爐、熔鹽反應爐和鈉冷快反應爐的核心目標溫度都高於加壓水反應爐，而sCO2能有效回收這些熱能。精巧的渦輪機也適合小型模組化反應爐，因為這類反應爐重視節省空間與簡化設計。
聚光型太陽能發電也有類似條件：這類電廠將熱能儲存在熔鹽中，再送入發電系統。中國一項示範計畫預計將敦煌一座展示規模的太陽能塔式電廠，從蒸汽發電改為sCO2發電系統，以評估供應商的準備情況和實際運轉表現。這項工作凸顯兩個關鍵設備：可靠的熔鹽與二氧化碳熱交換器，以及能在二氧化碳接近臨界點時穩定運作的壓縮機組。兩者都不容易做到，但材料、密封件和控制系統的進展，正使其逐漸成為可行方案。
如果熱交換器和渦輪機械設備能證明在實際電廠中經久耐用，擴大sCO2發電系統規模的路徑就會更加明確。效率提升帶來的效益相當可觀：循環效率提高，意味著相同電網輸出可使用較小的太陽能集熱場或反應爐核心，而用水量降低也能放寬選址限制。
中國如何建造這套系統？計畫由誰推動？
貴州的設施是中國核工業集團旗下中國核動力研究設計院多年研發計畫的成果。該院十多年來投入sCO2迴路、渦輪機、軸承、密封件和控制系統的研究，發布零組件測試結果並建造試驗設備。濟鋼國際工程技術則在重工業整合方面提供工程支援。業主首鋼水城鋼鐵提供場址，並開放高品位廢熱來源。
每部機組的額定功率為15百萬瓦。採用兩部機組可提供備援，也讓營運商有機會在實際生產條件下測試控制策略。中國核工業集團將這項計畫定位為重工業與發電領域後續機組的基礎，目標是將模組標準化，以便在不同場址複製部署。標準化複製相當重要，因為設備能夠大量生產，並以最少客製化方式安裝時，廢熱發電的經濟效益才會提高。
專家怎麼說
中國以外的研究團隊和業界人士，也持續驗證sCO2零組件和子系統的性能。在德州，由美國能源部支持、聯盟團隊主導的超臨界轉型電力示範電廠（Supercritical Transformational Electric Power，STEP）是一座10百萬瓦電力設施，已於2024年完成第一階段，展示整合渦輪機械設備與控制系統的全速運轉。支援該計畫的西南研究院研究人員強調，整合測試十分重要，必須讓壓縮機、渦輪機、加熱器、冷卻器和控制軟體作為單一電廠一同運作。
研究中國核能產業的卡內基國際和平基金會資深研究員馬克・希布斯（Mark Hibbs）表示，中國正迅速推進計畫，以展現技術領導地位。
中國人推進得非常、非常快。他們非常希望向世界證明，他們的計畫勢不可擋。
負責西南研究院機械部、並參與德州試驗計畫的提姆・艾利森（Tim Allison），說明了整合式sCO2發電系統達到全速運轉這項里程碑的意義。
整合系統投入運轉是一項值得注意的成就。這延續了團隊成功完成各零組件試運轉的成果，並展示所有設備的協同運作，包括電廠控制系統、壓縮機、熱交換器、加熱器、渦輪機和二氧化碳存量管理，以及設施的電力與燃氣供應和冷卻水系統。
仍待克服的工程難題
打造能承受高溫和高速運轉的精巧高效率渦輪機，是核心挑戰。學術界與業界研究指出，渦輪機轉子轉速接近每分鐘30,000至40,000轉，葉片和外殼則須承受超過攝氏600度的高溫。內筒和轉子常採用鎳基合金與先進鋼材，外殼則使用肥粒鐵系鋼材，以兼顧應力承受能力與成本。材料配置須在強度、耐腐蝕性和熱膨脹之間取得平衡，讓各部件保持緊密間隙而不互相摩擦。
密封件和軸承也同樣重要。乾式氣體密封可限制二氧化碳從軸部外漏，有些設計則嘗試以氣體軸承取代油軸承，簡化潤滑系統並避免熱問題。一項針對25百萬瓦級渦輪機的研究發現，將平衡活塞配置在冷卻氣體區段內，可縮短轉子、減少洩漏路徑並降低機械損失。轉子更精巧，有助提升穩定性並簡化外殼設計。另一種以氣體軸承取代油軸承的方案，進一步縮短軸長，並省去獨立的冷卻和潤滑系統。這些改良有助提高效率與可靠度。
循環系統在瞬變狀態下的控制，是另一項積極研究的領域。小規模示範已顯示，泵浦轉速、熱輸入和負載變化可能造成壓力與流量超調，之後系統才會穩定下來。工程師會分析質量流率、壓力比和轉速的各種組合，找出能達到最高功率與效率的穩定運轉區間。一項小型sCO2渦輪發電機測試在最佳條件下達到數十千瓦的電力輸出，測得總效率接近59%，展現這項技術的潛力，也說明精準控制的重要性。
在含有雜質的工業氣體與潔淨的二氧化碳迴路之間傳遞能量的熱交換器，必須能抵抗積垢和熱應力。二氧化碳迴路內的回熱器需要採用緊湊且表面積大的設計，才能回收熱能又不造成過大壓降。壓縮機則必須在接近二氧化碳臨界點時維持高效率；此時溫度些微變化就可能大幅改變密度，若控制系統反應不夠迅速，便會影響性能。
環境與政策利害關係
中國承諾在2030年前達到碳排放峰值，並在2060年前實現碳中和。降低重工業所用電力的碳排，是這項計畫的核心。sCO2廢熱回收有兩大助益：一是減少工廠從燃煤等化石燃料發電的電網取得的淨電力，二是在傳統蒸汽循環需要大量冷卻水的地區減少用水。對核能和太陽熱能計畫而言，效率提高可直接降低潔淨電力成本。
部分分析人士也指出，這項技術可能與碳捕捉形成協同效益。理論上，捕捉到的二氧化碳可供封閉迴路作為工作流體，讓部分二氧化碳獲得實際用途。不過，發電循環需要潔淨、乾燥的二氧化碳，以保護渦輪機械設備並盡量降低腐蝕；而且迴路是封閉的，不會持續消耗新的二氧化碳。若與碳捕捉整合，重點會在共用處理、儲存和純化流程，而不是把二氧化碳當成燃燒或轉化用的原料。
這座新發電機組也有助因應資源限制。在冷卻用水稀缺的乾旱地區，節水效益可能十分顯著。精巧的發電設備可安裝在船舶或偏遠工業場址，將現場熱能轉為現場電力，提升能源安全。
全球競逐與後續發展
美國、歐洲和亞洲的團隊都在提升sCO2零組件的可靠度並推進電廠整合。德州STEP計畫從零組件試運轉進展到整合運轉，並在第一階段產生電力，增強了外界對這項技術可擴大規模、重複部署的信心。中國貴州的併網機組則是首座應用於工業製程的商用設施，將提供全天候運轉、維護週期，以及鋼鐵業廢熱發電經濟效益等方面的數據。
如果效能主張在每月及每年運轉中獲得證實，接下來可能會有更多鋼廠和水泥廠採用這類機組。聚光型太陽能計畫正在評估sCO2發電系統，以縮小渦輪機廠房並提高輸出。先進反應爐設計者則計畫將sCO2作為標準的能量轉換系統，以精巧的渦輪機和回熱器取代龐大的蒸汽設備。用於偏遠場址的移動式核能設備也能受惠於精巧設計；二氧化碳密度高，同樣有助於在特定功率下縮小渦輪機尺寸。
設備供應鏈將是關鍵。高性能熱交換器、乾式氣體密封和高速發電機都必須能由多家供應商提供。適用於二氧化碳環境的壓力容器、管路和密封件，其規範與標準也需要進一步成熟。商業化推展的一環，是訓練操作人員安全地運轉循環系統並排除問題。持續進行示範和複製部署，有助降低成本，並說服電廠業主大規模採用這項技術。
重點整理
- 中國在貴州六盤水一座鋼廠，將兩部各15百萬瓦的超臨界二氧化碳機組接上電網。
- 這套系統利用鋼鐵燒結製程的廢熱發電，據稱其廢熱轉換效率至少比蒸汽系統高出50%。
- sCO2循環以高於臨界點的二氧化碳在封閉迴路中運作，可在高溫下採用精巧渦輪機並提高效率。
- 發電設備用水量低、占地小，適合重工業、船舶和偏遠能源系統。
- 先進反應爐和聚光型太陽能電廠是sCO2發電系統的主要應用對象，因為這些設施能提供循環所需的高溫。
- 主要工程課題包括打造耐用的熱交換器、在臨界點附近高效率運作的壓縮機，以及配備耐用密封件和軸承的高速渦輪機。
- 美國德州一座10百萬瓦電力的sCO2試驗電廠完成整合運轉，並在第一階段產生電力，展現中國以外的技術進展。
- 中國的計畫提供全球首批商用規模的sCO2工業廢熱發電數據。
- 節水與效率提升有助中國達成碳排放峰值和碳中和目標，同時改善重工業的能源使用。
- 技術能否擴大應用，取決於供應商準備情況、運轉可靠度，以及多座電廠複製部署的經濟效益。
