蒸汽時代走向終結？
近兩個世紀以來，發電一直仰賴一項自工業革命以來未曾改變的簡單原理：將水煮沸產生蒸汽，帶動渦輪機旋轉，進而發電。如今，這種蘭金循環技術主宰全球80%的電力生產。2025年12月，中國啟用超碳一號，打破了這項傳統，成為全球首座商用超臨界二氧化碳發電機。這座設施設於貴州省六盤水市一座鋼鐵廠，利用壓縮至超臨界狀態的二氧化碳，將工業廢熱轉換為電力；其效率提升挑戰了火力發電的基本經濟模式。
這套系統由兩部15百萬瓦機組組成，總裝置容量為30百萬瓦，並已併入首鋼水城鋼鐵廠的電網。透過利用過去排入大氣的燒結廢熱，這座設施每年可發電逾7,000萬度，並為鋼鐵廠增加約3,000萬元人民幣（約426萬美元）的營收。更重要的是，這項技術展現了改造既有工業設施的可行途徑，無須另建新廠；隨著全球電力需求加速攀升，這項優勢至關重要。
超臨界二氧化碳如何改變一切
超臨界二氧化碳是一種介於液體與氣體之間的混合狀態，需在溫度超過攝氏31度、壓力高於73個大氣壓時才能形成，相當於海面下800公尺的深度。在這種狀態下，二氧化碳兼具液體的密度與氣體的流動特性，因此能以比蒸汽更大的推力、顯著更低的摩擦力帶動渦輪機。這項技術以布雷頓循環取代傳統蘭金循環；後者約可將33%的熱能轉換為電力，前者的理論效率則可超過50%。
不同於蒸汽系統，超臨界二氧化碳系統在完全封閉的迴路中運作，工作流體不會排放至大氣中，並免除對水冷系統的需求。無水運作對乾旱地區尤其有價值，因為傳統火力電廠在這些地方常受運轉條件限制。與同等規模的蒸汽系統相比，這種緊湊設計可減少50%的占地面積；架構也較簡單，所需的輔助設備更少，反應速度更快。
中國核動力研究設計院首席科學家、超碳一號首席設計師黃彥平以生動的比喻說明這項熱力學優勢。
就像一個強壯的人騎著塗滿潤滑油的自行車，能輕鬆踩踏、騎行長途。
封閉迴路設計有助於克服現代能源基礎設施面臨的關鍵限制。人工智慧資料中心與先進製造業帶動電力需求暴增；僅美國一地，預估到2030年就需要將發電容量提高165%，才能供應人工智慧設施用電。在不興建新設施的情況下部署高效率發電設備，因而具有重要的戰略價值。這項技術能回收過去被認為不具經濟效益的中溫廢熱來源中的能源。
歷時17年的研發
超碳一號投入商轉，為中國核動力研究設計院於2009年在中國核工業集團指導下啟動的研究計畫寫下成果。自1948年首次提出這項概念以來，國際研發進展屢遭瓶頸，而這條發展道路必須克服多項根本性的工程挑戰。突破關鍵之一，是研發微通道熱交換器，其通道直徑約1毫米，能在超臨界壓力下有效傳熱。
製造過程需要在真空擴散銲接技術上有所創新。這種技術利用高溫與高壓接合金屬板，而不使金屬熔化。外國供應商拒絕出口這項技術，並將其列入嚴格管制的商業管制清單後，黃彥平的團隊投入829天專心研究，在27輪最佳化過程中測試218種不同的銲接參數。成功之前，失敗的測試樣品堆滿了半座倉庫。2021年一個寒冷冬日，第49次製程測試終於成功完成接合；實驗室監測螢幕上穩定的綠色曲線確認了成果。
另一項關鍵難題是密封技術。傳統觀點認為，兆瓦級超臨界二氧化碳渦輪機在高壓旋轉軸處有洩漏風險，因此不可能實現。外國專家建議黃彥平不要開發大於100千瓦的機組，認為兆瓦級系統根本不可能成功。團隊不為所動，分析多種密封技術，並針對超臨界二氧化碳條件開發乾式氣體密封系統，成功實現全球首例用於超臨界二氧化碳渦輪機械的兆瓦級乾式氣體密封。
中國為何先美國一步併網
中國於2025年12月20日慶祝機組併網之際，美國仍在桑迪亞國家實驗室透過「超臨界轉型電力」（STEP）計畫測試類似技術。美國採取的做法，是在商業部署前先進行徹底的實驗室驗證。2022年4月，桑迪亞利用超臨界二氧化碳發電，向電網輸送10千瓦電力，維持50分鐘；到2024年10月，已推進至與電網同步運轉的4兆瓦機組。然而，美國的商業化目標仍鎖定在2030年代中期。
這種差異反映出不同的創新理念。美國研究人員優先處理所有理論問題，並在擴大規模前掌握材料的長期特性，配合廣泛的腐蝕測試與合金認證計畫。中國的研發則遵循務實方法，國內形容為「摸著石頭過河」。這種先建置再改良的做法，接受運轉挑戰終將浮現，並透過反覆改進加以解決。這項策略讓技術得以快速部署，但也帶來長期可靠性方面的不確定性；較保守的研發時程則試圖將此類不確定性降至最低。
美國能源部於2017年將超臨界二氧化碳發電列為具戰略意義的前瞻技術，《麻省理工科技評論》也於2018年將其選入十大突破性技術。儘管早獲肯定，監管上的謹慎與全面降低風險的要求，仍延緩了美國的商業化進程。
將廢熱轉化為營收
超碳一號設施解決了長期以來的瓶頸：如何在中小型規模下利用中溫熱源。傳統蒸汽系統回收低於特定溫度門檻的廢熱，往往不具經濟效益，導致大量能源未能利用。超臨界二氧化碳循環的熱力學性能更佳，能回收原本會散失的能源，為重工業提供實際可行的減碳途徑，無須全面重建廠房。
在這座鋼鐵廠，系統利用燒結製程產生的餘熱；在此製程中，鐵礦粉會先加熱，再送入高爐。這些熱能過去都被浪費。這座設施證明，超臨界二氧化碳發電機的發電效率可比傳統廢熱蒸汽技術高85%，淨發電量多50%，而占地面積僅需一半。
除了直接帶來經濟效益，這項技術也能將工業廢物流轉化為潔淨電力，支持中國的雙碳目標。系統不消耗水資源，在中國西南部尤其有價值，因為缺水常限制工業擴張。蒸汽電廠需要大量冷卻水，封閉迴路的超臨界二氧化碳設計則能在乾旱環境中有效運作，擴大廢熱回收具經濟效益的地理範圍。
耐用性疑慮與技術風險
儘管這項成就值得肯定，獨立分析人士仍提醒，不應不加批判地接受初期性能數據。CleanTechnica分析師麥可・巴納德評估，超碳一號在兩至五年內出現可測得性能退化的機率為40%至70%。這項評估考量了超臨界二氧化碳系統在200個大氣壓與高溫下運作時，幾種相互作用的固有故障機制。
精密熱交換器透過擴散銲接製作微通道，使其能承受極端壓力。一旦銲接介面開始退化，實際上幾乎無法修復，必須更換整個機組。在超臨界環境下，碳滲入鋼合金的現象稱為滲碳，可能使材料變脆，並改變通道內的表面粗糙度。這會增加壓降，隨時間降低循環效率，逐步削弱設備啟用時宣稱的85%效率優勢。
密封完整性是另一項弱點。高壓二氧化碳分子體積小、流動性強，類似氫氣；旋轉軸與法蘭在經歷熱循環及機械循環時，必須維持完美密封。氫氣加注站的歷史數據顯示，密封故障約占服務中斷原因的50%，這表示多年持續運轉期間始終維持完美密封，或許過於樂觀。少量洩漏會改變工作流體存量，使壓縮機偏離最佳運轉點，並增加輔助耗能。
工業污染會進一步加劇這些風險。鋼鐵廠排氣含有微粒、金屬氧化物與硫化物，會附著在熱傳表面，逐漸降低效率，情況類似水垢累積。巴納德估計，在這種工業環境中，兩至五年內因積垢而導致性能損失的機率為60%至85%；即使內部二氧化碳迴路維持完整，渦輪機入口溫度仍可能因此降低。
跨出鋼鐵業：下一步發展
中國核工業集團已宣布擴大計畫，將超臨界二氧化碳技術整合至熔鹽儲能系統，目標是在2028年前投入示範運轉。這種混合式方案透過熔鹽儲存熱能，並在需求高峰時利用高效率的超臨界二氧化碳循環將熱能轉換為電力，以因應再生能源間歇性的挑戰。該專案已入選中國第五批首台（套）重大技術裝備名單。
這項技術也適用於聚光型太陽能電廠，為另一條發展路徑。太陽熱能設施可產生適合超臨界二氧化碳布雷頓循環的高溫，轉換效率有望高於現行蒸汽式太陽能電廠。核能應用也前景可期，緊湊型渦輪機械有利於先進反應爐設計，包括小型模組化反應爐與高溫氣冷系統。
黃彥平看好這項技術能廣泛應用於儲能、廢熱回收與工業蒸汽供應。這項突破的目標，正是過去難以有效轉換的中型熱源，有望開拓過去因缺乏經濟效益而不適用發電設備的市場。若這項技術未來幾年證明具備耐用性，將可能從根本上改變全球分散式發電與工業減碳的經濟模式。
重點整理
- 全球首座商用超臨界二氧化碳發電機「超碳一號」於2025年12月在中國貴州省啟用
- 這座30兆瓦設施利用鋼鐵廠廢熱發電，效率比傳統蒸汽系統高85%
- 超臨界二氧化碳在攝氏31度、73個大氣壓以上運作，兼具液體般的密度與氣體般的流動特性
- 研發歷時17年，突破包括真空擴散銲接與兆瓦級乾式氣體密封技術
- 封閉迴路系統不需用水冷卻，並可改造既有工業設施，無須另行興建
- 分析人士提醒，熱交換器退化、密封洩漏與工業污染，可能使設備在兩至五年內性能下滑的機率達40%至70%
- 美國持續透過STEP計畫測試類似技術，目標在2030年代商業化
- 未來應用包括整合熔鹽儲能、聚光型太陽能與先進核反應爐
