原子能研究院：“超临界二氧化碳发电性能试验…成功实现发电”

by Jeong Ilwoong

Published 04 Sep.2024 09:20(KST)

用于取代蒸汽发电的超临界二氧化碳（CO2）发电系统性能试验已成功结束。超临界二氧化碳发电并非像传统发电方式那样加热水产生蒸汽驱动汽轮机，而是加热二氧化碳来驱动汽轮机发电。由于可以利用工业园区中排放的二氧化碳来生产电力，因此也被评价为下一代能源技术。

韩国原子力研究院（以下简称原子力研）4日表示，已成功完成利用超临界二氧化碳发电系统生产100kWe级电力的性能试验。

超临界二氧化碳发电系统建设现状。韩国原子能研究院提供

此次通过超临界二氧化碳发电生产电力，是国内首例。目前，由于超临界二氧化碳发电需要高难度技术，只有在美国（10MW级示范）、欧洲（2MW级示范）等地推进技术开发和示范工作。这一背景也凸显了原子力研此次成功完成性能试验的意义。

原子力研开发的系统，其核心原理是利用处于超临界状态的二氧化碳驱动压缩机和汽轮机来发电。在压缩机中，将工质（二氧化碳）从低压压缩至高压，并使工质在系统内部循环。随后，高压工质进入汽轮机，带动内部叶片旋转，从而产生电力。

此前，原子力研已于2020年开发出超临界二氧化碳发电系统的核心装置——压缩机。此后又在今年完成汽轮机的开发，因而得以开展面向电力生产的性能试验。

汽轮机由转轴、与轴端相连以产生能量的转子部件（叶片）、支撑轴的轴承等构成。原子力研设计了双吸入·双排出（Two way suction·Two way discharge）汽轮机系统，将二氧化碳进出汽轮机的入口和出口各做成两个、呈对称布置，并将转子部件安装在轴的两端，以平衡受力。

其结果是，即便在每分钟4万转的高速旋转条件下，也能够对转轴和转子部件进行稳定控制，从而高效地生产电力。

通常，当纯物质进入超临界状态时，会同时具有液体和气体的性质。尤其是超临界二氧化碳在超临界起点——临界点附近，像液体一样密度高，便于压缩；而在高温超临界状态下，又像气体一样黏度低、摩擦小，且在机械内部膨胀自由，因此被评价为在发电系统中极为高效的工质。

二氧化碳的临界点为31℃、7.38MPa（兆帕），远低于水的临界点，且成本低廉、获取容易。再加上其气体特性使机械不易腐蚀，因此非常适用于超临界发电系统。

与传统蒸汽发电系统相比，超临界二氧化碳发电系统在高温下具有较高热效率，同时凭借仅为其十分之一规模的简化结构，可实现设备小型化，因而能够利用太阳能热能、高温燃料电池、核聚变、下一代反应堆、发动机废气、燃气轮机废气、燃煤火电等各种热源驱动装置来生产电力。

基于上述优势，美国也在由美国能源部（U.S. Department of Energy）主导下，于得克萨斯州圣安东尼奥推进10MWe级“STEP项目（STEP Demo, the Supercritical Transformational Electric Power Project）”，积极抢占超临界二氧化碳发电系统技术的先机。

原子力研此次研究成果，是通过参与由民军协力振兴院主导的民军两用技术开发项目“水面舰艇废气余热回收超临界CO2发电技术开发”课题所取得的。该课题由原子力研、Jinsol Turbomachinery股份公司、KAIST、浦项工科大学等4家机构组成联合体共同参与。