二氧化碳发电储能技术，全称为超临界二氧化碳（S-CO₂）储能发电技术。该技术巧妙利用二氧化碳在超临界状态（温度高于31.1℃、压力大于7.38MPa，兼具气体与液体特性）下高效的能量转换性能，达成电能与热能/压力能的双向存储与释放，是一种极具创新性的新型储能技术。其核心在于通过闭式循环系统，将二氧化碳的压缩、膨胀过程与热力循环有机结合，实现高效的能量存储与发电，被视作下一代高效储能与发电领域的革命性技术之一。
一、技术原理与核心构成
1.能量存储阶段（充电过程）
当电网电能出现过剩，或可再生能源（例如风电、光伏）发电量超出需求时，系统将按以下步骤进行储能操作：
压缩升温：常温常压下的二氧化碳（或回收的工业CO₂）经压缩机加压至超临界状态（如压力达到20 - 30MPa，温度约100 - 300℃）。在此过程中，压缩产生的热量会被换热器收集，并存储于高温储热装置（如熔盐、固体储热材料）中。
冷却存储：压缩后的超临界CO₂进入低温储罐（温度约50 - 100℃，处于高压状态），而压缩热则存储于高温储热系统，从而实现“热能 + 压力能”的双重存储。
2. 能量释放阶段（放电发电过程）
当需要供电时，具体流程如下：
加热膨胀：低温高压的CO₂从储罐流出，先经换热器吸收储热装置中的高温热量（温度可提升至500 - 700℃），转变为高温超临界CO₂。
做功发电：高温高压的CO₂驱动涡轮发电机膨胀做功，推动叶轮发电。之后，CO₂经冷却降压恢复至初始状态，进入下一次循环。
3. 核心系统组件
闭式循环装置：涵盖压缩机、涡轮机、换热器（回热器、预热器）、储热罐（高温/低温）等。整个流程均在密闭系统内完成，CO₂可循环使用，损耗极小。
储热系统：配备熔盐、固态陶瓷等储热材料，用于存储压缩过程中产生的废热，有效提升能量利用效率。
二、核心优势与技术特性
1. 超高能量转换效率
传统蒸汽轮机发电效率约为35% - 40%，而超临界CO₂布雷顿循环效率在结合700℃以上高温热源时，可达45% - 55%，相较于传统系统提升了15% - 20%。这主要得益于超临界CO₂的低粘度、高传热系数和高密度特性，减少了管道阻力并降低了设备体积。例如，美国Sandia国家实验室的测试表明，在650℃热源条件下，S - CO₂循环效率比蒸汽循环高出12%，在同等发电量的情况下，可减少20%的热源消耗。
2. 环境友好与低碳潜力
零排放运行：系统内的CO₂实现闭环循环，无废气排放。若采用工业捕集的CO₂（如燃煤电厂尾气），还能实现“碳利用”，为碳中和目标的实现贡献力量。
低环境影响：与需要大规模水域的抽水蓄能以及存在重金属污染风险的锂电池相比，该技术占地面积小（设备体积仅为蒸汽系统的1/10 - 1/5），且CO₂为无毒、不可燃介质，安全性更高。
3. 高储能密度与紧凑性
超临界CO的储能密度（约0.5 - 1.0 kWh/L）是传统压缩空气储能（0.1 kWh/L）的5 - 10倍，设备体积缩小60% - 70%，非常适合在工业园区、城市周边进行部署。以100MWh的储能系统为例，其占地面积仅需约500平方米，而同等规模的锂电池储能系统则需要2000平方米以上。
4. 全场景适配性
多热源耦合：该技术可接入光伏/光热（利用聚光太阳能加热CO₂）、核电（高温气冷堆热源）、工业余热（如钢铁厂、水泥厂300 - 700℃废热），甚至燃煤电厂（实现高效清洁化改造）。
快速响应：从冷启动到满功率发电仅需10 - 15分钟，优于燃煤电厂（30分钟以上），适用于电网调频、备用电源等场景。
三、主要应用场景
1. 电网级长时储能与调峰
搭配可再生能源（如“光伏 + S - CO₂储能”），能够实现10 - 16小时的连续供电，有效解决风电、光伏的间歇性问题。例如，中国华能集团在甘肃规划的50MW超临界CO₂光热储能项目，可实现昼夜连续发电，预计储电成本比锂电池低30%。
2. 工业余热回收与高效发电
钢铁、化工、水泥等行业存在大量300 - 600℃的中高温余热，传统技术难以高效利用。S - CO₂系统可直接回收此类余热进行发电，效率比蒸汽轮机高出15%以上。以山东某钢厂为例，利用该技术后，余热发电效率从22%提升至35%，年发电量增加2000万千瓦时。
3. 新型核电与清洁供热
与高温气冷堆（HTGR，700 - 950℃）相结合，构建“核电 + S - CO₂发电”系统，效率可达50%以上（传统核电约33%），同时设备简化、造价降低。此外，余热还可用于区域供热，实现“电 - 热”联产。
4. 碳捕集与储能一体化（CCUS）
直接利用燃煤电厂捕集的CO₂作为工质，在储能发电的同时减少碳排放，形成“发电→捕集CO₂→储能→再发电”的闭环，推动传统能源向清洁化转型。
四、与其他储能技术的对比
五、发展现状与挑战
1. 全球研发进展
中国：西安热工研究院、清华大学等机构已建成多个示范项目。例如，2023年投运的“西安1MW超临界CO₂储能示范装置”实现了72小时连续运行，效率达48%。国家发改委将其列入“十四五”新型储能技术重点攻关方向。
国际：美国Sandia实验室、德国DLR等开展了20MW级中试，预计2030年前实现百兆瓦级商业化。西班牙Abengoa公司计划在摩洛哥建设首个50MW“光热 + S - CO₂储能”项目。
2. 关键挑战
材料耐温性：在高温（＞700℃）环境下，CO₂对钢材的腐蚀性较强，需要研发新型镍基合金或涂层材料，但成本较高。
系统集成难度：压缩机、涡轮机等设备需在高压超临界状态下长期稳定运行，对制造工艺要求极高（如间隙控制精度需达到微米级）。
初始投资高：目前百兆瓦级项目造价约1.5亿元/MWh，是锂电池的2 - 3倍，需依赖规模化来降低成本（预计2035年成本下降40%）。
二氧化碳发电储能技术借助超临界CO₂的高效能量转换，突破了传统热力循环的效率瓶颈，兼具高功率密度、环境友好和多能耦合等优势，成为未来长时储能、工业节能和碳中和领域的核心技术之一。尽管目前该技术仍处于示范阶段，但其在高温热源利用、电网调峰和碳捕集领域展现出巨大潜力。随着材料与制造技术的不断突破，有望在2030年后进入规模化应用阶段，为全球能源转型提供关键支撑。
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