中国启动了140年来蒸汽的首个竞争对手

核心要点

• 统治140年的王者迎来挑战者：自1884年以来，蒸汽轮机支撑了全球80%的电力生产。 中国刚刚投运了第一台旨在取代它们的商用机组。
• 体积缩小10倍，效率提升10%：超临界二氧化碳（sCO₂）透平在体积仅为同等蒸汽系统十分之一的情况下，可实现约50%的热效率。
• 美国发明，中国率先建成：美国能源部已花费数十年时间和 $169 million 用于sCO₂研究。 当美国示范电站才刚刚发出首批4兆瓦电力时，中国核工业集团已将一台30兆瓦商用机组并网。
• 军事领域的变数：比蒸汽轮机小10倍的透平不仅仅是工业设备，它还可能应用于潜艇、航空母舰和海军推进系统，而中国已经在研究这些方向。

驱动世界的机器

蒸汽发电贡献了全球80%的电力。 再读一遍：照亮家庭、驱动工厂、为手机充电的每五瓦电力中，就有四瓦来自一项自1884年查尔斯·帕森斯将他的第一台多级反动式汽轮机固定到发电机上以来，其基本原理未曾改变的技术。

帕森斯最初的机器发电量为7.5千瓦。 其现代后代可发电50,000千瓦甚至更高。但其背后的物理原理（烧水、推动叶片、冷凝、再循环）基本完全相同。工程师们所称的朗肯循环，在过去142年里一直是热能转换领域无可争议的王者。核电站用它。燃气联合循环电站用它。燃煤电厂用它。光热电站用它。地热电站用它。

2025年12月20日，在中国贵州省六盘水市的一家钢铁厂内，一台名为 Chaotan One 的机组并网发电。 它不烧水。它不使用蒸汽。它将二氧化碳压缩至临界点（31°C、7.37 megapascals）以上，形成一种既非气体也非液体的超临界流体，并通过闭式布雷顿循环，将钢铁厂的废热转化为电能。

这是世界上首台商用超临界二氧化碳发电机组。 其核心透平机械体积仅为它所取代的、如大教堂般庞大的蒸汽系统的一小部分。

物理原理：CO₂为何胜过蒸汽

超临界二氧化碳（sCO₂）相对于蒸汽的优势，归根结底在于密度和可压缩性。

当CO₂被保持在临界温度和压力以上时，它会表现出一种兼具液体密度和气体流动特性的流体行为。温度和压力的微小变化会带来能量密度的大幅变化。 实际结果是，sCO₂透平每单位工质能够提取比蒸汽轮机更多的能量，而所需设备却大大减少。

圣安东尼奥西南研究院（SwRI）工程师 Jeff Moore 直言：整套sCO₂透平“体积大约只有同等出力电站的十分之一”。 蒸汽轮机通常需要10到15级转子。sCO₂透平只需要四级。

国家能源技术实验室（NETL）的 Richard Dennis 这样描述一台原型透平转子轴：“直径4英寸、长4英尺，却能为1,000户家庭供电。”

效率提升显著，但并非神奇。SwRI的测试显示，sCO₂循环的运行效率比传统蒸汽电站高出约10%，热效率接近50%。 作为参考，大多数常规蒸汽轮机的效率为35%至40%。这一提升源于布雷顿循环在临界点附近运行的热力学特性：由于超临界CO₂密度极高，压缩所需能量远小于蒸汽，压气机耗功因此大幅下降。

工质本身也更实用。CO₂价格低廉、无毒、易于获取，且腐蚀性低于高温蒸汽。 将CO₂转变为超临界状态所需的能量，低于将水转化为蒸汽。

$\eta_{\text{Brayton}} = 1 - \frac{1}{r_p^{(\gamma-1)/\gamma}} \quad \text{vs.} \quad \eta_{\text{Rankine}} \approx 35\text{-}40\%$

理想布雷顿循环效率取决于工质的压比（$r_p$）和热容比（$\gamma$）。在临界点附近，CO₂的密度大幅降低了压气机耗功，使实际循环效率向50%逼近。 实际sCO₂电站还会加装回热器以回收排气热量，并设置再压缩级以减少损失，但方向是明确的：输出更多能量、投入更少设备、占地更小。

Chaotan One：中国实际建造了什么

中国核动力研究设计院（NPIC）隶属于中国核工业集团（CNNC），耗时十余年研发该技术。 2019年，NPIC在实验室环境下实现了sCO₂满功率稳定发电。六年后，Chaotan One 实现商用。

技术参数：

CNNC称，与传统余热蒸汽回收系统相比，Chaotan One 的发电效率提升超过85%，净发电量提高超过50%，而占地面积减少一半。

此处需要区分“发电效率”与“热效率”。Chaotan One 并非一次能源电站，它是一套加装在钢厂上的余热回收系统，捕获原本会排入大气中的热量。这85%的提升是相对于传统有机朗肯循环（ORC）和蒸汽余热系统而言的，并非与全尺寸燃气轮机联合循环相比较。 但对于余热回收领域，这一跃升相当可观。

CNNC并不止步于钢铁厂。2024年，该公司启动了“熔盐储能 + Supercritical CO₂ Power Generation”示范项目，入选中国第五批能源领域首台（套）重大技术装备，预计2028年建成。

美国的路径：$169 million 且仍在投入

美国在2017年将sCO₂认定为战略前沿技术。 《MIT Technology Review》在2018年将其列为“Top 10 Breakthrough Technologies”之一。美国能源部向 Supercritical Transformational Electric Power（STEP）示范项目投入资金，该项目位于德克萨斯州圣安东尼奥的西南研究院，是一座投资 $169 million、装机容量10-megawatt的示范电站。

2024年10月7日，STEP完成第一阶段测试。透平以27,000 RPM的全运行转速运行，工况为500°C、250 bar，在简单循环配置下实现了4 megawatts的并网发电。

预计于2025年启动的第二阶段将把电站改造为 Recompression Brayton Cycle（RCBC），并将透平进口温度提升至715°C，这是向核反应堆和光热发电所需更高效率的一次重大迈进。

与中国的对比十分鲜明。美国花费 $169 million，在示范配置下发出4 megawatts电力。 中国则以商业方式部署了30 megawatts。 但如果仅从表面看，这种比较具有误导性。STEP追求的是更难的目标：在715°C下运行一次动力循环，用于核能和太阳能热发电。Chaotan One 则是在较低温度下回收钢铁厂废热。中国赢得了第一场比赛。美国正在为更难的比赛备战。

太阳能剧本重演

这一模式清晰可辨。

20世纪50年代，Bell Labs 发明了现代硅太阳能电池。美国研究者主导光伏科学数十年。到2010年，中国已掌控全球太阳能电池板制造。截至2025年，中国生产的太阳能电池板超过世界其他地区的总和，尽管其底层技术没有一项发源于此。

sCO₂正沿着相似的轨迹发展。这一概念可追溯至20世纪60年代末的意大利和美国工程师。 Sandia National Laboratories 自21世纪初以来一直在开展sCO₂研究项目。 基础科学研究绝大多数来自美国。首次商业部署来自中国。

CleanTechnica 的 Michael Barnard 指出，中国“摸着石头过河”的方法带来了“宝贵的经验，但也会产生许多死胡同”。 中国大规模部署实验性技术，收集实际退化数据，并不断迭代。美国则在商业化之前，先在国家实验室对部件进行验证。

在光伏领域，先部署的一方 decisive 获胜。 它能否在此获胜，取决于sCO₂系统能否经受住连续工业运行的考验。

第二重冲击：军事领域的紧凑性

如果一台透平比同等蒸汽轮机小10倍，其影响远远超出钢铁厂。

核潜艇和航空母舰目前使用蒸汽朗肯循环，将反应堆热量转化为推进动力和电能。这些蒸汽系统体积庞大、结构复杂，需要占用大量舰船空间。sCO₂布雷顿循环在十分之一体积内产生相同功率，将从根本上重塑舰船设计。

研究人员已经发表了航母核动力sCO₂一体化系统设计，用回热式sCO₂动力循环取代传统的二次回路蒸汽朗肯循环。 采用熔盐堆与sCO₂布雷顿循环耦合的小型模块化反应堆设计，正在针对舰船推进进行评估，预计循环热效率可达50%。

建造 Chaotan One 的机构 CNNC 是中国国有核工业企业，与海军推进项目关系密切。钢铁厂的余热回收示范只是冰山一角。目标2028年建成的熔盐 + sCO₂示范项目，正位于通向紧凑、高效海军反应堆的道路上。

美国国防部深知这一点。能源部 STEP 项目的合作方包括 GE Vernova，其母公司为美国海军建造推进系统。但时间正在流逝。中国正在生成sCO₂系统的实际运行数据，而美国的项目仍在从4 megawatts向上扩展。

怀疑者的观点：80年的“即将成熟”

先别急。

sCO₂动力循环自1946年就被提出。 八十年的“almost ready”足以让任何人谨慎。该技术的优势真实存在，但其失效模式同样真实，而且并不简单。

Barnard 指出了五种相互叠加的退化机制：

1. 换热器渗碳：高温下CO₂导致钢材中形成碳化物并发生脆化。
2. 密封退化：超临界CO₂在压力下溶入密封材料，造成逐渐泄漏，表现为效率下降而非明显故障。
3. 杂质驱动腐蚀：水、氧或硫污染导致接头处点蚀。
4. 扩散焊失效：使sCO₂系统得以小型化的紧凑型印刷电路板式换热器（PCHEs）也是其最薄弱环节。一旦焊接界面退化，整个单元必须更换。
5. 工业源结垢：钢铁厂废气含有颗粒物、金属氧化物和硫化物，会随时间降低换热效率。

Barnard 估计，中国部署的sCO₂装置在2至5年内出现显著换热器退化的概率为40%至70%，而钢铁厂应用出现结垢问题的概率为60%至85%。

学术文献证实了这些挑战。在临界点附近运行的sCO₂系统对微小偏差十分敏感，需要快速而精确的控制策略来防止流动不稳定。 在高温下，CO₂腐蚀性显著增强，需要能够承受数十年环境的材料。

正如 Barnard 所言：“一套初始功率15 MW、几年后降至13 MW且维护成本不断上升的系统，算不上突破。与成熟的蒸汽方案相比，它只是一种昂贵的废热回收方式。”

灰色地带：先部署再学习 vs. 先验证再部署

两种方法都有其合理性。

中国的赌注是，包括退化数据在内的实际运行数据，比任何实验室模拟都更有价值。Chaotan One 每运行一小时，CNNC 就能收集到关于密封磨损、换热器结垢和控制系统行为的信息，而这些是试验台无法复制的。如果系统退化，他们会了解它是如何退化的、在哪里失效以及该修什么。这堂课的代价是一座30 MW示范装置。收益则是在学习曲线上领先十年。

美国的赌注是，细致的部件验证能够打造出更耐用的产品。STEP项目严谨的方法（先在500°C下测试，再扩展到715°C，在国家实验室进行长周期腐蚀试验以验证材料）可能会带来一套可可靠运行30年而非5年的系统。 但它以速度换取耐久性。在光伏竞赛中，率先部署不完美电池板的国家学习最快、迭代最快，并主导了一代人的全球市场。

正如 Barnard 的分析所暗示，Chaotan One 可能在五年内出现退化。 但 CNNC 会知道原因，下一代产品会更好。与此同时，STEP项目正瞄准一个根本更难的目标（核反应堆在715°C下运行的一次动力循环），如果材料科学能够支撑，它可能带来变革性成果。问题不在于哪种方法“正确”。问题在于哪种方法率先取得商业主导地位。

接下来会发生什么

如果sCO₂能够实现规模化应用，其影响将不限于余热回收，甚至不限于海军推进。理论上，地球上的每一座热力发电厂（核能、燃气、煤炭、地热、光热）都可以将其蒸汽循环替换为效率提高10%、体积缩小90%的sCO₂循环。

这意味着全球80%的发电量所依赖的1884年技术，有可能被升级。

蒸汽轮机并未消亡。它已为人类文明供电142年，不会在一夜之间消失。 但自1884年以来，它首次遇到了一个有竞争力的商业对手，而建造它的国家并非发明它的国家。

中国拿美国发明的太阳能电池技术，在十年内将其变成了制造垄断。 现在的问题是，超临界二氧化碳会走上同样的道路，还是美国耐心验证的方法能够产生中国先部署战略无法企及的成果。

Chaotan One 已经投运。计时已经开始。

资料来源 (12)

• en.cnnc.com.cn CNNC: World's First Commercial Supercritical CO2 Power Generator
• scientificamerican.com Can Carbon Dioxide Replace Steam to Generate Power?
• cleantechnica.com China Built A Supercritical CO2 Generator
• powermag.com POWER Magazine: STEP Demo Completes Phase 1
• gti.energy STEP Demo Phase 1 Milestone
• tpr.org Texas Public Radio: Steam Turbines Will Be Things of the Past
• interestingengineering.com Chaotan One
• netl.doe.gov DOE/NETL: Increasing Efficiency With Supercritical CO2
• mdpi.com MDPI Energies: Supercritical CO2 Power Technology
• collection.sciencemuseumgroup.org.uk Science Museum: Parsons Steam Turbine Generator 1884
• pmc.ncbi.nlm.nih.gov Supercritical CO2 System for Aircraft Carrier Nuclear Power
• newsreleases.sandia.gov Sandia National Labs: Brayton Cycle Turbines