编者按：力学研究所空天飞行高温气动全国重点实验室的“高效洁净燃烧与余热利用”研究团队成功研发了二氧化碳跨临界循环综合储能技术，并作为项目第一完成单位荣获第51届日内瓦国际发明展金奖。本刊特邀请潘利生撰写科普文章，全面介绍该项技术，以飨读者。

二氧化碳跨临界循环综合储能技术

潘利生

一、引言：从“碳中和”说起

目前，“碳中和”已成为全球共识。简单地说，它就是让人类活动排放到大气层的二氧化碳（CO₂）与通过各种方式吸收的CO₂达到平衡，从而实现“净零排放”。自第一次工业革命以来，大量化石燃料被消耗，原本埋藏于地下的碳以CO₂形式释放至地球大气层。CO₂能够吸收地面反射的太阳辐射能量并重新向地面发射辐射，被称为“温室气体”。大气中CO₂含量迅速升高，加剧了全球变暖、冰川消融及极端气候等事件，构成了气候变化的驱动因素之一。

但是，CO₂本身并非“坏物质”。它是地球碳循环的天然介质，参与植物光合作用，也是动植物呼吸作用的产物。而且，CO₂具有优异的热物理性质：无毒、不可燃、不破坏臭氧层、全球温室效应潜值极低，且临界温度适中（约31℃），是理想的热力循环工质。当代社会，人类提出要实现CO₂净零排放的原因在于人类活动导致其浓度的超标。所谓的“全球温室效应潜值”（一般表示为GWP），是采用特定时间内所考察温室气体辐射总量与等质量CO₂辐射总量的比值来度量的，其值越高，表明该温室气体对全球变暖的贡献越大。CO₂的GWP值为1，CH4（甲烷）的GWP值为25，HFCS（氢氟烃）的GWP值约在124-14800的范围。

大幅提升可再生能源发电在电力消耗中的占比是实现“碳中和”的关键途径。预计到2060年，我国可再生能源发电的占比将达到70%以上。然而，许多可再生能源具有不稳定的特征。例如，日常生活中有一个常见场景：夏季正午，光伏发电达到峰值，但家庭用电需求较低，富余电能无法被有效利用；傍晚用电高峰时，光伏出力却降至为零。这种可再生能源的间歇性与用电负荷的时变性之间的矛盾，正是储能技术需要解决的核心问题。将不稳定的“闲电”储存起来，在需要时再平稳释放，是构建高比例可再生能源电力系统的关键支撑。

二、传统储能的“盲区”：只存电，不存冷热

当前大规模储能的主流技术包括抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能等。“抽水蓄能”是在电力富余时将水抽至高位水库，电力匮乏时水库放水发电；“压缩空气储能”是利用多余的电力将空气压缩储存，电力不足时释放高压气体驱动透平发电；“电池储能”则是通过电化学原理将电能转化为化学能，需要电能时再通过电化学原理放电输出。这些技术的共同特点是：只存电、只放电，无论中间经过何种能量形式转换，最终输出的仍然主要是电能。

然而，人类社会终端用能的形式并非只有电能。冬季供暖需要热量，夏季制冷需要冷量，工业生产中也大量消耗热能和冷能，数据中心具有冷却和余热回收的典型需求。这里所谓的“热能”或“冷能”，本质上是一种“温差能”，它是指某物质温度高于或低于环境温度（或某特定工艺温度）而所蕴含的能量。实际上，热能和冷能是与电能并列的人类需要的基本能源形式。如果储能系统只能输出电力，有些用户仍然需要用电再制热或制冷，这样就必然增加能量转化环节，从而造成额外的能量损耗。

更重要的是，传统储能大多部署于发电侧或电网侧（如抽水蓄能电站建在山顶水库），远离用户终端，难以与用户侧冷热需求协调统筹。

三、创新解决思路：冷、热、电储供一体化技术

针对上述局限，我们研究团队提出了一种全新的储能思路：不以“电”为唯一的存储和供应的形式，而是将富余电能转化为可存储的热能和冷能。当可再生电能富余或电价处于低谷时，系统将电能转化为热能和冷能，并分别储存于热水（或熔盐）和冷水（或冰）等储能介质中；当用户需要用热能或用冷能时，体系可直接对外供热和供冷；若热能、冷能有富余或需要电力时，也可将储存的热能、冷能再转化为电能反哺电网。我们称之为“冷、热、电储供一体化”技术。

与传统的“电→物理/化学势能→电→用户→制热/制冷”多次能源形式转化路径相比，冷、热、电储供一体化技术的能源形式转化路径更短：电能→热/冷能→（电→）用户。从工程上讲，每减少一次能源形式转化，就可避免5%-15%的能量损失。因此，该技术体系具有大幅提升整体能源利用效率的潜力。该技术可实现电、热、冷三种基本能源形式的协同供应，可广泛应用于工业园区、大型公共建筑、数据中心等众多场景。

四、CO₂跨临界循环：如何实现华丽“变身”？

实现上述思路，需要合适的“搬运工”——工质。我们选用的工质就是前面提到的CO₂。它的临界温度约为31℃，临界压力约7.38MPa。这里，“临界温度”（一般表示为T_c）是气体可以通过加压实现液化的最高温度，“临界压力”（一般表示为P_c）是指在临界温度下使气体液化所需的最小压力，而“临界点”则是物质达到特定温度和压力时，气液两相物理差异完全消失、形成单一均匀相的一个极限热力状态点。在临界点，气液两相的密度、粘度等物性完全相同，表面张力为零，气化潜热为无穷大。

图1 示出在压力为7.5 MPa 条件下CO₂的物性随温度变化的情况，可以看出：在临界温度附近物性会发生剧烈的变化。由于CO₂的临界温度与环境温度接近，所以在热力循环中容易呈现亚临界和超临界的状态变化。这里的“亚临界”和“超临界”分别是指工质压力和温度在临界值之下和临界值之上的状态。当温度和压力超过临界值时（即处于超临界状态），CO₂进入了“超临界”状态（参见图2），此时，它具有比亚临界气态更高的密度和比亚临界液态更低的粘度。

图1 近临界区CO₂物性变化趋势（图片来源：作者自制）

图2 CO₂相图（图片来源：作者自制）

图3给出CO₂跨临界循环综合储能技术示意。这个技术的核心是通过CO₂在亚临界和超临界状态间循环运行，实现了面向用户侧的冷、热、电综合存储和供应，更高效地满足用户的综合能源需求。当然，储能模式和释能模式的依次运转伴随着能量的损失。所以，释能模式输出的电能少于储能模式消耗的电能。下面简要说明所涉及的储能模式和释能模式的内涵。

图3 CO₂跨临界循环综合储能技术示意图（图片来源：作者自制）

储能模式：CO₂被压缩机增压升温，进入超临界状态；然后，高温高压的超临界CO₂流入冷却器，其热量被提取并储存于储热罐中，可采用热水或相变材料等作为储热介质；随后，在冷却器中被冷却的高压CO₂经节流降压，温度骤降至气液两相共存状态，两相状态的CO₂进入蒸发器继续蒸发吸热，制取的冷量被储存于储冷罐，可以采用冷水或冰等作为储冷介质；在蒸发器中充分气化后的气态CO₂重新进入压缩机被增压升温；由此，通过CO₂跨临界制冷制热循环运行，电能同时转化为可存储的热能与冷能。储存的热能与冷能可以按照用户需求直接取用。若需重新转化回电能，可采用储存的热能与冷能驱动CO₂跨临界发电循环。

释能模式：处于超临界压力下的CO₂在加热器中被储热罐中的储热介质加热升温；然后，高温高压的超临界CO₂流入膨胀机或透平，其热能转化为机械能并驱动发电机输出电力；随后，膨胀后的低温低压CO₂进入冷凝器，被储冷罐中的储冷介质冷却、冷凝为液态；最后，液态CO₂被压缩机增压后再次进入加热器完成一个循环；由此，通过CO₂跨临界发电循环运行，存储的热能与冷能重新转化为电能，并对外输出。

CO₂在循环中所展现的超临界状态具有低粘度（与液态相比）与高密度（与气态相比）的特点，从而可在微细流道内以较低的流动阻力通过。这个特征可以显著减小CO₂跨临界循环系统中相应部件的体积，使系统结构更加紧凑。此外，在储能和释能两个循环的高压侧换热时，超临界CO₂与储能介质的沿程温度变化规律更接近，换热损失更小，有助于整体性能的提升。

五、理论创新与技术攻关：从实验室到工程实践

作为工质的CO₂虽好，但近临界区（临界点附近）的物性随温度、压力变化极为剧烈。例如，温度变化0.1℃可能导致密度变化50%以上。这会导致压缩过程中出现“液击”风险——液态工质撞击叶轮，造成设备损坏。

针对这一难题，我们研究团队另辟蹊径，创造性地提出了“自冷凝循环”与“喷流自降温循环”新路径，通过喷流冷效应使近临界状态的主流工质降温远离危险的近临界区，从而在根本上避免两相增压，杜绝液击风险。并建立了实验验证系统，在国内率先实现了CO₂跨临界循环发电系统的长时间稳定运行，也验证了新循环路径的可行性。

结合在CO₂跨临界循环发电和冷热联供方面的研究优势，我们进一步提出了CO2跨临界循环综合储能技术思路，明确了循环耦合机制，建立了系统优化模型。

此外，研究团队还攻克了CO₂跨临界增压和基于人工智能的系统控制技术，为CO₂跨临界循环系统提供了强劲的“心脏”和智慧的“大脑”。

在系列理论创新和关键技术研发的基础上，团队研发了CO₂跨临界循环冷热能源站工程样机，并在应用现场稳定运行两年，为园区提供热水和制冷（参见图4）。

图4 CO₂跨临界循环冷热能源站工程样机（图片来源：作者自制）

我们研发的“冷、热、电储供一体化”技术与“碳中和”目标高度契合，不仅可以提升可再生能源的消纳能力和综合利用效率，更高效；而且使用自然工质CO₂替代强温室效益工质（HFCs），更环保。这里的HFCs是氢氟烃工质的简称，它们是一类人工合成的强温室气体，主要来自工业生产和日常生活中的制冷、发泡产品，具有极大的温室效应潜值。

我们团队的系列研究成果已形成30余项国内外发明专利的完整知识产权体系，并获得第51届日内瓦国际发明展金奖、雄安高价值专利大赛金奖等多项荣誉。日内瓦国际发明展在2026年3月份举办，4月13日给研究团队颁发了获奖证书。

我们期待所研发的CO₂跨临界循环系列技术可为我国“碳中和”事业提供一条高效、环保、可规模化复制的系统解决方案。