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全球超臨界二氧化碳（sCO2）發電技術分析與展望
- tenlife2019
- 8月9日
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執行摘要
超臨界二氧化碳（sCO2）發電技術代表著能源轉換領域的一項變革性進展，其獨特的熱物理特性使其在發電效率、系統緊湊性及應用廣泛性方面，相較於傳統的蒸汽循環展現出顯著優勢。當二氧化碳處於超臨界狀態時，其行為介於氣體與液體之間，密度高且對溫度和壓力的微小變化極為敏感，這使其成為高效能量轉換的理想工作流體。
全球範圍內，各國政府與產業正投入大量資源推動sCO2技術的研發與商業化。美國透過能源部（DOE）的「超臨界轉型電力（STEP）」計畫，與產業夥伴合作，致力於降低技術風險並加速商業化進程，已成功啟動全球最大的10 MWe間接加熱sCO2示範電廠。中國則展現出快速發展的勢頭，其首座5 MWe sCO2發電設施已於2021年投入運營，並規劃在「十四五」期間建設50 MWe示範電廠。歐洲、韓國、日本、沙烏地阿拉伯和加拿大等地區與國家亦透過多項合作專案與研究機構，積極推進sCO2技術的發展與應用。這種廣泛的政府與產業投資，以及國際合作的模式，突顯了sCO2技術在能源轉型中的戰略重要性，同時也反映出其商業化所面臨的複雜挑戰，需要共享風險與專業知識來加速其成熟。
儘管sCO2技術在效率和緊湊性方面具有潛力，其平準化電力成本（LCOE）目前仍高於已成熟的太陽能和風力發電。然而，sCO2的價值在於其能夠與多種熱源整合，包括核能、聚光太陽能、地熱能以及工業餘熱回收，這使其成為支援多元化、彈性且低碳能源組合的關鍵平台技術。這項技術的廣泛適用性表明它並非利基技術，而是一種能夠支援多元化和彈性化能源組合的平台技術。這種靈活性對於適應未來能源需求和實現脫碳路徑至關重要，無論主要能源輸入為何，都能實現最佳的能源轉換。
sCO2技術的商業化仍面臨多重挑戰，包括高溫材料的相容性、渦輪機械的設計複雜性、系統整合的穩定性，以及公眾對二氧化碳作為工作流體的認知。克服這些障礙需要持續的研發投入、國際間的協同合作以及適應性的監管框架。隨著這些挑戰逐步解決，sCO2發電技術有望在實現全球能源效率提升、降低碳排放以及構建更具韌性的能源系統方面發揮關鍵作用。
1. 超臨界二氧化碳（sCO2）發電技術導論
1.1. sCO2發電循環的基本原理與優勢
超臨界二氧化碳（sCO2）是一種在特定溫度（31°C或88°F）和壓力（7.4 MPa或1073 psia）之上存在的流體狀態。在此超臨界點，CO2展現出介於氣體和液體之間的獨特特性：它像氣體一樣能夠充滿整個體積，卻又具備接近液體的密度。這種性質的關鍵之處在於，即使是微小的溫度或壓力變化，也能引起其密度的劇烈波動，這使得sCO2成為一種極其高效的熱能轉換為電能的工作流體。
sCO2在發電領域的主要應用是封閉式布雷頓循環（Brayton cycle），它取代了傳統的蒸汽或空氣作為工作流體。sCO2布雷頓循環的一個核心設計特點是，在壓縮機入口處將流體冷卻至非常接近其臨界點的溫度。這種策略性冷卻利用了sCO2在臨界點附近的高密度特性，顯著降低了壓縮機所需的功耗，從而提升了整個循環的效率。
sCO2發電技術的關鍵技術優勢包括：
更高的熱效率： sCO2布雷頓循環展現出顯著高於傳統蒸汽朗肯循環的熱效率潛力，通常可超過50%，而後者通常在30-45%之間。這種卓越的效率源於sCO2獨特的熱物理性質、其單相傳熱特性以及在高流體溫度下運行的能力。
緊湊的設計與佔地面積： sCO2的高流體密度使得渦輪機械的設計能夠極其緊湊，其部件尺寸通常僅為傳統蒸汽系統的十分之一。例如，一台桌面大小的sCO2渦輪機即可為大約10,000戶家庭供電。這種內在的緊湊性直接轉化為更低的資本成本和顯著縮小的發電設施佔地面積。
減少燃料和水消耗： sCO2循環提升的熱效率直接導致燃料消耗的減少，進而降低每單位發電量的排放。此外，該技術顯著節約用水，非常適合乾式冷卻應用，這在水資源匱乏或乾旱地區是一項關鍵優勢。
操作靈活性： sCO2渦輪機展現出快速啟動能力，僅需2分鐘即可達到全功率，這與傳統蒸汽渦輪機所需的30分鐘或更長時間形成鮮明對比。這種「快速啟動」特性，加上其為頻繁啟停循環而設計的特點，使其在電網整合中具有極高價值，能夠快速響應波動的能源需求並支持電網穩定性。
無毒、不易燃、易於獲取： CO2本身是一種豐富、低成本的流體，無毒且不易燃，這使其成為發電循環中安全實用的工作流體選擇。
高效率和緊湊設計的結合，為成本降低和部署能力創造了一個正向循環。更小的組件減少了製造和建設成本，而更高的效率則降低了持續的燃料成本。這種協同作用是sCO2吸引力的核心驅動力。sCO2在臨界點附近的獨特熱物理特性，使得資本支出（CAPEX）和營運支出（OPEX）能夠同時降低，從多個角度提升了該技術的經濟吸引力，並加速了其市場採用的潛力。
1.2. 主要應用領域與循環架構
sCO2發電循環的一個顯著戰略優勢是其卓越的多功能性，使其能夠與多種熱源整合。
具體應用領域包括：
核能： 這是sCO2技術的一個主要關注領域，特別是對於先進核反應爐和小型模組化反應爐（SMRs）。sCO2在中等溫度下的高效率和緊湊設計，使其成為這些下一代核能應用的理想電力轉換系統。
聚光太陽能發電（CSP）： sCO2循環特別適合CSP電廠，尤其是與高溫熱能儲存（TES）結合時。這種組合能夠實現超過50%的效率，並顯著提高太陽能發電的可調度和可靠性。
化石燃料發電： sCO2技術適用於先進燃燒鍋爐、直接燃燒系統（特別是結合富氧燃燒以實現整合式CO2捕獲），以及作為燃氣渦輪機的底部循環。當作為底部循環整合時，其綜合效率有望超過60%。
餘熱回收（WHR）： 被認為是近期商業化應用的重點，sCO2能夠高效捕獲並將工業過程、渦輪機排氣或其他熱氣體產生的餘熱轉換為有用電力，這是一項重要優勢。此應用顯著提升了整體能源效率並減少了熱污染。
地熱能： 地熱技術辦公室（GTO）積極開展研究，以提高利用地熱熱能的sCO2發電循環的運行效率。此外，sCO2獨特的地下流動特性表明其作為增強型地熱系統（EGS）中高效熱提取流體的潛力。
船舶推進： sCO2循環的緊湊性和高效率使其成為船舶推進系統的有利應用。
飛機推進： 目前正在研究將sCO2電力系統整合到飛機推進系統中，以回收餘熱，旨在為機載系統產生額外電力並提高整體燃料效率。
sCO2在各種熱源（核能、太陽能、化石燃料、餘熱、地熱能）上的廣泛適用性，表明它並非利基技術，而是一種能夠支援多元化和彈性化能源組合的平台技術。這種靈活性對於適應未來能源需求和實現脫碳路徑至關重要，無論主要能源輸入為何，都能實現最佳的能源轉換。能夠與如此廣泛的熱源整合，意味著sCO2可以作為一種「通用能源轉換模組」發揮作用。它不像許多其他發電技術那樣受限於特定燃料或可再生資源。在當前全球能源政策中，能源安全、脫碳和電網穩定性至關重要，僅依賴單一能源或轉換方法本身就存在風險。sCO2的適應性使各國和各行業能夠戰略性地實現能源結構多元化。它可以提供來自核能的穩定、低碳電力，來自帶儲能的CSP的可調度可再生電力，以及從工業餘熱中顯著的能量回收。這種能力增強了整體電網韌性，減少了對不穩定燃料市場的依賴，並最大限度地利用了可用能源。因此，sCO2是構建一個穩健、靈活和低碳能源系統的基礎技術，實現了能源轉型的全面方法，而非僅僅關注特定燃料類型。
循環架構方面，主要包括：
簡單布雷頓循環（Simple Brayton Cycle）： 這是sCO2發電循環最基本的配置。
再壓縮封閉布雷頓循環（Recompression Closed Brayton Cycle, RCBC）： 這種先進配置旨在最大限度地提高循環效率，特別是在中等溫度下。它透過引入第二個回熱器和壓縮機來實現這一目標，這有助於最大程度地減少循環中熱容量差異帶來的不利影響。RCBC配置正朝著更高的渦輪機入口溫度發展，STEP示範專案的目標是715°C。
直接燃燒與間接加熱：
直接燃燒循環： 涉及化石燃料與氧氣的直接燃燒，產生的CO2/蒸汽混合物作為工作流體驅動渦輪機。這種方法有助於實現高水平的CO2捕獲。
間接加熱循環： 利用來自外部熱源（如鍋爐、太陽能接收器或核反應爐）的熱量來加熱sCO2工作流體。
2. 全球sCO2技術發展現況
2.1. 各主要國家與地區的進展
全球範圍內，多個國家和地區正積極投入sCO2發電技術的研發與商業化，展現出顯著的進展。
美國：美國能源部（DOE）是sCO2技術發展的主要推動力量，透過大量資金投入和合作倡議，積極推動美國在該領域的技術領先地位和全球競爭力。領先的國家實驗室和私人實體，包括桑迪亞國家實驗室（SNL）、西南研究院（SwRI）、國家能源技術實驗室（NETL）、阿貢國家實驗室（ANL）、國家再生能源實驗室（NREL）、橡樹嶺國家實驗室（ORNL）、燃氣技術研究所（GTI）、通用電氣（GE）、Echogen電力系統等，均在進行重要的研發工作。其中最具代表性的是位於德州聖安東尼奧的「超臨界轉型電力（STEP）」試點電廠，這是一座10 MWe間接加熱sCO2設施，也是目前全球最大的同類電廠。該專案由GTI Energy主導，與SwRI和GE Vernova等關鍵夥伴合作，並獲得DOE高達1.27億美元的資金支持（總專案成本為1.69億美元）。該專案於2023年完成機械安裝，並於2023年1月開始全面系統運營（熱啟動），2023年11月成功調試了壓縮機迴路，並於2024年12月在500°C的簡單循環最大條件下，成功示範了4 MWe的電網同步發電。未來計畫在715°C的再壓縮封閉布雷頓循環（RCBC）配置下運行，以達到10 MWe的發電量。此外，桑迪亞國家實驗室在sCO2布雷頓循環實驗設計和執行方面擁有超過15年的經驗，重點關注組件測試（如軸承、密封件、熱交換器）和先進循環策略。NET Power位於德州拉波特的50 MWth天然氣直接燃燒sCO2試點電廠，則旨在實現近100%的CO2捕獲，為清潔化石能源提供了一條途徑。
中國：中國在sCO2技術方面展現出快速發展的勢頭。其首座sCO2發電設施，一台5 MWe的機組，於2021年12月由中國華能集團在西安成功投入運營，該機組在600°C和20 MPa下運行。該機組被譽為同類機組中參數最佳、容量最大的。中國的發展反映出明確的戰略承諾，中國華能計畫在「十四五」規劃期間（2021-2025年）建設一座50 MWe的sCO2循環示範電廠，以實現商業化應用。西安熱工研究院有限公司牽頭成立的「超臨界二氧化碳循環發電技術創新聯盟」，匯聚了40家大學、研究機構和領先企業，這凸顯了中國在加速研發和產業化方面的強大協作生態系統。中國的研發工作戰略性地聚焦於將sCO2技術整合到高效太陽能熱能系統、電熱儲能、先進核能以及靈活熱力發電應用中。值得一提的是，首航與法國電力公司（EDF）正在合作，將敦煌現有的10 MWe聚光太陽能發電（CSP）電廠改造成sCO2發電循環，目標是在2020年底前投入運營。
歐洲：歐盟「地平線2020」計畫為一系列sCO2專案提供了大量資金，包括sCO2-Flex、ISOP、SCARABEUS和sCO2-Efekt，促進了各成員國之間的協作研究環境。西門子能源、德勒斯登工業大學、德國航空太空中心太陽能研究所、亥姆霍茲德勒斯登-羅森多夫研究中心（HZDR）以及貝克休斯等知名工業和學術機構積極參與推進該技術。在示範專案方面：
西門子能源與加拿大TC Energy合作，在亞伯達省啟動了一項新型餘熱發電試點設施，利用sCO2將燃氣渦輪機的餘熱轉化為無排放電力，可為超過10,000戶家庭供電。
德國亥姆霍茲德勒斯登-羅森多夫研究中心（HZDR）已建成一座MWt級別的sCO2測試設施，設計用於在高達650°C和300巴的溫度下運行。
CO2-Heat專案旨在捷克CEMEX水泥製造廠示範一個基於sCO2循環的2 MW餘熱發電滑橇。
Sofia試驗台，作為sCO2-Efekt專案的一部分，計畫於2024年在捷克梅爾尼克供熱廠投入運營。該系統基於「電轉熱轉電」（P2H2P）概念，也稱為「卡諾電池」，最大渦輪機功率為1.5 MWe。
SCARABEUS專案則專注於開發sCO2混合物作為CSP電廠的工作流體，以實現在更高環境溫度（高達60°C）下的冷凝，目標是將熱機械轉換效率從42%提高到50%以上，並降低資本支出。政策支持方面，sCO2歐洲聯盟作為相關利益方組成的聯盟，積極促進對話、知識共享，並加速sCO2技術在歐盟範圍內的市場採用。
韓國：韓國是sCO2研發的重要參與者，韓國原子能研究院（KAERI）和韓國科學技術院（KAIST）等機構積極參與測試系統的開發和運行。韓國電力公社（KEPCO）也是美國STEP專案的全球合作夥伴之一，這表明了國際合作的參與。儘管韓國的整體氣候政策被氣候行動追蹤組織（CAT）評為「高度不足」，但該國正在投資綠色新政和氫能路線圖等綠色倡議。這些更廣泛的能源轉型努力可能間接支持並與sCO2技術的發展相契合，特別是在高效發電和工業脫碳等領域。
日本：日本積極參與sCO2技術的基礎研究和產業化路線圖制定。日本的「綠色轉型（GX）基本政策」強調擴大核能和發展「清潔煤」技術。此外，日本大力推動碳捕獲與儲存（CCS），目標是到2050年每年儲存1.2億至2.4億噸CO2。這種國家對高效化石燃料和核能的關注，加上對CCS的重大投資，為sCO2發電循環的整合和發展創造了有利環境。
沙烏地阿拉伯：美國與沙烏地阿拉伯王國已共同宣布，計畫建立一個國際聯盟，旨在促進sCO2發電循環的研究、開發和示範（RD&D）。沙烏地阿美石油公司（Saudi Aramco）正在該領域積極進行廣泛的模型建立和實驗工作。
加拿大：加拿大自然資源部是美國STEP專案的全球合作夥伴之一。此外，西門子能源正在亞伯達省啟動一個重要的餘熱發電試點設施，展示了sCO2技術在該地區的實際應用。
這種廣泛的政府和產業投資，加上國際合作聯盟（例如：美國-沙烏地阿拉伯、美國STEP與韓國電力公社、加拿大自然資源部），揭示了一場全球性的sCO2技術領導力競爭，同時也認識到技術和商業化挑戰的複雜性足以需要多國合作。這表示沒有任何一個國家或實體能夠單獨輕鬆地將這項複雜技術商業化，因此必須共享風險和專業知識。這不僅是一場爭奪技術領導地位的全球競爭，也是一場基於共同理解的合作。該技術的複雜性和所需的巨大投資，使得單一國家或企業難以獨自承擔。因此，各國和企業在競爭的同時，也透過合作來分擔風險、共享專業知識，共同加速sCO2技術的成熟。
2.2. 主要示範專案與合作倡議
全球sCO2技術的發展正透過一系列大型示範專案和國際合作倡議加速推進。以下表格概述了其中一些關鍵專案，以提供sCO2技術全球發展格局的清晰視圖。
表1：全球主要sCO2示範專案與現況
這些專案的共同特點是其規模、複雜性和對高溫、高壓材料與組件的嚴苛要求。例如，STEP專案在製造高溫組件和焊接程序方面就面臨挑戰，需要改進焊接技術和檢測方法。這些示範專案不僅驗證了sCO2技術的可行性，也為未來的商業化提供了寶貴的運行數據和經驗教訓，特別是在組件性能、系統穩定性、控制策略和材料耐久性方面。
國際合作倡議在sCO2技術發展中扮演著關鍵角色。例如，美國與沙烏地阿拉伯於2016年宣布建立國際聯盟，旨在促進sCO2發電循環的研發與示範，並邀請韓國等其他積極發展sCO2研發的國家加入。這類合作有助於共享知識、最佳實踐和資金，共同降低商業化風險。歐盟的sCO2 Europe聯盟也致力於促進科學技術知識的產生、共享和轉移，以加速市場採用，並建立大學、技術中心、技術供應商和運營商之間的長期合作。這些合作模式表明，sCO2技術的複雜性和所需投資規模，使得單一國家或企業難以獨自承擔，因此需要透過多邊合作來加速其成熟並實現全球範圍內的部署。
3. sCO2發電成本與再生能源比較
3.1. 平準化電力成本（LCOE）概述
平準化電力成本（LCOE）是衡量發電技術經濟競爭力的關鍵指標，它代表了發電廠在其整個生命週期內，每單位發電量所需的平均收入，以收回其建設和運營成本。LCOE的計算考慮了資本成本、固定運營和維護（O&M）成本、可變成本（包括O&M和燃料成本）、融資成本以及假定的利用率等因素。
LCOE被廣泛用於新發電專案的可行性研究、企業和政府的投資策略決策以及能源政策制定。它提供了一種「同類比較」的方式，來評估不同規模、效率、資本和運營成本、使用壽命和商業運營日期的各種發電來源。然而，LCOE也有其局限性，例如它可能無法充分反映電力生產與需求匹配的時間效應，例如調度能力或發電可用性與市場需求曲線的匹配程度。對於間歇性再生能源，如太陽能或風能，美國能源信息署（EIA）建議將其LCOE與「平準化避免成本」（LACE）進行比較，LACE衡量了該能源對電網提供的經濟價值。當LACE與LCOE的比率大於1時（即價值大於成本），該專案被認為在經濟上可行。
3.2. sCO2與太陽能、風力發電成本比較
在當前階段，sCO2發電技術的LCOE通常高於已成熟的太陽能光伏（PV）和風力發電。根據研究，sCO2循環的平準化成本至少比參考系統高出9%。即使將大多數sCO2特定組件的成本降低50%，也未能達到成本平價。這表明，儘管sCO2在技術上具有優勢，其商業化成本仍是主要挑戰。
太陽能光伏（Solar PV）： 截至2023年，美國公用事業規模太陽能光伏的全球平準化電力成本約在每兆瓦時30美元至180美元之間。Lazard的2024年報告顯示，大型公用事業規模（150 MW）太陽能光伏裝置的LCOE範圍為每兆瓦時19-78美元（含稅收抵免）和29-92美元（不含稅收抵免）。太陽能光伏的成本在過去幾年顯著下降，使其成為最具成本競爭力的新建發電形式之一。
風力發電（Wind Power）： 陸上風力發電的LCOE也極具競爭力。Lazard的報告顯示，大型（250 MW）陸上風力專案的LCOE範圍為每兆瓦時0-62美元（含稅收抵免）和27-73美元（不含稅收抵免）。離岸風力發電的成本則較高，但也在逐步下降。風力發電與太陽能一樣，在每單位產出的成本方面持續表現出色。
相較之下，sCO2發電技術的LCOE數據：
Echogen公司計算的CO2基熱引擎的LCOE平均為每千瓦時0.025美元（即25美元/MWh）。
對於利用sCO2熱引擎作為底部循環的完整聯合循環燃氣渦輪機系統，LCOE平均為每千瓦時0.065美元（即65美元/MWh）。
然而，另一項研究指出，優化後的直接sCO2電廠的LCOE比傳統電廠高出13%至17%。
在聚光太陽能發電（CSP）應用中，透過降低功率塊成本和詳細的循環模型，sCO2 CSP系統的LCOE預計為5.98美分/千瓦時（即59.8美元/MWh），達到預期的技術經濟性能。
儘管sCO2的LCOE目前可能略高於最便宜的再生能源，但其價值不應僅從LCOE單一維度衡量。sCO2的優勢在於其高效率、緊湊設計以及與多種熱源整合的能力，包括核能、聚光太陽能（帶儲能）、地熱能和餘熱回收。這些特性使其在某些特定應用場景中具有獨特的優勢，例如需要高功率密度、快速啟動或水資源受限的地區。此外，sCO2循環能夠提供穩定、可調度的電力，這對於整合大量間歇性再生能源的電網至關重要，因為它能夠彌補太陽能和風能的波動性。
因此，sCO2發電技術並非與太陽能和風力發電直接競爭，而是作為一種互補技術，填補了能源結構中的關鍵空白。它能夠提供高效率、低碳且具備調度能力的電力，尤其適用於利用難以轉換的熱源或需要緊湊設計的應用。隨著技術的進一步成熟和規模化生產帶來的成本降低，sCO2的LCOE有望進一步下降，使其在更廣泛的市場中具備更強的競爭力。
4. sCO2發電技術的風險與挑戰
儘管超臨界二氧化碳（sCO2）發電技術具有顯著潛力，但其廣泛部署仍面臨多方面的風險與挑戰，這些挑戰涵蓋了技術、商業化、環境安全以及監管與公眾認知層面。
4.1. 技術挑戰
sCO2發電循環在高溫、高壓環境下運行，這對組件設計和材料選擇提出了獨特且嚴苛的要求，遠超現有渦輪機械的經驗基礎。
材料相容性與耐久性： 在高溫（如700°C以上）和高壓（高達30 MPa）的sCO2環境中，材料的氧化、滲碳、腐蝕和機械性能穩定性是關鍵問題。傳統鋼材在sCO2中存在溫度限制，因為會發生滲碳和加速氧化。雖然鎳鉻基合金在600°-800°C的sCO2環境中表現出優異的相容性，但對於更高溫度，仍需進一步研究塗層和新型材料。
渦輪機械設計與製造： sCO2渦輪機和壓縮機的設計必須適應高氣體密度、高功率密度和接近臨界點時CO2的真實氣體效應。這導致渦輪機械體積非常小，但設計和製造難度極高，涉及轉子動力學、壓力密封、軸封、瞬態/非設計點運行、熱管理、超速風險和氣動性能等挑戰。例如，GE Vernova正在開發的24英寸先進密封件，旨在實現超過500 MWe的擴展性。
熱交換器設計： sCO2循環需要高強度的熱回收，這意味著需要設計緊湊、高效且能承受高溫差和高壓差（高達30 MPa）的熱交換器。傳統的換熱器設計可能無法滿足sCO2循環對低壓降和高傳熱效率的要求。
系統整合與運行穩定性： 將所有sCO2循環組件（包括鍋爐、熱交換器、渦輪機械、控制系統等）整合到一個穩定運行的系統中，並確保其在各種運行條件下（如啟動、關機、負載追蹤和瞬態條件）的最佳性能，是一個複雜的挑戰。由於sCO2在臨界點附近的高能量密度，實驗室規模的測試迴路中的渦輪壓縮機組件尺寸極小，這使得系統的控制和處理變得困難，且熱部件的熱慣性較大，導致系統響應緩慢。此外，低壓比導致的低比功率輸出，要求高強度的熱回收，進一步增加了系統的複雜性。
4.2. 商業化與市場導入障礙
除了技術挑戰，sCO2技術的商業化進程還面臨著多重非技術性障礙。
高前期投資與融資風險： 儘管sCO2長期有望降低資本和運營成本，但作為一項新興技術，其初始部署仍需要大量前期投資。由於技術風險較高，私人部門獨立投資的意願受到限制，因此初期需要政府的大量投資來降低風險並促進商業化。
供應鏈與製造規模： sCO2組件的獨特設計和材料要求，意味著需要開發新的製造技術和建立穩健的供應鏈。例如，STEP專案在製造高溫組件時，就遇到了焊接程序和檢測技術的挑戰。將實驗室技術轉化為商業化、現成的產品，需要產業的積極參與和規模化生產能力的提升。
缺乏長期運行數據： 相較於已有一百多年歷史的蒸汽技術，sCO2技術的運行時間仍相對較短（目前運行時間約為40-50小時），而要證明其可靠性則需要超過1000小時的運行數據。缺乏足夠的長期運行數據會影響投資者信心和市場接受度。
市場競爭與經濟性： 在某些低溫應用中（<500°C），sCO2的效率相較於蒸汽循環仍具挑戰性，且成本僅能做到與之相當，需要達到「第N個同類產品」的規模效應才能顯現經濟優勢。在高溫應用中（>600°C），材料和製造的高成本可能抵消效率提升帶來的效益。
4.3. 環境與安全考量
CO2洩漏風險： 雖然sCO2本身無毒、不易燃，但CO2是一種無色、無味且比空氣重的窒息劑和中毒劑。管道運輸sCO2存在嚴重的公共安全風險，一旦發生洩漏，CO2會取代空氣中的氧氣，可能導致人類和動物的長期健康影響甚至傷亡。此外，超臨界CO2在管道破裂時會發生快速相變，可能加劇破裂並導致大量產品迅速釋放到環境中。
腐蝕問題： CO2與雜質（如水和硫化氫）的相互作用會形成碳酸，對管道內部表面具有極強的腐蝕性，增加腐蝕和故障的風險。儘管目前sCO2管道運輸的多為乾燥純淨的CO2，但隨著不同CO2來源的擴展，管道中可能引入更高的水含量和更多雜質。
環境影響評估： 雖然sCO2技術透過提高效率和回收餘熱來減少燃料消耗和排放，從而降低環境影響，但其在整個生命週期內（包括CO2的生產、運輸和潛在洩漏）的環境影響仍需全面評估。
4.4. 監管與公眾認知
監管標準的建立： sCO2技術的獨特操作條件和潛在風險，需要建立一套全面的監管標準，涵蓋設計、建造、運行、維護和安全等方面。目前，CO2管道通常在維持超臨界流體狀態所需的壓力與溫度範圍之外運行，這使得確保所有CO2管道都適用於安全法規成為一個挑戰。
公眾認知與接受度： 儘管sCO2技術有助於減少排放，但由於其工作流體是二氧化碳，可能與公眾對「碳」的負面認知產生聯想，特別是與碳捕獲與儲存（CCS）專案相關的公眾疑慮。CCS專案的早期經驗表明，負面的公眾認知可能是大規模實施的障礙。提高公眾對sCO2技術性質、優勢、風險以及其在能源轉型中作用的認識至關重要。這需要透明的信息共享和有效的溝通策略，以建立信任並促進社會接受。
總體而言，sCO2發電技術的未來成功將取決於能否有效解決這些技術、商業、環境和社會層面的複雜挑戰。這需要持續的研發投入、全球協作以及適應性的政策和監管框架。
5. sCO2與高效鈣鈦礦太陽能電池的整合潛力
隨著能源轉型對高效、多功能發電技術的需求日益增長，超臨界二氧化碳（sCO2）發電循環與新一代高效鈣鈦礦太陽能電池的整合，正浮現出巨大的潛力。這種結合有望克服單一技術的局限性，實現更高的整體能源轉換效率和更穩定的電力輸出。
5.1. 鈣鈦礦太陽能電池概述與熱管理挑戰
鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cells, PSCs）是一種新興的光伏技術，因其高效率、低生產成本潛力、輕薄柔韌性以及可調諧的帶隙而備受關注。目前，單結鈣鈦礦太陽能電池的效率已達到26.7%，而鈣鈦礦-矽疊層電池的效率更是高達34.85%，超越了單結矽電池的理論極限。此外，鈣鈦礦電池的製造過程可在較低溫度下進行，且原材料成本較低。
然而，鈣鈦礦太陽能電池的商業化仍面臨挑戰，其中一個關鍵問題是其長期穩定性，特別是在實際運行條件下的熱管理。太陽能電池在將光能轉換為電能的同時，也會產生大量廢熱，導致電池溫度升高。這種熱量不僅會降低光電轉換效率，還會加速鈣鈦礦材料的降解，顯著縮短其壽命。因此，有效的熱管理對於鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定運行至關重要。
5.2. sCO2與鈣鈦礦太陽能電池的整合機制
sCO2發電循環以其高效的熱能轉換能力和卓越的餘熱回收潛力而聞名。這種特性使其成為解決鈣鈦礦太陽能電池熱管理挑戰的理想夥伴。整合的機制主要基於「光伏-熱能混合（PVT）」的概念，即同時收集太陽能電池產生的電能和熱能。
具體而言，整合模式可設想為：
廢熱捕獲： 在鈣鈦礦太陽能電池模組的背面設計一個熱交換器系統，類似於現有的光伏-熱能（PVT）集熱器。當鈣鈦礦電池在陽光下運行時，其產生的廢熱會被熱交換器中的傳熱流體吸收，從而為主動冷卻電池並維持其最佳運行溫度。
sCO2熱能轉換： 被加熱的傳熱流體（或直接是sCO2）隨後被引導至sCO2布雷頓循環作為熱源。由於sCO2在高溫下具有優異的熱物理特性和高效的能量轉換能力，它可以將這些捕獲的廢熱轉化為額外的電能。這與sCO2在聚光太陽能發電（CSP）中的應用原理相似，CSP系統也利用高溫熱源驅動sCO2循環。
互補增效： 這種整合形成了一個混合光伏-熱能-sCO2系統。鈣鈦礦電池負責高效的光電轉換，而sCO2循環則負責高效的熱電轉換。這不僅提高了太陽能的整體利用效率，還透過主動熱管理延長了鈣鈦礦電池的壽命和穩定性。
目前，已有研究探索將熱電發電機（TEGs）與鈣鈦礦太陽能電池結合，以回收廢熱並提高效率。sCO2循環作為一種更大型、更高效率的熱電轉換系統，有望在更大規模或更高廢熱溫度條件下，提供更顯著的整體效率提升。
5.3. 整合的潛在效益與挑戰
潛在效益：
顯著提升整體能源轉換效率： 透過同時利用太陽光譜中的光能和熱能，混合系統的總體能源轉換效率有望遠超單一光伏或熱力系統。
改善鈣鈦礦電池的穩定性與壽命： sCO2循環的熱回收機制為主動冷卻鈣鈦礦電池提供了途徑，有效緩解了熱應力，從而可能延長其運行壽命並維持高效率。
系統緊湊性與靈活性： sCO2發電系統本身具有極高的功率密度和緊湊設計，這與鈣鈦礦電池的薄膜和柔性特性相結合，有利於開發高度整合、佔地面積小且適用於多種部署場景的模組化能源系統。
拓寬應用範圍： 這種混合系統可以為分散式發電、建築整合光伏（BIPV）以及其他空間受限的應用提供高效、穩定的能源解決方案。
挑戰：
熱界面設計與優化： 如何高效、均勻地將鈣鈦礦電池產生的熱量傳遞給sCO2工作流體，同時確保熱交換器與電池之間的良好熱接觸和機械穩定性，是一個複雜的工程挑戰。
系統複雜性與控制： 整合光伏發電和sCO2熱力循環需要精密的系統整合、複雜的控制策略，以確保在不同太陽輻射、環境溫度和電力需求下的最佳運行和穩定性。
成本效益分析： 儘管單獨的鈣鈦礦電池和sCO2循環都具有成本降低的潛力，但將兩者整合的初始資本支出和長期運營成本仍需詳細評估，以確保其在市場上的競爭力。
材料相容性與長期耐久性： 確保在熱回收過程中，鈣鈦礦電池材料與熱交換器材料之間的長期相容性，以及整個混合系統在數十年運行中的耐久性。
總體而言，sCO2與高效鈣鈦礦太陽能電池的整合代表了太陽能利用技術的一個重要發展方向。透過協同作用，這兩種技術有望共同推動能源效率的提升和清潔能源的廣泛應用，為未來的能源格局帶來變革。
6. 結論與建議
超臨界二氧化碳（sCO2）發電技術在全球能源轉型中扮演著日益重要的角色，其核心優勢在於顯著提升的熱效率（潛力超過50%）、極度緊湊的系統設計（部件尺寸僅為傳統蒸汽系統的十分之一），以及能夠與多種熱源（包括先進核能、聚光太陽能、化石燃料、餘熱和地熱能）靈活整合的廣泛適用性。這些特點使其成為一種戰略性技術，能夠填補間歇性再生能源無法滿足的能源供應缺口，並為構建多元化、彈性且低碳的能源組合提供關鍵支撐。
全球主要國家，如美國、中國、歐洲、韓國和日本，正透過大規模的政府資助、國家實驗室的研發以及產業聯盟的建立，積極推動sCO2技術的商業化進程。美國的STEP示範電廠和中國華能的首個sCO2發電設施，均標誌著該技術從實驗室走向工業規模應用的重要里程碑。這種全球性的投入和合作，反映出sCO2技術在未來能源格局中的巨大潛力，也突顯了其商業化所面臨的複雜性，需要跨國界、跨領域的協同努力來共同承擔風險並加速技術成熟。
儘管sCO2技術在效率和緊湊性方面表現出色，其平準化電力成本（LCOE）目前仍高於已商業化且成熟的太陽能和風力發電。然而，sCO2的價值在於其獨特的應用場景，例如在水資源匱乏地區實現乾式冷卻，或在工業中高效回收餘熱，這些是太陽能和風電難以替代的。因此，sCO2應被視為一種互補而非直接競爭的技術，旨在優化整體能源系統的效率、韌性與永續性。
sCO2技術的全面商業化仍面臨多重挑戰。在技術層面，高溫、高壓sCO2環境下的材料相容性與耐久性、渦輪機械的精密設計與製造，以及複雜系統的穩定整合與控制，均是亟待解決的工程難題。在商業化層面，高昂的前期投資、尚不成熟的供應鏈、缺乏足夠的長期運行數據以證明可靠性，以及在某些應用中與現有技術的成本競爭力，都構成了市場導入的障礙。此外，CO2洩漏的潛在安全風險以及公眾對「二氧化碳」作為工作流體的認知，也需要透過嚴格的監管標準和透明的溝通來加以管理。
為加速sCO2發電技術的發展與商業化，建議採取以下策略：
持續加大研發投入： 集中資源解決核心技術瓶頸，特別是在高溫材料、先進製造工藝、渦輪機械和熱交換器設計方面，以提高系統可靠性和降低成本。
深化國際合作與知識共享： 鼓勵並擴大跨國界的研發聯盟和示範專案，共享運行數據和經驗教訓，共同分擔技術研發的風險和成本。
制定適應性監管框架： 建立清晰、全面的sCO2發電技術安全標準和監管規範，為產業提供明確的發展路徑，並確保公共安全。
精準定位市場應用： 優先將sCO2技術應用於其獨具優勢的領域，如先進核能、聚光太陽能與儲能、工業餘熱回收以及水資源受限地區的發電，以證明其經濟價值和環境效益。
加強公眾溝通與教育： 透過科學、透明的方式，向公眾解釋sCO2技術的原理、優勢、安全措施及其在實現清潔能源目標中的作用，以建立信任並提高社會接受度。
透過這些綜合性的努力，sCO2發電技術有望克服當前挑戰，最終實現其在提供高效、低碳、彈性電力方面的巨大潛力，為全球能源轉型做出關鍵貢獻。
參考資料:
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