论文分享丨国内外热泵储电最新研究进展
青岛科技大学在新型二氧化碳热泵储电系统性能研究取得新进展
技术领域：热泵储电系统
开发单位：青岛科技大学 zhanliu
文章名称：Performance of a CO2-based mixture cycled transcritical pumped thermal energy storage system. Renewable Energy, 2025.
技术突破：本文提出了一种采用CO2混合工质的跨临界循环热泵储电系统以回程效率（RTE）和平准化储能成本（LCOE）为评价指标，对不同CO2混合工质的热泵储电系统进行多参数优化和敏感性分析，通过优化工质选择和运行条件，在 10 MW/8h 规模下，系统往返效率可达65.51%，最优的平准化储能成本可降低至0.1655 $/kWh。
应用价值：该系统能够提供灵活且高效的储能方式,具有显著的经济优势，为支持可再生能源的稳定接入和大规模部署提供了更加经济的长时大规模储能解决方案,助力实现能源结构的转型与可持续发展。
CO2具有良好的热物理性质和无毒特性，是一种优良的工质，被广泛应用于跨临界朗肯循环热泵储电系统。而使用CO2混合工质的系统虽然系统效率略有降低，但具有更高的能量密度和较低的充气压力等优势。采用基于CO2的混合工质代替纯CO2作为工质的技术路线已在制冷循环、超临界布雷顿循环和废热回收循环中得到了广泛推广，成为热-机械储能系统的可行优化方案。然而大多数研究集中在CO2混合工质在动力循环、制冷循环和液态 CO2储能系统中的应用，其在热泵储电系统中的应用仍存在研究空白。
基于此，青岛科技大学的研究人员采用R32、R161、丙烷、丁烷和戊烷分别与CO2混合作为循环工质，提出了一种基于CO2混合工质的跨临界热泵储电系统优化方案。随后，基于多参数分析确定了系统最优运行压力和有机工质的质量分数，并采用蒙特卡洛方法研究了系统技术和经济性能。结果显示，在10 MW/8小时系统的最优工况下，R32、R161、丙烷、丁烷和戊烷的平准化储能成本分别为0.1655 $/kWh至0.1801 $/kWh，回程效率分别为65.51%至59.12%。使用CO2/R32（0.45/0.55质量比）作为工质时，10 MW系统的平准化储能成本最低为0.1492 ± 0.0234 $/kWh，能源资本成本为320.63 ± 53.80 $/kWh。随着充放电时长比率增加，投资成本下降。装机容量的增加使得系统经济性能提升，100 MW、1000 MW和10000 MW系统的平准化储能成本分别比10 MW系统低18.42%、25.72%和29.35%，能源容量成本随着装机容量的增加显著下降，从383.84 ± 67.30 $/kWh降至198.68 ± 35.95 $/kWh。（编译：史卓群 INESA）
图1 所述跨临界循环热泵储电系统示意图
英国帝国理工学院在超临界 CO2 布雷顿热泵储电系统性能研究取得新进展
文章信息
技术领域：热泵储电系统
开发单位：英国帝国理工学院 Alp Albay
文章名称：Optimization-based state-of-charge management strategies for supercritical CO2 Brayton cycle pumped thermal energy storage systems. Journal of Energy Storage, 2025
技术突破：本文提出了一种针对超临界 CO2 为循环工质的回热式布雷顿循环热泵储电系统的循环荷电状态（SoC）运行调控策略。案例研究结果表明循环内SoC管理可将两个储罐之间的失配在案例研究中减少至0.24%（包括在部分负载条件工况），循环间SoC管理可确保每种场景下运行的最优经济性。
应用价值：该研究给出了与电网集成的热泵储电系统部分负载工况下的运行调控策略，提供了系统运行收益最大化的新方案，有助于推动热泵储电系统在电网削峰填谷、负荷跟踪及应对可再生能源波动性方面的应用。
随着全球向低碳和可持续能源转型，可再生能源大规模接入电网带来了电力供应波动、供需不平衡等一系列复杂挑战。由于可再生能源主导电网的间歇性问题，储能技术必须适应充放电功率需求的变化，需要在非设计（或部分负荷）工况条件下运行，尤其在与电网集成的热泵储电系统中，优化部分负载性能至关重要。在部分负载运行或储罐及环境温度偏离设计值时，会对效率和功率输入/输出产生即时影响，并可能导致后续循环的性能下降甚至储罐“失衡”（冷热储罐荷电状态不均）。这些问题会对系统的长期往返效率造成显著影响，使实际效率与设计点效率产生差异。然而以往的研究中对系统充/放电过程部分负荷行为的完整分析还存在不足。
在此背景下，英国帝国理工学院的研究人员针对超临界 CO2回热式布雷顿循环热泵储电系统，开发了一种循环荷电状态（SoC）运行调控策略。该控制策略主要包括：（1）循环内SoC管理策略，用于保持热侧和冷侧热储能储罐之间充放电容量的平衡；（2）循环间SoC管理策略，用于在给定的运行目标下约束系统的充/放电功率、时长等运行参数的调节范围。平均供需场景的案例研究结果表明，通过循环内SoC管理，两个储罐之间的失配可减少至0.24%，循环间SoC管理可有效确保每种场景下的最优经济运行方案。此外，与风电场耦合的研究中表明，系统在一定程度上受限于最大放电功率，导致在给定的电价曲线下，未能在整个模拟时间范围内实现极深的放电。而增加灵活可调热泵储电系统可使风电场通过荷电状态管理等控制策略有效提高系统运行经济收益。（编译：史卓群 INESA）
图2 所述超临界 CO2 布雷顿循环热泵储电系统示意图
本文来源：国际储能技术与产业联盟
