通过住宅热泵与热化学储能实现长时储能

《Energy》：Long duration energy storage through residential heat pumps with thermochemical energy storage

　　

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  评估集成热泵和TCES系统在建筑级LDES中的应用。
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  为脱碳电网中的建筑开发需求侧控制模型。
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  优化TCES参数以提高相对于电池储能的可行性。
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  研究碳酸钾（K₂CO₃）作为热化学储能材料。
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  提供关键目标以指导未来建筑集成TCES的设计。

引言

为缓解气候变化，迫切需要将能源部门转型为低碳技术，其中储能将在整合更多低碳资源和确保电网可靠性方面发挥关键作用[1]、[2]、[3]。以往的研究利用容量扩展模型指出，电力系统的深度脱碳需要发展长时间储能（LDES），以应对发电能力长期下降或季节性能源供应短缺的时期[4]、[5]、[6]、[7]。特别是，Sepulveda等人[8]指出，4-20天的LDES可以有效填补一个独特的缺口，减少建设和维护每年仅运行有限小时数的过剩发电能力的需要。通过允许能源在发电后很长时间才被消耗，LDES可以优化能源使用并增强电网的整体韧性。

在建筑领域，多项研究已确认热泵提供需求响应（削峰、移峰和节能）的能力，尤其是在与热能储存（TES）结合时[9]、[10]、[11]、[12]。在三种TES方法（显热、潜热和热化学）中，显热TES主要受热泄漏影响，无法在超过一天的时间尺度上发挥作用，而潜热储能在相变过程中面临控制困难。然而，热化学TES因其相对较高的储能密度（400-870 kWh/m³）、较低的转化温度（$<150°$C）以及在稳态条件下无热损失储热的能力，被认为是长期储存的有前景的选择[13]。但由于技术挑战，该技术仍处于研发阶段[14]、[15]。尽管如此，文献表明碳酸钾（K₂CO₃）的水合-脱水反应是建筑环境中的可行选择，考虑到其成本效益、化学稳定性和安全性[16]。

除了TES外，固定式锂离子电池也引起了大量商业兴趣。根据McKerracher[17]的数据，固定式电池的平均电池包价格下降了45%，在2024年至2025年间降至70美元/kWh。这一降幅比2025年电动汽车电池系统的价格下降更为显著。锂离子电池特别适合短期储能，因为它们在快速响应能源市场中提供的价值高于其成本。然而，其成本随储能时长迅速上升，使其在长期储能方面经济性较差。

本研究评估了建筑级空气源热泵和碳酸钾基TCES与电池系统集成的系统，如何支持未来电气化电网中的LDES和需求响应，特别是在供热需求高且热泵效率下降的寒冷气候中。使用2050年的预测，在线性优化模型中配置了需求响应程序，优化热泵、TCES和电池在最严酷供暖期间的操作。这有助于评估集成系统满足LDES需求的潜在贡献。本研究旨在揭示建筑在实施正确的集成储能和热泵组合时，响应电网信号方面可以发挥的关键作用。这一见解推动集成TCES系统的进一步开发，以增强电网可靠性并推进供暖脱碳努力。

本文第2节提供了相关主题的文献综述。第3节概述了关键假设，详细说明了如何通过定义净负荷阈值将电网级信号转化为建筑级问题。它还解释了TCES系统的物理原理，并以目标函数的描述作为结尾。第4节首先展示了参考案例中集成系统的最优运行方式，然后包括敏感性分析，以确定相对于电池储能提高TCES可行性的条件。最后，第5节为研究人员和制造商提供建议，讨论研究局限性，并提出未来工作方向。

章节片段

背景

在建筑中部署热泵是实现当前电气化目标的节能方式。这些系统可以利用低品位可再生能源（如空气、水、地热和太阳能）以及废热源来减少对化石燃料的需求，从而减少温室气体排放[18]、[19]、[20]。由于比电阻加热系统效率更高，热泵有望在供暖设备市场中发挥重要作用。

问题缩放：从电网挑战到单个建筑响应

净负荷在容量扩展模型中的作用至关重要。净负荷是代表区域内母线负荷减去可变发电量的关键指标[31]。母线负荷以兆瓦时为单位，包括总电力负荷，包括终端用电负荷、输电损耗和储能发电机的充电需求。可变发电量包括所有可变发电机的总输出，如光伏系统、无储热的聚光太阳能和风电。

参考系统分析

图7展示了本研究参考系统中9月15日至11月24日优化期间热泵和TCES参数的最优决策。参考系统由当前可用的热泵和TCES技术定义，以反映这些系统的典型性能特征，与现有文献中报告的值一致。具体而言，参考配置包括一个COP随环境温度变化的热泵。

结论

本研究评估了建筑级热泵和碳酸钾基TCES系统与电池储能相结合，满足纽约市较冷气候下未来脱碳电网LDES需求的潜力。通过综合分析，得出了关于这些系统在不同运行条件下性能和最优配置的若干关键见解。

在反映热泵和TCES当前状态的参考案例中。

CRediT作者贡献声明

Amin Sepehri: 写作——审阅与编辑、写作——原稿、可视化、方法学、调查、形式分析、概念化。Gregory S. Pavlak: 写作——审阅与编辑、监督、方法学、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不知道可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

Amin Sepehri|Gregory S. Pavlak