综述：抽水热能储存技术的进展：全面综述

《Journal of Energy Storage》：Advances in pumped thermal energy storage: A comprehensive review

　　

作者：石卓群、王亮、林希鹏、葛志伟、林琳、李文博、田慧龙、左志涛、丁玉龙、陈海生

中国科学院工程热物理研究所，北京，100190，中国

摘要

高效、低成本、大规模且长时续的能源存储对于提高可再生能源的渗透率和实现脱碳至关重要。抽水热能存储（PTES）通过可逆的热力学循环实现电能与热能的双向转换，因其高密度、场地灵活性、长寿命和低成本而成为一种有前景的长时续能源存储技术。本文综述了PTES的最新进展，涵盖了基本原理、通过文献计量分析追踪研究演变、运行与控制策略、集成应用以及关键组件的选择。通过分析代表性案例研究，比较了不同PTES系统在多个性能指标上的技术和技术经济性能。此外，系统地总结了全球实验平台和原型的最新进展。最后，指出了主要的技术瓶颈和未来的研究方向，为应用和发展提供了理论基础和实际指导。

章节摘录

缩写

ARC	吸收式制冷循环	OFC	有机闪蒸循环
CAES	压缩空气储能	ORC	有机朗肯循环
CAPEX	资本支出	OTEC	海洋热能转换
CCHP	冷热电联供	PCC	发电容量成本
CFD	计算流体动力学	PCM	相变材料
CHEST	压缩热能存储	PCES	抽水低温电存储
CI-PTES	冷集成PTES	PD	功率密度
COP	性能系数	PEMEC	质子交换膜电解槽循环
CPV/T

关键词

抽水热能存储

文献计量分析

关键系统组件

系统设计优化

技术经济评估

示范项目

抽水热能存储（PTES）技术概述

抽水热能存储（PTES）是一种基于热力学循环和热能存储的新型电能存储技术。其基本原理是通过协调的热泵和热机循环实现电能与热能之间的双向转换。如图3所示，在电力需求低或可再生能源发电过剩期间，PTES系统以反向循环模式运行，将多余的电能转化为高温热能进行存储。

PTES系统的循环架构和耦合策略

PTES系统可以采用多种热力学循环实现。主要配置包括亚临界朗肯循环、超临界朗肯循环、布雷顿循环以及一些新兴或混合概念。这些架构在运行温度范围、可实现效率及核心组件要求方面存在根本差异。因此，循环的选择决定了实际性能极限，并决定了其在特定应用中的工程适用性。本节综合了最近的相关研究。

PTES系统的关键组件

根据前一章对各种PTES循环的分析，可以明确核心组件的要求与循环架构和运行条件密切相关。不同循环对压缩机/膨胀机、热能存储（TES）系统、换热器和工作流体的选择、材料属性和结构设计有不同的要求。科学的组件选择和集成对于确保高效率至关重要。

技术经济评估

本节系统地比较了各种PTES系统配置在技术性能和经济可行性方面的差异。基于对循环架构和关键组件选择的讨论，这里的评估旨在捕捉系统级热力学配置和组件级设计选择的综合影响。核心性能指标总结在表3中（数据来源和输入见表A.6）。

实验平台和示范项目

近年来，PTES研究已从概念设计和组件测试发展到试点规模验证和早期工程活动。然而，文献中报道的项目在证据水平上存在显著差异，不应将其视为一套统一的示范系统。一些项目对应于具有测量往返效率的集成闭环系统，而其他项目则基于组件/子系统测试或模型推断的系统。

结论与展望

作为一种新兴的长时续能源存储技术，抽水热能存储（PTES）越来越被认为是实现能源系统深度脱碳的关键候选技术。其优势包括高效率、低成本、运行灵活性以及适应多种应用场景的能力。本文回顾了PTES的历史发展，并考察了三种主流系统配置——亚临界朗肯循环、超临界循环和布雷顿循环的进展。

CRediT作者贡献声明

石卓群：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、数据整理、概念化。王亮：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、调查。林希鹏：方法论、调查、概念化。葛志伟：可视化、调查、数据整理。林琳：验证、调查、数据整理。李文博：可视化、调查、数据整理。田慧龙：可视化、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢以下机构的支持：中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0212700），国家自然科学基金（项目编号：52525601），中国科学院“清洁能源转化技术及示范”战略性先导研究计划（项目编号：XDA0400100）以及Xplorer奖。