网讯：随着新能源渗透率的不断提升，火电、水电、抽蓄等调节资源容量占比下降，一方面带来了长时间尺度下的源荷两侧供需矛盾问题，另一方面存在频率失衡、电压失稳、惯量失缺的供电安全问题，亟需新型长时储能技术规模化发展，提升新能源消纳水平，补齐电网调节能力缺口。根据新型电力系统构建需求，长时储能有望成为新蓝海市场。在国家层面，2024年国家能源局1号公告，长时储能技术路线在新型储能试点示范项目中的占比已接近50%。在地方层面，2024年上半年源网侧储能中标公示项目中，4h以上储能占比已接近40%；山东、内蒙古等多地持续加大长时储能政策扶持力度。热泵储能技术以其选址灵活、具备转动惯量支撑能力、低成本、高安全、长寿命等优势，契合未来储能需求导向，将成为长时储能技术的主要部署方式之一。
01.技术简介
热泵储能将电能以热量和冷量的形式储存，是一种通过热泵循环建立高低温差、再通过温差驱动热机循环发电的规模化长时储能技术，采用热力学闭式循环。（循环原理如图1所示）国家电投集团科学技术研究院有限公司（以下简称“中央研究院”）自2018年起，在国内率先布局、开发安全可靠高效的热泵储能技术，该技术具有不受地理条件限制、储能时间长（4-24h）、系统效率高（高功率等级系统电电效率≥65%，系统综合效率≥95%，20-110%负荷区间效率不变）、高品质冷热电联供、物理转动惯量支撑、扩容边际成本低等显著优势。
图1 热泵储能系统基本原理图
02.研发与示范
中央研究院依托国家级储能技术创新研发平台，汇聚我国新型储能技术领域优势资源，打造“产学研用”深度融合创新体系，整合上下游产业链，加快推动热泵储能持续降本与技术示范。中央研究院在热泵储能技术的系统设计、设备攻关和示范建设等方面已建立完善的研发和设计体系，拥有布雷顿热泵储能技术完全自主知识产权，实现了该技术全生命周期稳步孵化。
在系统研发方面，中央研究院逐步开展了百千瓦级系统研发、兆瓦级中试系统研发、50-100兆瓦及以上高功率系统研究及优化，通过系统设计与设备攻关多线并行，开发了热泵储能系统的动态运行仿真平台和工艺方案优化平台，掌握了热泵储能系统稳态和变工况运行特性、基于全工况的控制策略方案、多影响因子耦合下参数敏感性协同机理、循环工质与储能介质适用性分析技术、多场景经济性优化方案等核心技术。完成全球首套热泵储能中试系统研制并全面启动项目建设，同步推动高功率热泵储能系统可行性研究以及工艺包开发，陆续建立相关设计体系与行业标准，快速推动热泵储能系统产业化发展。
在设备研制方面，联合国内头部旋转机械企业开展核心设备专项研发工作。聚焦热泵储能系统构型匹配及参数优化、高低温压缩机/膨胀机方案设计及设备集成、高效储热与强化换热方案设计，突破现有技术的成熟度，攻克了高集中热应力下材料蠕变疲劳及低温冷脆材料体系关键技术问题，实现了国内首套600℃高温压缩机单体设备设计、首套-100℃低温膨胀机单体设备设计、高效气动方案及结构设计，引领旋转设备高低温适应性技术开发；并针对高效储热与强化换热，开发了小端差、低压降、紧凑式高效换热方案。
图2 设备仿真分析
图3 设备研制与试验
在试验及示范建设方面，中央研究院首先开展了百千瓦熔盐-空气储换热一体化系统试验平台，针对高温熔盐系统储热-换热多过程高效技术、储换热系统关键部件热-力耦合特性分析、熔盐储换热系统稳/瞬态过程灵活高效运行及调控策略等方面开展了实证研究，实现了熔盐储换热系统灵活高效运行及能流与物质流的瞬态过程能势动态匹配，为热泵储能系统的集成与建设奠定了坚实基础。
图4 百千瓦储换热一体化系统试验平台
为验证技术方案、积累设计和运行经验，为高功率热泵储能系统工程设计优化提供数据支撑，中央研究院于2023年在云南省陆良县正式启动了全球首套兆瓦级热泵储能中试系统的建设工作。该中试系统熔盐储热温度达560℃，储能容量为1 MW/4 MWh，综合效率达80%以上。建成后，针对园区冷热电需求，将开展热泵储能系统各典型工况下全体系测试验证，有效积累运行经验，以指导高功率系统优化、推动技术产业化示范推广。
（a）核心设备就位
（b）厂房搭建施工现场
图5 兆瓦级热泵储能系统现场施工进展
03.应用场景及产业价值
“双高”背景下，热泵储能系统可作为灵活性调峰资源参与支撑源网荷储一体化能源体系建设，具有较为广泛的应用场景。
电源侧。大基地配建（如内蒙、青海、新疆、甘肃等光照条件优越地区），消纳弃电、满足夜间供电，解决频率、电压失稳等供电安全问题，提升送电质量，支撑大规模高比例新能源外送。
电网侧。峰谷价差较高、调峰能力不足地区（广东、山西、山东等），应用于电网关键节点，发挥调峰、调频等功能。以蒙西电力市场为例，收益模式“容量补偿+现货市场”，补偿期按10年考虑，现货市场平均度电价差为0.51元/kWh，100MW/6h热泵储能独立储能电站，年等效利用1980h，则其项目资金IRR为32.8%，经济效益较为可观。
用户侧。围绕大数据中心、电解铝、化工行业等高耗能终端用户，提供零碳高品质冷热电联供，提升绿电供给可靠性和分布式新能源就地消纳能力。
此外，热泵储能系统可与火电、核电、光热及可再生能源发电系统进行耦合，根据不同地域特点需求进行综合性系统设计，进而实现电源调峰、调频等辅助服务能力提升、退役机组延寿改造、机组供热能力增强等目的。
热泵储能技术高度契合我国当前的能源发展形势，在构建新型电力系统、保障电力系统安全稳定运行等方面能够发挥重要作用，是未来规模化长时储能的中坚力量，具有广阔的发展前景。后续，中央研究院将坚持科技引领、创新驱动，在热泵储能领域持续投入科研力量，助力推动“源网荷储一体化”建设以及新型电力系统构建。
