エネルギー解析およびエントロピー解析手法に基づき、圧縮、膨張、熱交換プロセスの不可逆損失を総合的に考慮して、設計条件下における従来の熱ポンプ蓄電システム(basic pumped thermal electricity storage, BC-PTES)と電気ヒーター統合型熱ポンプ蓄電システム(electric heater-integrated pumped thermal electricity storage, EH-PTES)の性能指標および不可逆損失分布特性を比較し、EH-PTESシステム性能に対する主要パラメータの影響を検討した。結果は、設計条件下でBC-PTESシステムおよびEH-PTESシステムは共に放電過程のタービンで大きなエントロピー損失を生じ、それぞれ456、455 kWであること、EH-PTESシステムは高い往復効率（41.50%）と蓄電密度（54.1 kW·h/m³）を有し、電気ヒーターのエントロピー効率は63%であることを示した。放電過程の圧縮機出口圧力には最適値が存在し、放電過程のエントロピー損失を最小化しシステムの往復効率を最大化する。EH-PTESシステムでは最適放電圧力下で、システム往復効率は電気ヒーター出口温度の上昇に伴い一度低下した後再度増加する傾向を示し、圧縮機出口温度の上昇に伴い単調増加する傾向を示した。圧縮機出口温度が550℃、電気ヒーター出口温度が600℃から1,000℃に上昇した場合、EH-PTESシステムの往復効率は45.03%から44.81%に一旦低下し、その後45.75%に増加した。電気ヒーター出口温度が850℃、圧縮機出口温度が400℃から550℃に上昇した場合、システム往復効率は39.17%から45.14%に単調に増加した。システム往復効率の電気ヒーター出口温度に対する感度は圧縮機出口温度に対する感度より小さい。統合電気ヒーターはPTESシステムの蓄電密度を大幅に向上させ、電気ヒーター出口温度が1,000℃のときEH-PTESシステムの蓄電密度は113.9 kW·h/m³に達した。本研究結果は熱ポンプ蓄電システムの最適設計の参考となる。

熱ポンプ蓄電技術; 統合電気ヒーター; エネルギー解析; エントロピー解析