에너지 분석과 엔트로피 분석 방법을 기반으로 압축, 팽창 및 열교환 과정의 비가역 손실을 종합적으로 고려하여 설계 조건 하에서 기존의 열펌프 저장 시스템(basic pumped thermal electricity storage, BC-PTES)과 전기 히터가 통합된 열펌프 저장 시스템(electric heater-integrated pumped thermal electricity storage, EH-PTES)의 성능 지표 및 비가역 손실 분포 특성을 비교하고, EH-PTES 시스템 성능에 대한 주요 매개변수의 영향을 탐구하였다. 결과는 설계 조건 하에서 BC-PTES 및 EH-PTES 시스템 모두 방전 과정의 터빈에서 큰 엔트로피 손실(각각 456, 455 kW)을 발생시키며, EH-PTES 시스템이 더 높은 왕복 효율(41.50%)과 저장 밀도(54.1 kW·h/m³)를 가지며, 전기 히터 엔트로피 효율은 63%임을 보여준다. 최적의 방전 과정 압축기 출구 압력이 존재하여 방전 과정 엔트로피 손실을 최소화하고 시스템 왕복 효율을 최대화한다. EH-PTES 시스템의 경우 최적 방전 압력에서 전기 히터 출구 온도가 상승함에 따라 시스템 왕복 효율이 먼저 감소했다가 증가하는 경향을 보이며, 압축기 출구 온도가 상승함에 따라 단조롭게 증가하는 경향을 나타낸다. 압축기 출구 온도가 550℃이고 전기 히터 출구 온도가 600℃에서 1,000℃로 상승할 때 EH-PTES 시스템의 왕복 효율은 45.03%에서 44.81%로 먼저 감소했다가 45.75%로 증가한다; 전기 히터 출구 온도가 850℃이고 압축기 출구 온도가 400℃에서 550℃로 상승할 때 시스템 왕복 효율은 39.17%에서 45.14%로 단조롭게 증가한다; 시스템 왕복 효율은 전기 히터 출구 온도에 대한 민감도가 압축기 출구 온도보다 낮다. 통합 전기 히터는 PTES 시스템의 저장 밀도를 크게 향상시켰으며, 전기 히터 출구 온도가 1,000℃일 때 EH-PTES 시스템의 저장 밀도는 113.9 kW·h/m³에 달한다. 본 연구 결과는 열펌프 저장 시스템의 최적 설계에 참고가 될 수 있다.

열펌프 저장 기술; 통합 전기 히터; 에너지 분석; 엔트로피 분석