论文标题：A review of progress in thermo-mechanical energy storage technologies for combined cooling, heating and power applications

期刊：Frontiers in Energy

作者：Jiaxing Huang1, Yao Zhao, Jian Song, Shengqi Huang, Kai Wang, Zhenghua Rao, Yongliang Zhao, Liang Wang, Xi Wan, Yue Fei, Christos N. Markides

发表时间：15 Apr 2025

DOI：10.1007/s11708-025-0998-0

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文章简介

本研究综述了压缩空气储能（CAES）、液态空气储能（LAES）、卡诺电池/热泵储电（PTES）和二氧化碳储能（CES）四类热机械储能（TMES）技术在冷热电联供（CCHP）系统中的最新研究进展与应用前景。通过热力学性能与经济性分析，系统比较了各技术路线的能效水平、适用场景及商业化潜力，揭示了TMES系统在多能协同管理和提升能源利用效率方面的独特优势。研究表明，TMES技术可将电能高效转化为热能或机械能进行储存，并实现冷、热、电的协同供应，为构建未来零碳智慧能源系统提供了关键技术支撑。然而，相关技术的经济性与动态控制策略仍需进一步研究和优化。

研究背景及意义

随着可再生能源在全球能源结构中的比重持续上升，长时大规模储能技术的重要性日益凸显。热机械储能（TMES）技术能高效存储间歇性电能，并灵活稳定输出冷、热、电多种能量形式，正成为支撑冷热电联供（CCHP）系统的重要新兴技术路径。然而，现有研究主要聚焦于TMES的储放电性能，对于其在CCHP系统中的集成效果、系统协同机制及综合评价尚缺乏系统性探讨。本文通过构建统一的评价体系，系统评估各类TMES技术在CCHP系统中的能效表现与经济性，为城市级多能调度、能源系统优化及零碳园区建设提供理论依据与决策参考。

主要研究内容

本文首先界定了TMES-CCHP系统的关键评价指标，包括往返效率（RTE）、综合能源效率（TEE）、等效电效率（NRTE）及平准化能源成本（LCOE）。在热力学第一与第二定律基础上，明确了电、热、冷之间的等效转换关系及?效率，并引入静态回收期（SPP）和动态回收期（DPP）等经济性指标，全面评估各类技术的性能与可行性。

图1 基于TMES的CCHP系统能量流示意图

CAES-CCHP系统通常回收多级压缩过程的压缩热用于供热，同时利用膨胀后的低温空气实现供冷，其RTE在23%-68%之间，TEE可达65%-155%。集成吸收式热泵（AHP）的混合系统可进一步提升性能。例如，CAES-AHP系统的供热能力与RTE分别提高了44%和16%。然而，CAES对地下储气空间的依赖限制了其地理适用范围。

图2 CAES-CCHP系统

图3 CAES-AHP混合CCHP系统

LAES系统通过液化空气克服了地理限制，常与有机朗肯循环（ORC）及吸收制冷系统（ARS）耦合，实现冷、热、电的灵活输出。典型LAES-CCHP系统的NRTE为47%-73%，LAES-ORC-ARS混合系统的RTE可提升至91%。尽管液化过程能耗较高，但其深冷能力在高冷负荷场景中具有明显优势，且LCOE最低可达90美元/兆瓦时，具备一定的经济可行性。

图4 LAES-CCHP系统

PTES技术利用热泵与热机循环实现电-热双向转换。基于有机工质的ORC-PTES系统可实现高达130%的RTE与188%的TEE。焦耳-布雷顿循环的PTES系统具备-150℃至550℃的宽广运行温区，适用于多种供热/冷需求。通过引入梯级储热/冷设计，可满足不同热/冷品位负荷，进一步提升系统灵活性与综合效率，最高效率达85%。此外，基于梯级储热/冷的PTES-CCHP系统还可以回收外部不同品位的余热余冷，实现一定区域内冷、热、电等多形态能源的综合高效利用。当前的技术挑战包括压缩/膨胀装备的极端条件可靠性、能源供应与需求之间的精准匹配问题等。

图5 基于梯级储热/冷的PTES-CCHP系统

CES系统依托CO2易液化的特性，在压缩过程中回收中温热能（50℃至250℃）用于供热，膨胀阶段释放的低温（-24℃至10℃）用于供冷。典型CES-CCHP系统RTE为36%-65%，而引入喷射制冷等混合方式后TEE可达158%。与CAES不同，CES不依赖地下空间，且具备同碳捕集与利用技术集成的潜力。然而，其LCOE（68-170美元/兆瓦时）仍高于某些传统技术方案，需进一步优化系统设计与运行策略。案例分析显示，在风能集成的场景下，CES-CCHP系统的TEE比CAES-CCHP系统高出28%。

图6 CES-CCHP系统

研究结论

本研究表明，TMES-CCHP系统在能源转换效率、多能协同调度和碳减排方面具有显著潜力。CAES与LAES凭借较高的成熟度，有望在CCHP系统的示范与初期应用中发挥作用；而PTES与CES则因其高度灵活性，可能成为下一阶段CCHP系统研究与工程落地的重点方向。目前，各技术的推广仍面临装备开发、控制策略及经济性评估等方面的瓶颈。尽管TMES系统整体LCOE普遍低于200美元/兆瓦时，但PTES与CES的全生命周期成本分析仍不充分。未来应结合人工智能与先进控制技术，发展智能调控策略，探索跨季节、多技术耦合的协同运行模式，加速TMES-CCHP系统在智慧城市与零碳能源网络中的规模化应用。

原文信息

A review of progress in thermo-mechanical energy storage technologies for combined cooling, heating and power applications

Jiaxing Huang^1, Yao Zhao^1,2, Jian Song^3,4, Shengqi Huang¹, Kai Wang^5,6, Zhenghua Rao⁷, Yongliang Zhao⁸, Liang Wang⁹, Xi Wan¹, Yue Fei¹, Christos N. Markides⁴

Author information：

1. College of Smart Energy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

2. Shanghai Non-carbon Energy Conversion and Utilization Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

3. Birmingham Centre for Energy Storage & School of Chemical Engineering, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, UK

4. Clean Energy Processes (CEP) Laboratory, Department of Chemical Engineering, Imperial College London, London SW7 2AZ, UK

5. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

6. Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

7. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China

8. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

9. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Abstract：

Thermo-mechanical energy storage (TMES) technologies have attracted significant attention due to their potential for grid-scale, long-duration electricity storage, offering advantages such as minimal geographical constraints, low environmental impact, and long operational lifespans. A key benefit of TMES systems is their ability to perform energy conversion steps that enable interaction with both thermal energy consumers and prosumers, effectively functioning as combined cooling, heating and power (CCHP) systems. This paper reviews recent progress in various TMES technologies, focusing on compressed-air energy storage (CAES), liquid-air energy storage (LAES), pumped-thermal electricity storage (PTES, also known as Carnot battery), and carbon dioxide energy storage (CES), while exploring their potential applications as extended CCHP systems for trigeneration. Techno-economic analysis indicate that TMES-based CCHP systems can achieve roundtrip (power-to-power) efficiencies ranging from 40% to 130%, overall (trigeneration) energy efficiencies from 70% to 190%, and a levelized cost of energy (with cooling and heating outputs converted into equivalent electricity) between 70 and 200 $/MWh. In general, the evolution of TMES-based CCHP systems into smart multi-energy management systems for cities or districts in the future is a highly promising avenue. However, current economic analyses remain incomplete, and further exploration is needed, especially in the area “AI for energy storage,” which is crucial for the widespread adoption of TMES-based CCHP systems.

Keywords:

thermo-mechanical energy storage (TMES); combined cooling, heating and power; compressed-air energy storage (CAES); liquid-air energy storage (LAES); pumped-thermal energy storage (PTES); carbon dioxide energy storage (CES)

Cite this article:

Jiaxing Huang, Yao Zhao*, Jian Song, Shengqi Huang, Kai Wang, Zhenghua Rao, Yongliang Zhao, Liang Wang, Xi Wan, Yue Fei, Christos N. Markides. A review of progress in thermo-mechanical energy storage technologies for combined cooling, heating and power applications. Front. Energy, 2025, 19(2): 117–143

https://doi.org/10.1007/s11708-025-0998-0

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通讯作者简介

赵耀，上海交通大学智慧能源创新学院副教授、博士生导师，拥有中南大学学士、硕士学位和上海交通大学博士学位，曾在英国帝国理工学院担任博士后研究员。入选上海市领军人才计划，长期从事长时大规模储热/冷及热机械储能技术研究，聚焦相变储热、卡诺电池和多能联产技术研究。已发表期刊和会议论文40余篇，撰写专著章节3章，获得发明专利授权4项。主持及参与国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划、英国工程与自然科学研究基金等科研项目10余项。曾获得全国博管会博士后国际交流计划派出项目基金、学术交流项目基金、上海交通大学蒙民伟国际交流基金等奖励。参编中国工程院《全球工程前沿2023》，担任《Frontiers in Energy》（中国工程院院刊）《Carbon Neutrality》《Energy Storage and Saving》《Green Energy and Resources》《储能科学与技术》《热力发电》等高水平期刊青年编委以及《Applied Thermal Engineering》热储能专刊客座编辑。

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期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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