在储能时，消耗电能驱动逆向动力循环，将低于环境温度的部分热能“泵至”高温状态并存储，从而同时获得相对环境的低温冷能和高温热能；在释能时，将存储的低温冷能和高温热能通过正向动力循环转化为机械能，驱动发电单元发电。

热泵储电系统是由压缩机、膨胀机、低温储罐、高温储罐、换热器组成的闭式气体循环回路，回路内充满氩、氦等单原子气体。通常压缩机和膨胀机是共轴的，与发电机和电动机相连接。

充能过程中，在电能驱动下压缩机将近似环境温度和压力的气体压缩至高温高压；高温高压气体进入高温储罐，与高温储罐内的储热材料换热后温度降至近环境温度，同时热能存储在高温储罐；高压、近环境温度的气体经过膨胀机膨胀至低温低压，膨胀机输出部分膨胀功；低温低压气体进入低温储罐，与低温储罐内的储冷材料热交换后温度升至近环境温度，同时冷能存储在低温储罐。