飛輪儲能的技術(shù)、應(yīng)用與潛力

科爾尼中性測算，到2026年飛輪儲能累計裝機量可增長至572MW，到2030年可進一步增長至1.62GW。

作者滕勇 科爾尼全球合伙人，大中華區(qū)能源化工與高科技行業(yè)負責(zé)人

王侃 科爾尼董事

陳沛祎 科爾尼董事

前言

飛輪是一種新的儲能技術(shù)——利用飛輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能存儲，再進行能量釋放。

相比鋰電池等其他儲能技術(shù)，飛輪具有充放電頻次高、響應(yīng)速度快、功率大、且放電時間短的特點，適合應(yīng)用在地鐵能量回饋、UPS不間斷電源、電網(wǎng)調(diào)頻三種場景中。

科爾尼預(yù)測，若飛輪儲能成本能夠在未來3-5年內(nèi)下降50%、且綠色環(huán)保政策進一步引導(dǎo)，飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用在未來幾年將實現(xiàn)高速增長，科爾尼中性測算，到2026飛輪儲能累計裝機量可增長至572MW，到2030年可進一步增長至1.62GW。

一、飛輪儲能技術(shù)不斷突破并逐步成熟

飛輪儲能是一種源于航天領(lǐng)域的先進物理儲能技術(shù)，利用電機驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能進行存儲，并在需要的時候利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪慣性，經(jīng)功率變換器輸出用于負載的電流與電壓，又將機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出(如圖 1)。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)工作原理

來源案頭研究，科爾尼

飛輪儲能裝置的核心結(jié)構(gòu)包括電機、飛輪轉(zhuǎn)子、軸承和真空室四部分，其儲存能量(E)的大小主要與轉(zhuǎn)動慣量(J)和角速度(w)相關(guān)。由于 J=mr2，因此為獲得更大的轉(zhuǎn)動慣量(J)，需要采用大直徑和大質(zhì)量的飛輪 。然而單純提高質(zhì)量而使用沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生極大的離心力，如超過飛輪材料極限強度就會出現(xiàn)較大的安全隱患。

進一步提高角速度(w)則大有可為，可通過提升軸承技術(shù)和真空技術(shù)實現(xiàn)。一方面，通過更優(yōu)的磁懸浮控制技術(shù)使軸承在高速旋轉(zhuǎn)中保持可靠性、承載力，提高可應(yīng)許的角速度上限；另一方面，通過提高真空度和真空散熱，減少飛輪高速轉(zhuǎn)動中的風(fēng)阻(摩擦力)，提高角速度。

另外選用材料的強度與密度將深刻影響飛輪儲能的儲能量(E)，材料強度越高、同等質(zhì)量下密度越低，儲能能量就越大。

可見，提升飛輪的軸承技術(shù)、真空技術(shù)和材料性能是提高可儲能量的關(guān)鍵(如圖2)。

圖2飛輪儲能技術(shù)難點

來源案頭研究，文獻整理，科爾尼

中外之間由于不同的應(yīng)用場景，在飛輪技術(shù)路線的選擇方面也存在較大差異

歐美國家受到更嚴(yán)格的環(huán)保政策驅(qū)動，對UPS和地鐵節(jié)能場景的儲能裝置的體積和質(zhì)量有較嚴(yán)格的限制，歐美的發(fā)電系統(tǒng)多采用燃氣輪機發(fā)電，本身具有較好的調(diào)頻性能，因此更注重將飛輪應(yīng)用于UPS和地鐵能量回饋，其技術(shù)發(fā)展方向更偏輕量化與高能量密度，而非單機能量容量最大化。

中國目前UPS儲能電池仍以鉛酸電池為主，對飛輪的剛需不強；但電網(wǎng)調(diào)頻是中國發(fā)電體系的剛需，對單機能量容量要求更高，因此國內(nèi)更傾向于研發(fā)高單機儲能能量的飛輪裝置，并應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻場景方向。另外飛輪面臨與鋰離子電池的競爭，因此產(chǎn)品的成本競爭力也尤為重要。

技術(shù)路線選擇方面，中國多選擇應(yīng)用廣泛的主動懸浮和混合懸浮技術(shù)，而歐美國家更注重適用于輕量化飛輪的被動懸浮技術(shù)。在轉(zhuǎn)子材料技術(shù)和真空散熱技術(shù)方面，中國與歐美相比仍有較大差距。

二、飛輪儲能的應(yīng)用場景不斷打開，尤其在地鐵、電網(wǎng)和UPS相關(guān)領(lǐng)域

相比市場主流的鋰電池，飛輪儲能在循環(huán)次數(shù)、瞬時功率、響應(yīng)速度、安全性等方面優(yōu)勢突出，但也存在能量密度低、自放電率高的劣勢(如圖3)。

圖3飛輪儲能與鋰離子電池儲能技術(shù)指標(biāo)對比

來源案頭研究，專家訪談，科爾尼

基于飛輪儲能的特點，其最適用于充放電頻次高、響應(yīng)速度快、功率大、且放電時間短的應(yīng)用場景，即地鐵能量回饋、不間斷電源和電網(wǎng)調(diào)頻三大領(lǐng)域，目前商業(yè)化應(yīng)用正逐 步開展(如圖4)。

圖4與飛輪儲能優(yōu)勢適配的應(yīng)用場景

來源案頭研究，專家訪談，科爾尼

1.地鐵能量回饋

地鐵進站剎車時會產(chǎn)生能量造成網(wǎng)壓提升，而離站啟動時網(wǎng)壓瞬間下降，因此對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成沖擊，不僅增加了制動系統(tǒng)相關(guān)回路的安全隱患、也會造成大量的能源浪費。地鐵儲能裝置具有循環(huán)次數(shù)多、瞬時功率高的技術(shù)特點。以飛輪儲能與超級電容為代表的儲能裝置，節(jié)能效果比中壓回饋系統(tǒng)更強。對比飛輪與超級電容，飛輪的節(jié)電量更大，占地面積更小、且可靠性更高，但也存在初始成本高與回收周期長的劣勢。

在地鐵能源回饋應(yīng)用領(lǐng)域，飛輪儲能的收益主要來源于節(jié)省的電費和剎車系統(tǒng)磨損費成本。以北京地鐵房山線為例，科爾尼預(yù)估其飛輪儲能的投資回本周期約為7年，10年的內(nèi)部收益率約為10。

根據(jù)業(yè)內(nèi)專家預(yù)估，未來3-5年飛輪儲能的單價有望從目前的約3000元/kW降低為約2000元/kW，屆時降本后投資回收周期將縮短為約5年，且10年內(nèi)部收益率提高為20%以上。

2.不間斷電源(UPS)

在不間斷電源UPS場景下、飛輪主要應(yīng)用于四個領(lǐng)域高端醫(yī)療(如血液透析器等醫(yī)療設(shè)備等)、高端制造(如半導(dǎo)體制造業(yè)等)、數(shù)據(jù)中心(保障重要數(shù)據(jù)安全性)、及電源車(保障重要會議的供電正常)。上述場景耗電量大、斷電容忍度極低，因此需要儲能技術(shù)達到百毫秒級的響應(yīng)速度與較高的瞬時功率。

飛輪能夠以綠色環(huán)保的方式保障UPS供電穩(wěn)定性，并作為第二電源，持續(xù)供電30-40秒，直至系統(tǒng)成功切換至備用電源。

目前，制約飛輪在UPS中應(yīng)用的最大瓶頸在于成本，其初始成本高(是鉛酸電池的4倍，鋰電池的2倍) ，但其運營成本和元件更換費用較傳統(tǒng)鉛酸電池有 顯著優(yōu)勢(每年節(jié)省約60%運營成本，5年內(nèi)元件更換費用為鉛酸電池的1/40)，因此總體成本5年后有望優(yōu)于傳統(tǒng)蓄電池。

3.電網(wǎng)調(diào)頻

在電網(wǎng)調(diào)頻的應(yīng)用場景下，飛輪可以憑借大功率密度與高可靠性的特點，有效輔助傳統(tǒng)的風(fēng)電/水電調(diào)頻，維護電網(wǎng)負荷平衡。

相比火電/水電機組、鋰電池等其他調(diào)頻方案，飛輪具有諸多優(yōu)勢——無污染、耐高溫、可頻繁充放電、功率密度大、壽命長、更穩(wěn)定、且維護成本低，隨著技術(shù)成熟帶來的成本逐步降低，飛輪有望成為未來電網(wǎng)調(diào)頻增量市場中的最重要手段。

以某300MW的火電機組配置9MW/1.8MWh飛輪儲能系統(tǒng)為例，科爾尼預(yù)估該項目飛輪的投資回收周期約 5-6年，10年內(nèi)部收益率約15%；投資回收周期隨略長于同等規(guī)格鋰電池(4-5年)，但10年內(nèi)部收益率略高于鋰電池(14%)，并且具有較好的安全性和環(huán)保性。