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飞轮储能的技术、应用与潜力
科尔尼中性测算，到2026年飞轮储能累计装机量可增长至572MW，到2030年可进一步增长至1.62GW。
作者：
滕勇 科尔尼全球合伙人，大中华区能源化工与高科技行业负责人
王侃 科尔尼董事
陈沛祎 科尔尼董事
前言：
飞轮是一种新的储能技术——利用飞轮转子的高速旋转，将电能转化为机械能存储，再进行能量释放。
相比锂电池等其他储能技术，飞轮具有充放电频次高、响应速度快、功率大、且放电时间短的特点，适合应用在地铁能量回馈、UPS不间断电源、电网调频三种场景中。
科尔尼预测，若飞轮储能成本能够在未来3-5年内下降50%、且绿色环保政策进一步引导，飞轮储能技术应用在未来几年将实现高速增长，科尔尼中性测算，到2026飞轮储能累计装机量可增长至572MW，到2030年可进一步增长至1.62GW。
一、飞轮储能技术不断突破并逐步成熟
飞轮储能是一种源于航天领域的先进物理储能技术，利用电机驱动飞轮高速旋转，将电能转换为机械能进行存储，并在需要的时候利用高速旋转的飞轮惯性，经功率变换器输出用于负载的电流与电压，又将机械能转化为电能输出。
飞轮储能装置的核心结构包括电机、飞轮转子、轴承和真空室四部分，其储存能量(E)的大小主要与转动惯量(J)和角速度(w)相关。由于 J=mr2，因此为获得更大的转动惯量(J)，需要采用大直径和大质量的飞轮 。然而单纯提高质量而使用沉重的飞轮在高速旋转时容易产生极大的离心力，如超过飞轮材料极限强度就会出现较大的安全隐患。
进一步提高角速度(w)则大有可为，可通过提升轴承技术和真空技术实现。一方面，通过更优的磁悬浮控制技术使轴承在高速旋转中保持可靠性、承载力，提高可应许的角速度上限；另一方面，通过提高真空度和真空散热，减少飞轮高速转动中的风阻(摩擦力)，提高角速度。
另外选用材料的强度与密度将深刻影响飞轮储能的储能量(E)，材料强度越高、同等质量下密度越低，储能能量就越大。
可见，提升飞轮的轴承技术、真空技术和材料性能是提高可储能量的关键、
中外之间由于不同的应用场景，在飞轮技术路线的选择方面也存在较大差异：
欧美国家受到更严格的环保政策驱动，对UPS和地铁节能场景的储能装置的体积和质量有较严格的限制，欧美的发电系统多采用燃气轮机发电，本身具有较好的调频性能，因此更注重将飞轮应用于UPS和地铁能量回馈，其技术发展方向更偏轻量化与高能量密度，而非单机能量容量最大化。
中国目前UPS储能电池仍以铅酸电池为主，对飞轮的刚需不强；但电网调频是中国发电体系的刚需，对单机能量容量要求更高，因此国内更倾向于研发高单机储能能量的飞轮装置，并应用于电网调频场景方向。另外飞轮面临与锂离子电池的竞争，因此产品的成本竞争力也尤为重要。
技术路线选择方面，中国多选择应用广泛的主动悬浮和混合悬浮技术，而欧美国家更注重适用于轻量化飞轮的被动悬浮技术。在转子材料技术和真空散热技术方面，中国与欧美相比仍有较大差距。
二、飞轮储能的应用场景不断打开，尤其在地铁、电网和UPS相关领域
相比市场主流的锂电池，飞轮储能在循环次数、瞬时功率、响应速度、安全性等方面优势突出，但也存在能量密度低、自放电率高的劣势。
基于飞轮储能的特点，其最适用于充放电频次高、响应速度快、功率大、且放电时间短的应用场景，即地铁能量回馈、不间断电源和电网调频三大领域，目前商业化应用正逐 步开展。
1.地铁能量回馈
地铁进站刹车时会产生能量造成网压提升，而离站启动时网压瞬间下降，因此对电网的稳定性造成冲击，不仅增加了制动系统相关回路的安全隐患、也会造成大量的能源浪费。地铁储能装置具有循环次数多、瞬时功率高的技术特点。以飞轮储能与超级电容为代表的储能装置，节能效果比中压回馈系统更强。对比飞轮与超级电容，飞轮的节电量更大，占地面积更小、且可靠性更高，但也存在初始成本高与回收周期长的劣势。
在地铁能源回馈应用领域，飞轮储能的收益主要来源于节省的电费和刹车系统磨损费成本。以北京地铁房山线为例，科尔尼预估其飞轮储能的投资回本周期约为7年，10年的内部收益率约为10。
根据业内专家预估，未来3-5年飞轮储能的单价有望从目前的约3000元/kW降低为约2000元/kW，届时降本后投资回收周期将缩短为约5年，且10年内部收益率提高为20%以上。
2.不间断电源(UPS)
在不间断电源UPS场景下、飞轮主要应用于四个领域：高端医疗(如血液透析器等医疗设备等)、高端制造(如半导体制造业等)、数据中心(保障重要数据安全性)、及电源车(保障重要会议的供电正常)。上述场景耗电量大、断电容忍度极低，因此需要储能技术达到百毫秒级的响应速度与较高的瞬时功率。
飞轮能够以绿色环保的方式保障UPS供电稳定性，并作为第二电源，持续供电30-40秒，直至系统成功切换至备用电源。
目前，制约飞轮在UPS中应用的最大瓶颈在于成本，其初始成本高(是铅酸电池的4倍，锂电池的2倍) ，但其运营成本和元件更换费用较传统铅酸电池有 显著优势(每年节省约60%运营成本，5年内元件更换费用为铅酸电池的1/40)，因此总体成本5年后有望优于传统蓄电池。
3.电网调频
在电网调频的应用场景下，飞轮可以凭借大功率密度与高可靠性的特点，有效辅助传统的风电/水电调频，维护电网负荷平衡。
相比火电/水电机组、锂电池等其他调频方案，飞轮具有诸多优势——无污染、耐高温、可频繁充放电、功率密度大、寿命长、更稳定、且维护成本低，随着技术成熟带来的成本逐步降低，飞轮有望成为未来电网调频增量市场中的最重要手段。
以某300MW的火电机组配置9MW/1.8MWh飞轮储能系统为例，科尔尼预估该项目飞轮的投资回收周期约 5-6年，10年内部收益率约15%；投资回收周期随略长于同等规格锂电池(4-5年)，但10年内部收益率略高于锂电池(14%)，并且具有较好的安全性和环保性。
三、国内飞轮市场前景可期
1)地铁能量回馈
地铁能量回馈属于趋势向好的培育型市场，尽管目前飞轮储能在中国地铁能量回馈场景的累计装机规模仅为5MW，但其潜在市场规模(装机量)可超过1500MW(如图5)。飞轮在该场景中提升渗透率存在三大抓手：其一，初始成本下降、投资回报周期缩短；第二，市场对全生命周期成本的认可度提升；第三，重大事故防范能力提升。
2)UPS不间断电源
UPS不间断电源属于非刚需的政策引导型市场。根据飞轮储能在高端医疗、高端制造业、大型数据中心和电源车四个应用场景的潜力预判，预计飞轮在UPS不间断电源的潜在市场规模可达约900MW，而目前的市场份额仅为2%(如图 6)。飞轮在该场景下市场份额提升的关键因素包含初始成本的降低、客户对TCO的认可度的提升、以及最重要的环保政策驱动。
3)电网调频
科尔尼认为，飞轮应用于电网调频属于高潜力的蓝海市场。随着技术提升，2022年以来，飞轮在电网调频应用领域的有效成本已经与锂电池逐步接近，未来的市场竞争格局有望发生变化。科尔尼预测，飞轮在中国电网调频领域的潜在市场规模高达85,000MW 。
综上所述，若飞轮储能成本在未来3-5年能够下降50%、且绿色环保政策进一步引导，飞轮储能应用未来几年将实现高速增长。结合业内专家意见、以及对不同场景的需求判断，科尔尼中性测算，到2026年飞轮储能累计装机量可增长至572MW，到2030年可进一步增长至1.62GW。
四、飞轮储能企业需要把握与平衡六大核心要素，方能在市场开拓与竞争中取得优势
国内飞轮储能在技术及商业化指标上共有六大关键成功要素。除攻克单机能量、功率、放电持续时长等技术难点外，还需要在成本把控、市场拓展、战略合作多方面布局，以实现商业化成功。
成功要素一：单机最大能量。单机最大能量是体现飞轮单体储能能力，是飞轮储能中最难突破的技术点之一。具有强储能能力的单体飞轮在技术上可更高效适用于大体量项目；且投资成本优于多个小能量飞轮并联实现的同等总能量规格飞轮。
成功要素二：单机最大功率。单机最大功率体现飞轮充放电速度的快慢。大功率电池可适应多种需求的快速充放，满足电网、UPS、轨道交通能量回馈等大功率需求场景。
成功要素三：放电持续时长。飞轮储能的持续时长受使用场景影响，其中电网调频所需的持续时间最长——大于2分钟(一次调频1-2分钟，二次及以上调频>3分钟)，而UPS持续时间仅需30-40秒。因此飞轮应根据应用场景适配所需的放电持续时长。
成功要素四：价格竞争力。价格对于国内项目获取具有较高的重要性，体现了飞轮制造商的成本把控能力。强大的供应链管理能力及机电一体化技术有助于降低成本。
成功要素五：单项目装机量。单体项目的装机量大小是衡量商业化发展程度的重要指标。而产品一致性(产品性能稳定，单体差异小)和市场扩展能力(具备专业销售团队帮助渠道覆盖)是厂家获取大规模项目背后的关键因素。
成功要素六：战略合作伙伴。绑定业内相关高校/大型能源企业合作开拓市场，获取其高销售额、大容量的项目和稳定的下游大客户合作关系，是飞轮储能和行业的重要市场拓展手段。
