中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：科爾尼中性測(cè)算，到2026年飛輪儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量可增長(zhǎng)至572MW，到2030年可進(jìn)一步增長(zhǎng)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(fù)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(chǔ)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(jī)械能存儲(chǔ)，再進(jìn)行能量釋放。
相比鋰電池等其他儲(chǔ)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(shí)間短的特點(diǎn)，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(chǎng)景中。
科爾尼預(yù)測(cè)，若飛輪儲(chǔ)能成本能夠在未來(lái)3-5年內(nèi)下降50%、且綠色環(huán)保政策進(jìn)一步引導(dǎo)，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在未來(lái)幾年將實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)，科爾尼中性測(cè)算，到2026飛輪儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量可增長(zhǎng)至572MW，到2030年可進(jìn)一步增長(zhǎng)至1.62GW。
一、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)不斷突破并逐步成熟
飛輪儲(chǔ)能是一種源于航天領(lǐng)域的先進(jìn)物理儲(chǔ)能技術(shù)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)行存儲(chǔ)，并在需要的時(shí)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(fù)載的電流與電壓，又將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出(如圖 1)。
圖1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理
來(lái)源：案頭研究，科爾尼
飛輪儲(chǔ)能裝置的核心結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、飛輪轉(zhuǎn)子、軸承和真空室四部分，其儲(chǔ)存能量(E)的大小主要與轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(shí)容易產(chǎn)生極大的離心力，如超過(guò)飛輪材料極限強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)較大的安全隱患。
進(jìn)一步提高角速度(w)則大有可為，可通過(guò)提升軸承技術(shù)和真空技術(shù)實(shí)現(xiàn)。一方面，通過(guò)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(guò)提高真空度和真空散熱，減少飛輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的風(fēng)阻(摩擦力)，提高角速度。
另外選用材料的強(qiáng)度與密度將深刻影響飛輪儲(chǔ)能的儲(chǔ)能量(E)，材料強(qiáng)度越高、同等質(zhì)量下密度越低，儲(chǔ)能能量就越大。
可見(jiàn)，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(chǔ)能量的關(guān)鍵(如圖2)。
圖2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)難點(diǎn)
來(lái)源：案頭研究，文獻(xiàn)整理，科爾尼
中外之間由于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在飛輪技術(shù)路線的選擇方面也存在較大差異：
歐美國(guó)家受到更嚴(yán)格的環(huán)保政策驅(qū)動(dòng)，對(duì)UPS和地鐵節(jié)能場(chǎng)景的儲(chǔ)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?xì)廨啓C(jī)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(jī)能量容量最大化。
中國(guó)目前UPS儲(chǔ)能電池仍以鉛酸電池為主，對(duì)飛輪的剛需不強(qiáng)；但電網(wǎng)調(diào)頻是中國(guó)發(fā)電體系的剛需，對(duì)單機(jī)能量容量要求更高，因此國(guó)內(nèi)更傾向于研發(fā)高單機(jī)儲(chǔ)能能量的飛輪裝置，并應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻場(chǎng)景方向。另外飛輪面臨與鋰離子電池的競(jìng)爭(zhēng)，因此產(chǎn)品的成本競(jìng)爭(zhēng)力也尤為重要。
技術(shù)路線選擇方面，中國(guó)多選擇應(yīng)用廣泛的主動(dòng)懸浮和混合懸浮技術(shù)，而歐美國(guó)家更注重適用于輕量化飛輪的被動(dòng)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(guó)與歐美相比仍有較大差距。
二、飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景不斷打開(kāi)，尤其在地鐵、電網(wǎng)和UPS相關(guān)領(lǐng)域
相比市場(chǎng)主流的鋰電池，飛輪儲(chǔ)能在循環(huán)次數(shù)、瞬時(shí)功率、響應(yīng)速度、安全性等方面優(yōu)勢(shì)突出，但也存在能量密度低、自放電率高的劣勢(shì)(如圖3)。
圖3 飛輪儲(chǔ)能與鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)指標(biāo)對(duì)比
來(lái)源：案頭研究，專家訪談，科爾尼
基于飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)，其最適用于充放電頻次高、響應(yīng)速度快、功率大、且放電時(shí)間短的應(yīng)用場(chǎng)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(kāi)展(如圖4)。
圖4 與飛輪儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)適配的應(yīng)用場(chǎng)景
來(lái)源：案頭研究，專家訪談，科爾尼
1.地鐵能量回饋
地鐵進(jìn)站剎車時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量造成網(wǎng)壓提升，而離站啟動(dòng)時(shí)網(wǎng)壓瞬間下降，因此對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成沖擊，不僅增加了制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)回路的安全隱患、也會(huì)造成大量的能源浪費(fèi)。地鐵儲(chǔ)能裝置具有循環(huán)次數(shù)多、瞬時(shí)功率高的技術(shù)特點(diǎn)。以飛輪儲(chǔ)能與超級(jí)電容為代表的儲(chǔ)能裝置，節(jié)能效果比中壓回饋系統(tǒng)更強(qiáng)。對(duì)比飛輪與超級(jí)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(zhǎng)的劣勢(shì)。
在地鐵能源回饋應(yīng)用領(lǐng)域，飛輪儲(chǔ)能的收益主要來(lái)源于節(jié)省的電費(fèi)和剎車系統(tǒng)磨損費(fèi)成本。以北京地鐵房山線為例，科爾尼預(yù)估其飛輪儲(chǔ)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(lái)3-5年飛輪儲(chǔ)能的單價(jià)有望從目前的約3000元/kW降低為約2000元/kW，屆時(shí)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(chǎng)景下、飛輪主要應(yīng)用于四個(gè)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(huì)議的供電正常)。上述場(chǎng)景耗電量大、斷電容忍度極低，因此需要儲(chǔ)能技術(shù)達(dá)到百毫秒級(jí)的響應(yīng)速度與較高的瞬時(shí)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(yùn)營(yíng)成本和元件更換費(fèi)用較傳統(tǒng)鉛酸電池有 顯著優(yōu)勢(shì)(每年節(jié)省約60%運(yùn)營(yíng)成本，5年內(nèi)元件更換費(fèi)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(chǎng)景下，飛輪可以憑借大功率密度與高可靠性的特點(diǎn)，有效輔助傳統(tǒng)的風(fēng)電/水電調(diào)頻，維護(hù)電網(wǎng)負(fù)荷平衡。
相比火電/水電機(jī)組、鋰電池等其他調(diào)頻方案，飛輪具有諸多優(yōu)勢(shì)——無(wú)污染、耐高溫、可頻繁充放電、功率密度大、壽命長(zhǎng)、更穩(wěn)定、且維護(hù)成本低，隨著技術(shù)成熟帶來(lái)的成本逐步降低，飛輪有望成為未來(lái)電網(wǎng)調(diào)頻增量市場(chǎng)中的最重要手段。
以某300MW的火電機(jī)組配置9MW/1.8MWh飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，科爾尼預(yù)估該項(xiàng)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(zhǎng)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。
三、國(guó)內(nèi)飛輪市場(chǎng)前景可期
1)地鐵能量回饋
地鐵能量回饋屬于趨勢(shì)向好的培育型市場(chǎng)，盡管目前飛輪儲(chǔ)能在中國(guó)地鐵能量回饋場(chǎng)景的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模僅為5MW，但其潛在市場(chǎng)規(guī)模(裝機(jī)量)可超過(guò)1500MW(如圖5)。飛輪在該場(chǎng)景中提升滲透率存在三大抓手：其一，初始成本下降、投資回報(bào)周期縮短；第二，市場(chǎng)對(duì)全生命周期成本的認(rèn)可度提升；第三，重大事故防范能力提升。
圖5 中國(guó)地鐵能量回饋的細(xì)分結(jié)構(gòu)
來(lái)源：專家訪談，科爾尼測(cè)算
2)UPS不間斷電源
UPS不間斷電源屬于非剛需的政策引導(dǎo)型市場(chǎng)。根據(jù)飛輪儲(chǔ)能在高端醫(yī)療、高端制造業(yè)、大型數(shù)據(jù)中心和電源車四個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的潛力預(yù)判，預(yù)計(jì)飛輪在UPS不間斷電源的潛在市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)約900MW，而目前的市場(chǎng)份額僅為2%(如圖 6)。飛輪在該場(chǎng)景下市場(chǎng)份額提升的關(guān)鍵因素包含初始成本的降低、客戶對(duì)TCO的認(rèn)可度的提升、以及最重要的環(huán)保政策驅(qū)動(dòng)。
圖6 中國(guó)UPS儲(chǔ)能潛在市場(chǎng)規(guī)模與各技術(shù)路線份額
來(lái)源：案頭研究，專家訪談，科爾尼測(cè)算
3)電網(wǎng)調(diào)頻
科爾尼認(rèn)為，飛輪應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)頻屬于高潛力的藍(lán)海市場(chǎng)。隨著技術(shù)提升，2022年以來(lái)，飛輪在電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用領(lǐng)域的有效成本已經(jīng)與鋰電池逐步接近，未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局有望發(fā)生變化?？茽柲犷A(yù)測(cè)，飛輪在中國(guó)電網(wǎng)調(diào)頻領(lǐng)域的潛在市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)85,000MW(如圖7) 。
圖7 電網(wǎng)調(diào)頻儲(chǔ)能潛在市場(chǎng)分析
來(lái)源：案頭研究，專家訪談，科爾尼測(cè)算
綜上所述，若飛輪儲(chǔ)能成本在未來(lái)3-5年能夠下降50%、且綠色環(huán)保政策進(jìn)一步引導(dǎo)，飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用未來(lái)幾年將實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)。結(jié)合業(yè)內(nèi)專家意見(jiàn)、以及對(duì)不同場(chǎng)景的需求判斷，科爾尼中性測(cè)算，到2026年飛輪儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量可增長(zhǎng)至572MW，到2030年可進(jìn)一步增長(zhǎng)至1.62GW(如圖8)。
圖8 ：中國(guó)飛輪儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)
來(lái)源：案頭研究，專家訪談，科爾尼測(cè)算
四、飛輪儲(chǔ)能企業(yè)需要把握與平衡六大核心要素，方能在市場(chǎng)開(kāi)拓與競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)
國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能在技術(shù)及商業(yè)化指標(biāo)上共有六大關(guān)鍵成功要素。除攻克單機(jī)能量、功率、放電持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等技術(shù)難點(diǎn)外，還需要在成本把控、市場(chǎng)拓展、戰(zhàn)略合作多方面布局，以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化成功。
成功要素一：?jiǎn)螜C(jī)最大能量。單機(jī)最大能量是體現(xiàn)飛輪單體儲(chǔ)能能力，是飛輪儲(chǔ)能中最難突破的技術(shù)點(diǎn)之一。具有強(qiáng)儲(chǔ)能能力的單體飛輪在技術(shù)上可更高效適用于大體量項(xiàng)目；且投資成本優(yōu)于多個(gè)小能量飛輪并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的同等總能量規(guī)格飛輪。
成功要素二：?jiǎn)螜C(jī)最大功率。單機(jī)最大功率體現(xiàn)飛輪充放電速度的快慢。大功率電池可適應(yīng)多種需求的快速充放，滿足電網(wǎng)、UPS、軌道交通能量回饋等大功率需求場(chǎng)景。
成功要素三：放電持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。飛輪儲(chǔ)能的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)受使用場(chǎng)景影響，其中電網(wǎng)調(diào)頻所需的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)——大于2分鐘(一次調(diào)頻1-2分鐘，二次及以上調(diào)頻>3分鐘)，而UPS持續(xù)時(shí)間僅需30-40秒。因此飛輪應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景適配所需的放電持續(xù)時(shí)長(zhǎng)。
成功要素四：價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。價(jià)格對(duì)于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目獲取具有較高的重要性，體現(xiàn)了飛輪制造商的成本把控能力。強(qiáng)大的供應(yīng)鏈管理能力及機(jī)電一體化技術(shù)有助于降低成本。
成功要素五：?jiǎn)雾?xiàng)目裝機(jī)量。單體項(xiàng)目的裝機(jī)量大小是衡量商業(yè)化發(fā)展程度的重要指標(biāo)。而產(chǎn)品一致性(產(chǎn)品性能穩(wěn)定，單體差異小)和市場(chǎng)擴(kuò)展能力(具備專業(yè)銷售團(tuán)隊(duì)幫助渠道覆蓋)是廠家獲取大規(guī)模項(xiàng)目背后的關(guān)鍵因素。
成功要素六：戰(zhàn)略合作伙伴。綁定業(yè)內(nèi)相關(guān)高校/大型能源企業(yè)合作開(kāi)拓市場(chǎng)，獲取其高銷售額、大容量的項(xiàng)目和穩(wěn)定的下游大客戶合作關(guān)系，是飛輪儲(chǔ)能和行業(yè)的重要市場(chǎng)拓展手段。
