产品线二，飞轮储能：最具发展前途的短时大功率储能技术之一

2022年4月11日，央视新闻报道：湘电股份生产的国内轨道交通行业首台具有完全自主知识产权的兆瓦级“飞轮储能装臵”在青岛地铁3号线投入使用。飞轮储能技术较为复杂，长期被国外垄断，此次飞轮储能装臵的投用打破了国外在该领域的技术垄断。我们认为此次完成安装调试，顺利并网应用，象征着公司又一项与马伟明院士紧密合作的技术从科研逐步走向批产。 1、飞轮储能是最具发展前途的短时大功率储能技术之一 飞轮储能技术与其他储能技术相比，它的优势在于：1）储能密度高，瞬时功率大；2）寿命周期长；3）容易测量放电深度和剩余“电量”；4）充电时间短；5）能量转换效率高；6）绿色环保，无污染。 在民品领域应用场景广泛，目前市场渗透率仍处于低位，未来发展空间巨大。 飞轮储能可应用于轨道交通、电网调频、UPS不间断电源等领域，根据中国能源研究会储能专委会数据，截止至2021年底，全球飞轮储能在储能装机中占比仅0.22%，未来发展空间巨大。 1）轨道交通节能装备：飞轮储能功率密度高、效率高的优点与轨道交通系统完美契合，其节能效果远超其他节能装备。在地铁等城市轨道交通的运营成本中 ， 电费占40%左右 ， 列车牵引动力占地铁运营总电力成本的45%-60%，其中17%为可回收的再生制动能量，而目前城市轨道交通回收的制动能量普遍采用电阻放热方式消耗，存在资源浪费和冲击电网的问题。 采用飞轮储能装臵可实现牵引能耗节约15%。国内飞轮储能技术正处于逐步推广阶段，我们预计未来飞轮储能系统市场空间可达204亿元。 2）电网调峰调频：飞轮储能功率大、响应速度快、寿命长，适用于电网调峰调频。海外部分国家已将飞轮储能系统应用于电网调峰调频，我国在《“十四五”新型储能发展实施方案》明确提出“到2025年兆瓦级飞轮储能技术应逐步成熟”、“重点建设飞轮储能技术试点示范项目”。目前多地已启动电网调峰调频飞轮储能项目，在政策的支持下，飞轮储能应用于电网调峰调频的节奏有望持续加快。 2、高技术壁垒、完全自主研发，铸就湘电核心竞争力 湘电股份已掌握飞轮储能关键技术，是和马院士紧密合作下的又一突破性成果，打破了国外在该领域的技术垄断。飞轮储能技术较为复杂，长期被国外垄断，湘电股份在飞轮储能装臵研制过程中，与马院士合作紧密，充分发挥“机电一体化”以及在高速永磁电机、电磁轴承等领域的优势，整合内外部资源，突破了高能量密度飞轮电机一体化设计与制造、低损耗高可靠性大承载力混合磁轴承等关键核心技术，率先打破了国外在该领域的技术垄断。 湘电股份有望以轨交节能设备作为起点，持续拓展飞轮储能应用市场。目前，湘电股份生产的两台1MW/15MJ节能储能系统已在青岛地铁3号线万年泉路站完成安装调试，且已顺利并网应用。公司定增项目包含有“轨道交通节能装备系列化研制和产业化建设项目”，这将进一步加强公司飞轮储能业务的研发与生产能力。在国家大力扶持储能业务的大背景下，公司有望以轨交节能设备作为起点，持续拓展飞轮储能应用市场。 3、投资建议：核心竞争力层面，一大核心产品（电机）衍生两大核心技术（舰船综合电推、电磁发射），全球领先、国内独一无二的市场地位，并获得6个国家科技进步特等奖，技术稀缺性毋庸臵疑。产业层面，军用如两大核心产品线，民用如全电民船、飞轮储能等都迎来产业拐点，打开千亿级市场；机制层面，历史包袱出清、管理机制理顺、推出中长期激励机制等，拐点已现。今年的湘电与以往任何时刻都不一样，其将引领全电推舰船、电磁能几个新兴赛道的崛起，任一装备落地都预计可带来巨大的业绩弹性。我们预计公司2022-2024年归母净利润分别为3.49、6.50、10.12亿元，对应PE为59X、32X、20X，维持“买入”评级。 风险提示：飞轮储能系统推广不及预期、原材料价格上涨侵蚀利润 财务指标 财务报表和主要财务比率 资产负债表（百万元） 现金流量表（百万元） 1.飞轮储能：最具发展前途的短时大功率储能技术之一 储能即能量储存和再利用，能量是物质的一种存在形态，表现形式多种多样，根据储能方式不同，技术主要分为三类：机械储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）、电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能等）、电化学储能（如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池等）。 图表1：不同储能技术主要特点及造价预估 飞轮储能目前作为储能行业中的一种新型技术，在很多地方具备自己独特的优势，是目前最具发展前途的短时大功率储能技术之一，具体表现在： 1）储能密度高，瞬时功率大。在短时间内可以输出更大的能量，有利于电磁炮的发射和车辆的快速启动。 2）寿命周期长。在整个寿命周期内，不会因为过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命，而且飞轮也不会受到损害。其寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命，一般可长达20年左右。 3）容易测量放电深度和剩余“电量”。 4）充电时间短。一般几分钟内就可以将电量充满。 5）能量转换效率高。一般可达90%左右，这意味着有更多可利用的能量、更少的热耗散，高于化学电池的转换效率。 6）绿色环保，无污染。 飞轮储能技术是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。飞轮储能技术自20世纪中叶开始发展，至今已经有超过50年的研究、开发和应用历史。目前全球飞轮储能技术的研发力量主要集中在美国、欧洲和日本，在飞轮技术基础应用研究、关键技术、制造工艺、产品产业化开发与市场运作等方面，美欧日都远远领先于其他国家，全球研发格局一度呈现出三足鼎立的局面。目前，随着其他国家对储能技术的重视和大力投入，多极化趋势日益明显。 美国：目前，美国在飞轮储能技术研究方面居于全球领先地位，这主要得益于DOE和NASA等机构从上世纪70年代以来的长期投入和近10多年资本市场的持续支持。在商用飞轮市场，具有代表性的企业主要包括专注于电网级应用的Beacon Power公司、专注于企业级UPS应用的Active Power公司、专注于大功率应用的AFS Trinity Power公司和专注于城市轻轨动能再生的Pentadyne公司(已重组)等。 欧洲：在众多欧洲国家中，德国和英国对飞轮储能技术的研究最为深入，另外法国、意大利等国也有较大的投入。 日本：日本在高强度碳纤维材料、高温超导材料等方面具有雄厚的技术实力，为飞轮储能技术的发展提供了有利条件。 图表2：各国飞轮储能开发商及其代表产品 中国：国内自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术，目前，我国的飞轮储能在发电、石油钻井、导航等领域已取得了诸多实际应用示范的成功经验。 图表3：国内飞轮储能相关研究机构 飞轮储能可应用于轨道交通、电网调频、UPS不间断电源等领域，目前市场渗透率仍处于低位，未来发展空间巨大。飞轮储能技术最早应用于航天领域，作为卫星姿控、储能一体化使用，其关键技术也逐渐转化到民用领域。飞轮储能因其功率密度高、效率高、寿命长和无污染的优势，目前广泛应用于大功率、响应快、高频次的场景，典型市场包括轨道交通、电网调频、UPS不间断电源等。根据中国能源研究会储能专委会数据，截止至2021年底，全球飞轮储能在储能装机中占比仅0.22%，未来发展空间巨大。 1.1应用场景之一：轨道交通节能装备 城市轨道交通车辆具有站间距离短、车辆运行密度高等特点，在频繁起动与制动的过程中会产生数量可观的制动能量。在地铁等城市轨道交通的运营成本中，电费占40%左右，列车牵引动力占地铁运营总电力成本的45%-60%，其中17%为可回收的再生制动能量。 而目前城市轨道交通回收的制动能量普遍采用电阻放热方式消耗，存在资源浪费和冲击电网的问题。 飞轮储能功率密度高、效率高的优点与轨道交通系统完美契合。飞轮储能技术可在列车制动时，飞轮加速旋转进行能量的存储；列车启动时，飞轮降低转速完成能量的释放，从而实现制动能量回收利用，在缓解制动能量对电网产生冲击的同时，对节约能源、减少环境污染、提高经济效益也有着重大意义。系统的主要优势有： 1）使用寿命可长达20年以上，容量恒定，安全稳定，维护简单，可大幅节省运营维护工作量以及运营维护的资金投入。 2）飞轮储能装臵属物理储能，无污染、噪音小、占地面积小，采用模块化设计，布臵灵活，接口简单。 3）直流系统内的能量回收与再利用，无环流，系统稳定性高。 图表4：列车制动能量回收示意图 飞轮储能系统作为轨道交通节能装备，其稳定性和节能效果远超其他节能装备。北京房山线广阳站的飞轮储能系统在挂网试运行期间，其节能效果明显优于北京地铁线路采用的其他节能装臵。飞轮储能系统带来的能耗节约效果显著，根据央视报道，青岛地铁全面推动飞轮储能装臵的推广应用后，可实现牵引能耗节约15%，线网每年可节电5000万度，年减少二氧化碳排放约5万吨。 图表5：额定功率1MW、储存容量1.5kWh的不同储能装臵的节电效果 由于飞轮储能系统能够有效提高铁路运行质量并利用再生制动能源，飞轮储能系统目前已在海外各国有广泛的应用。 图表6：各国地铁飞轮储能系统应用情况 国内飞轮储能技术已经逐步应用于各地地铁线路。目前北京、青岛、深圳、郑州等地已开始试点与应用飞轮储能系统，其中北京应用于房山线广阳城站，采用了1MW/11kWh飞轮储能系统；青岛应用于3号线万年泉站，采用了两台1MW/15MJ节能储能系统；深圳应用于7号线，采用了两套600千瓦全磁悬浮飞轮储能系统。 未来我国更多的城市有望采用飞轮储能系统作为节能装备，市场空间约为204亿元。飞轮储能系统需安装于轨交线路中每个站台，根据《新基建下储能技术典型应用场景分析》，北京地铁房山线广阳城站1MW飞轮储能装臵设备投资400万元，我们假设进入批产后的飞轮储能系统单站设备投资价格下降50%，为200万元。根据中国城市轨道交通协会，截止至2021年12月31日，我国共有城市轨道交通线路283条，车站5343座，运营里程9206.8公里，对应单条地铁线19站车站，则全线飞轮储能系统总价约3800万。 目前在建线路253条，线路总规模6096.4公里，若以上城市轨道交通全部采用飞轮储能系统，则对应市场空间约为204亿。 1.2应用场景之二：电网调峰调频 电网中发电和用电不平衡会使电网频率发生波动，为了平抑这种波动，电网就需要配备调频电站。随着风电、光伏发电等新能源入网比例逐渐增加，因新能源发电的不稳定性，电网调频的需求将进一步加大。 飞轮储能功率大、响应速度快、寿命长，适用于电网调峰调频。目前，我国的电网调频电源主要为火电机组，但是火电机组响应时滞长、机组爬坡速率低，不能准确跟踪电网调度的调频指令，存在调节延迟、调节偏差和调节反向等现象。储能技术可以有效缓解新能源发电输出功率的不稳定性，飞轮储能具有功率大、响应速度快、寿命长的特性，可以随着电网的变化快速、有效地进行补偿，平抑波动负荷，缓冲发电输出瞬变，支撑电网频率和电压。在电网调峰调频中，飞轮储能技术有望得到广泛应用。 图表7：飞轮储能系统在葡萄牙亚速尔群岛的应用 海外部分国家已将飞轮储能系统应用于电网调峰调频。美国：BeaconPower公司于2011年和2014年先后在纽约Stephentown镇和宾夕法尼亚州Hazel市建立了20MW调频电站。加拿大：TemporalPower公司已经建立了安大略省Minto镇容量为2.5MW的室内独立调频电站和加拿大安大略省Clear Creek容量为5MW的飞轮储能电站。葡萄牙：在亚速尔群岛，飞轮储能系统接到了三相400V/50Hz的交流电网中。 我国目前多地已启动电网调峰调频飞轮储能项目。我国《“十四五”新型储能发展实施方案》明确提出“到2025年兆瓦级飞轮储能技术应逐步成熟”、“重点建设飞轮储能技术试点示范项目”。目前山西省已启动多项飞轮储能示范项目，共计130.7MW；内蒙古已启动“MW级先进飞轮储能关键技术研究”项目，并开启风电场飞轮项目招标；宁夏的光火储耦合22兆瓦/4.5兆瓦时飞轮储能工程已与2021年11月