飞轮储能

飞轮储能 作者 摘要 李卿云 行业头豹分类/能源、采矿业/能源设备与服务头豹分类/能源、采矿业/能源设备与服务/能源设备与服务港股分类法/能源 关键词新型储能飞轮储能永磁电机 飞轮储能是一种物理储能方式，利用旋转体旋转时所具有的动能来存储和释放电能，具有充放电寿命长、全寿命周期无容量衰减、运行无爆炸风险、充放电循环效率高等特点，适用于UPS（UninterruptiblePowerSupply，不间断电源）、电网调频、轨道交通、电动汽车充电站等多个应用场景。飞轮储能装置的储能量取决于轮体的转动惯量或最高转速，针对大容量功率型飞轮储能产品，当轮体的转动惯量和最高转速超过一定数值，就会面临诸多技术瓶颈，这些技术瓶颈集中于产业链上游零部件的材料开发与结构设计，而本土企业尚在这些关键领域研究积累不足，限制了大容量功率型飞轮储能产品的研发，未来产业链上游的技术研发进度或将成为飞轮储能产业化的重要制约因素。中国飞轮储能行业规模整体呈稳步上升态势，2021年中国飞轮储能装机规模达5.7MW，2022年达12.3MW。预计2027年飞轮储能有望实现247.2MW的装机规模，市场规模达2.47亿元。中国飞轮储能行业整体竞争格局较为分散，尚未形成绝对寡头格局，占据优势地位的企业如泓慧能源、华驰动能、沈阳微控拥有大量飞轮储能相关专利，积极参与行业标准制定，形成较深的技术护城河。飞轮储能行业的分散格局一方面是由于飞轮储能行业尚处发展早期，仍在示范应用中，初次投资成本较大，而盈利能力较弱，对行业新进入者吸引力较低。另一方面是因为飞轮储能产品应用广泛，各大企业主攻方向不同，技术各有亮点，呈现竞合关系。未来随着行业下游需求持续扩张，行业参与者有望逐步增加，竞争趋向激烈。由于飞轮储能行业现处发展初期，未来可能出现周期性波动，具备雄厚资金实力与强劲研发能力的企业将能更好地应对市场震荡，中小企业将加速出清。 1.飞轮储能行业定义 2.飞轮储能行业分类 飞轮储能是一种物理储能方式，利用旋转体旋转时所具有的动能来存储和释放电能。旋转体通常为共轴的飞轮、电机转子和磁轴承转子（如有）。电机在电动机运行状态下，使飞轮转子升速，将输入电能转化为动能存储；电机在发电机运行状态下，使飞轮转子降速，将动能转化为电能输出，电机的升速和降速由电机控制器控制实现。飞轮储能具有充放电寿命长、全寿命周期无容量衰减、运行无爆炸风险、充放电循环效率高等特点。 从飞轮转子的材质分类，飞轮储能系统可分为金属材料飞轮与复合材料飞轮。 类型名称 类型说明 金属材料飞轮 早期的飞轮储能系统多采用高强度钢或铝合金等金属作为转子材料，这类飞轮转子具有设计简单、加工工艺成熟等优点，但同时也存在着重量大、能量存储密度低、安全系数低等缺陷。金属材料飞轮虽然相对于纤维增强复合材料飞轮的极限强度较低，但结构设计与制造工艺简单，质量与使用寿命更容易保证，对于一些不追求高储能密度的应用领域，金属材料飞轮仍具有重要的使用价值与现实意义。 复合材料飞轮 复合材料飞轮是主要以高性能连续纤维（碳纤维、玻璃纤维等）为增强体、以树脂为基体、采用缠绕成形工艺制备成飞轮转子的系列产品，具有重量轻、能量存储密度大、使用寿命长、安全性能高等优势，正在逐步取代金属材料飞轮，成为高速飞轮设计与制造的首选。在设计飞轮转子时，应根据技术指标和性价比选取最适合的复合材料体系。例如，BeaconPower公司设计的智能电网用飞轮储能系统，选用了玻璃纤维/环氧复合材料作为飞轮转子材料，而Boeing公司测试的卫星用储能飞轮的转子则选用碳纤维复合材料，其转速可达13万转/分。 3.飞轮储能行业特征 飞轮储能行业具有环境友好优势显著、初投成本较高及应用场景广泛的特征。飞轮储能是一种物理储能方式，在生产、使用、回收各环节中本身均不产生有害物质，是对环境极为友好的储能产品。由于实际工作中飞轮转速较高，轮体一般采用价格昂贵的碳纤维材料，制造成本较大，目前飞轮储能初次投资成本在5,000元/kW左右，是化学电池的5-10倍。飞轮储能具备寿命长、能量转换效率高、环境适应性好等特质，适用于UPS（UninterruptiblePowerSupply，不间断电源）、电网调频、轨道交通、电动汽车充电桩等多个应用场景。 飞轮储能采用物理储能方式，在生产、使用、回收各环节中本身均不产生有害物质，是对环境极为友好的储能产品。 环境友好由于飞轮储能的运作原理是将电能转换为机械能，储能和释能过程中不包含化学反应过程，这就使得飞轮储能产品在制造、使用、回收过优势显著程中本身不会排放污染物质。同时飞轮储能具有较高的残值率，20年全寿命周期后的残值约为30%，“废旧飞轮电池”可直接回收利用，二 次回收成本低，环境友好优势显著。 目前飞轮储能的初次投资成本较高。 初投成本由于在实际工作中，飞轮的转速可达40,000-50,000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样的高转速，容易发生解体，高速飞轮一般采较高用碳纤维材料，而用于制造飞轮的高端碳纤维价格昂贵，推动飞轮储能系统成本上涨。目前飞轮储能初次投资成本在5,000元/kW左右， 是化学电池的5-10倍，未来将随产业的规模化发展与技术革新逐步降低。 飞轮储能具备寿命长、能量转换效率高、环境适应性好等特质，适用于UPS（UninterruptiblePowerSupply，不间断电源）、电网调频、轨道交通、电动汽车充电桩等多个应用场景。 当前传统UPS使用化学电池作为储能器件，受制于化学电池寿命短、环境要求高等短板，利用飞轮储能作为UPS的储能器件，可极大延应用场景长其使用寿命和可靠性，提高关键用电设备供电质量。飞轮储能也是目前对于电网短时高频调频场景适应最好的一种储能装置，能够快速 广泛启停相应，发挥着减少机组磨损、抑制反向调频、进行储能电量持续性管理的作用。2021年中国城市轨道交通运营里程达8,708公里，节能减排任务日益严峻，飞轮储能系统可在轨道交通牵引过程中实现节能和稳定网压，已在北京、青岛的地铁线路中实现商用。2017年，武汉理工大学机电工程学院胡业发教授团队研发的“用于新能源汽车高效发电机和高密度飞轮储能系统”技术获得5亿元科技成果转化投资，该团队提出如果技术成功转化，可有效减轻电动汽车重量，还能将电动汽车的充电时间减少至10多分钟。 飞轮储能发展历程 4. 飞轮储能行业迄今主要经历三个发展阶段：在1950-1990年的萌芽期，学术界针对飞轮储能技术初步展开探索，石油危机的爆发促进发达国家积极布局新型能源项目，加大飞轮储能技术研发力度。在1991-2021年的启动期，飞轮储能逐步实现商业化应用，中国飞轮储能研究进入起步阶段，本土企业通过引 进国外先进技术实现产品的批量生产，飞轮储能行业技术积累逐渐成熟，走向规范化发展。在2022年至今的高速发展期，中国诞生首台拥有完全自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置，飞轮储能系统在城轨交通领域陆续展开示范应用，国内飞轮储能技术在功率上发展迅猛，处于全球领先地位。 开始时间：1950结束时间：1990阶段：萌芽期 行业动态：早在20世纪50年代，国外学术界已展开对飞轮储能技术的探索。20世纪70年代，石油危机爆发，美国开始发展新型能源项目，提出车辆动力用超级飞轮储能计划，大力研究高能量密度复合材料飞轮、电磁悬浮轴承以及高速电动/发电一体化电机技术。 行业影响/ 阶段特征：学术界针对飞轮储能技术初步展开探索，石油危机的爆发促进发达国家积极布局新型能源项目，加大飞轮储能技术研发力度，计划以新型能源逐步替代传统能源，满足国家能源安全需求，并推动飞轮储能向高能量密度方向发展。 开始时间：1991结束时间：2021阶段：启动期 行业动态：20世纪90年代中后期，飞轮储能技术最先进的美国进入产业化发展阶段，首先在不间断供电过渡电源领域提供商业化产品，推动飞轮储能UPS（不间断电源）市场稳定发展。同一时期中国科研院所也开始进行飞轮储能相关技术研究，上海航天控制技术研究所、清华大学、北京航空航天大学、华北电力大学等院校走在行业前沿。2003年，VYCON公司成立于美国洛杉矶，是当时全球领先的磁悬浮飞轮生产制造商。2004年，美国第二代磁悬浮飞轮系统成功运行。2007年，德国建设完成250kW/5kWh磁悬浮飞轮系统。2010年前后，中国出现飞轮储能系统商业推广示范应用的技术开发公司，例如北京奇峰聚能科技有限公司、北京泓慧国际能源技术发展有限公司、唐山盾石磁能科技有限责任公司等。2011年，美国纽约史蒂芬森敦20MW飞轮调频电站投入运营。2014年，中国第一台200kW工业化磁飞轮调试成功，同年美国研发集成飞轮UPS的模块化电源系统。2016年，德国Piller公司推出双变换式飞轮UPS。2018年，沈阳微控新能源技术有限公司引进VYCON公司的飞轮储能技术，在中国首先实现了高速磁悬浮飞轮的批量生产，VYCON公司现为沈阳微控新能源技术有限公司的全资子公司。2020年，CNESA （中国能源研究会储能专委会）发布中国首个飞轮储能系统团体标准《飞轮储能系统通用技术条件》。 行业影响/ 阶段特征：自20世纪90年代开始，飞轮储能逐步实现商业化应用。中国飞轮储能研究起步较晚，2010年左右开始出现相关技术开发公司，通过引进国外先进技术实现产品的批量生产。2020年中国首个飞轮储能系统团体标准发布，飞轮储能行业技术积累逐渐成熟，走向规范化发展。 开始时间：2022阶段：高速发展期 行业动态：2022年4月，中国首台完全自主知识产权飞轮储能装置在青岛地铁3号线投入使用，2台1MW飞轮储能装置在万年泉路站完成安装调试，顺利并网应用。2022年9月，泓慧能源正式交付郑州地铁飞轮储能能量回馈系统。2023年1月，坎德拉新能源科技（佛山）有限公司自主研发的首套1000kW/35kWh飞轮储能系统顺利出产，成功量产后，该产品将成为全球功率最大的商业化飞轮储能系统。 行业影响/ 阶段特征：2022年，中国诞生首台拥有完全自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置，飞轮储能系统在城轨交通领域陆续展开示范应用。国内飞轮储能技术发展迅速，本土企业自主研发的飞轮储能系统有望成为全球功率最大的商业化飞轮储能装置。 5.飞轮储能产业链分析 飞轮储能产业链上游包括储能装置的核心部件储能轮体、储能电机与飞轮外壳，储能轮体代表性参与方有广大特材、罗特尼克、国机重装等，储能电机代表性参与方有苏交科、湘潭电机等，飞轮外壳代表性参与方有坎德拉、沈阳微控、中车株洲电机等。产业链中游为飞轮储能系统，代表性参与方包括泓慧能源、贝肯新能源、奇峰聚能等。产业链下游应用场景丰富，包括UPS（不间断电源）、电网调频、轨道交通、电动汽车充电站等，UPS（不间断电源）代表性参与方有山特电子、施耐德电气、艾默生电气等，电网调频代表性参与方有国家电网、南方电网、国家能源集团等，轨道交通代表性参与方有中国中铁、中国交建、中国铁建等，电动汽车充电站代表性参与方有奥特迅、中恒电气、动力源等。 飞轮储能装置作为以精密制造为基础、多学科融合的机电一体化设备，上游链条复杂，下游应用丰富。由于储能轮体、储能电机等核心部件是其技术的关键所在，上游的零部件供应商与中游的系统集成商存在一定重叠。飞轮储能装置的储能量取决于转子的转动惯量或最高转速，针对大容量功率型飞轮储能产品，当转子的转动惯量和最高转速超过一定数值，就会面临诸多技术瓶颈。例如，高强度飞轮转子材料及结构设计制造技术、支撑高速重载飞轮转子的长寿命复合轴承设计制造技术、宽转速范围运行的高速双向电机设计制造技术、真空状态下的电机及轴承冷却技术、飞轮储能单元能量快速转换控制技术 及系统、大规模飞轮储能阵列运行优化控制与先进运维技术等。这些技术瓶颈集中于产业链上游零部件的材料开发与结构设计，而本土企业尚在这些关键领域研究积累不足，限制了大容量功率型飞轮储能产品的研发，未来产业链上游的技术研发进度将成为飞轮储能产业化的重要制约因素。飞轮储能的