深度报告飞轮储能的技术、应用与潜力

PhotobyRachaelRinchiuso Kearney,Chicago 飞轮储能、方兴未艾——飞轮储能的技术、应用与潜力 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。 飞轮储能、方兴未艾2 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 （如图1）。 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。 ḿᭇٶᛣᖋᗖ޿ઈኜયጇᛣ᭩ڞߕᎎᛣᱞ੟ٶՅ᭩ۧ ጇܫጇਖ਼ޯ൵࣬ ₚጇᛣₛ ᛣᱞ᭩ڞ ᛣᱞ᭩ۧ ओ1 ޫጇ຿ ጇܳ຿ ḿᭇູ׸ ₚ຿ཞᛣₛ ٶᛣᮃᒲ€ጇᛣᗇܮ኏ጇਖ਼ ޯ൵࣬ߕṺܳጇܳ຿₞ؒḿᭇẸ᮸แᭅ₞׃຿ཞᛣᎎ௒ழશᛣᱞٶ੟֊ḿᭇ՛₞ִᙯ੽ೋጇᛣ-຿ཞᛣᭅ൵ᎎٶ੟ᛣᱞᮃᒲ ޫጇᮃᒲ€Ẹ᮸แᭅᎎḿᭇୠܳޫጇ຿ޫጇ₞ᗇܮ ኏ޯ൵࣬᭩ۧዽ֊᪋᭖ᎎጇႻՅጇޑ₞੽ೋ຿ཞᛣ-ጇᛣᭅ൵ ḿᭇٶᛣᖋᗖା׿ޘኵ ໓ᄽ：༹ৄᐕᓇ₞ᒝ઻્ 飞轮储能、方兴未艾3 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（如图2）。 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。 3 ኛ஬ޫႻᒲྐྵॐ ോᗢᶻೋോᗢᰎᘼ ஬ޫኜन෶׿ 1151112 ോᗢฌᮍ10ᜱܳݕᰎᘼ 2 JiraConfluence9REDHAT ANSIBLE Automation 3୏ ᮚׁޫ૝ཡ༎ࠛBambooငཡ༎ࠛዻ֛ᘈඊ ᩀร۰ᶁᩀร 4BitbucketJenkinsJira 14 ോᗢ᪓එ8ᩀรڦᴈᗟฑ്༚ުṤ 5 67 1ᓯ܆ᓯᶻೋ᷎ဿାᒲ4ڦᴈ֥೪᪶ᛣᎎᭈ׌஬ޫ7ᓯ܆ᓯჂᨓՅᶻೋᎎ10େࡰۧᭀ᭞ᎎോᗢຢุ13ᭈ׌ࠛܮᛣ᪒୍ݕ ᜱܳݕຢุ຿܈ՅᶻೋႻᒲ 2׃ܮᛣբલߘᎎดൽ஬ޫ5ॷ֊ାݱᎎᶻೋழାڪ8ᯚ੺઄ິᎎኜनᭈ׌ຢุ11ဌՔࠋԻ࿗ᎎܮᛣޫ୏14ঝٝมൺ᱘ᶻ ᳛ݭ׿ 3׃ܮᛣբલߘᎎᭈ׌᧾᧤6ݱ׸ழେࡰᭀ᭞۰งᗋ໢9༚ےࠛᭈ׌੻ڟ12ڟ૑޿೵૝ᎎOTA໺໢15ઈ๕มਫ਼੬ዻ૝ኜՅ໺໢ ओ2 ḿᭇٶᛣഃົᶶᇆ Ꮒᓋฝᇛ ഃົ ᭅਖ਼໊ฬ ഃົ ᑗ౬დഃົ ᶐ״൳ᙶ ඦݨ޿ᷩఱ ඦẸ޿ᷩఱ ඦẸᭅ᮸ ඦẸᭅ᮸ —᮴ᮃጇᑗᲥנಚ࣬ཡჂᦆ౬დᭅਖ਼ᎎ׳ᘺ₞ْܴጇਖ਼එ܈ᖋᗖᐃ࿨ጇᑗᲥᎎጇႻ₞ઈኜᭅਖ਼౬დ —Մ᮴ᮃඑ܈ᖋᗖ₞ᙯ๫܂ዽျᑗ׸/᫘લ׸ᜱᬺᎎ ጇᑗܫؒᭅਖ਼੽ڟ౬დ —գܳՅᦆܳ౬დᄍߐᎎഃົ₞ጄျᑗ׸ඦ؝٤ᘺᷦᑗनЫጄጇᑗᲥඦ؝୵ᥪ᪋᭖୴೼ᎎඑ܈ᑗन —৤ẸெஓᲆЫ᱿ߐᱟЫ᲼ߐᱟᔒ໊ฬ₞کெஓ᭛ ়Ыટஓ᭛Ẹ —৤ኡዙᖠᗩЫᑓᖠᗩᔒ໊ฬ₞کટஓᖢբᱟ૟໊ฬᎎ1/5₞ᙯဏெஓ(ெஓ/ટஓ)բᱟ૟໊ฬᎎ4ي—৤᭧વฝᇛ€຿׸׃᭧વูழશᇛנᗐ঵጑—৤ჳیฝᇛ€᭍ڳᰥরޑᘚழی္຿₞یކჳႻᮃ ޫᇛ׳ᘺ๕߲ชᇛᱞ₞ঝܯᇛયႻ —౬დᒻ઄ఱ՛ᔒ —౬დᒻ઄ఱ՛ᔒ₞ય֊1,OOOOKᎎḿᭇฑ໫ຨৢ —౬დᒻ઄ఱຨெ —ટஓẸ₞ᶑ܈ᭅ᮸₭໊ฬᐥᦌᎎᐥलఱெ—ટஓ״₞ඦݨᭅ᮸₭໊ฬᐥᦌᐥलఱ௄(ᗊန) —ฝᇛฑ໫᭛௄₞ ᫘ᮃ຿׸޿ം᭖ᇛᱞۻᶶ๠ฝᇛ —ฝᇛฑ໫ຢெ ᧾᧤঱ໂЫ܈রᶶЫೋູẸାᝬᗋ໢᧾᧤঱ໂஓẸ գܳฝᇛ ᦆܳฝᇛ ঱ߐ໊ฬ ᱟ૟໊ฬ ᄍߐ౬დഃົ ᦆܳ౬დഃົ գܳ౬დഃົ ഃົ᫽ᖷฑ໫lஈዽഃົᶶஓ ऒ঵ḛړᎎഃົḛ९ ໓ᄽ：༹ৄᐕᓇ₞ลችรኵ₞ᒝ઻્ 飞轮储能、方兴未艾4 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（如图3）。 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（如图4）。 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。 ओ3 ኛখ၎༄ ٶᛣഃົሶఱયဏ ₚW/kgₛₚ; ڑฎጇฑ኏ ഃົ᫽ᖷ ᜱฎጇ ₚဌঽₛ ٶᛣ๕ᵒ ฎጇ๕ᵒ ₚms-hₛ ࡂஈ๕ᵒ ળࠕ ₚ୶ₛ ܮ኏ટஓᛣᱞટஓ LlOKₛ ௴ኛ࿗ม 0.1- 0.3% ₚ࿗ₛ ޿ᷩఱl੻ڟఱ 0.93- 0.95 ḿᭇٶᛣ 1,000 5-150 ဗᒞᖣ 100% ᒞ-๕ ms-15m 15-20>20,000่ ᭛Ẹ€ା׿ᄢஓ -20-50ˇ₞ဌ୶ᗩഔ1࿗ЫՉା஄ᔩݱ ۰-ঽ 0.5- 8h 0.85- 0.95 ᳟ᒓਖ਼ጇ၍ 15O- 3OO 50-ᎌဗ 800ᒞᖣ 5-15 1,500-՛ᔒ 4,500 ᭛״€ା׿ᄢஓ0-40ˇ₞ᮃᇛສሔᇅᶩ౨₞ᗩഔ ା஄᭛঱ໂ ḿᭇٶᛣ༭௻ךܽ€ʘڑฎጇ௴ኛ࿗มষЫؒዽળࠕᵆʘڑฎጇࡂஈ໡ఐ ʘᏳ๕ܮ኏় ʘ޿ᷩఱЫ੻ڟఱெ ḿᭇٶᛣ༭௻ךܽ€ ʘᛣᱞટஓ᭛״ₚݱ׳ᱜᱞᎎጇ၍ೢٶ ੟ᎎᛣᱞ઺ₛʘᜱฎጇ኏Ẹ₞ᵐᘺቈఛጇᱞ൳ᙶ় ໓ᄽ€༹ৄᐕᓇ₞Ոખ᧿ᩅ₞ᒝ઻્ 飞轮储能、方兴未艾5 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。 ओ4 Յḿᭇٶᛣךܽᮤᰥᎎஈዽनຄ % ᛣᱞऄṤ —գᦺஈዽ֊थᲥ ᭂᯏ֘᮴ ௴ኛ࿗มষᝰᛣฑ໫ৢᄑႡኛظݸथᷫᒩહ ᗇჄఱெ ڑฎጇ࿗มষЫؒዽળࠕᵆᏳ๕ܮ኏ẸЫఐ᮸߲ชथᲥᱚฎᎎᛣᱞ₞ᝰᛣฑ໫ৢયኛখ่၎༄ЫՄ֛ዻஐᇛݸथᷫᒩહЫ޿ྐྵवݕᆫႷ੻ᦍ᜴ߎᓧᇆ ᝰጇᱞຢ়₞ײ۾ਁೋູՅऄชࠋິᵆ ᮤዽनຄஈዽḛ९ٶᛣ᷎ဿḿᭇ༭௻׍ٝlܲܽ &Մᵒึጇᄽ (UPS) —գᦺஈዽ֊ุᛣᄽጇᘮᩀḤЫ ᆦጇᩀḤЫ္ጇ ᩀḤ —գᦺஈዽ֊ẸᓯݢጩЫẸᓯ܈᮹Ыมൺ՛௻Ыጇᄽᭀ ࡂஈఐЫܮ኏ẸᄑႡኛظ ᗇჄఱெ ޿᭾ဗᒞᖣࡂஈ᮸ஓ₞Ᏻ๕բẸᓯनຄඦ؝়ᱞᮃᄞጇᱞયኛখ่၎༄ 8'3ร׸ဏ᳟ጇ၍ЫᲩ᰿ጇ၍ຢך₞ײ۾ਁೋູẸ ޿᭾ဗᒞᖣࡂஈ᮸ஓ₞ᮂ᮸ஈયጇᘮḤ኏ႍܳڑฎጇ޿௴ኛ࿗มষયኛখ่၎༄ₚᎵဏ᳟ጇ၍ₛ ֱ୶᫕ສฑೋູ1Յ᳟ጇ၍ᮮ࿪᫚ߓ₞ऄູࠋິඐᮇ ฎጇࡂஈఐ ؒዽળࠕᵆ ᄑႡኛظᗇჄఱெ ጇᘮᩀḤ C ḿᭇךܽḿᭇܲܽ ໓ᄽ：༹ৄᐕᓇ₞Ոખ᧿ᩅ₞ᒝ઻્ 飞轮储能、方兴未艾6 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。 ओ5 ՛ऒथᲥᛣᱞऄṤᎎᖾ۰ᗋ໢ ՛ऒथᲥᛣᱞऄṤᅼञ୎नᦿྐྵՅߎഃົ᫽ᖷᄚᮭ኏[ᖑ᧤᜴2021,MW] ḿᭇᎎᅼञ޿ᄚᮭ୎न ~400(25%) ~5(0.3%) ~2(0.1%) ~1,500 ~1,100 (74%) ᖪጇᶂ܈ܳ՛ޑऄṤᖋᗖ ḿᭇٶᛣ ᫘ᖣጇઘٶᛣ ᅼञ୎नᦿྐྵ ໓ᄽ€Ոખ᧿ᩅ₞ᒝ઻્