飞轮储能：蓄势待飞

今年年初发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》提出，开展规模化飞轮储能技术应用示范。

飞轮储能在一级市场也受到资本市场追捧。北航背景的华驰动能（北京）科技有限公司（以下简称“华驰动能”）在2021年底完成了一轮来自浙大九智、星泽资本等机构的投资。

2021年10月，飞轮储能技术供应商泓慧能源获得1亿人民币战略投资，投资方为皓海产融、广大控股。

飞轮储能是一种源于航天领域的先进物理储能技术,是指利用电能驱动飞轮高速旋转,将电能转换为机械能,在需要的时候通过飞轮惯性拖动电机发电,将储存的机械能变为电能输出(即所谓的飞轮放电)的一种储能方式。

目前，飞轮储能在全球和国内储能市场领域，还属于小众技术。根据中国化学与物理电源行业协会储能应用分会出品的《2022储能产业应用研究报告》，2021年全球储能市场装机功率205.3GW，飞轮储能占比为0.47%；2021年国内储能市场撞击规模为43.44GW，压缩空气和飞轮储能占比为0.4%。

不过，随着储能市场的整体爆发，飞轮储能蓄势待飞，有望在万亿储能市场中分到一杯羹。

飞轮储能的优点明显

飞轮储能是一种典型的物理储能方式。

从结构上来看，飞轮储能包括三个核心部分：飞轮、电动机-发电机和电力电子变换装置。其中，飞轮是整个产品的核心部件，直接决定着储存能量的多少；电力电子变换装置，决定了输入输出能量的大小。

简单地说，飞轮储能是将能量以飞轮的转动动能的形式来存储。充电时，飞轮由电机带动飞速旋转；放电时，相同的电机作为发电机由旋转的飞轮产生电能。储存在飞轮中的能量与飞轮（以飞轮转轴作为其转动惯量的参考轴）的质量和旋转速度的平方成正比。

与电池一样，飞轮储能有三种工作状态，即充电、放电和浮充。飞轮储能的能量状态可以用荷电状态（State of Charge，SOC）来描述：当SOC=0时，表示飞轮储能系统放电完全，当前可用的能量为0；当SOC=1时，表示飞轮储能系统完全充满，当前可用的能量为1。

在飞轮储能系统充电时，从外部输入的电能通过电力电子变换装置，驱动电动机带动飞轮旋转以储存动能。此时，飞轮从低转速向高转速加速运行，SOC上升；放电时，即当外部负载需要能量时，旋转的飞轮带动发电机发电，从而将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置转化成负载所需的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的用电需求。此时，飞轮从高转速向低转速减速，SOC下降；浮充时，飞轮处于充满电的待机状态，，此时飞轮处于（额定）最高转速，为了维持这一状态，外界需要给飞轮储能系统提供涓流充电，但这个涓流很小，在很多情况下可以忽略不计。

从技术路线来看，全球飞轮储能技术主要有两条技术路线。第一条技术路线是以接触式机械轴承为代表的大容量飞轮储能技术，其主要特点是储存动能、释放功率大，一般用于短时大功率放电和电力调峰场合。

第二条技术路线是以磁悬浮轴承为代表的中小容量飞轮储能技术，其主要特点是结构紧凑、效率更高，一般用作飞轮电池、不间断电源等。

为提高飞轮的转速和降低飞轮旋转时的损耗，飞轮储能的关键技术包括高强度复合材料技术、高速低损耗轴承技术、高速高效发电/电动机技术、飞轮储能并网功率调节技术、真空技术等。

因此，飞轮储能具备多种优点。首先，功率特性好,响应速度快，可实现毫秒级大功率充放电、可靠性高。其次，高效率、免维护。磁悬浮支撑无摩擦损耗,系统维护周期长；第三，使用寿命长，即不受重复深度放电次数影响,使用寿命一般在20年以上；第四，适用温度宽泛，容量特性不受高低温影响,工作温度一般在-10至+40°C。此外，绿色环保、无污染，无化学物质,无电池后期回收压力。

应用场景广泛

尽管飞轮储能具备多种优点，但其缺点也很明显。

第一，成本比较高。由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，容易解体，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵，成本比较高。

第二，能量密度不够高，能量释放只能维持较短时间，一般只有几十秒钟。自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。

例如，Active Power公司的飞轮储能系统单位模块输出250千瓦，待机损耗为2.5千瓦，因此有些数据称其效率为99%。但这是有条件的。只有在迅速用掉的情况下才有这么高的效率。如果自放电的话，效率大大降低。例如，几万转高速飞轮系统损耗在100瓦左右，1千瓦时的系统只能维持10小时的自放电。

基于飞轮储能的上述特点，可以在航空航天、轨道交通、电网调频、不间断电源、储能电站、微网等领域。

首先是航天航空领域，包括人造卫星、飞船、空间站，飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的3～10倍。同时，因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看电能的多少。美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150KW的电能，相比化学电池，可节约200万美元左右。

其次是轨道交通的能量回收领域。城市轨道交通的主要能源消耗是电能,电能费用庞大。根据不完全统计,城市轨道交通系统每年的用电量约为150亿度,约占全国总用电量的3‰。有效回收再生制动能量,既可减少大量能耗,节约能源,降低运营电力费用成本,产生显著的经济效益。同时,可以提升列车运行安全稳定性,对城市轨道运营商具有重要的现实意义。

飞轮储能轨道能量回收系统,即把飞轮储能应用于存储轨道机车产生的制动能量(由于机车制动导致牵引网电压升高,通过飞轮吸收平抑网压),并在下一个机车启动环节补充机车的能量消耗(机车启动导致网压下降,飞轮放电平抑网压下降)。

第三是电力系统调频。现有火电机组在功率跟踪与电网调度要求之间的差距逐渐加大,成为各大电厂亟需解决的痛点。

飞轮储能系统具有响应迅速、跟踪精确的特点,能够有效提升以火电为主的电力系统整体调频能力,保证电力系统频率稳定,改善电力系统的运行效率,提升电网运行的可靠性及安全性。

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