今年年初發(fā)布的《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》提出，開展規(guī)模化飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用示范。

飛輪儲能在一級市場也受到資本市場追捧。北航背景的華馳動能(北京)科技有限公司(以下簡稱“華馳動能”)在2021年底完成了一輪來自浙大九智、星澤資本等機(jī)構(gòu)的投資。

2021年10月，飛輪儲能技術(shù)供應(yīng)商泓慧能源獲得1億人民幣戰(zhàn)略投資，投資方為皓海產(chǎn)融、廣大控股。

飛輪儲能是一種源于航天領(lǐng)域的先進(jìn)物理儲能技術(shù),是指利用電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,在需要的時(shí)候通過飛輪慣性拖動電機(jī)發(fā)電,將儲存的機(jī)械能變?yōu)殡娔茌敵?即所謂的飛輪放電)的一種儲能方式。

目前，飛輪儲能在全球和國內(nèi)儲能市場領(lǐng)域，還屬于小眾技術(shù)。根據(jù)中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會出品的《2022儲能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究報(bào)告》，2021年全球儲能市場裝機(jī)功率205.3GW，飛輪儲能占比為0.47%;2021年國內(nèi)儲能市場撞擊規(guī)模為43.44GW，壓縮空氣和飛輪儲能占比為0.4%。

不過，隨著儲能市場的整體爆發(fā)，飛輪儲能蓄勢待飛，有望在萬億儲能市場中分到一杯羹。

飛輪儲能的優(yōu)點(diǎn)明顯

飛輪儲能是一種典型的物理儲能方式。

從結(jié)構(gòu)上來看，飛輪儲能包括三個(gè)核心部分：飛輪、電動機(jī)-發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。其中，飛輪是整個(gè)產(chǎn)品的核心部件，直接決定著儲存能量的多少;電力電子變換裝置，決定了輸入輸出能量的大小。

簡單地說，飛輪儲能是將能量以飛輪的轉(zhuǎn)動動能的形式來存儲。充電時(shí)，飛輪由電機(jī)帶動飛速旋轉(zhuǎn);放電時(shí)，相同的電機(jī)作為發(fā)電機(jī)由旋轉(zhuǎn)的飛輪產(chǎn)生電能。儲存在飛輪中的能量與飛輪(以飛輪轉(zhuǎn)軸作為其轉(zhuǎn)動慣量的參考軸)的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度的平方成正比。

與電池一樣，飛輪儲能有三種工作狀態(tài)，即充電、放電和浮充。飛輪儲能的能量狀態(tài)可以用荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)來描述：當(dāng)SOC=0時(shí)，表示飛輪儲能系統(tǒng)放電完全，當(dāng)前可用的能量為0;當(dāng)SOC=1時(shí)，表示飛輪儲能系統(tǒng)完全充滿，當(dāng)前可用的能量為1。

在飛輪儲能系統(tǒng)充電時(shí)，從外部輸入的電能通過電力電子變換裝置，驅(qū)動電動機(jī)帶動飛輪旋轉(zhuǎn)以儲存動能。此時(shí)，飛輪從低轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速加速運(yùn)行，SOC上升;放電時(shí)，即當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置轉(zhuǎn)化成負(fù)載所需的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的用電需求。此時(shí)，飛輪從高轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速減速，SOC下降;浮充時(shí)，飛輪處于充滿電的待機(jī)狀態(tài)，，此時(shí)飛輪處于(額定)最高轉(zhuǎn)速，為了維持這一狀態(tài)，外界需要給飛輪儲能系統(tǒng)提供涓流充電，但這個(gè)涓流很小，在很多情況下可以忽略不計(jì)。

從技術(shù)路線來看，全球飛輪儲能技術(shù)主要有兩條技術(shù)路線。第一條技術(shù)路線是以接觸式機(jī)械軸承為代表的大容量飛輪儲能技術(shù)，其主要特點(diǎn)是儲存動能、釋放功率大，一般用于短時(shí)大功率放電和電力調(diào)峰場合。

第二條技術(shù)路線是以磁懸浮軸承為代表的中小容量飛輪儲能技術(shù)，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、效率更高，一般用作飛輪電池、不間斷電源等。

為提高飛輪的轉(zhuǎn)速和降低飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的損耗，飛輪儲能的關(guān)鍵技術(shù)包括高強(qiáng)度復(fù)合材料技術(shù)、高速低損耗軸承技術(shù)、高速高效發(fā)電/電動機(jī)技術(shù)、飛輪儲能并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)技術(shù)、真空技術(shù)等。

因此，飛輪儲能具備多種優(yōu)點(diǎn)。首先，功率特性好,響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)毫秒級大功率充放電、可靠性高。其次，高效率、免維護(hù)。磁懸浮支撐無摩擦損耗,系統(tǒng)維護(hù)周期長;第三，使用壽命長，即不受重復(fù)深度放電次數(shù)影響,使用壽命一般在20年以上;第四，適用溫度寬泛，容量特性不受高低溫影響,工作溫度一般在-10至+40°C。此外，綠色環(huán)保、無污染，無化學(xué)物質(zhì),無電池后期回收壓力。

應(yīng)用場景廣泛

盡管飛輪儲能具備多種優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯。

第一，成本比較高。由于在實(shí)際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)40000～50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，容易解體，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，制造飛輪的碳纖維材料目前還很貴，成本比較高。

第二，能量密度不夠高，能量釋放只能維持較短時(shí)間，一般只有幾十秒鐘。自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)就會自行耗盡。

例如，Active Power公司的飛輪儲能系統(tǒng)單位模塊輸出250千瓦，待機(jī)損耗為2.5千瓦，因此有些數(shù)據(jù)稱其效率為99%。但這是有條件的。只有在迅速用掉的情況下才有這么高的效率。如果自放電的話，效率大大降低。例如，幾萬轉(zhuǎn)高速飛輪系統(tǒng)損耗在100瓦左右，1千瓦時(shí)的系統(tǒng)只能維持10小時(shí)的自放電。

基于飛輪儲能的上述特點(diǎn)，可以在航空航天、軌道交通、電網(wǎng)調(diào)頻、不間斷電源、儲能電站、微網(wǎng)等領(lǐng)域。

首先是航天航空領(lǐng)域，包括人造衛(wèi)星、飛船、空間站，飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率，同負(fù)載的使用時(shí)間為化學(xué)電池的3～10倍。同時(shí)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)速是可測可控的，故可以隨時(shí)查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個(gè)飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過150KW的電能，相比化學(xué)電池，可節(jié)約200萬美元左右。

其次是軌道交通的能量回收領(lǐng)域。城市軌道交通的主要能源消耗是電能,電能費(fèi)用龐大。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),城市軌道交通系統(tǒng)每年的用電量約為150億度,約占全國總用電量的3‰。有效回收再生制動能量,既可減少大量能耗,節(jié)約能源,降低運(yùn)營電力費(fèi)用成本,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),可以提升列車運(yùn)行安全穩(wěn)定性,對城市軌道運(yùn)營商具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

飛輪儲能軌道能量回收系統(tǒng),即把飛輪儲能應(yīng)用于存儲軌道機(jī)車產(chǎn)生的制動能量(由于機(jī)車制動導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓升高,通過飛輪吸收平抑網(wǎng)壓),并在下一個(gè)機(jī)車啟動環(huán)節(jié)補(bǔ)充機(jī)車的能量消耗(機(jī)車啟動導(dǎo)致網(wǎng)壓下降,飛輪放電平抑網(wǎng)壓下降)。

第三是電力系統(tǒng)調(diào)頻。現(xiàn)有火電機(jī)組在功率跟蹤與電網(wǎng)調(diào)度要求之間的差距逐漸加大,成為各大電廠亟需解決的痛點(diǎn)。

飛輪儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、跟蹤精確的特點(diǎn),能夠有效提升以火電為主的電力系統(tǒng)整體調(diào)頻能力,保證電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定,改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率,提升電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性及安全性。

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