储能行业展望之飞轮储能
作者 | 白涛（Wechat：baitao2819）
来源 | 北拓资本数字基建组
2015年12月12日，在巴黎气候变化大会上通过的《巴黎协定》，各国的长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2摄氏度以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。
2019年，全球温室气体排放量连续第三年增加，达到了524亿吨二氧化碳当量（范围：±5.2）（不包括土地利用变化产生的温室气体排放量）和591亿吨二氧化碳当量（范围：±5.9）（包括土地利用变化产生的温室气体排放量），再创历史新高。在过去十年，排名前四位的排放国（中国、美国、欧盟27国加英国、印度）温室气体总排放量（不包括土地利用变化）占全球55%。排在前七位的排放国（包括俄罗斯联邦、日本和国际运输）排放总量占全球65%，其中二十国集团成员国的排放量占78%。若不采取行动有效降低排放，全球二氧化碳排放量将在2045年超过10000亿吨的总预算。
2021年3月15日，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席、中央财经委员会主任习近平主持召开中央财经委员会第九次会议。习近平在会上发表重要讲话，其中提到要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标。在十四五规划和2035年远景目标纲要草案中，提出实施电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能等储能示范项目。
7月15日，上海环境能源交易所发布公告，根据国家总体安排，全国碳排放权交易于7月16日开市。
碳交易市场，就是通过碳排放权的交易达到控制碳排放总量的目的。通俗来讲，就是把二氧化碳的排放权当做商品来进行买卖，需要减排的企业会获得一定的碳排放配额，成功减排可以出售多余的配额，超额排放则要在碳市场上购买配额。
举个简单的例子，某个企业每年的碳排放配额为1万吨，如果企业通过技术改造，碳排放量减少为8000吨，那么多余的2000吨，就可以在碳市场上出售。而其他企业因为扩大生产需要，原定的碳排放配额不够用，就可以在市场上购买这些被出售的额度。这样既控制了碳排放总量，又能鼓励企业通过优化能源结构、提升能效等手段实现减排。
通过不断升级改造智能装备，企业不仅可以达到降低碳排放的目的，同时还可以产生经济效益，另外利用清洁能源逐步替代传统化石能源，减少运输过程中的损耗等，在能源供给和运输侧，我国也正在以实际行动履行自己的承诺。
其中利用储能设备进行能量回收，削峰填谷等是最为有效的方式之一。随着政策的逐步落地，将多余电能储存备用，同时避免清洁能源的波动对电网冲击，是支撑电力供给侧实现双碳目标的重要技术之一。
在这个大的背景下，飞轮储能凭借安全稳定、功率密度大、响应速度快、寿命长、回收残值高等特点，在部分垂直领域的独有特性，已经逐渐走进人们的视野。
什么是飞轮储能？
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。
图：飞轮储能设备内部结构
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（0≤SOC≤1）可以用荷电状态（Stateof 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。
图：电池的容量与温度和循环次数的关系
失效后果由所存储的能量决定，即存储的能量越大，失效后果则越严重。为了弥补电池可靠性的不足，UPS配置电池使用时通常搭载了冗余技术，使得其能量成倍增加。一般来说，电池的功率密度低，但为了达到一定的放电功率，电池的存储能量往往很大，一旦失效很容易引发起火爆炸等风险，非常不安全。
飞轮储能作为物理（或机械）的储能手段，在安全性和可靠性方面都比电池更具优势。经研究发现，飞轮储能不随时间窗口而退化，也不受外界环境的影响。因此，飞轮储能的可靠性能够得到保证（下图1）。此外，飞轮储能作为一种功率性器件，在同样大小的放电功率下，存储的能量显著地低于电池，其失效后果也比电池要小得多（下图2）。
图：飞轮和电池在可靠性方面的对比
图：飞轮和电池和柴油发电机的功率密度对比
飞轮储能是一项绿色环保的技术，不含有任何有害的化学物质，也不会产生任何化学反应；其从生产到使用，再到寿命终结后的处理，也不会产生任何污染环境和危害人体的物质。作为一种机械产品，它没有记忆效应，不会随着使用次数和时间而退化，使用寿命可达20年以上；对外界的温度并不敏感，在一般环境下不需要额外的设备进行制冷或加热；安全性、可靠性高，不需要为安全配置额外的冗余设备，并基本可以实现免维护，同时功率密度大、体积小，还可减少占地面积。
飞轮储能的应用
飞轮储能具有安全可靠、经济环保的优点，是最有发展前景的储能技术之一。飞轮储能技术在发达国家已有几十年的发展历史，并在诸多领域获得了应用，如F1赛车能量回收、轨道牵引能量回收、微电网调压及并网，超低温余热回收利用、应急UPS电源、高速离心风机等。目前，飞轮储能技术正广泛应用于国内外的数据中心、精密制造生产线、UPS后备铅酸电池的替代、电网储能调频等领域。
01、大规模储能调频市场
目前抽水蓄能是全球电力系统中主要储能形式，超过90%的比例，其次是电化学储能。虽然抽水蓄能规模大、寿命长、技术成熟，但只有具备特定自然地形条件的地区才能建设；而电化学储能技术虽然在储能技术和经济性上取得一定突破，但近年来由于抽放电次数受限和爆炸事件频发的安全隐患使得市场对其也顾虑重重。因此，具有使用安全、全生命周期无污染，残值高，工作温度范围宽，20年超长使用寿命等绿色环保特点的飞轮储能技术被广泛关注和逐步使用，有效填补并支持了现有储能技术的应用场景空白和技术缺憾。
2021年3月11日，十三届全国人大四次会议表决通过了关于国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要的决议，其中提出在电力系统调节方面要推动飞轮储能等储能示范项目。
商业模式决定发展经济性，从飞轮储能现有的商业模式看，其价值创造路径包括参与调峰调频、UPS、能量回收、特种电源、电动汽车等应用场景，其中以电网调频市场最具潜力和想象空间。基于对行业的观察以及飞轮企业的调研，当前站上万亿储能风口，物理储能技术飞轮储能将迎来超过300亿市场空间。
图：2021-2025飞轮储能电力调频市场空间预测(亿元)
02、以城市轨道交通为代表的能量回收市场
根据国内已建成轨道交通线路运营经验，一条20公里长的地铁线路一年的用电量约为0.6～1亿kW·h，电费占到城市轨道交通运营费用的50%，而列车牵引用电更是占到城市轨道交通用电的50%以上。例如，广州地铁线网列车牵引能耗占到地铁系统总能耗的58%。城市轨道交通系统电能消耗巨大，这也是国内的大多数地铁站无法实现自负盈亏的重要原因，所以，节能降耗是实现节省开支的重要手段。
图：某线路地铁行驶时速度和消耗的电网功率随时间变化情况
地铁车辆采用的刹车方式并不单单是靠自行车一样加个摩擦片摩擦车轮让车停下，更主要的是依靠电气制动（其实质是改变车辆所受牵引外力的方向），车辆将会克服电磁力做功，此时原本用于牵引车辆前进的电机变成了发电机，将机车动能转化为电能回馈至直流牵引网，因此直流牵引网网压升高，表现在上图中就是产生了负功率，这就产生了再生制动能量。
地铁得再生制动能量存储是一种大功率、高频次（每天列车进出站200次左右）的应用场景，目前，地铁列车进站回收的电能或通过电阻放热方式消耗，存在资源浪费；或通过逆变回馈装置回馈电网，但存在干扰电网的问题；或通过超级电容回收，但存在寿命短和应用衰减问题。
图：地铁制动启动能量循环示意图
飞轮储能比较完美的解决这些问题，发挥节能和友好电网的作用。美国多个地铁站已经对飞轮储能进行了示范，能够实现20~30%的节能效果，具备极佳的经济效益。
图：不同类型再生制动能量吸收装置节电量对比
据了解，北京地铁再生制动能量吸收装置经过电阻耗能型、回馈型、储型能3代产品的迭代更新，在节能及稳压方面均发挥了各自作用。从年均节约电费占年度牵引用电电费来看，低压逆变回馈型装置约占4.1%，中压逆变回馈型装置约占 5.2%，电容储能型装置约占18.5%，飞轮储能型装置在挂网试运行期间约占 31.5%。飞轮储能型装置在挂网试运行期间具有比较显著的节能效果。
截至2020年底，国内地铁总里程7773公里，按照每2公里一个地铁站估算，地铁站有大约3880个，按照每个地铁站配备0.5MW飞轮储能设备来计算，目前拥有1.9GW的存量市场。到2035年，国内地铁总里程将超过3万公里，预测将新增1万个地铁站，具备5GW的增量需求。我们测算潜在的市场规模约为150亿。
03、飞轮UPS市场
数据中心、医院或制造工厂的大部分电力都通过UPS传输。UPS可以调节输入电源，并在电源受干扰或停电时为关键性的工作负载提供备用电源。UPS设备和能源存储的选择至关重要，因为这不仅会影响到企业的资本和运营支出，还会影响相关设施的总体碳排放。节能的UPS在支持可持续发展工作和降低总体功耗和碳排放方面发挥着关键作用。
传统的UPS产品对电力资源浪费巨大，并且排放了过多的碳和污染，并且，在这些传统UPS设备的整个使用寿命期限内，其安装、更换和回收过程需要用到数千磅的铅。而基于飞轮的UPS则具有更高的能效，可以将UPS对环境的影响降低90%。同时，由于飞轮UPS大功率、长寿命（20年）、占地面积小(相较电池UPS减少50%以上空间)、工作温度范围广等特点，适合模块化组装，在恶略气候条件下也可以快速部署。
图：知名厂商Active Power公司生产的集装箱模块化UPS，方便快速部署
在数据中心领域，飞轮储能主要是取代铅酸电池，并配合UPS电源使用。一些大型的重要的数据中心，如Yahoo著名的鸡窝型数据中心、HP的移动一站式CleanSource数据中心、Verizon的数据中心、佐治亚理工大学的超算中心、上海证券交易所、富士康华南数据中心、光大银行数据中心等都在应用飞轮储能技术进行能量的存储利用。
另外，国家电网公司和南方电网公司的高规格应急保电中也都在应用飞轮储能技术，这为奥运会、世博会、G20、春晚等大型重要活动提供了非常可靠的电源保障。
04、储能式电动汽车充电桩
储能式电动汽车充电桩主要应用于电动汽车大功率、快速充电的场合。受现有电网框架容量的限制， 建设一个电动汽车充电站涉及到电网的增容、 城市规划调整等一系列问题。带有储能环节的大功率电动汽车快速充电桩系统，可减小充电桩对电网增容的压力。以磁悬浮储能飞轮为储能装置，充分利用储能飞轮慢充快放，即小功率充电、大功率输出的典型运行特征，不仅可以满足电动汽车快速充电的要求，又可以规避电网增容的制约。
同时，由于储能飞轮功率密度高、体积小、布置灵活、绿色环保无污染，可布置于地下，消除了建设充电站对市容的影响，减小了城建工作的压力。
结 语
在各类储能技术中，飞轮储能对比其他储能技术就有独一无二的优势。具有功率密度高、充放电次数高、寿命长、环境友好等独一无二的优势。但此前高昂的成本相对制约了其在储能领域的大规模应用(目前成本为化学电池的3-4倍)。未来，在国家政策影响下，随着能源产业的变革和产能规模的扩张以及材料和技术本身的创新，飞轮储能成本将随着大规模化生产快速下降，有望追平电化学电池，打破市场壁垒。
双碳背景下，储能技术将迎来百花齐放的局面。飞轮储能作为制造型能源，基于不同应用场景，将发挥高频次物理储能技术优势，结合其他储能技术彰显最优效果，促进能源行业面向安全、绿色、高效的创新和变革。
附参考文献：
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[2]王明菊,王 辉,飞轮储能的原理及应用前景分析[N],能源与节能，2021（4），27-28
[3]李文胜,国网南网都在用-渐行渐近的飞轮储能技术，北极星储能网,2021
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