科爾尼：飛輪儲能、方興未艾-飛輪儲能的技術、應用與潛力（2023）（13頁）.pdf

1、Photo by Rachael Rinchiuso Kearney,Chicago飛輪儲能、方興未艾 飛輪儲能的技術、應用與潛力飛輪是一種新的儲能技術利用飛輪轉子的高速旋轉，將電能轉化為機械能存儲，再進行能量釋放。相比鋰電池等其他儲能技術，飛輪具有充放電頻次高、響應速度快、功率大、且放電時間短的特點，適合應用在地鐵能量回饋、UPS 不間斷電源、電網調頻三種場景中?？茽柲犷A測，若飛輪儲能成本能夠在未來 3-5 年內下降 50%、且綠色環保政策進一步引導，飛輪儲能技術應用在未來幾年將實現高速增長，科爾尼中性測算，到 2026 年飛輪儲能累計裝機量可增長至 572MW，到 2030 年可進一步增長

2、至1.62GW。2飛輪儲能、方興未艾一、飛輪儲能技術不斷突破并逐步成熟高質量而使用沉重的飛輪在高速旋轉時容易產生極大的離心力，如超過飛輪材料極限強度就會出現較大的安全隱患。進一步提高角速度（w）則大有可為，可通過提升軸承技術和真空技術實現。一方面，通過更優的磁懸浮控制技術使軸承在高速旋轉中保持可靠性、承載力，提高可應許的角速度上限；另一方面，通過提高真空度和真空散熱，減少飛輪高速轉動中的風阻（摩擦力），提高角速度。飛輪儲能是一種源于航天領域的先進物理儲能技術，利用電機驅動飛輪高速旋轉，將電能轉換為機械能進行存儲，并在需要的時候利用高速旋轉的飛輪慣性，經功率變換器輸出用于負載的電流與電壓，又將機

3、械能轉化為電能輸出（如圖 1）。飛輪儲能裝置的核心結構包括電機、飛輪轉子、軸承和真空室四部分，其儲存能量（E）的大小主要與轉動慣量（J）和角速度（w）相關。由于 J=mr2，因此為獲得更大的轉動慣量（J），需要采用大直徑和大質量的飛輪。然而單純提?1?：?3飛輪儲能、方興未艾?3?115?1?4?7?10?13?2?5?8?11?14?3?6?9?OTA?12?152345678149101112?JiraJiraRED HATANSIBLEAutomationBambooConfluenceJenkinsBitbucket?：?2?另外選用材料的強度與密度將深刻影響飛輪儲能的儲能量(E），材

4、料強度越高、同等質量下密度越低，儲能能量就越大?？梢?，提升飛輪的軸承技術、真空技術和材料性能是提高可儲能量的關鍵（如圖 2）。中外之間由于不同的應用場景，在飛輪技術路線的選擇方面也存在較大差異：歐美國家受到更嚴格的環保政策驅動，對 UPS 和地鐵節能場景的儲能裝置的體積和質量有較嚴格的限制，歐美的發電系統多采用燃氣輪機發電，本身具有較好的調頻性能，因此更注重將飛輪應用于 UPS 和地鐵能量回饋，其技術發展方向更偏輕量化與高能量密度，而非單機能量容量最大化。中國目前 UPS 儲能電池仍以鉛酸電池為主，對飛輪的剛需不強；但電網調頻是中國發電體系的剛需，對單機能量容量要求更高，因此國內更傾向于研發高

5、單機儲能能量的飛輪裝置，并應用于電網調頻場景方向。另外飛輪面臨與鋰離子電池的競爭，因此產品的成本競爭力也尤為重要。技術路線選擇方面，中國多選擇應用廣泛的主動懸浮和混合懸浮技術，而歐美國家更注重適用于輕量化飛輪的被動懸浮技術。在轉子材料技術和真空散熱技術方面，中國與歐美相比仍有較大差距。4飛輪儲能、方興未艾?3?0.93-0.95?ms-h?W/kg?0.85-0.951,00050-800?5-150ms-15m?-20-50?0-40?1,500-4,500100%0.5-8h?-?-?5-1515-2020,0000.1-0.3%二、飛輪儲能的應用場景不斷打開，尤其在地鐵、電網和UPS相關

6、領域1.地鐵能量回饋地鐵進站剎車時會產生能量造成網壓提升，而離站啟動時網壓瞬間下降，因此對電網的穩定性造成沖擊，不僅增加了制動系統相關回路的安全隱患、也會造成大量的能源浪費。地鐵儲能裝置具有循環次數多、瞬時功率高的技術特點。以飛輪儲能與超級電容為代表的儲能裝置，節能效果比中壓回饋系統更強。對比飛輪與超級電容，飛輪的節電量更大，占地面積更小、且可靠性更高，但也存在初始成本高與回收周期長的劣勢。相比市場主流的鋰電池，飛輪儲能在循環次數、瞬時功率、響應速度、安全性等方面優勢突出，但也存在能量密度低、自放電率高的劣勢（如圖 3）?；陲w輪儲能的特點，其最適用于充放電頻次高、響應速度快、功率大、且放電時

7、間短的應用場景，即地鐵能量回饋、不間斷電源和電網調頻三大領域，目前商業化應用正逐步開展（如圖 4）。5飛輪儲能、方興未艾?4?：?(UPS)?在地鐵能源回饋應用領域，飛輪儲能的收益主要來源于節省的電費和剎車系統磨損費成本。以北京地鐵房山線為例，科爾尼預估其飛輪儲能的投資回本周期約為 7 年，10 年的內部收益率約為 10%。根據業內專家預估，未來 35 年飛輪儲能的單價有望從目前的約 3000 元/kW 降低為約 2000 元/kW，屆時降本后投資回收周期將縮短為約 5 年，且10 年內部收益率提高為 20%以上。2.不間斷電源（UPS）在不間斷電源 UPS 場景下，飛輪主要應用于四個領域：高

8、端醫療（如血液透析器等醫療設備等）、高端制造（如半導體制造業等）、數據中心（保障重要數據安全性）、及電源車（保障重要會議的供電正常）。上述場景耗電量大、斷電容忍度極低，因此需要儲能技術達到百毫秒級的響應速度與較高的瞬時功率。飛輪能夠以綠色環保的方式保障 UPS 供電穩定性，并作為第二電源，持續供電 30-40 秒，直至系統成功切換至備用電源。目前，制約飛輪在 UPS 中應用的最大瓶頸在于成本，其初始成本高（是鉛酸電池的 4 倍，鋰電池的 2 倍），但其運營成本和元件更換費用較傳統鉛酸電池有顯著優勢（每年節省約 60%運營成本，5 年內元件更換費用為鉛酸電池的1/40），因此總體成本 5 年后有

9、望優于傳統蓄電池。3.電網調頻在電網調頻的應用場景下，飛輪可以憑借大功率密度與高可靠性的特點，有效輔助傳統的風電/水電調頻，維護電網負荷平衡。相比火電/水電機組、鋰電池等其他調頻方案，飛輪具有諸多優勢無污染、耐高溫、可頻繁充放電、功率密度大、壽命長、更穩定、且維護成本低，隨著技術成熟帶來的成本逐步降低，飛輪有望成為未來電網調頻增量市場中的最重要手段。以某 300 MW 的火電機組配置 9MW/1.8MWh飛輪儲能系統為例，科爾尼預估該項目飛輪的投資回收周期約 5-6年，10 年內部收益率約 15%；投資回收周期隨略長于同等規格鋰電池（45 年），但 10 年內部收益率略高于鋰電池（14%），并

10、且具有較好的安全性和環保性。6飛輪儲能、方興未艾?2021,MW?5?400(25%)2(0.1%)5(0.3%)1,100(74%)1,500三、國內飛輪市場前景可期2）UPS 不間斷電源UPS 不間斷電源屬于非剛需的政策引導型市場。根據飛輪儲能在高端醫療、高端制造業、大型數據中心和電源車四個應用場景的潛力預判，預計飛輪在 UPS 不間斷電源的潛在市場規?？蛇_約 900MW，而目前的市場份額僅為2%（如圖 6）。飛輪在該場景下市場份額提升的關鍵因素包含初始成本的降低、客戶對 TCO 的認可度的提升、以及最重要的環保政策驅動。1）地鐵能量回饋地鐵能量回饋屬于趨勢向好的培育型市場，盡管目前飛輪儲

11、能在中國地鐵能量回饋場景的累計裝機規模僅為5MW，但其潛在市場規模（裝機量）可超過 1500MW（如圖 5）。飛輪在該場景中提升滲透率存在三大抓手：其一，初始成本下降、投資回報周期縮短；第二，市場對全生命周期成本的認可度提升；第三，重大事故防范能力提升。7飛輪儲能、方興未艾?2021,MW?7?2,500(3%)30(0.03%)85,000(97%)88,000?1?2021,MW?6?UPS?130(12%)10(1%)20(2%)900(85%)1,100?TCO?8飛輪儲能、方興未艾?20212026E2030E2021?2030?MW?8?26203381,1552102551081

12、265515721,620+62%+30%綜上所述，若飛輪儲能成本在未來 3-5 年能夠下降50%、且綠色環保政策進一步引導，飛輪儲能應用未來幾年將實現高速增長。結合業內專家意見、以及對不同場景的需求判斷，科爾尼中性測算，到 2026 年飛輪儲能累計裝機量可增長至 572MW，到 2030 年可進一步增長至 1.62GW（如圖 8）。3）電網調頻科爾尼認為，飛輪應用于電網調頻屬于高潛力的藍海市場。隨著技術提升，2022 年以來，飛輪在電網調頻應用領域的有效成本已經與鋰電池逐步接近，未來的市場競爭格局有望發生變化?？茽柲犷A測，飛輪在中國電網調頻領域的潛在市場規模高達 85,000MW（如圖 7）

13、。9飛輪儲能、方興未艾 成功要素四：價格競爭力。價格對于國內項目獲取具有較高的重要性，體現了飛輪制造商的成本把控能力。強大的供應鏈管理能力及機電一體化技術有助于降低成本。成功要素五：單項目裝機量。單體項目的裝機量大小是衡量商業化發展程度的重要指標。而產品一致性（產品性能穩定，單體差異?。┖褪袌鰯U展能力（具備專業銷售團隊幫助渠道覆蓋）是廠家獲取大規模項目背后的關鍵因素。成功要素六：戰略合作伙伴。綁定業內相關高校/大型能源企業合作開拓市場，獲取其高銷售額、大容量的項目和穩定的下游大客戶合作關系，是飛輪儲能和行業的重要市場拓展手段。國內飛輪儲能在技術及商業化指標上共有六大關鍵成功要素。除攻克單機能量

14、、功率、放電持續時長等技術難點外，還需要在成本把控、市場拓展、戰略合作多方面布局，以實現商業化成功。成功要素一：單機最大能量。單機最大能量是體現飛輪單體儲能能力，是飛輪儲能中最難突破的技術點之一。具有強儲能能力的單體飛輪在技術上可更高效適用于大體量項目；且投資成本優于多個小能量飛輪并聯實現的同等總能量規格飛輪。成功要素二：單機最大功率。單機最大功率體現飛輪充放電速度的快慢。大功率電池可適應多種需求的快速充放，滿足電網、UPS、軌道交通能量回饋等大功率需求場景。成功要素三：放電持續時長。飛輪儲能的持續時長受使用場景影響，其中電網調頻所需的持續時間最長 大于2分鐘（一次調頻1-2分鐘，二次及以上調

15、頻3分鐘），而 UPS 持續時間僅需 30-40 秒。因此飛輪應根據應用場景適配所需的放電持續時長。四、飛輪儲能企業需要把握與平衡六大核心要素，方能在市場開拓與競爭中取得優勢 10飛輪儲能、方興未艾陳沛祎 科爾尼公司董事,上海 王侃 科爾尼公司董事,北京滕勇 科爾尼全球合伙人，上海作者11飛輪儲能、方興未艾For more information,permission to reprint or translate this work,and all other correspondence,please email .A.T.Kearney Korea LLC is a separate a

16、nd independent legal entity operating under the Kearney name in Korea.A.T.Kearney operates in India as A.T.Kearney Limited(Branch Office),a branch office of A.T.Kearney Limited,a company organized under the laws of England and Wales.2023,A.T.Kearney,Inc.All rights reserved.作為全球領先的國際管理咨詢公司，科爾尼自成立近一百年來，始終服務于全球各行業優秀的企業、公共組織和非盈利機構，是可信賴的顧問之選。遍布 40多個國家的精英人才是我們的立身之本；對工作和客戶的無限熱情是我們的動力源泉；精于戰略更敏于實施使我們與眾不同。