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前言：

飛輪是一種新的儲能技術(shù)——利用飛輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)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(shù)，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(wǎng)調(diào)頻三種場景中。

科爾尼預測，若飛輪儲能成本能夠在未來3-5年內(nèi)下降50%、且綠色環(huán)保政策進一步引導，飛輪儲能技術(shù)應用在未來幾年將實現(xiàn)高速增長，科爾尼中性測算，到2026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。

一、飛輪儲能技術(shù)不斷突破并逐步成熟

飛輪儲能是一種源于航天領域的先進物理儲能技術(shù)，利用電機驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能進行存儲，并在需要的時候利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪慣性，經(jīng)功率變換器輸出用于負載的電流與電壓，又將機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出(如圖 1)。
飛輪儲能裝置的核心結(jié)構(gòu)包括電機、飛輪轉(zhuǎn)子、軸承和真空室四部分，其儲存能量(E)的大小主要與轉(zhuǎn)動慣量(J)和角速度(w)相關。由于 J=mr2，因此為獲得更大的轉(zhuǎn)動慣量(J)，需要采用大直徑和大質(zhì)量的飛輪 。然而單純提高質(zhì)量而使用沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生極大的離心力，如超過飛輪材料極限強度就會出現(xiàn)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(shù)和真空技術(shù)實現(xiàn)。一方面，通過更優(yōu)的磁懸浮控制技術(shù)使軸承在高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動中的風阻(摩擦力)，提高角速度。

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)，材料強度越高、同等質(zhì)量下密度越低，儲能能量就越大。

可見，提升飛輪的軸承技術(shù)、真空技術(shù)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(shù)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(huán)保政策驅(qū)動，對UPS和地鐵節(jié)能場景的儲能裝置的體積和質(zhì)量有較嚴格的限制，歐美的發(fā)電系統(tǒng)多采用燃氣輪機發(fā)電，本身具有較好的調(diào)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(shù)發(fā)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(wǎng)調(diào)頻是中國發(fā)電體系的剛需，對單機能量容量要求更高，因此國內(nèi)更傾向于研發(fā)高單機儲能能量的飛輪裝置，并應用于電網(wǎng)調(diào)頻場景方向。另外飛輪面臨與鋰離子電池的競爭，因此產(chǎn)品的成本競爭力也尤為重要。

技術(shù)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(shù)，而歐美國家更注重適用于輕量化飛輪的被動懸浮技術(shù)。在轉(zhuǎn)子材料技術(shù)和真空散熱技術(shù)方面，中國與歐美相比仍有較大差距。

二、飛輪儲能的應用場景不斷打開，尤其在地鐵、電網(wǎng)和UPS相關領域

相比市場主流的鋰電池，飛輪儲能在循環(huán)次數(shù)、瞬時功率、響應速度、安全性等方面優(yōu)勢突出，但也存在能量密度低、自放電率高的劣勢(如圖3)。
基于飛輪儲能的特點，其最適用于充放電頻次高、響應速度快、功率大、且放電時間短的應用場景，即地鐵能量回饋、不間斷電源和電網(wǎng)調(diào)頻三大領域，目前商業(yè)化應用正逐 步開展(如圖4)。
1.地鐵能量回饋

地鐵進站剎車時會產(chǎn)生能量造成網(wǎng)壓提升，而離站啟動時網(wǎng)壓瞬間下降，因此對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成沖擊，不僅增加了制動系統(tǒng)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(huán)次數(shù)多、瞬時功率高的技術(shù)特點。以飛輪儲能與超級電容為代表的儲能裝置，節(jié)能效果比中壓回饋系統(tǒng)更強。對比飛輪與超級電容，飛輪的節(jié)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。

在地鐵能源回饋應用領域，飛輪儲能的收益主要來源于節(jié)省的電費和剎車系統(tǒng)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(nèi)部收益率約為10。

根據(jù)業(yè)內(nèi)專家預估，未來3-5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(nèi)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：高端醫(yī)療(如血液透析器等醫(yī)療設備等)、高端制造(如半導體制造業(yè)等)、數(shù)據(jù)中心(保障重要數(shù)據(jù)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(shù)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(huán)保的方式保障UPS供電穩(wěn)定性，并作為第二電源，持續(xù)供電30-40秒，直至系統(tǒng)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(tǒng)鉛酸電池有 顯著優(yōu)勢(每年節(jié)省約60%運營成本，5年內(nèi)元件更換費用為鉛酸電池的1/40)，因此總體成本5年后有望優(yōu)于傳統(tǒng)蓄電池。

3.電網(wǎng)調(diào)頻

在電網(wǎng)調(diào)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(tǒng)的風電/水電調(diào)頻，維護電網(wǎng)負荷平衡。

相比火電/水電機組、鋰電池等其他調(diào)頻方案，飛輪具有諸多優(yōu)勢——無污染、耐高溫、可頻繁充放電、功率密度大、壽命長、更穩(wěn)定、且維護成本低，隨著技術(shù)成熟帶來的成本逐步降低，飛輪有望成為未來電網(wǎng)調(diào)頻增量市場中的最重要手段。

以某300MW的火電機組配置9MW/1.8MWh飛輪儲能系統(tǒng)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(nèi)部收益率約15%；投資回收周期隨略長于同等規(guī)格鋰電池(4-5年)，但10年內(nèi)部收益率略高于鋰電池(14%)，并且具有較好的安全性和環(huán)保性。

三、國內(nèi)飛輪市場前景可期

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，盡管目前飛輪儲能在中國地鐵能量回饋場景的累計裝機規(guī)模僅為5MW，但其潛在市場規(guī)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。
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(jù)飛輪儲能在高端醫(yī)療、高端制造業(yè)、大型數(shù)據(jù)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(guī)?？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(huán)保政策驅(qū)動。
3)電網(wǎng)調(diào)頻

科爾尼認為，飛輪應用于電網(wǎng)調(diào)頻屬于高潛力的藍海市場。隨著技術(shù)提升，2022年以來，飛輪在電網(wǎng)調(diào)頻應用領域的有效成本已經(jīng)與鋰電池逐步接近，未來的市場競爭格局有望發(fā)生變化?？茽柲犷A測，飛輪在中國電網(wǎng)調(diào)頻領域的潛在市場規(guī)模高達85,000MW(如圖7) 。
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(huán)保政策進一步引導，飛輪儲能應用未來幾年將實現(xiàn)高速增長。結(jié)合業(yè)內(nèi)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)。
四、飛輪儲能企業(yè)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(yōu)勢

國內(nèi)飛輪儲能在技術(shù)及商業(yè)化指標上共有六大關鍵成功要素。除攻克單機能量、功率、放電持續(xù)時長等技術(shù)難點外，還需要在成本把控、市場拓展、戰(zhàn)略合作多方面布局，以實現(xiàn)商業(yè)化成功。

成功要素一：單機最大能量。單機最大能量是體現(xiàn)飛輪單體儲能能力，是飛輪儲能中最難突破的技術(shù)點之一。具有強儲能能力的單體飛輪在技術(shù)上可更高效適用于大體量項目；且投資成本優(yōu)于多個小能量飛輪并聯(lián)實現(xiàn)的同等總能量規(guī)格飛輪。

成功要素二：單機最大功率。單機最大功率體現(xiàn)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(wǎng)、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(xù)時長。飛輪儲能的持續(xù)時長受使用場景影響，其中電網(wǎng)調(diào)頻所需的持續(xù)時間最長——大于2分鐘(一次調(diào)頻1-2分鐘，二次及以上調(diào)頻>3分鐘)，而UPS持續(xù)時間僅需30-40秒。因此飛輪應根據(jù)應用場景適配所需的放電持續(xù)時長。

成功要素四：價格競爭力。價格對于國內(nèi)項目獲取具有較高的重要性，體現(xiàn)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(shù)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(yè)化發(fā)展程度的重要指標。而產(chǎn)品一致性(產(chǎn)品性能穩(wěn)定，單體差異小)和市場擴展能力(具備專業(yè)銷售團隊幫助渠道覆蓋)是廠家獲取大規(guī)模項目背后的關鍵因素。

成功要素六：戰(zhàn)略合作伙伴。綁定業(yè)內(nèi)相關高校/大型能源企業(yè)合作開拓市場，獲取其高銷售額、大容量的項目和穩(wěn)定的下游大客戶合作關系，是飛輪儲能和行業(yè)的重要市場拓展手段。 

原標題：飛輪儲能的技術(shù)、應用與潛力