科尔尼:适用于地铁能源反馈、UPS不间断电源、电网频率调整三

到2026年，飞轮储能累计装机量可增加到572MW，到2030年可进一步增加到1.62GW。

作者：滕勇 大中华区能源化工与高科技行业全球合作伙伴科尔尼负责人

王侃 科尔尼董事

陈沛祎 科尔尼董事

前言：

飞轮是一种新的储能技术——利用飞轮转子的高速旋转，将电能转化为机械能储存，然后释放能量。

与锂电池等储能技术相比，飞轮具有充放电频率高、响应速度快、功率大、放电时间短的特点。适用于地铁能源反馈、UPS不间断电源、电网频率调整三种场景。

科尔尼预测，未来3-5年，飞轮储能成本将下降50%、此外，在绿色环保政策的进一步指导下，飞轮储能技术的应用将在未来几年实现快速增长。根据科尔尼的中性计算，到2026年，飞轮储能的累计装机容量可以增加到572MW，到2030年可以进一步增加到1.62GW。

一、飞轮储能技术不断突破，逐渐成熟

飞轮储能是一种来自航天领域的先进物理储能技术。它利用电机驱动飞轮高速旋转，将电能转化为机械能储存，必要时使用高速旋转的飞轮惯性，通过功率变换器输出负载电流和电压，将机械能转化为电能输出（如图所示 1)。

图1 飞轮储能系统的工作原理          

来源:案头研究，科尔尼

飞轮储能装置的核心结构包括四个部分：电机、飞轮转子、轴承和真空室(E)主要尺寸和旋转惯量(J)和角速度(w)相关。由于 J=因此，为了获得更大的旋转惯量，mr2(J)，大直径、大质量的飞轮需要使用 。然而，仅仅提高质量和使用沉重的飞轮在高速旋转时很容易产生很大的离心力，如果超过飞轮材料的极限强度，就会有更大的安全风险。

进一步提高角速(w)通过改进轴承技术和真空技术，有很大的前景。一方面，通过更好的磁悬浮控制技术，保持轴承在高速旋转中的可靠性和承载力，提高允许的角速度上限；另一方面，通过提高真空度和真空散热，降低飞轮高速旋转中的风阻（摩擦），提高角速度。

此外，所选材料的强度和密度将深刻影响飞轮储能的储能(E)，材料强度越高，密度越低，储能量越大。

由此可见，提高飞轮轴承技术、真空技术和材料性能是提高可储能量的关键(如图2所示)。

图2飞轮储能技术难点

来源:案头研究、文献整理、科尔尼

由于中外应用场景不同，飞轮技术路线的选择也存在很大差异：

欧美国家受更严格的环保政策驱动，UPS和地铁节能场景储能装置的体积和质量有更严格的限制，欧美发电系统采用燃气轮机发电，本身具有良好的频率调节性能，因此更注重UPS和地铁能源反馈，其技术发展方向更轻、更高的能量密度，而不是最大化单机能量容量。

目前，我国UPS储能电池仍以铅酸电池为主，对飞轮的刚性需求不强；然而，电网频率调整是我国发电系统的刚性需求，对单机能量容量要求较高。因此，我国更倾向于开发高单机储能的飞轮装置，并应用于电网调频场景的方向。此外，飞轮还面临着与锂离子电池的竞争，因此产品的成本竞争力尤为重要。

在技术路线选择方面，中国大多选择应用广泛的主动悬架和混合悬架技术，而欧洲和美国国家更注重适用于轻型飞轮的被动悬架技术。在转子材料技术和真空散热技术方面，中国与欧洲和美国仍存在较大差距。

2、飞轮储能的应用场景不断开放，特别是在地铁、电网和UPS相关领域

与市场主流锂电池相比，飞轮储能在循环次数、瞬时功率、响应速度、安全性等方面具有突出优势，但也存在能量密度低、自放电率高的缺点（如图3所示）。

图3飞轮储能与锂离子电池储能技术指标对比

来源:案头研究、专家访谈、科尔尼

基于飞轮储能的特点，最适用于充放电频率高、响应速度快、功率大、放电时间短的应用场景，即地铁能源反馈、不间断电源和电网调频。目前，商业应用正在逐步进行 步骤开展(如图4所示)。

适合飞轮储能优势的应用场景图4

来源:案头研究、专家访谈、科尔尼

1.地铁能量反馈

地铁进站制动时，会产生能量，导致网络压力升高，离站启动时网络压力瞬间下降。因此，它影响了电网的稳定性，不仅增加了制动系统相关电路的安全风险，而且造成了大量的能源浪费。地铁储能装置具有循环次数多、瞬时功率高的技术特点。以飞轮储能和超电容为代表的储能装置比中压反馈系统具有更强的节能效果。与飞轮和超级电容器相比，飞轮节能更大，占地面积更小，可靠性更高，但也存在初始成本高、回收周期长的缺点。

在地铁能源反馈应用领域，飞轮储能的收入主要来自节省的电费和制动系统的磨损成本。以北京地铁房山线为例，科尔尼估计，飞轮储能的投资回报周期约为7年，内部回报率约为10年。

据业内专家估计，未来3-5年飞轮储能单价预计将从约3000元/kW降至约2000元/kWkW，投资回收周期将缩短到5年左右，10年内收益率将提高到20%以上。

2.不间断电源(UPS)

飞轮主要用于四个领域：高端医疗（如血液透析器等医疗设备）、高端制造(如半导体制造等)、数据中心(保证重要数据的安全)、以及电源车（确保重要会议的正常供电）。上述场景耗电量大，断电容忍度极低，因此储能技术需要达到100毫秒的响应速度和较高的瞬时功率。

飞轮可以以绿色环保的方式保证UPS的供电稳定性，作为第二电源，连续供电30-40秒，直到系统成功切换到备用电源。

目前，制约飞轮在UPS中应用的最大瓶颈是成本，其初始成本较高（是铅酸电池的4倍，锂电池的2倍）   ，然而，与传统铅酸电池相比，其运营成本和元件更换成本都有所不同 显著优势(每年节省约60%的运营成本，5年内元件更换成本为铅酸电池的1/40)，预计5年后总成本将优于传统电池。

3.电网调频

在电网调频的应用场景下，飞轮能有效辅助传统风电/水电调频，保持电网负荷平衡，具有大功率密度、高可靠性的特点。

与火电/水电机组、锂电池等其他调频方案相比，飞轮具有诸多优点——随着技术成熟带来的成本逐渐降低，飞轮有望成为未来电网调频增量市场最重要的手段，无污染、耐高温、充放电频率高、功率密度大、使用寿命长、维护成本低。

以某300MW火电机组9MW/1.8MWh飞轮储能系统为例，科尔尼估计该项目飞轮的投资回收周期约为 5-6年内，10年内的收益率约为15%；投资回收周期略长于同等规格的锂电池(4-5年)，但10年内收益率略高于锂电池(14%)，安全环保性好。

三、国内飞轮市场前景可预期

1)地铁能量反馈

地铁能源反馈是一个趋势良好的培育市场。虽然飞轮储能在中国地铁能源反馈场景中的累计装机规模仅为5MW，但其潜在市场规模（装机量）可超过1500MW（如图5所示）。在这种情况下，有三个起点可以提高飞轮的渗透率：一是初始成本下降，投资回报周期缩短；二是提高市场对整个生命周期成本的认可；三是提高重大事故预防能力。

图5中国地铁能源反馈的细分结构

来源:专家访谈，科尔尼计算

2)UPS不间断电源

UPS不间断电源属于非刚性政策引导市场。根据飞轮储能在高端医疗、高端制造、大型数据中心和电源汽车四个应用场景中的潜在预测，预计飞轮在UPS不间断电源中的潜在市场规模约为900MW，而目前的市场份额仅为2%（如图所示 6)。在这种情况下，提高飞轮市场份额的关键因素包括降低初始成本、提高客户对TCO的认可度和最重要的环保政策。

图6中国UPS储能潜在市场规模和技术路线份额

来源:案头研究、专家访谈、科尔尼计算

3)电网调频

科尔尼认为，飞轮在电网频率调整中的应用是一个高潜力的蓝海市场。随着技术的进步，自2022年以来，飞轮在电网频率调整应用领域的有效成本逐渐接近锂电池，预计未来的市场竞争模式将发生变化。科尔尼预测，飞轮在中国电网频率调整领域的潜在市场规模高达8.5万MW（如图7所示）。

图7电网调频储能潜在市场分析

来源:案头研究、专家访谈、科尔尼计算

综上所述，如果未来3-5年飞轮储能成本能下降50%、此外，在绿色环保政策的进一步指导下，飞轮储能应用将在未来几年实现快速增长。根据行业专家的意见和对不同场景的需求判断，科尔尼中性计算，到2026年，飞轮储能的累计装机容量可以增加到572MW，到2030年可以进一步增加到1.62GW（如图8所示）。

图8 ：预测中国飞轮储能市场规模

来源:案头研究、专家访谈、科尔尼计算

四、飞轮储能企业需要把握和平衡六个核心要素，才能在市场发展和竞争中获得优势

国内飞轮储能在技术和商业化指标方面有六个关键的成功要素。除了克服单机能量、功率、放电持续时间等技术困难外，还需要在成本控制、市场扩张、战略合作等方面进行布局，以实现商业化的成功。

成功元素1：单机最大能量。单机最大能量是飞轮单体储能能力的体现，是飞轮储能中最难突破的技术点之一。具有较强储能能力的单个飞轮在技术上可以更有效地适用于大型项目；投资成本优于多个小能量飞轮并联实现的同等总能量规格飞轮。

成功要素2：单机的最大功率。单机的最大功率反映了飞轮充放电的速度。大功率电池可以满足各种需求，以满足电网，UPS、大功率需求场景，如轨道交通能量反馈。

成功要素3：放电持续时间。飞轮储能的持续时间受使用场景的影响，其中电网调频所需的持续时间最长——大于2分钟(一次调频1-2分钟，二次及以上调频>3分钟)，而UPS只持续30-40秒。因此，飞轮应根据应用场景适应所需的放电持续时间。

成功要素4：价格竞争力。价格对国内项目的获取非常重要，反映了飞轮制造商的成本控制能力。强大的供应链管理能力和机电一体化技术有助于降低成本。

成功要素5：单个项目的装机容量。单个项目的装机容量是衡量商业化发展程度的重要指标。产品一致性（产品性能稳定，单体差异小）和市场扩张能力（专业销售团队帮助渠道覆盖）是制造商获得大型项目背后的关键因素。

成功要素6:战略合作伙伴。是飞轮储能和行业拓展市场的重要手段，绑定行业内相关高校/大型能源企业开拓市场，获得其高销量、大容量的项目和稳定的下游大客户合作关系。