作者 | 白濤（Wechat：baitao2819）
來源 | 北拓資本數(shù)字基建組
2015年12月12日，在巴黎氣候變化大會上通過的《巴黎協(xié)定》，各國的長期目標是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2攝氏度以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5攝氏度以內(nèi)。
2019年，全球溫室氣體排放量連續(xù)第三年增加，達到了524億噸二氧化碳當量（范圍：±5.2）（不包括土地利用變化產(chǎn)生的溫室氣體排放量）和591億噸二氧化碳當量（范圍：±5.9）（包括土地利用變化產(chǎn)生的溫室氣體排放量），再創(chuàng)歷史新高。在過去十年，排名前四位的排放國（中國、美國、歐盟27國加英國、印度）溫室氣體總排放量（不包括土地利用變化）占全球55%。排在前七位的排放國（包括俄羅斯聯(lián)邦、日本和國際運輸）排放總量占全球65%，其中二十國集團成員國的排放量占78%。若不采取行動有效降低排放，全球二氧化碳排放量將在2045年超過10000億噸的總預算。
2021年3月15日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席、中央財經(jīng)委員會主任習近平主持召開中央財經(jīng)委員會第九次會議。習近平在會上發(fā)表重要講話，其中提到要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實現(xiàn)2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標。在十四五規(guī)劃和2035年遠景目標綱要草案中，提出實施電化學儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等儲能示范項目。
7月15日，上海環(huán)境能源交易所發(fā)布公告，根據(jù)國家總體安排，全國碳排放權(quán)交易于7月16日開市。
碳交易市場，就是通過碳排放權(quán)的交易達到控制碳排放總量的目的。通俗來講，就是把二氧化碳的排放權(quán)當做商品來進行買賣，需要減排的企業(yè)會獲得一定的碳排放配額，成功減排可以出售多余的配額，超額排放則要在碳市場上購買配額。
舉個簡單的例子，某個企業(yè)每年的碳排放配額為1萬噸，如果企業(yè)通過技術改造，碳排放量減少為8000噸，那么多余的2000噸，就可以在碳市場上出售。而其他企業(yè)因為擴大生產(chǎn)需要，原定的碳排放配額不夠用，就可以在市場上購買這些被出售的額度。這樣既控制了碳排放總量，又能鼓勵企業(yè)通過優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提升能效等手段實現(xiàn)減排。
通過不斷升級改造智能裝備，企業(yè)不僅可以達到降低碳排放的目的，同時還可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益，另外利用清潔能源逐步替代傳統(tǒng)化石能源，減少運輸過程中的損耗等，在能源供給和運輸側(cè)，我國也正在以實際行動履行自己的承諾。
其中利用儲能設備進行能量回收，削峰填谷等是最為有效的方式之一。隨著政策的逐步落地，將多余電能儲存?zhèn)溆?，同時避免清潔能源的波動對電網(wǎng)沖擊，是支撐電力供給側(cè)實現(xiàn)雙碳目標的重要技術之一。
在這個大的背景下，飛輪儲能憑借安全穩(wěn)定、功率密度大、響應速度快、壽命長、回收殘值高等特點，在部分垂直領域的獨有特性，已經(jīng)逐漸走進人們的視野。
什么是飛輪儲能？
飛輪儲能包括三個核心部分：飛輪、電動機-發(fā)電機和電力電子變換裝置。其中，飛輪是整個產(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。
圖：飛輪儲能設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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)（0≤SOC≤1）可以用荷電狀態(tài)（Stateof Charge，SOC）來描述：當SOC=0時，表示飛輪儲能系統(tǒng)放電完全，當前可用的能量為0；當SOC=1時，表示飛輪儲能系統(tǒng)完全充滿，當前可用的能量為1。
在飛輪儲能系統(tǒng)充電時，從外部輸入的電能通過電力電子變換裝置，驅(qū)動電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)以儲存動能。此時，飛輪從低轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速加速運行，SOC上升；放電時，即當外部負載需要能量時，旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動發(fā)電機發(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，飛輪從高轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速減速，SOC下降；浮充時，飛輪處于充滿電的待機狀態(tài)，此時飛輪處于（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，但這個涓流很小，在很多情況下可以忽略不計。
圖：電池的容量與溫度和循環(huán)次數(shù)的關系
失效后果由所存儲的能量決定，即存儲的能量越大，失效后果則越嚴重。為了彌補電池可靠性的不足，UPS配置電池使用時通常搭載了冗余技術，使得其能量成倍增加。一般來說，電池的功率密度低，但為了達到一定的放電功率，電池的存儲能量往往很大，一旦失效很容易引發(fā)起火爆炸等風險，非常不安全。
飛輪儲能作為物理（或機械）的儲能手段，在安全性和可靠性方面都比電池更具優(yōu)勢。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，飛輪儲能不隨時間窗口而退化，也不受外界環(huán)境的影響。因此，飛輪儲能的可靠性能夠得到保證（下圖1）。此外，飛輪儲能作為一種功率性器件，在同樣大小的放電功率下，存儲的能量顯著地低于電池，其失效后果也比電池要小得多（下圖2）。
圖：飛輪和電池在可靠性方面的對比
圖：飛輪和電池和柴油發(fā)電機的功率密度對比
飛輪儲能是一項綠色環(huán)保的技術，不含有任何有害的化學物質(zhì)，也不會產(chǎn)生任何化學反應；其從生產(chǎn)到使用，再到壽命終結(jié)后的處理，也不會產(chǎn)生任何污染環(huán)境和危害人體的物質(zhì)。作為一種機械產(chǎn)品，它沒有記憶效應，不會隨著使用次數(shù)和時間而退化，使用壽命可達20年以上；對外界的溫度并不敏感，在一般環(huán)境下不需要額外的設備進行制冷或加熱；安全性、可靠性高，不需要為安全配置額外的冗余設備，并基本可以實現(xiàn)免維護，同時功率密度大、體積小，還可減少占地面積。
飛輪儲能的應用
飛輪儲能具有安全可靠、經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)點，是最有發(fā)展前景的儲能技術之一。飛輪儲能技術在發(fā)達國家已有幾十年的發(fā)展歷史，并在諸多領域獲得了應用，如F1賽車能量回收、軌道牽引能量回收、微電網(wǎng)調(diào)壓及并網(wǎng)，超低溫余熱回收利用、應急UPS電源、高速離心風機等。目前，飛輪儲能技術正廣泛應用于國內(nèi)外的數(shù)據(jù)中心、精密制造生產(chǎn)線、UPS后備鉛酸電池的替代、電網(wǎng)儲能調(diào)頻等領域。
01、大規(guī)模儲能調(diào)頻市場
目前抽水蓄能是全球電力系統(tǒng)中主要儲能形式，超過90%的比例，其次是電化學儲能。雖然抽水蓄能規(guī)模大、壽命長、技術成熟，但只有具備特定自然地形條件的地區(qū)才能建設；而電化學儲能技術雖然在儲能技術和經(jīng)濟性上取得一定突破，但近年來由于抽放電次數(shù)受限和爆炸事件頻發(fā)的安全隱患使得市場對其也顧慮重重。因此，具有使用安全、全生命周期無污染，殘值高，工作溫度范圍寬，20年超長使用壽命等綠色環(huán)保特點的飛輪儲能技術被廣泛關注和逐步使用，有效填補并支持了現(xiàn)有儲能技術的應用場景空白和技術缺憾。
2021年3月11日，十三屆全國人大四次會議表決通過了關于國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要的決議，其中提出在電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)方面要推動飛輪儲能等儲能示范項目。
商業(yè)模式?jīng)Q定發(fā)展經(jīng)濟性，從飛輪儲能現(xiàn)有的商業(yè)模式看，其價值創(chuàng)造路徑包括參與調(diào)峰調(diào)頻、UPS、能量回收、特種電源、電動汽車等應用場景，其中以電網(wǎng)調(diào)頻市場最具潛力和想象空間?；趯π袠I(yè)的觀察以及飛輪企業(yè)的調(diào)研，當前站上萬億儲能風口，物理儲能技術飛輪儲能將迎來超過300億市場空間。
圖：2021-2025飛輪儲能電力調(diào)頻市場空間預測(億元)
02、以城市軌道交通為代表的能量回收市場
根據(jù)國內(nèi)已建成軌道交通線路運營經(jīng)驗，一條20公里長的地鐵線路一年的用電量約為0.6～1億kW·h，電費占到城市軌道交通運營費用的50%，而列車牽引用電更是占到城市軌道交通用電的50%以上。例如，廣州地鐵線網(wǎng)列車牽引能耗占到地鐵系統(tǒng)總能耗的58%。城市軌道交通系統(tǒng)電能消耗巨大，這也是國內(nèi)的大多數(shù)地鐵站無法實現(xiàn)自負盈虧的重要原因，所以，節(jié)能降耗是實現(xiàn)節(jié)省開支的重要手段。
圖：某線路地鐵行駛時速度和消耗的電網(wǎng)功率隨時間變化情況
地鐵車輛采用的剎車方式并不單單是靠自行車一樣加個摩擦片摩擦車輪讓車停下，更主要的是依靠電氣制動（其實質(zhì)是改變車輛所受牽引外力的方向），車輛將會克服電磁力做功，此時原本用于牽引車輛前進的電機變成了發(fā)電機，將機車動能轉(zhuǎn)化為電能回饋至直流牽引網(wǎng)，因此直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓升高，表現(xiàn)在上圖中就是產(chǎn)生了負功率，這就產(chǎn)生了再生制動能量。
地鐵得再生制動能量存儲是一種大功率、高頻次（每天列車進出站200次左右）的應用場景，目前，地鐵列車進站回收的電能或通過電阻放熱方式消耗，存在資源浪費；或通過逆變回饋裝置回饋電網(wǎng)，但存在干擾電網(wǎng)的問題；或通過超級電容回收，但存在壽命短和應用衰減問題。
圖：地鐵制動啟動能量循環(huán)示意圖
飛輪儲能比較完美的解決這些問題，發(fā)揮節(jié)能和友好電網(wǎng)的作用。美國多個地鐵站已經(jīng)對飛輪儲能進行了示范，能夠?qū)崿F(xiàn)20~30%的節(jié)能效果，具備極佳的經(jīng)濟效益。
圖：不同類型再生制動能量吸收裝置節(jié)電量對比
據(jù)了解，北京地鐵再生制動能量吸收裝置經(jīng)過電阻耗能型、回饋型、儲型能3代產(chǎn)品的迭代更新，在節(jié)能及穩(wěn)壓方面均發(fā)揮了各自作用。從年均節(jié)約電費占年度牽引用電電費來看，低壓逆變回饋型裝置約占4.1%，中壓逆變回饋型裝置約占 5.2%，電容儲能型裝置約占18.5%，飛輪儲能型裝置在掛網(wǎng)試運行期間約占 31.5%。飛輪儲能型裝置在掛網(wǎng)試運行期間具有比較顯著的節(jié)能效果。
截至2020年底，國內(nèi)地鐵總里程7773公里，按照每2公里一個地鐵站估算，地鐵站有大約3880個，按照每個地鐵站配備0.5MW飛輪儲能設備來計算，目前擁有1.9GW的存量市場。到2035年，國內(nèi)地鐵總里程將超過3萬公里，預測將新增1萬個地鐵站，具備5GW的增量需求。我們測算潛在的市場規(guī)模約為150億。
03、飛輪UPS市場
數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院或制造工廠的大部分電力都通過UPS傳輸。UPS可以調(diào)節(jié)輸入電源，并在電源受干擾或停電時為關鍵性的工作負載提供備用電源。UPS設備和能源存儲的選擇至關重要，因為這不僅會影響到企業(yè)的資本和運營支出，還會影響相關設施的總體碳排放。節(jié)能的UPS在支持可持續(xù)發(fā)展工作和降低總體功耗和碳排放方面發(fā)揮著關鍵作用。
傳統(tǒng)的UPS產(chǎn)品對電力資源浪費巨大，并且排放了過多的碳和污染，并且，在這些傳統(tǒng)UPS設備的整個使用壽命期限內(nèi)，其安裝、更換和回收過程需要用到數(shù)千磅的鉛。而基于飛輪的UPS則具有更高的能效，可以將UPS對環(huán)境的影響降低90%。同時，由于飛輪UPS大功率、長壽命（20年）、占地面積小(相較電池UPS減少50%以上空間)、工作溫度范圍廣等特點，適合模塊化組裝，在惡略氣候條件下也可以快速部署。
圖：知名廠商Active Power公司生產(chǎn)的集裝箱模塊化UPS，方便快速部署
在數(shù)據(jù)中心領域，飛輪儲能主要是取代鉛酸電池，并配合UPS電源使用。一些大型的重要的數(shù)據(jù)中心，如Yahoo著名的雞窩型數(shù)據(jù)中心、HP的移動一站式CleanSource數(shù)據(jù)中心、Verizon的數(shù)據(jù)中心、佐治亞理工大學的超算中心、上海證券交易所、富士康華南數(shù)據(jù)中心、光大銀行數(shù)據(jù)中心等都在應用飛輪儲能技術進行能量的存儲利用。
另外，國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的高規(guī)格應急保電中也都在應用飛輪儲能技術，這為奧運會、世博會、G20、春晚等大型重要活動提供了非?？煽康碾娫幢Ｕ稀?
04、儲能式電動汽車充電樁
儲能式電動汽車充電樁主要應用于電動汽車大功率、快速充電的場合。受現(xiàn)有電網(wǎng)框架容量的限制， 建設一個電動汽車充電站涉及到電網(wǎng)的增容、 城市規(guī)劃調(diào)整等一系列問題。帶有儲能環(huán)節(jié)的大功率電動汽車快速充電樁系統(tǒng)，可減小充電樁對電網(wǎng)增容的壓力。以磁懸浮儲能飛輪為儲能裝置，充分利用儲能飛輪慢充快放，即小功率充電、大功率輸出的典型運行特征，不僅可以滿足電動汽車快速充電的要求，又可以規(guī)避電網(wǎng)增容的制約。
同時，由于儲能飛輪功率密度高、體積小、布置靈活、綠色環(huán)保無污染，可布置于地下，消除了建設充電站對市容的影響，減小了城建工作的壓力。
結(jié) 語
在各類儲能技術中，飛輪儲能對比其他儲能技術就有獨一無二的優(yōu)勢。具有功率密度高、充放電次數(shù)高、壽命長、環(huán)境友好等獨一無二的優(yōu)勢。但此前高昂的成本相對制約了其在儲能領域的大規(guī)模應用(目前成本為化學電池的3-4倍)。未來，在國家政策影響下，隨著能源產(chǎn)業(yè)的變革和產(chǎn)能規(guī)模的擴張以及材料和技術本身的創(chuàng)新，飛輪儲能成本將隨著大規(guī)?；a(chǎn)快速下降，有望追平電化學電池，打破市場壁壘。
雙碳背景下，儲能技術將迎來百花齊放的局面。飛輪儲能作為制造型能源，基于不同應用場景，將發(fā)揮高頻次物理儲能技術優(yōu)勢，結(jié)合其他儲能技術彰顯最優(yōu)效果，促進能源行業(yè)面向安全、綠色、高效的創(chuàng)新和變革。
附參考文獻：
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[3]李文勝,國網(wǎng)南網(wǎng)都在用-漸行漸近的飛輪儲能技術，北極星儲能網(wǎng),2021
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