作者 | 白濤（Wechat：baitao2819）
來(lái)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(huì)上通過(guò)的《巴黎協(xié)定》，各國(guó)的長(zhǎng)期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)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(dá)到了524億噸二氧化碳當(dāng)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(dāng)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(guò)去十年，排名前四位的排放國(guó)（中國(guó)、美國(guó)、歐盟27國(guó)加英國(guó)、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(guó)（包括俄羅斯聯(lián)邦、日本和國(guó)際運(yùn)輸）排放總量占全球65%，其中二十國(guó)集團(tuán)成員國(guó)的排放量占78%。若不采取行動(dòng)有效降低排放，全球二氧化碳排放量將在2045年超過(guò)10000億噸的總預(yù)算。
2021年3月15日，中共中央總書記、國(guó)家主席、中央軍委主席、中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)主任習(xí)近平主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議。習(xí)近平在會(huì)上發(fā)表重要講話，其中提到要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，拿出抓鐵有痕的勁頭，如期實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的目標(biāo)。在十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要草案中，提出實(shí)施電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。
7月15日，上海環(huán)境能源交易所發(fā)布公告，根據(jù)國(guó)家總體安排，全國(guó)碳排放權(quán)交易于7月16日開市。
碳交易市場(chǎng)，就是通過(guò)碳排放權(quán)的交易達(dá)到控制碳排放總量的目的。通俗來(lái)講，就是把二氧化碳的排放權(quán)當(dāng)做商品來(lái)進(jìn)行買賣，需要減排的企業(yè)會(huì)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(chǎng)上購(gòu)買配額。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，某個(gè)企業(yè)每年的碳排放配額為1萬(wàn)噸，如果企業(yè)通過(guò)技術(shù)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(chǎng)上出售。而其他企業(yè)因?yàn)閿U(kuò)大生產(chǎn)需要，原定的碳排放配額不夠用，就可以在市場(chǎng)上購(gòu)買這些被出售的額度。這樣既控制了碳排放總量，又能鼓勵(lì)企業(yè)通過(guò)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提升能效等手段實(shí)現(xiàn)減排。
通過(guò)不斷升級(jí)改造智能裝備，企業(yè)不僅可以達(dá)到降低碳排放的目的，同時(shí)還可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，另外利用清潔能源逐步替代傳統(tǒng)化石能源，減少運(yùn)輸過(guò)程中的損耗等，在能源供給和運(yùn)輸側(cè)，我國(guó)也正在以實(shí)際行動(dòng)履行自己的承諾。
其中利用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)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(chǔ)存?zhèn)溆?，同時(shí)避免清潔能源的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊，是支撐電力供給側(cè)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要技術(shù)之一。
在這個(gè)大的背景下，飛輪儲(chǔ)能憑借安全穩(wěn)定、功率密度大、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、回收殘值高等特點(diǎn)，在部分垂直領(lǐng)域的獨(dú)有特性，已經(jīng)逐漸走進(jìn)人們的視野。
什么是飛輪儲(chǔ)能？
飛輪儲(chǔ)能包括三個(gè)核心部分：飛輪、電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。其中，飛輪是整個(gè)產(chǎn)品的核心部件，直接決定著儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)
與電池一樣，飛輪儲(chǔ)能有三種工作狀態(tài)，即充電、放電和浮充。飛輪儲(chǔ)能的能量狀態(tài)（0≤SOC≤1）可以用荷電狀態(tài)（Stateof Charge，SOC）來(lái)描述：當(dāng)SOC=0時(shí)，表示飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)放電完全，當(dāng)前可用的能量為0；當(dāng)SOC=1時(shí)，表示飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)完全充滿，當(dāng)前可用的能量為1。
在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)，從外部輸入的電能通過(guò)電力電子變換裝置，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)以儲(chǔ)存動(dòng)能。此時(shí)，飛輪從低轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速加速運(yùn)行，SOC上升；放電時(shí)，即當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電力電子變換裝置轉(zhuǎn)化成負(fù)載所需的各種頻率、電壓等級(jí)的電能，以滿足不同的用電需求。此時(shí)，飛輪從高轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速減速，SOC下降；浮充時(shí)，飛輪處于充滿電的待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)提供涓流充電，但這個(gè)涓流很小，在很多情況下可以忽略不計(jì)。
圖：電池的容量與溫度和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系
失效后果由所存儲(chǔ)的能量決定，即存儲(chǔ)的能量越大，失效后果則越嚴(yán)重。為了彌補(bǔ)電池可靠性的不足，UPS配置電池使用時(shí)通常搭載了冗余技術(shù)，使得其能量成倍增加。一般來(lái)說(shuō)，電池的功率密度低，但為了達(dá)到一定的放電功率，電池的存儲(chǔ)能量往往很大，一旦失效很容易引發(fā)起火爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，非常不安全。
飛輪儲(chǔ)能作為物理（或機(jī)械）的儲(chǔ)能手段，在安全性和可靠性方面都比電池更具優(yōu)勢(shì)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，飛輪儲(chǔ)能不隨時(shí)間窗口而退化，也不受外界環(huán)境的影響。因此，飛輪儲(chǔ)能的可靠性能夠得到保證（下圖1）。此外，飛輪儲(chǔ)能作為一種功率性器件，在同樣大小的放電功率下，存儲(chǔ)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(duì)比
圖：飛輪和電池和柴油發(fā)電機(jī)的功率密度對(duì)比
飛輪儲(chǔ)能是一項(xiàng)綠色環(huán)保的技術(shù)，不含有任何有害的化學(xué)物質(zhì)，也不會(huì)產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)；其從生產(chǎn)到使用，再到壽命終結(jié)后的處理，也不會(huì)產(chǎn)生任何污染環(huán)境和危害人體的物質(zhì)。作為一種機(jī)械產(chǎn)品，它沒(méi)有記憶效應(yīng)，不會(huì)隨著使用次數(shù)和時(shí)間而退化，使用壽命可達(dá)20年以上；對(duì)外界的溫度并不敏感，在一般環(huán)境下不需要額外的設(shè)備進(jìn)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(shè)備，并基本可以實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，同時(shí)功率密度大、體積小，還可減少占地面積。
飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用
飛輪儲(chǔ)能具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是最有發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)之一。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已有幾十年的發(fā)展歷史，并在諸多領(lǐng)域獲得了應(yīng)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(yīng)急UPS電源、高速離心風(fēng)機(jī)等。目前，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)正廣泛應(yīng)用于國(guó)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(chǔ)能調(diào)頻等領(lǐng)域。
01、大規(guī)模儲(chǔ)能調(diào)頻市場(chǎng)
目前抽水蓄能是全球電力系統(tǒng)中主要儲(chǔ)能形式，超過(guò)90%的比例，其次是電化學(xué)儲(chǔ)能。雖然抽水蓄能規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、技術(shù)成熟，但只有具備特定自然地形條件的地區(qū)才能建設(shè)；而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)雖然在儲(chǔ)能技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上取得一定突破，但近年來(lái)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(chǎng)對(duì)其也顧慮重重。因此，具有使用安全、全生命周期無(wú)污染，殘值高，工作溫度范圍寬，20年超長(zhǎng)使用壽命等綠色環(huán)保特點(diǎn)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)被廣泛關(guān)注和逐步使用，有效填補(bǔ)并支持了現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景空白和技術(shù)缺憾。
2021年3月11日，十三屆全國(guó)人大四次會(huì)議表決通過(guò)了關(guān)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要的決議，其中提出在電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)方面要推動(dòng)飛輪儲(chǔ)能等儲(chǔ)能示范項(xiàng)目。
商業(yè)模式?jīng)Q定發(fā)展經(jīng)濟(jì)性，從飛輪儲(chǔ)能現(xiàn)有的商業(yè)模式看，其價(jià)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(dòng)汽車等應(yīng)用場(chǎng)景，其中以電網(wǎng)調(diào)頻市場(chǎng)最具潛力和想象空間?；趯?duì)行業(yè)的觀察以及飛輪企業(yè)的調(diào)研，當(dāng)前站上萬(wàn)億儲(chǔ)能風(fēng)口，物理儲(chǔ)能技術(shù)飛輪儲(chǔ)能將迎來(lái)超過(guò)300億市場(chǎng)空間。
圖：2021-2025飛輪儲(chǔ)能電力調(diào)頻市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)(億元)
02、以城市軌道交通為代表的能量回收市場(chǎng)
根據(jù)國(guó)內(nèi)已建成軌道交通線路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，一條20公里長(zhǎng)的地鐵線路一年的用電量約為0.6～1億kW·h，電費(fèi)占到城市軌道交通運(yùn)營(yíng)費(fèi)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(guó)內(nèi)的大多數(shù)地鐵站無(wú)法實(shí)現(xiàn)自負(fù)盈虧的重要原因，所以，節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)節(jié)省開支的重要手段。
圖：某線路地鐵行駛時(shí)速度和消耗的電網(wǎng)功率隨時(shí)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(gè)摩擦片摩擦車輪讓車停下，更主要的是依靠電氣制動(dòng)（其實(shí)質(zhì)是改變車輛所受牽引外力的方向），車輛將會(huì)克服電磁力做功，此時(shí)原本用于牽引車輛前進(jìn)的電機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，將機(jī)車動(dòng)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(fù)功率，這就產(chǎn)生了再生制動(dòng)能量。
地鐵得再生制動(dòng)能量存儲(chǔ)是一種大功率、高頻次（每天列車進(jìn)出站200次左右）的應(yīng)用場(chǎng)景，目前，地鐵列車進(jìn)站回收的電能或通過(guò)電阻放熱方式消耗，存在資源浪費(fèi)；或通過(guò)逆變回饋裝置回饋電網(wǎng)，但存在干擾電網(wǎng)的問(wèn)題；或通過(guò)超級(jí)電容回收，但存在壽命短和應(yīng)用衰減問(wèn)題。
圖：地鐵制動(dòng)啟動(dòng)能量循環(huán)示意圖
飛輪儲(chǔ)能比較完美的解決這些問(wèn)題，發(fā)揮節(jié)能和友好電網(wǎng)的作用。美國(guó)多個(gè)地鐵站已經(jīng)對(duì)飛輪儲(chǔ)能進(jìn)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(jì)效益。
圖：不同類型再生制動(dòng)能量吸收裝置節(jié)電量對(duì)比
據(jù)了解，北京地鐵再生制動(dòng)能量吸收裝置經(jīng)過(guò)電阻耗能型、回饋型、儲(chǔ)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(fèi)占年度牽引用電電費(fèi)來(lái)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(chǔ)能型裝置約占18.5%，飛輪儲(chǔ)能型裝置在掛網(wǎng)試運(yùn)行期間約占 31.5%。飛輪儲(chǔ)能型裝置在掛網(wǎng)試運(yùn)行期間具有比較顯著的節(jié)能效果。
截至2020年底，國(guó)內(nèi)地鐵總里程7773公里，按照每2公里一個(gè)地鐵站估算，地鐵站有大約3880個(gè)，按照每個(gè)地鐵站配備0.5MW飛輪儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)計(jì)算，目前擁有1.9GW的存量市場(chǎng)。到2035年，國(guó)內(nèi)地鐵總里程將超過(guò)3萬(wàn)公里，預(yù)測(cè)將新增1萬(wàn)個(gè)地鐵站，具備5GW的增量需求。我們測(cè)算潛在的市場(chǎng)規(guī)模約為150億。
03、飛輪UPS市場(chǎng)
數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院或制造工廠的大部分電力都通過(guò)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(shí)為關(guān)鍵性的工作負(fù)載提供備用電源。UPS設(shè)備和能源存儲(chǔ)的選擇至關(guān)重要，因?yàn)檫@不僅會(huì)影響到企業(yè)的資本和運(yùn)營(yíng)支出，還會(huì)影響相關(guān)設(shè)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(guān)鍵作用。
傳統(tǒng)的UPS產(chǎn)品對(duì)電力資源浪費(fèi)巨大，并且排放了過(guò)多的碳和污染，并且，在這些傳統(tǒng)UPS設(shè)備的整個(gè)使用壽命期限內(nèi)，其安裝、更換和回收過(guò)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(duì)環(huán)境的影響降低90%。同時(shí)，由于飛輪UPS大功率、長(zhǎng)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(diǎn)，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(lǐng)域，飛輪儲(chǔ)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(dòng)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(xué)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(yīng)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)利用。
另外，國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的高規(guī)格應(yīng)急保電中也都在應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，這為奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)、G20、春晚等大型重要活動(dòng)提供了非常可靠的電源保障。
04、儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁
儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車大功率、快速充電的場(chǎng)合。受現(xiàn)有電網(wǎng)框架容量的限制， 建設(shè)一個(gè)電動(dòng)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(wèn)題。帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的大功率電動(dòng)汽車快速充電樁系統(tǒng)，可減小充電樁對(duì)電網(wǎng)增容的壓力。以磁懸浮儲(chǔ)能飛輪為儲(chǔ)能裝置，充分利用儲(chǔ)能飛輪慢充快放，即小功率充電、大功率輸出的典型運(yùn)行特征，不僅可以滿足電動(dòng)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(shí)，由于儲(chǔ)能飛輪功率密度高、體積小、布置靈活、綠色環(huán)保無(wú)污染，可布置于地下，消除了建設(shè)充電站對(duì)市容的影響，減小了城建工作的壓力。
結(jié) 語(yǔ)
在各類儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能對(duì)比其他儲(chǔ)能技術(shù)就有獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。具有功率密度高、充放電次數(shù)高、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)。但此前高昂的成本相對(duì)制約了其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用(目前成本為化學(xué)電池的3-4倍)。未來(lái)，在國(guó)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(kuò)張以及材料和技術(shù)本身的創(chuàng)新，飛輪儲(chǔ)能成本將隨著大規(guī)?；a(chǎn)快速下降，有望追平電化學(xué)電池，打破市場(chǎng)壁壘。
雙碳背景下，儲(chǔ)能技術(shù)將迎來(lái)百花齊放的局面。飛輪儲(chǔ)能作為制造型能源，基于不同應(yīng)用場(chǎng)景，將發(fā)揮高頻次物理儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合其他儲(chǔ)能技術(shù)彰顯最優(yōu)效果，促進(jìn)能源行業(yè)面向安全、綠色、高效的創(chuàng)新和變革。
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