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    飞轮储能
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    作 者: 李卿云
    行 业:头豹分类/能源、采矿业/能源设备与服务头豹分类/能源、采矿业/能源设备与服务/能源设备与服务港股分类法/能源
    关键词:新型储能飞轮储能永磁电机
    摘要:飞轮储能是一种物理储能方式,利用旋转体旋转时所具有的动能来存储和释放电能,具有充放电寿命长、全寿命周期无容量衰减、运行无爆炸风险、充放电循环效率高等特点,适用于UPS(Uninterruptible Power Supply,不间断电源)、电网调频、轨道交通、电动汽车充电站等多个应用场景。飞轮储能装置的储能量取决于轮体的转动惯量或最高转速,针对大容量功率型飞轮储能产品,当轮体的转动惯量和最高转速超过一定数值,就会面临诸多技术瓶颈,这些技术瓶颈集中于产业链上游零部件的材料开发与结构设计,而本土企业尚在这些关键领域研究积累不足,限制了大容量功率型飞轮储能产品的研发,未来产业链上游的技术研发进度或将成为飞轮储能产业化的重要制约因素。中国飞轮储能行业规模整体呈稳步上升态势,2021年中国飞轮储能装机规模达5.7MW,2022年达12.3MW。预计2027年飞轮储能有望实现247.2MW的装机规模,市场规模达2.47亿元。中国飞轮储能行业整体竞争格局较为分散,尚未形成绝对寡头格局,占据优势地位的企业如泓慧能源、华驰动能、沈阳微控拥有大量飞轮储能相关专利,积极参与行业标准制定,形成较深的技术护城河。飞轮储能行业的分散格局一方面是由于飞轮储能行业尚处发展早期,仍在示范应用中,初次投资成本较大,而盈利能力较弱,对行业新进入者吸引力较低。另一方面是因为飞轮储能产品应用广泛,各大企业主攻方向不同,技术各有亮点,呈现竞合关系。未来随着行业下游需求持续扩张,行业参与者有望逐步增加,竞争趋向激烈。由于飞轮储能行业现处发展初期,未来可能出现周期性波动,具备雄厚资金实力与强劲研发能力的企业将能更好地应对市场震荡,中小企业将加速出清。
    飞轮储能行业定义
    飞轮储能是一种物理储能方式,利用旋转体旋转时所具有的动能来存储和释放电能。旋转体通常为共轴的飞轮、电机转子和磁轴承转子(如有)。电机在电动机运行状态下,使飞轮转子升速,将输入电能转化为动能存储;电机在发电机运行状态下,使飞轮转子降速,将动能转化为电能输出,电机的升速和降速由电机控制器控制实现。飞轮储能具有充放电寿命长、全寿命周期无容量衰减、运行无爆炸风险、充放电循环效率高等特点。
    飞轮储能行业分类
    从飞轮转子的材质分类,飞轮储能系统可分为金属材料飞轮与复合材料飞轮。
    飞轮储能分类
    金属材料飞轮
    早期的飞轮储能系统多采用高强度钢或铝合金等金属作为转子材料,这类飞轮转子具有设计简单、加工工艺成熟等优点,但同时也存在着重量大、能量存储密度低、安全系数低等缺陷。金属材料飞轮虽然相对于纤维增强复合材料飞轮的极限强度较低,但结构设计与制造工艺简单,质量与使用寿命更容易保证,对于一些不追求高储能密度的应用领域,金属材料飞轮仍具有重要的使用价值与现实意义。
    复合材料飞轮
    复合材料飞轮是主要以高性能连续纤维(碳纤维、玻璃纤维等)为增强体、以树脂为基体、采用缠绕成形工艺制备成飞轮转子的系列产品,具有重量轻、能量存储密度大、使用寿命长、安全性能高等优势,正在逐步取代金属材料飞轮,成为高速飞轮设计与制造的首选。在设计飞轮转子时,应根据技术指标和性价比选取最适合的复合材料体系。例如,Beacon Power公司设计的智能电网用飞轮储能系统,选用了玻璃纤维/环氧复合材料作为飞轮转子材料,而Boeing公司测试的卫星用储能飞轮的转子则选用碳纤维复合材料,其转速可达13万转/分。
    飞轮储能行业特征
    飞轮储能行业具有环境友好优势显著、初投成本较高及应用场景广泛的特征。飞轮储能是一种物理储能方式,在生产、使用、回收各环节中本身均不产生有害物质,是对环境极为友好的储能产品。由于实际工作中飞轮转速较高,轮体一般采用价格昂贵的碳纤维材料,制造成本较大,目前飞轮储能初次投资成本在5,000元/kW左右,是化学电池的5-10倍。飞轮储能具备寿命长、能量转换效率高、环境适应性好等特质,适用于UPS(Uninterruptible Power Supply,不间断电源)、电网调频、轨道交通、电动汽车充电桩等多个应用场景。
    飞轮储能采用物理储能方式,在生产、使用、回收各环节中本身均不产生有害物质,是对环境极为友好的储能产品。
    由于飞轮储能的运作原理是将电能转换为机械能,储能和释能过程中不包含化学反应过程,这就使得飞轮储能产品在制造、使用、回收过程中本身不会排放污染物质。同时飞轮储能具有较高的残值率,20年全寿命周期后的残值约为30%,“废旧飞轮电池”可直接回收利用,二次回收成本低,环境友好优势显著。
    环境友好优势显著
    目前飞轮储能的初次投资成本较高。
    由于在实际工作中,飞轮的转速可达40,000-50,000r/min,一般金属制成的飞轮无法承受这样的高转速,容易发生解体,高速飞轮一般采用碳纤维材料,而用于制造飞轮的高端碳纤维价格昂贵,推动飞轮储能系统成本上涨。目前飞轮储能初次投资成本在5,000元/kW左右,是化学电池的5-10倍,未来将随产业的规模化发展与技术革新逐步降低。
    初投成本较高
    飞轮储能具备寿命长、能量转换效率高、环境适应性好等特质,适用于UPS(Uninterruptible Power Supply,不间断电源)、电网调频、轨道交通、电动汽车充电桩等多个应用场景。
    当前传统UPS使用化学电池作为储能器件,受制于化学电池寿命短、环境要求高等短板,利用飞轮储能作为UPS的储能器件,可极大延长其使用寿命和可靠性,提高关键用电设备供电质量。飞轮储能也是目前对于电网短时高频调频场景适应最好的一种储能装置,能够快速启停相应,发挥着减少机组磨损、抑制反向调频、进行储能电量持续性管理的作用。2021年中国城市轨道交通运营里程达8,708公里,节能减排任务日益严峻,飞轮储能系统可在轨道交通牵引过程中实现节能和稳定网压,已在北京、青岛的地铁线路中实现商用。2017年,武汉理工大学机电工程学院胡业发教授团队研发的“用于新能源汽车高效发电机和高密度飞轮储能系统”技术获得5亿元科技成果转化投资,该团队提出如果技术成功转化,可有效减轻电动汽车重量,还能将电动汽车的充电时间减少至10多分钟。
    应用场景广泛
    飞轮储能发展历程
    飞轮储能行业迄今主要经历三个发展阶段:在1950-1990年的萌芽期,学术界针对飞轮储能技术初步展开探索,石油危机的爆发促进发达国家积极布局新型能源项目,加大飞轮储能技术研发力度。在1991-2021年的启动期,飞轮储能逐步实现商业化应用,中国飞轮储能研究进入起步阶段,本土企业通过引进国外先进技术实现产品的批量生产,飞轮储能行业技术积累逐渐成熟,走向规范化发展。在2022年至今的高速发展期,中国诞生首台拥有完全自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置,飞轮储能系统在城轨交通领域陆续展开示范应用,国内飞轮储能技术在功率上发展迅猛,处于全球领先地位。
    萌芽期 1950-1990
    早在20世纪50年代,国外学术界已展开对飞轮储能技术的探索。20世纪70年代,石油危机爆发,美国开始发展新型能源项目,提出车辆动力用超级飞轮储能计划,大力研究高能量密度复合材料飞轮、电磁悬浮轴承以及高速电动/发电一体化电机技术。
    学术界针对飞轮储能技术初步展开探索,石油危机的爆发促进发达国家积极布局新型能源项目,加大飞轮储能技术研发力度,计划以新型能源逐步替代传统能源,满足国家能源安全需求,并推动飞轮储能向高能量密度方向发展。
    启动期 1991-2021
    20世纪90年代中后期,飞轮储能技术最先进的美国进入产业化发展阶段,首先在不间断供电过渡电源领域提供商业化产品,推动飞轮储能UPS(不间断电源)市场稳定发展。同一时期中国科研院所也开始进行飞轮储能相关技术研究,上海航天控制技术研究所、清华大学、北京航空航天大学、华北电力大学等院校走在行业前沿。2003年,VYCON公司成立于美国洛杉矶,是当时全球领先的磁悬浮飞轮生产制造商。2004年,美国第二代磁悬浮飞轮系统成功运行。2007年,德国建设完成250kW/5kWh磁悬浮飞轮系统。2010年前后,中国出现飞轮储能系统商业推广示范应用的技术开发公司,例如北京奇峰聚能科技有限公司、北京泓慧国际能源技术发展有限公司、唐山盾石磁能科技有限责任公司等。2011年,美国纽约史蒂芬森敦20MW飞轮调频电站投入运营。2014年,中国第一台200kW工业化磁飞轮调试成功,同年美国研发集成飞轮UPS的模块化电源系统。2016年,德国Piller公司推出双变换式飞轮UPS。2018年,沈阳微控新能源技术有限公司引进VYCON公司的飞轮储能技术,在中国首先实现了高速磁悬浮飞轮的批量生产,VYCON公司现为沈阳微控新能源技术有限公司的全资子公司。2020年,CNESA(中国能源研究会储能专委会)发布中国首个飞轮储能系统团体标准《飞轮储能系统通用技术条件》。
    自20世纪90年代开始,飞轮储能逐步实现商业化应用。中国飞轮储能研究起步较晚,2010年左右开始出现相关技术开发公司,通过引进国外先进技术实现产品的批量生产。2020年中国首个飞轮储能系统团体标准发布,飞轮储能行业技术积累逐渐成熟,走向规范化发展。
    高速发展期 2022-
    2022年4月,中国首台完全自主知识产权飞轮储能装置在青岛地铁3号线投入使用,2台1MW飞轮储能装置在万年泉路站完成安装调试,顺利并网应用。2022年9月,泓慧能源正式交付郑州地铁飞轮储能能量回馈系统。2023年1月,坎德拉新能源科技(佛山)有限公司自主研发的首套1000kW/35kWh飞轮储能系统顺利出产,成功量产后,该产品将成为全球功率最大的商业化飞轮储能系统。
    2022年,中国诞生首台拥有完全自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置,飞轮储能系统在城轨交通领域陆续展开示范应用。国内飞轮储能技术发展迅速,本土企业自主研发的飞轮储能系统有望成为全球功率最大的商业化飞轮储能装置。
    飞轮储能产业链分析
    飞轮储能产业链上游包括储能装置的核心部件储能轮体、储能电机与飞轮外壳,储能轮体代表性参与方有广大特材、罗特尼克、国机重装等,储能电机代表性参与方有苏交科、湘潭电机等,飞轮外壳代表性参与方有坎德拉、沈阳微控、中车株洲电机等。产业链中游为飞轮储能系统,代表性参与方包括泓慧能源、贝肯新能源、奇峰聚能等。产业链下游应用场景丰富,包括UPS(不间断电源)、电网调频、轨道交通、电动汽车充电站等,UPS(不间断电源)代表性参与方有山特电子、施耐德电气、艾默生电气等,电网调频代表性参与方有国家电网、南方电网、国家能源集团等,轨道交通代表性参与方有中国中铁、中国交建、中国铁建等,电动汽车充电站代表性参与方有奥特迅、中恒电气、动力源等。
    飞轮储能装置作为以精密制造为基础、多学科融合的机电一体化设备,上游链条复杂,下游应用丰富。由于储能轮体、储能电机等核心部件是其技术的关键所在,上游的零部件供应商与中游的系统集成商存在一定重叠。飞轮储能装置的储能量取决于转子的转动惯量或最高转速,针对大容量功率型飞轮储能产品,当转子的转动惯量和最高转速超过一定数值,就会面临诸多技术瓶颈。例如,高强度飞轮转子材料及结构设计制造技术、支撑高速重载飞轮转子的长寿命复合轴承设计制造技术、宽转速范围运行的高速双向电机设计制造技术、真空状态下的电机及轴承冷却技术、飞轮储能单元能量快速转换控制技术及系统、大规模飞轮储能阵列运行优化控制与先进运维技术等。这些技术瓶颈集中于产业链上游零部件的材料开发与结构设计,而本土企业尚在这些关键领域研究积累不足,限制了大容量功率型飞轮储能产品的研发,未来产业链上游的技术研发进度将成为飞轮储能产业化的重要制约因素。飞轮储能的规模化推广需要特定的应用场景,产业链下游的UPS、轨道交通、电动汽车充电站等应用市场的扩张也将成为飞轮储能装机规模上涨的关键驱动因素。
    产业链上游
    上游厂商
    张家港广大特材股份有限公司
    罗特尼克能源科技(北京)有限公司
    国机重型装备集团股份有限公司
    沈阳微控新能源技术有限公司
    贝肯新能源有限公司
    山西华阳集团新能股份有限公司
    华驰动能(北京)科技有限公司
    坎德拉(深圳)新能源科技有限公司
    苏交科集团股份有限公司
    盾石磁能科技有限责任公司
    上游厂商
    苏交科集团股份有限公司
    湘潭电机股份有限公司
    湖南中资稀土永磁机电科技有限公司
    海联金汇科技股份有限公司
    哈尔滨电气集团佳木斯电机股份有限公司
    电光防爆科技股份有限公司
    江西森阳科技股份有限公司
    江西特种电机股份有限公司
    山东华力电机集团股份有限公司
    浙江金龙电机股份有限公司
    上游厂商
    坎德拉(深圳)新能源科技有限公司
    沈阳微控新能源技术有限公司
    中车株洲电机有限公司
    北京奇峰聚能科技有限公司
    罗特尼克能源科技(北京)有限公司
    山东海科新能源有限公司
    江苏泓慧飞轮技术有限公司
    山东天瑞重工有限公司
    亿昇(天津)科技有限公司
    成都凯磁科技有限公司
    产业链中游
    中游厂商
    北京泓慧国际能源技术发展有限公司
    贝肯新能源有限公司
    北京奇峰聚能科技有限公司
    华驰动能(北京)科技有限公司
    亨利科技有限公司
    盾石磁能科技有限责任公司
    沈阳微控新能源技术有限公司
    二重(德阳)重型装备有限公司
    坎德拉(深圳)新能源科技有限公司
    罗特尼克能源科技(北京)有限公司
    产业链下游
    渠道端
    山特电子(深圳)有限公司
    施耐德电气(中国)有限公司
    艾默生电气(中国)投资有限公司
    伊顿(中国)投资有限公司
    厦门科华恒盛电力能源有限公司
    深圳科士达科技股份有限公司
    易事特集团股份有限公司
    广东志成冠军集团有限公司
    溯高美索克曼电气(上海)有限公司
    台达电子(东莞)有限公司
    渠道端
    国家电网有限公司
    中国南方电网有限责任公司
    国家能源投资集团有限责任公司
    内蒙古电力(集团)有限责任公司
    山西地方电力有限公司
    四川省水电投资经营集团有限公司
    新疆新能电网建设服务有限公司
    陕西省地方电力(集团)有限公司
    吉林省地方水电集团有限公司
    广西水利电业集团有限公司
    渠道端
    中国北车股份有限公司
    中国南车集团公司
    中国中铁股份有限公司
    中国交通建设股份有限公司
    中国铁道建筑集团有限公司
    上海申通地铁集团有限公司
    北京市轨道交通建设管理有限公司
    武汉地铁集团有限公司
    成都轨道交通集团有限公司
    广州地铁集团有限公司
    渠道端
    深圳奥特迅电力设备股份有限公司
    杭州中恒电气股份有限公司
    北京动力源科技股份有限公司
    普天轨道交通技术(上海)有限公司
    哈尔滨九洲集团股份有限公司
    深圳市科陆电子科技股份有限公司
    国电南瑞科技股份有限公司
    许继电气股份有限公司
    广东南洋电缆股份有限公司
    浙江万马电缆有限公司
    产业链上游说明
    飞轮储能产业链上游包括储能轮体。飞轮储能产品储存能量的大小取决于轮体的质量和转速,储存能量与轮体质量呈正比例关系,与轮体转速呈平方关系,理论上增加转速更易提升储存能量,因此储能轮体可分为质量大的低速轮体和质量小的高速轮体。低速轮体通常由合金钢制成,通常转速在10,000r/min以下,优点是成本较低,制造难度相对较小,缺点是质量大,安装地点对于承重条件要求较高。高速轮体通常由碳纤维制成,通常转速在10,000r/min以上,优点是质量小,缺点是成本较高,制造难度相对较大。
    飞轮储能产业链上游包括储能电机。电机是实现飞轮储能装置从电能转化为机械能的关键部分,适用于飞轮储能系统的电机必须具备以下条件:电机可分别运行于电动机工况和发电机工况,实现能量双向转换;空载损耗低,电机效率高,保证飞轮储能系统长时运行、整体能量转换效率高;电机调速范围广,转速控制方式简单且可靠,满足飞轮储能系统运行转速工作范围;电机能量密度高,既能输出较大转矩,又能输出较大功率。永磁电机具有功率密度大、功率因数高、调速范围宽、效率高、体积小、起动性能好等诸多优良特性,随着永磁材料的不断改进提升,业界通常在飞轮储能系统中使用永磁电机。
    飞轮储能产业链上游包括飞轮外壳。飞轮外壳由真空室、轴承系统、散热系统等组成,起到保证飞轮高速安全运行的作用。由于依靠电力驱动进行旋转,高转速下风阻会极大影响转动能耗,所以必须在旋转腔室内营造真空环境。根据转速不同,设计真空度通常在1-100Pa不等;飞轮高速旋转,必须采用合理的散热方式,以免导致永磁体退磁等问题影响稳定性,业界通常采用风冷或空调制冷等方式;轴承系统主要采用被动磁轴承和主动磁轴承两种方式。在极端情况下,飞轮外壳和基础可对轮体爆裂故障发挥安全防护作用,就地消纳能量,有效避免发生严重安全事故。
    产业链中游说明
    飞轮储能系统相较于其他储能形式,拥有以下几点突出优势:1.大功率快速响应和快速充放能力:额定功率响应时间低于0.1秒,可配置大功率电机,实现能量快速深度充放,且飞轮储能类似传统发电机组,可为电网提供旋转惯性。2.超高循环充放次数和超长使用寿命:飞轮储能系统满功率充放电循环次数可超过10万次,储能部件设计寿命超过25年。3.飞轮储能系统荷电状态精确可测可控:飞轮转子转速和储能量成精确关系,可通过测量飞轮转子转速实现储能量的精确监测和控制。4.高安全可靠性与环保性:飞轮储能是物理储能方式,通过高速旋转的飞轮转子实现能量存储,没有燃烧和爆炸的风险,没有危险化学物的处理与回收问题,不产生任何环境污染。飞轮储能设备是以精密制造为基础的、多学科融合的机电一体化设备,其主要的瓶颈在于高质量和稳定性的规模化生产能力,目前中国大部分飞轮生产技术/产品还处于样机试制阶段,离规模化生产仍有较大距离,国内飞轮储能行业整体处于发展早期。另外飞轮储能也是针对性比较强的储能技术,发挥其优势需要一些应用场景支撑。
    产业链下游说明
    飞轮储能的下游应用包括UPS(不间断电源)。在各类数据中心、高端加工生产线、应急保电等领域,都需要提供UPS对服务器、关键生产设备等进行保障。目前传统UPS利用化学电池作为储能器件,受制于化学电池寿命短、环境要求高等短板,在数据中心等环境控制较好的场景通常3-5年需更换一次电池,在非恒温恒湿环境下,化学电池的寿命更短,造成成本增加、环境污染等问题。利用飞轮储能作为UPS的储能器件,可极大延长其使用寿命和可靠性,提高关键用电设备供电质量。由于飞轮储能能量转换效率极高,在负载率20%-100%的范围内,效率均能达95%以上,节电效果好。二重(德阳)重型装备有限公司信息中心承接了其公司范围内网络、办公、数据资料汇集及处理功能,原使用铅酸电池UPS进行不间断供电,2019年进行机房改造,利用飞轮储能不间断供电系统进行升级,替换原有铅酸电池116组,为信息中心的电力供应提供重要保障,同时在设计方案中将飞轮储能运行状态实时传输至数据机房动环系统,可对飞轮储能产品运行状态进行实时监控。
    飞轮储能的下游应用包括电网调频。电网中发电和用电不平衡会使电网频率发生波动,为了平抑这种波动,电网需配备总发电容量2%的调频电站。目前中国电网调频主要由发电机组承担,未来随着新能源入网比例增加,电网调频的需求将会更大。飞轮储能具备功率大、响应速度快、循环能力强等特性,可随电网的变化快速、有效地进行有功/无功补偿,平抑波动负荷,缓冲发电输出瞬变,支撑电网频率和电压,具有广阔的应用前景。美国Beacon Power公司在纽约州建设飞轮调频电站,总容量20MW,该电站于2011年投运,由飞轮阵列、升压系统、控制系统、冷却系统等组成,可承担该地区23%左右的调频能力,调频准确率在90%以上。近年来中国国内也开始出现飞轮储能参与电网调频的示范项目,2021年华驰动能作为核心设备供应商,为国家能源集团宁夏电力灵武公司光火储耦合22MW/4.5MWh飞轮储能工程提供电力级磁悬浮储能飞轮产品,该项工程即采用飞轮储能+火电联合调频,平抑电网波动。
    飞轮储能的下游应用包括轨道交通。飞轮储能系统可在轨道交通的牵引过程中实现节能与稳定网压。当前大部分地铁列车进站回收的电能通过电阻放热方式消耗,存在资源浪费和冲击电网的问题。安装飞轮储能装置的轨道交通牵引供电系统可在列车进站时回收电能,在列车出站时释放电能,发挥节约能源和稳定电网的作用。美国多个地铁站已进行飞轮储能的示范应用,可实现节电20%的显著效果。2019年,中国飞轮储能系统首次在电气化铁路实现应用,将兆瓦级飞轮储能装置投运在邯长铁路河北新固镇牵引变电站,利用火车进站刹车产生的巨大电能加速飞轮旋转,当火车提速出站时,飞轮可将能量释放给火车。飞轮储能系统不仅改善了铁路供电系统电能质量,还减少了电能的消耗,仅一个铁路牵引变电站每天即可节约3,000度电能。
    飞轮储能的下游应用包括电动汽车充电站。储能式电动汽车充电站主要应用于汽车大功率、快速充电的场合,受现有电网框架容量的限制,建设电动汽车充电站涉及电网的增容、城市规划调整等一系列问题。设有储能环节的大功率电动汽车快速充电桩系统,可减小充电桩对电网增容的压力,以磁悬浮储能飞轮为储能装置,充分利用储能飞轮慢充快放,即小功率充电、大功率输出的典型运行特征,不仅可以满足电动汽车快速充电的要求,又可以规避电网增容的制约。同时,由于储能飞轮功率密度高、体积小、布置灵活、绿色环保无污染,可布置于地下,消除了建设充电站对市容的影响,减小了城建工作的压力。2020年,阳煤集团和奇峰聚能在阳泉市投资6亿元合作建设飞轮储能项目,项目主营产品为飞轮储能轨道再生能量回收系统和电动汽车飞轮储能式大功率充电装置,截至2022年3月末,共生产完成飞轮储能装置20套。
    飞轮储能行业规模
    中国飞轮储能行业规模整体呈稳步上升态势。中国化学与物理电源行业协会储能应用分会统计显示,2018年中国飞轮储能装机规模仅1.1MW。从飞轮储能在中国储能市场的渗透率测算,2021年中国飞轮储能装机规模达5.7MW,2022年达12.3MW。预计2027年飞轮储能有望实现247.2MW的装机规模,市场规模达2.47亿元。
    飞轮储能作为以精密制造为基础的新兴储能技术,其市场规模的增长主要源于下游需求的拉动与政策影响。在电力系统中,飞轮储能最适合的场景是一次调频,新能源场站的一次调频需求爆发始于2021年,该年度中国可再生能源新增装机1.34亿千瓦,其中风电新增装机4,757万千瓦,光伏发电新增装机5,488万千瓦。随着大规模新能源并网,电网频率的波动愈来愈大,迫切需要飞轮储能这种短时高频的储能技术支持,2021年飞轮储能的累计装机规模也同比增长60.9%。国家政策的支持与行业标准的出台也是飞轮储能迅速发展的重要驱动因素。近年来新型储能相关政策密集出台,推动飞轮储能的规模化试验示范应用。2021年3月,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出实施飞轮储能示范项目,2021年7月,《关于加快推动新型储能发展的指导意见》提出坚持储能技术多元化,加快飞轮储能、钠离子电池等技术开展规模化试验示范。2022年,沈阳微控牵头编制完成团体标准《飞轮储能系统电网接入测试规范》,规定了额定功率500kW及以上的飞轮储能系统电网接入的测试条件、测试设备、测试项目及测试方法等,使得飞轮储能系统在电网中的测试、验收、应用有标准可依据,保障电网安全运行,也助力飞轮储能系统的进一步推广。
    未来中国飞轮储能市场规模有望持续稳步增长,预计2022-2027年市场规模年均复合增长率达32.2%。飞轮储能具备寿命长、能量转换效率高、环境适应性好等特质,应用场景多样,2021年中国可再生能源新增装机占全国新增发电装机的76.1%,风电新增装机占比27%,光伏发电新增装机占比31.1%,预计新能源电网调频的需求扩张将成为飞轮储能装机规模上涨的持续推动力。当前飞轮储能初次投资成本在5,000元/kW左右,是化学电池的5-10倍,未来伴随技术进步与行业规模效应的显现,飞轮储能的投资成本将呈缓步下跌趋势,而装机规模的增长将拉动整体市场规模稳步上升。
    中国飞轮储能市场规模2018-2022E
    *注释:飞轮储能市场规模=中国储能市场累计装机规模*飞轮储能渗透率*飞轮储能单位功率初次投资成本
    CNESA(中国能源研究会储能专委会),中国化学与物理电源行业协会储能应用分会,中国储能网
    飞轮储能政策梳理
    政策颁布主体生效日期影响政策内容政策解读政策性质
    《贯彻落实<关于促进储能技术与产业发展的指导意见>2019-2020年行动计划》国家发展和改革委员会办公厅,科学技术部办公厅,工业和信息化部办公厅,能源局综合司2019-078加强先进储能技术研发。在国家重点研发计划中,着力加强对先进储能技术研发任务的部署,集中攻克制约储能技术应用与发展的规模、效率、成本、寿命、安全性等方面的瓶颈技术问题,使我国储能技术在未来5-10年甚至更长时期内处于国际领先水平,形成系统、完整的技术布局,在重要的战略必争技术领域占据优势。进一步推进中国储能技术与产业健康发展,支撑清洁低碳、安全高效能源体系建设和能源高质量发展,形成新的具有核心竞争力的储能产业链。指导性政策
    《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录(2019年版)》工业和信息化部2019-127飞轮储能装置被列入《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录(2019年版)》,要求UPS飞轮输出功率≥100kW,放电时间≥15s;电网调频飞轮输出功率≥100kW,输出能量≥30MJ。对飞轮储能装置的输出功率、放电时间、输出能量做出详细要求,利于飞轮储能装置的推广应用与行业的规范健康发展。指导性政策
    《关于加强储能标准化工作的实施方案》国家能源局综合司,应急管理部办公厅,国家市场监督管理总局办公厅2020-018建立储能标准化协调工作机制。积极推进关键储能标准制定,鼓励新兴储能技术和应用的标准研究工作。推进储能技术创新与标准研制有效结合,鼓励在储能工程示范项目中开展标准应用、验证、研制,将成功的工程应用经验转化为标准。积极承担储能技术国际标准制修订任务,实质性参与储能技术领域的国际标准化工作。深入贯彻能源安全新战略,强化顶层设计和工作统筹,科学建设储能标准体系,有力支撑储能技术与产业发展,利于形成政府引导、多方参与的储能标准化工作机制,推进建立较为系统的储能标准体系,加强储能关键技术标准制修订和储能标准国际化。指导性政策
    《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》第十三届全国人民代表大会第四次会议2021-038前瞻谋划未来产业,在类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等前沿科技和产业变革领域,组织实施未来产业孵化与加速计划,谋划布局一批未来产业。加快抽水蓄能电站建设和新型储能技术规模化应用,实施电化学、压缩空气、飞轮等储能示范项目。着眼于抢占未来产业发展先机,培育先导性和支柱性产业,推进能源革命,建设清洁低碳、安全高效的能源体系,提高能源供给保障能力。指导性政策
    《关于加快推动新型储能发展的指导意见》国家发展和改革委员会,国家能源局2021-079坚持储能技术多元化,推动锂离子电池等相对成熟新型储能技术成本持续下降和商业化规模应用,实现压缩空气、液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期,加快飞轮储能、钠离子电池等技术开展规模化试验示范,以需求为导向,探索开展储氢、储热及其他创新储能技术的研究和示范应用。加强顶层设计,统筹储能发展各项工作,完善优化储能项目管理程序,推动储能技术进步和成本下降,有效促进飞轮储能等技术开展规模化试验示范,壮大产业体系。指导性政策
    《“十四五”新型储能发展实施方案》国家发展和改革委员会,国家能源局2022-019到2025年,新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段,具备大规模商业化应用条件。新型储能技术创新能力显著提高,核心技术装备自主可控水平大幅提升,标准体系基本完善,产业体系日趋完备,市场环境和商业模式基本成熟。其中,兆瓦级飞轮储能等机械储能技术逐步成熟;氢储能、热(冷)储能等长时间尺度储能技术取得突破积极开展新型储能关键技术研发,采用“揭榜挂帅”机制开展储能新材料、新技术、新装备攻关,加速实现核心技术自主化,推动产学研用各环节有机融合,加快创新成果转化,提升新型储能领域创新能力。指导性政策
    飞轮储能竞争格局
    中国飞轮储能行业整体竞争格局较为分散,尚未形成绝对寡头格局,占据优势地位的企业如泓慧能源、华驰动能、沈阳微控拥有大量飞轮储能相关专利,积极参与行业标准制定,形成较深的技术护城河。
    飞轮储能行业的分散格局一方面是由于飞轮储能行业尚处发展早期,仍在示范应用中,初次投资成本较大,而盈利能力较弱,对行业新进入者吸引力较低。2023年2月,青岛东湖绿色节能研究院有限公司中标并与青岛地铁签署了“青岛地铁6号线一期工程再生制动能量吸收装置采购项目”供货合同,项目包含4套飞轮储能装置,总合同额超5,000万元,是全国首条地铁整线MW级飞轮储能技术在轨道交通行业内的工程应用,同时也是飞轮储能装置在全国范围内最大单笔订单。与动辄数亿级的新型储能项目相比,飞轮储能的项目金额较低,仍在商业化探索中,尚未形成激烈的竞争态势。另一方面是因为飞轮储能产品应用广泛,各大企业主攻方向不同,技术各有亮点,呈现竞合关系。例如贝肯新能源专攻电网调频应用领域,特别是电网的二次调频业务,基本商业模式是对外输出飞轮储能调频电站的项目开发、设计集成、产品供货、电站建设以及运营维护的能力,帮助客户在电网辅助服务市场中获益。沈阳微控的核心技术在于主动磁悬浮轴承和高速永磁电机等,主张在电力系统应用之外积极拓展多元化应用领域,如UPS保障、电能质量治理、国防、能量回收等方面。华驰动能提供秒级、分钟级和小时级储能飞轮产品,秒级飞轮运用于UPS和地铁制动能量吸收再利用,分钟级别的飞轮用于调频,达2小时级别的飞轮可以进行风电、光伏电站、火电机组的灵活性调峰等,华驰动能的主打场景是电力能源调频和一部分调峰。飞轮储能行业下游市场广阔,而具备相应资质的参与者相对较少,主打应用场景呈差异化发展,因此企业之间的竞争激烈程度较低。
    未来随着行业下游需求持续扩张,行业参与者有望逐步增加,竞争趋向激烈,国机重装、湘电股份等传统机械行业国企凭借多年经验优势,积极切入飞轮储能行业。2021年,国机重装飞轮储能装置签订葛洲坝、移动式电源车等多个项目,实现在多能互补综合能源项目和应急保障行业的突破。湘电股份发挥“机电一体化”优势,整合在高速永磁电机、电磁轴承等领域的技术积累,一举突破高能量密度飞轮电机一体化设计与制造、低损耗高可靠性大承载力混合磁轴承等关键核心技术,参与联合研制的1MW飞轮储能装置在青岛地铁3号线投入使用,预计年节电约50万度,30年可节电1,500万度,节省电费约1,065万元。由于飞轮储能行业现处发展初期,未来可能出现周期性波动,具备雄厚资金实力与强劲研发能力的企业将能更好地应对市场震荡,中小企业将加速出清。泓慧能源2021年完成1亿元人民币战略融资,2022年再度进行C轮融资,沈阳微控也于2022年实现A轮融资,积极扩大研发生产规模,提前抢占市场份额。
    上市公司速览
    山西华阳集团新能股份有限公司 (600348)
    总市值
    /
    营收规模
    1,833,361.74万元
    同比增长(%)
    -2.93
    毛利率(%)
    40.37
    飞轮储能代表企业分析
    沈阳微控新能源技术有限公司
    企业状态
    存续
    注册资本
    5605.3276万人民币
    企业总部
    沈阳市
    行业
    研究和试验发展
    法人
    张庆源
    统一社会信用代码
    91210106MA0XKUD00Y
    企业类型
    有限责任公司(自然人投资或控股)
    成立时间
    2018-03-06
    经营范围
    磁悬浮轴承技术研发、技术咨询、技术服务;磁悬浮轴承产品制造、销售;磁悬浮飞轮、电机、鼓风机、压缩机、磁悬浮轴承控制器、发电机、分子泵、机械配件、设备控制系统的研发、制造、销售;设备安装工程施工、维修、技术咨询、技术服务;电力电子产品的研发、制造及技术服务;软件开发;系统集成及技术咨询、技术服务;节能产品技术研发、制造、销售;节能技术咨询、技术服务;合同能源管理;自营和代理各类商品和技术的进出口,但国家限定公司经营或禁止进出口的商品和技术除外;自有房屋出租;代收水电费。(依法须经批准的项目,经相关部门批准后方可开展经营活动。)
    品牌名称
    沈阳微控新能源技术有限公司
    沈阳微控新能源技术有限公司融资信息
    沈阳微控新能源技术有限公司竞争优势
    沈阳微控新能源技术有限公司是国家高新技术企业,总部位于中德(沈阳)高端装备制造产业园,在深圳、美国洛杉矶设有研发中心,在国内多个城市设有分支机构。微控公司掌握了全球先进的磁悬浮轴承、高速永磁电动机/发电机及电力电子技术,拥有国内/国际专利50余项,是辽宁省主动磁悬浮技术应用工程研究中心依托单位,承担了辽宁省、深圳市多项重大专项或科技攻关课题的研发。微控磁悬浮储能飞轮产品采用五轴主动磁悬浮的轴承体系,飞轮在密闭的真空容器中处于无接触的完全磁悬浮状态,以每分钟高达41,000转的转速高速旋转,拥有业界较高的功率密度。产品充放电循环次数超过200万次,使用寿命长达20年。微控飞轮储能技术可广泛应用于电力、数据中心、工业、电信、医疗、交通运输等行业公司,产品全球部署规超过3,000台,稳定运行时间超过10万小时,验证了微控产品具备业界最佳的性能及品质。
    沈阳微控新能源技术有限公司官网
    北京奇峰聚能科技有限公司
    企业状态
    存续
    注册资本
    8571.4286万人民币
    企业总部
    市辖区
    行业
    科技推广和应用服务业
    法人
    蒋涛
    统一社会信用代码
    9111010168924459XY
    企业类型
    其他有限责任公司
    成立时间
    2009-05-04
    经营范围
    技术推广服务;销售机械设备。(市场主体依法自主选择经营项目,开展经营活动;依法须经批准的项目,经相关部门批准后依批准的内容开展经营活动;不得从事国家和本市产业政策禁止和限制类项目的经营活动。)
    品牌名称
    北京奇峰聚能科技有限公司
    北京奇峰聚能科技有限公司融资信息
    北京奇峰聚能科技有限公司竞争优势
    北京奇峰聚能科技有限公司是中国领先的集飞轮储能技术研究、产品开发、生产、销售及服务于一体的高科技公司。在国家863计划和工信部重大科技创新计划支持下,开发出了国际领先的具有完全自主知识产权的大功率飞轮UPS、飞轮储能调频电站、储能式电动汽车快充桩、大功率脉冲电源等产品。共申请专利86项,已授权44项,全面覆盖产品各项关键技术。公司利用技术领先优势,针对客户行业的实际需求,提供节能改造、合同能源管理、微电网开发等系统性解决方案和衍生服务。
    北京奇峰聚能科技有限公司官网
    北京泓慧国际能源技术发展有限公司
    企业状态
    存续
    注册资本
    1975.1738万人民币
    企业总部
    市辖区
    行业
    科技推广和应用服务业
    法人
    王佳良
    统一社会信用代码
    91110113335583869M
    企业类型
    其他有限责任公司
    成立时间
    2015-04-14
    经营范围
    输配电及控制设备组装;技术开发、技术推广、技术转让、技术咨询、技术服务;零售机械设备、电子产品、建筑材料(不含砂石及砂石制品);销售通讯设备、金属材料(不含电石铁合金)、家用电器、计算机及辅助设备、计算机软件(不含计算机信息系统安全专用产品);经济贸易咨询、投资咨询、企业管理咨询;企业策划;会议服务、承办展览展示;公共关系服务;资产管理;代理进出口、货物进出口、技术进出口(以上两项不含法律、法规规定需要审批的项目)。(市场主体依法自主选择经营项目,开展经营活动;依法须经批准的项目,经相关部门批准后依批准的内容开展经营活动;不得从事国家和本市产业政策禁止和限制类项目的经营活动。)
    品牌名称
    北京泓慧国际能源技术发展有限公司
    北京泓慧国际能源技术发展有限公司融资信息
    北京泓慧国际能源技术发展有限公司竞争优势
    北京泓慧国际能源技术发展有限公司是一家军民融合、航空航天转民用的高科技企业。公司汇聚了来自航空航天、电力电子、自动控制和能源领域的先进前沿技术人才,经过多年的潜心研究和不懈努力,成功开发了具有完全自主知识产权的大功率磁悬浮飞轮储能技术,应用于保电场所、石油钻井、轨道交通、新能源、微电网、数据中心、港口码头、军事等领域,并实现了磁悬浮飞轮的大规模商业化制造,为客户提供节能、储能和电能质量改善的全面解决方案。泓慧能源大功率磁悬浮飞轮系列产品打破了国外垄断,填补了国内空白,实现了飞轮储能关键技术的自主可控。泓慧能源是国家高新技术企业、中关村高新技术企业,先后获得清华同方、北京协同创新研究院、国家开发投资公司旗下创投基金,以及共青城恒哲优基金的战略投资。泓慧能源荣获工信部主办的2017“创客中国”创新创业大赛企业组唯一的一等奖,2018年国际储能大会技术创新TOP10大奖,2019年储能应用创新典范TOP10大奖,2020中车创新创业大赛一等奖。2017年公司中标圆晶厂飞轮UPS项目近亿元大订单,2018年成功交付16MW动态飞轮UPS系统,这是中国完全自主知识产权的飞轮储能技术第一次在全球顶级的半导体制造领域内获得大规模应用,具有划时代的标志性意义。2019年,成功交付国网顺义供电局飞轮移动电源车、中石油飞轮储能能量回收系统、国网顺义供电局飞轮储能直流电站等项目。2020年成功交付平高交流能量系统项目、联合中核汇能承担内蒙古自治区“MW级先进飞轮储能专项研究”项目、通过铁科院CRCC型式试验权威检测认证并承担郑州地铁示范项目、飞轮储能关键电源系统通过军队某研究院验收等项目。
    北京泓慧国际能源技术发展有限公司官网
    [1]
    国际科技创新中心
    [2]
    头豹研究院,济宁伟乐玻璃纤维设备厂官网,《基于金属材料强度及储能密度的储能飞轮结构设计》
    [4]
    《飞轮储能技术研究五十年评述》,中国储能网,《中国科学报》,头豹研究院
    [6]
    中国储能网,中国电力新闻网,中国电工技术学会,中国网财经,国家能源局
    [7]
    国家发展和改革委员会,工业和信息化部,国家能源局,中国政府网
    [11]
    企查查,中国能源网,亿邦动力
    [13]
    沈阳微控新能源技术有限公司官网
    [14]
    北京奇峰聚能科技有限公司官网
    [15]
    北京泓慧国际能源技术发展有限公司官网
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