飞轮储能行业研究
2024-09-20
飞轮储能基本概念
飞轮储能是一种物理储能方式，由真空磁悬浮条件下高速旋转的飞轮转子来储存能量，本体由高速飞轮和同轴的电动/发电机构成。
飞轮储能具有安全、瞬时、高效、高频次、大功率充放电特性，是目前在电网调频、新能源电站调频、轨道交通能量回收、石油钻井能量回收、大功率工业电源切换、大功率UPS、军工特种电源等领域唯一的功率型储能技术。
从结构上来看，飞轮储能包括三个核心部分：飞轮、电动/发电机、电力电子变换装置。其中，飞轮是整个产品的核心部件，直接决定着储存能量的多少；电力电子变换装置决定了输入输出能量的大小。
图1：飞轮储能原理示意图
图片来源：3060公众号，恒旭资本整理
飞轮储能产业链
飞轮储能的产业链上游包括钢铁制造、碳纤维、变流器、磁体材料、高速电机、IGBT、芯片、控制技术等。
产业链下游主要是各类应用场景，如UPS不间断电源、充电桩、轨道交通制动能量吸收装置、电网调频等。
图2：飞轮储能产业链
图片来源：恒旭资本整理
飞轮储能成本大幅下降，商业化应用将至
飞轮储能是一门多学科交叉的综合性技术，早期用于军事航空，代表了一个国家高端装备制造领域的先进水平。核心技术难点包括磁悬浮的支撑和控制技术、大功率高精度电机充放电控制技术等，作为一套软硬件一体化的复杂系统，需要在实践过程中长期运行、不断迭代优化改进，长期的研发投入和技术积累非常重要。
随着飞轮储能逐步普及商用，从2016年到2022年，飞轮的成本从人民币100万元/kwh发展到了5000元/kwh，单体功率从1mw发展到了4mw，储电能力从16kwh发展到了1000kwh，展现了商业化价值潜力。
飞轮储能的储电能力主要靠转子的动能决定，动能与转动惯量和转速成正相关，转动惯量大小和转速快慢受限于材料特性和材料密度。如何选择高密度、高韧性的材料是未来飞轮降本的关键，这有赖于材料学科的逐步突破，并在未来规模商业化后实现降本。
图3：储能相关技术成熟度曲线
图片来源：恒旭资本整理
飞轮储能下游应用场景
飞轮储能适用于充放电频次高、响应速度快、功率大，且放电时间短的应用场景，主要包括电网调频、不间断电源、地铁能量回馈三大领域。其中，飞轮储能调频市场规模预计到2025年可达300亿元以上。
图4：飞轮储能主要应用及性能优势
图片来源：科尔尼咨询，恒旭资本整理
新能源装机驱动电网调频需求飞轮储能具有调频优势
风光天然的间歇性波动增加了电网不稳定风险，随着风电、光伏装机的增加，电力系统需搭配的可调节资源需求逐渐增加。电网平衡管理是一个重要课题，据了解，新能源接入比例超20%以后，电网灵活性调度资源将面临紧缺问题，增补高效、长时的可调节资源对于提升电网稳定性和新能源消纳有重要意义。
图5：中国能源结构及预测
图片来源：壳牌中国《中国能源体系2060碳中和报告》，恒旭资本整理
图6：新能源渗透率越高，系统频率跌落深度越大
图片来源：CAA发电自动化
我国的调频资源匮乏，主要是依靠火电机组和抽蓄电站，但由于其响应时间长，调频速率低，只适合幅度较大，方向较单一的调频情形，在一次调频中响应效果较差，未来满足一次调频需求的储能主要为功率型设备。
飞轮储能较其他储能在调频有明显优势，其调频效率是燃煤机组的30~40倍；较锂电响应速度更快、爬坡能力更强，具备瞬间调节、精确输出、快速折返等性能，AGC跟踪曲线几乎与AGC指令曲线重合。此外，飞轮储能也可辅助抽水蓄能和电化学储能等长时储能装置进行调峰、调频，提高机组的使用寿命。
图7：不同储能技术的优势区间
图8：火电调频示意图
火电调频存在反向调节和响应偏差、时延等问题
图9：储能调频示意图
配套储能调频能做到精准调节
图片来源：新能源前沿战队等，恒旭资本整理
飞轮储能用于调频为蓝海行业，市场空间广阔
飞轮储能适用于电网调频服务，未来具有发展潜力：
（1）政策对于新能源并网的硬性要求：随着新能源并网发电比例增高，以及国家标准GB38755-2019《电力系统安全稳定导则》对于“电源（指接入35kV及以上电压等级电力系统的风力发电、光伏发电及储能电站等）均应具备一次调频、快速调压、调峰能力”的规定，调频需求在中短期会迅速增长。
（2）商业化落地情况最优，近3年来已有飞轮储能企业与全国各地电网侧知名企业合作的储能＋飞轮调频项目。
（3）调频市场潜在市场空间广阔。根据公开数据测算，飞轮储能电网调频潜在市场规模于2025年可达326亿元。
图9：市场空间测算
图片来源：北极星储能网、国家能源局、中金公司等，恒旭资本整理
恒旭投资观点
飞轮储能具备安全、瞬时、高效、高频次、大功率充放电等特性，是目前在电网调频、新能源电站调频、轨道交通能量回收、石油钻井能量回收、大功率工业电源切换、大功率UPS、军工特种电源等领域唯一的功率型储能技术。
飞轮储能的特性适用于电网调频服务，未来新能源装机增多驱动电网调频需求增加，伴随地方电网如山西电网等陆续出台调频服务的市场规则，飞轮储能用于电网调频的市场空间将快速提升；下游的市场化需求增长带来飞轮产品规模成本的下降，将进一步提升飞轮储能的经济价值。
关注拥有长期技术研发能力的飞轮集成商或飞轮新材料的开发商；关注各地电网调频市场的开放进度，飞轮储能凭借其良好的响应能力可收获较高的电站投资价值，值得另类业务投资布局。
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