始于绿色和安全，碳中和目标下，飞轮储能将堪大任

来源:中国能源报 《能源高质量发展》 韩逸飞

在碳中和目标驱动下,构建以新能源为主体的新型电力系统已成为必然之选。但新能源发电的波动性、消纳困境以及弃风弃光问题仍然存在,而储能将在发电侧、输配电侧和用电侧击破以上新能源行业痛点,被认为会形成一个“万亿级”的市场风口。

9月16日,在清华五道口“碳中和经济”论坛上,中国工程院院士、清华大学化学科学与技术研究院院长金涌在演讲中指出,可再生能源加上储电技术将是人类未来能源的解决方案。金涌还指出,要实现“双碳”目标,必须要创新,要颠覆原有思想。“有很多东西都是可以想象的,原来不可能做的事、绝对想象不到的事,现在都变成可能了。我们一定要开动脑筋,把不可能的事变成可能。”

在业内人士看来,集合了绿色和安全等诸多优点的飞轮储能技术将成为“颠覆原有思想”“把不可能的事变成可能”的重要选项,必将在碳达峰、碳中和目标实现中承担更大责任。

从航天到地铁,飞轮储能应用不断开疆拓土

飞轮储能的历史可以追溯到50多年前,彼时美国国家航空航天局开始研究磁悬浮动量轮。之后的几十年间,在进入商业应用之前,飞轮储能系统技术主要应用于飞船、卫星等航天器或者军工及核燃料分离等领域。20世纪90年代以来,飞轮储能的技术瓶颈逐渐得到突破,发展速度加快,应用领域不断拓宽,在电网储能及调频、分布式电网、新能源发电、UPS电源、地铁轨道交通等领域不断得到认可。

据了解,全球范围内,电力系统是飞轮储能的重要下游市场,电网调频是其主要应用领域,项目数量占比达到55%以上,其次是分布式电网,项目数量占比在25%左右。随着技术进步,飞轮储能在轨道交通能量回收领域的需求也在快速上升。

“飞轮储能作为一种电能与机械能相互转换的储能方式,利用磁悬浮技术和电磁感应原理带动飞轮高速旋转,将能量存储在高速旋转的飞轮转子中,通过电力电子技术控制飞轮随时充放电,是一种安全绿色环保,全生命周期无污染的物理储能方式。”北京泓慧能源技术发展有限公司(以下简称“泓慧能源”)董事长王佳良向笔者解释了飞轮储能的基本原理和优势,“飞轮储能具有高功率密度、充放电次数无限制、环境适应性强、无污染、工作效率高、使用寿命长、维护费用低等优点,可应用范围广。”

据介绍,泓慧能源成功开发了国内完全自主知识产权的飞轮储能系统,实现了磁悬浮飞轮的大规模商业化制造,是目前国内应用领域和项目最多的企业。

图为泓慧能源董事长王佳良在接受《能源高质量发展》杂志专访

从追随到超越,到得到广泛认可

对于为什么进入相对小众的飞轮储能领域,王佳良坦言,他和团队专门调研过飞轮储能技术,发现这种储能技术与抽水蓄能、电化学储能等方式相比具有众多优点。“飞轮储能作为一种具备高频次瞬间精准放电能力的储能技术,具备安全性高、使用寿命长、整个生命周期无污染、回收残值高等特点,不仅可以用于数据中心、半导体生产线、机场、移动电源车等领域的应急电源保障,更可以用于风电、光伏等新能源发电的调峰调频、石油钻井、页岩气压裂车和轨道交通的能量回收等多个领域。”

谈及缘起,王佳良讲起自己的“入行”故事:“2007年时,国家电网公司开始应用飞轮技术来保电。那时候,配有飞轮储能的电源车是从美国进口的,一台车售价一千五六百万元,各种维护都需要请美国的工程团队,整个过程繁琐且昂贵。我就此判断这种技术的市场空间非常巨大。于是2015年,我组建了以北京航空航天大学飞轮储能科研人员为核心的全球化团队。”

几年前,在美国、加拿大考察时,泓慧能源团队发现他们的飞轮储能调频电站效果非常好,但造价昂贵,且单体飞轮功率只有一两百千瓦。王佳良信心满满地表示,经过几年追赶,我们已经实现了超越,单体就可以做到5兆瓦,160千瓦时的量级,在电网调频调峰方面的应用空间非常大。

“中国拥有强大的机械制造业基础,就如同当初风电和光伏在中国得到规模化生产应用并快速发展一样,飞轮储能在完成技术突破后,也可以在中国凭借健全的产业链、良好的政策优势,来降低成本和得到更广泛的应用。”王佳良认为,风电和光伏在我国的发展路径就是飞轮储能的未来之路。

方向已定,但得到国内外市场的认可也并非一帆风顺。王佳良透露,作为新兴创业公司,在参与项目招标过程中,难免会面临招标方的刁难。“此前参与的一次招标中,招标方是美国的芯片公司,他们用有色眼镜来审视中国企业。当他们看到我们的投标方案后,发现泓慧能源的报价比美国的飞轮储能公司低不少,整个方案设计却没有任何瑕疵。如果泓慧能源也是一家外企,或许他们会痛快地签下标书,但正因为我们是一家中国的创业公司,他们请来了外国的专家对我们的飞轮技术进行多轮‘拷问’。当时我们准备了厚厚的英文资料,要展示我们的科研实力,但外国专家甚至听的意思都没有,想直接否定我们。是我一个巴掌拍在桌子上镇住了他们,然后阐述了我们的诚意和后发优势,才把外国专家留下来听完。”王佳良说到此处,再次把手拍在了桌子上,“听完我们的阐述后,他们服了,最后合同也签了。”

如今,认可泓慧能源产品的国内外企业越来越多了。泓慧能源合作伙伴名单也在不断延长:平高集团、中国石油集团、西门子能源集团……

图为泓慧能源飞轮储能交付国网储能项目

构建新型电力系统为飞轮储能再创良机

当前,我国在构建以新能源为主的新型电力系统,随机波动性和间歇性是其主要局限性,这对电力系统快速灵活调节提出新的挑战,需要大力发展各种类型的储能资源,全面提升电力系统的负荷调控能力。对此,飞轮储能具体该如何有效应对?

据介绍,飞轮储能由于可以实现大功率快速充放电,在电力系统快速负荷调节方面具有独特优势,可以广泛应用于电网独立调频、火电+储能、新能源(风光)+储能、微电网及综合能源等,具有广阔发展前景。除了电力系统,大容量功率型飞轮储能也可以在其他电能快充快放领域发挥更大作用。飞轮转子转速和储能量成精确关系,因此,飞轮储能系统可以实现飞轮转子转速精确测量和控制,还可以通过将多个飞轮储能单元组成阵列,实现较大容量的能量快速精确充放。

事实上,相较于电化学储能,飞轮储能具有诸多独有的优势,尤其是物理储能的良好安全性能引人关注,不会有燃烧爆炸风险。尽管因为其技术难度大,国内外个别科研机构在研发环节曾发生过意外,但商业化应用的飞轮储能系统罕有安全事故发生。作为高端装备制造产品,和汽车、高铁、飞机等产业一样,只要做到科学的产品设计、严格的质量控制、规范的运行操作,飞轮储能的安全性是非常好的。

不仅如此,飞储能还具有很高功率密度和快速响应能力,额定功率响应时间低于0.1秒。同时,具有超多循环充放次数和超长使用寿命,充放电循环次数可达千万次,使用寿命超过20年。

泓慧能源16MW飞轮动态UPS 晶圆厂大规模应用

增长势头良好并不等于行业发展是一片坦途。我国飞轮储能行业还有一些待突破的瓶颈。比如,当前成熟运行的飞轮储能产品还较少,运行功率较低,后备时间短,部分技术性能需要进一步完善。现阶段飞轮储能商业化应用还存在成本偏高、缺少价格激励政策、技术路线不够成熟、技术规范、接入标准、建设规程不完备等问题。

谈及飞轮储能行业科研的艰辛,王佳良感慨良多,基础科学硬科技领域的点滴突破都来之不易,行业内有的技术路线在实验室阶段就被验证行不通,甚至是付出了沉重的代价。

好在,泓慧能源的飞轮储能技术正在不断实现自我突破。据介绍,该公司已经具备了功率型和能量型不同的产品类型,能量型飞轮储能单机可以存储160度电,功率型飞轮单机可提供5兆瓦的额定功率,通过不同的串并联,飞轮储能也可以做到长时间、大功率储能。“

同时,为进一步降低产品成本、提高产品性能和质量,最近,泓慧能源与全球领先的高端装备先进基础材料制造商、科创板上市公司广大特材达成了全面战略合作,结合广大特材在装备制造、先进材料、生产工艺、质量控制等多方面的优势,强强联合,优势互补,在清洁能源领域的科技创新、装备研制、成果转化、平台建设等方面展开全方位的合作。”王佳良表示。

“飞轮储能能够有效降低化学电池消耗和因化学电池带来的材料大幅上涨、起火爆炸等问题的发生概率,是实现‘双碳’目标的支撑技术之一。”采访最后,王佳良呼吁,当前对飞轮储能行业来说,最重要的是要尽快从政策鼓励、科技示范、相关国家标准修订等不同层面予以支持和完善。其次,产业链环环相扣,一个环节阻滞,上下游企业都无法运转。要凝心聚力,加快飞轮储能产业链各环节协同创新,促进飞轮储能产业稳定发展。