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。
一、飞轮储能行业产业链分析
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。
图表：飞轮储能行业产业链分析
资料来源：中经百汇研究中心
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。
二、飞轮储能产业链上游分析
1、飞轮储能轮体
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。
2、飞轮储能电机
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。
3、飞轮外壳
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。
三、飞轮储能产业链中游分析
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。
四、飞轮储能产业链下游分析
1、UPS（不间断电源）
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。
2、电网调频
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。
3、轨道交通
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。
4、电动汽车充电站
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。
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