清華大學(xué)副研究員戴興建：飛輪儲能容量、效率、壽命及其應(yīng)用辨析
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4月2-4日，“儲能國際峰會暨展覽會2018（ESIE 2018）”在北京國家會議中心舉行。清華大學(xué)副研究員戴興建在主題論壇上做演講。以下為演講內(nèi)容：
清華大學(xué)副研究員 戴興建：
感謝儲能聯(lián)盟的邀請介紹飛輪儲能的一些基本的說法，因為儲能各種各樣，飛輪儲能是一個比較特殊的技術(shù)。包括有三點，首先介紹國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，把這幾個參數(shù)和應(yīng)用做一個介紹，最后，大家很關(guān)心成本，我們也有一個估計，因為做的時間也比較長了，在儲能里頭有一種需求，叫高頻次，短式高頻次。前面介紹的充放電次數(shù)可能在一萬次，飛輪儲能的充放電次數(shù)可以超過10萬次，甚至更長。飛輪儲能也要追求高性能，包括大容量，飛輪的單機容量可以做的很大，我們講的功率，幾百個飛輪并聯(lián)以后可以做到數(shù)十兆瓦，上百兆瓦。
飛輪儲能這個技術(shù)是從國外五六十年代開始做，做了五六十年了，在技術(shù)指標(biāo)上確實有一些突破，我們講單機功率國外已經(jīng)做三兆瓦，清華前年做出一兆瓦的系統(tǒng)。能量，他拿鍍電衡量不是他的長項，短時大功率?，F(xiàn)在國外對低速飛輪可以做到十即度電，中低速。三兆瓦的系統(tǒng)存了六十兆焦，在比較重要的供電場合是比較合適的。另外一組飛輪是高速飛輪，高速飛輪轉(zhuǎn)速超過一萬轉(zhuǎn)。這時候功率就上不去了，我們可以看到國外最高的是330千瓦，國內(nèi)可以做到三百千瓦，能量90兆焦大概25度電，我們跟電池一樣。國外的高速可以到2200轉(zhuǎn)，國內(nèi)1600轉(zhuǎn)，并且國內(nèi)也是樣機的水平。國內(nèi)從九即年開始做飛輪儲能，最近幾年有更多的單位做這些事兒，這是因為儲能這個行業(yè)在快速的發(fā)展，有它的需求，飛輪儲能針對短時高頻次，對功率要求很高，但是對能量要求不高的場合，它是有它的用武之地的。
國內(nèi)這些年有一些突破，單機研制方面在縮小差距。要做到電網(wǎng)用途，我們單個可以做到幾百千瓦到幾個兆瓦，在美國有兩個20兆瓦的儲能電站，單個電站是200個飛輪，這和國外還是有一些差距。
我們近期想在國家重點研發(fā)計劃里頭做一個飛輪陣列，并且在電網(wǎng)短時高頻次的用途上做一個示范應(yīng)用。單機容量，對低速飛輪來講可以到600千瓦到三兆瓦，高速電極功率做不到，由于收到電機損耗 ，我們通過200到1000個單機就可以做到高功率的儲能系統(tǒng)。所以我們覺得飛輪儲能還是一種短時，他的充放電在分秒級的，高功率。
這么一個大的儲能系統(tǒng)，我們也可以不按他的額定功率把時間延長，比如原來堅持30秒，就可以做到5分鐘。剛才說的是容量，第二個問題效率。有的做飛輪的單位去講效率，說99%，98%，我不知道他提的這個效率是什么？對于我們搞儲能來講，你進去多少度電，拿出來多少度電，這才是真正的能量效率。充電包括兩個過程，我們假設(shè)是98%，放電還有兩個98%，再加上其他的損耗，所以我們覺得效率能做到86%到94%這個區(qū)間就是我們所說的循環(huán)的能量效率，這個數(shù)字才是合理的一個區(qū)間。如果說99%，98%，我不知道他說的是什么效率。
第三個問題壽命，因為飛輪是用金屬材料或者復(fù)合材料，它的強度疲勞壽命、設(shè)計可以做到10萬次以上。電機材料也是比較成熟的，電力電子材料和其他的做功率變換的是一樣的。它的兩個軸承和輔助系統(tǒng)可以通過維護來達(dá)到長壽命。問題是，這么長的壽命用在什么地方？我們在很多參考文獻(xiàn)可以看到飛輪的壽命十萬次以上，這個是靠譜的，有科學(xué)依據(jù)的，但是用在哪個地方，根據(jù)我們做這么多年的飛輪的經(jīng)驗，在車輛動能再生領(lǐng)域是有高頻次的。我們在中原油田項目里頭，在短短4個月充放電達(dá)到1萬2千次，對高頻次的，我們覺得它的是有它的用武之地的，第二個用途，如果每天10次或者20次，每年是幾千次，也有它的用武之地。還有一種想法，用到調(diào)峰，調(diào)峰可能這個次數(shù)就不夠了，每天一次，一年也就300多次，是萬次要用多少年呢？30年，對很多投資人難以接受，或者不愿意投那么遠(yuǎn)。
最后一個問題關(guān)于成本，這張表是2015年的一個文獻(xiàn)，這是我們的一個參考，從這每千瓦的歐元數(shù)看，和其他相比還是比較低的一個成本。注意，它的單位是千瓦，不是千瓦時，論度電它就沒有競爭力了。要發(fā)揮它的長處，短時高頻次，用功率來衡量它，它還是有優(yōu)勢的。這個是講它的維護。
在這里頭，最后是講的考慮到各種因素以后，它的成本還是比較低的水平。我們強調(diào)它在高頻次充放電的條件下，以千瓦來衡量它的價格。這個講的是在調(diào)頻用途里頭，它和鋰電池，鉛酸電池比，每年的循環(huán)價格還是比較低的一個價格。所以如果調(diào)頻市場，每年在幾千次的充放電市場里頭，應(yīng)用里頭，我們覺得飛輪儲能還是有競爭力的，它的競爭力還表現(xiàn)在它的材料是成熟的，技術(shù)是相對成熟的，不會從基本的材料體系開始研究。
這是美國能源部的一個數(shù)據(jù)，也是講的飛輪儲能對于調(diào)頻這個市場。單次調(diào)頻的成本還是比較低的。
第三，關(guān)于飛輪儲能的應(yīng)用。幾個應(yīng)用，八九十年代針對航天應(yīng)用，車輛在歐洲發(fā)展的比較多，主要是對公交系統(tǒng)的頻繁有剎車動能再生的場景，包括起重機械也是能量回收，加起來的市場和動態(tài)UPS，以及新能源發(fā)電，電網(wǎng)調(diào)頻都是一個小的市場。我們剛才說幾千次充放電從美國儲能電站提供的運行的數(shù)據(jù)，它占到這個電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)頻的容量只有10%，但是它承擔(dān)了30%的調(diào)頻操作。在三千到五千次電壓調(diào)頻場合里它是有優(yōu)勢的。我們講十萬次以上要注意在我這個設(shè)備投資期或者是運行期間到底十萬次能不能用上？這個要考慮。所以我們覺得五千次每年功率性的用途最適合飛輪儲能的。
另外一種用途，關(guān)于能量用途，這是2012年出的，想跟電池競爭，做電池型的飛輪，他能做到0.4每千瓦時。我們的結(jié)論是，單機的容量可以做的很高，效率86%到94%，這是比較合理的區(qū)間，壽命在10萬次以上，它的成本我們估計在1200到2500塊錢千瓦。比較適合高頻次的調(diào)頻應(yīng)用。謝謝！
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