第702期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《飞轮充电宝》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——飞轮充电宝
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：梁双印，华北电力大学教授。
安宏文，中国电力企业联合会检测研究院研究员。
讲座时间：2025年9月22日～9月28日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——飞轮充电宝
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。基于环保的要求，未来我们国家电网清洁能源、清洁电力的比例将会不断提高，但是无论是太阳能发电还是风力发电，都存在着先天的不足，那就是供电的不稳定性，这是摆在我们面前的一个技术难题，什么技术可以解决它呢？那就是储能，我们通过短片来进入今天的节目。在前不久闭幕的北京冬奥会上，所有场馆都采用了风能、太阳能等清洁能源，这不仅体现了我国绿色办奥理念，也为奥运会的举办树立起新的标杆。但是风能、太阳能等清洁能源在供电过程中受风力和阳光大小的影响，容易造成电网不稳定，甚至引发停电事故，所以这次在奥运场馆的应急供电系统中，我国投入了一种便捷式的储能设备飞轮储能，这种新型的储能设备有哪些优势？在电力安全保障中又发挥了怎么样的作用？我们首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是华北电力大学的教授梁双印，另外一位是中国电力企业联合会检测研究院的研究员安宏文。我们想请两位给我们介绍一下，在我们平常人的印象当中，我们认为电力企业电不是随发随送吗？我们为什么需要储能呢？
现在咱们中国要实施双碳战略，双碳战略以后，传统的发电方式，水电是可再生能源，继续保持强劲的发展势头，火电它要改变身份，改变成什么身份？原来是主力电源，现在要改变成支撑性电源和这种调节性电源，为什么呢？是为了大量地吸纳可再生能源风电和太阳能，您刚才说的随用随发，那是火电为主的时候，现在新能源风电和太阳能，它是一个波动性的和间歇性的电源，这两种发电方式，清洁、环保、可再生这种特征，但是它不具备连续性，我们24小时用它保证不了，所以说这种随发随用就出现了矛盾，供需的这种矛盾。因为现在新能源它发电这里面目前有两个问题，一个是它发电不连续，我们用电是连续的，这是一个矛盾，另外它发电的波动会比较大，对我们电能质量影响比较大。因为我们用电这块，电能质量对我们老百姓来说是跟我们生活息息相关的，我们现在其实大家看到的，我们基本上所有的用电、冲电，都写着220伏50赫兹，这就是我们电力发电的一个电能质量。电压是220（伏）的，电能质量频率是50赫兹，而我们所有的新能源发电这块，对这个电压和频率影响非常大。如果一旦我们频率偏差比较大的情况下，我们家可使用的家用电器可能都会受到一些影响。如果非常严重的时候，可能家电器都会烧。
在很多年前的时候，那时候我们电力不充足的时候，我们经常看这个电灯一闪一闪的，电器憋了等等这种事情，这都是发电质量差造成的？新能源也可能会出现这样的问题，于是就有了储能的需求。它在工业领域要求更高，现在不是讲究人工智能，机器人越来越多。我举个很实在的例子，汽车基地这个机械手，不是点焊吗？激光焊接，由于频率波动，把点应该焊在这儿，它都是毫米级的，小于毫米级的这种误差，它焊到另一个地方。所以说在这工业用电上，如果得不到一个稳定的电源的输送和高质量的输送的话，可能带来的影响和损失会更大？因为在我们民用阶段电能质量要求没有那么高，但是在我们国家的精细加工、精密机床这类领域的时候，它电能质量要求非常高，正像刚才像梁老师所讲的，我们机械手臂焊接的时候可能会出现误差，而我们现在中国是在冶金行业，特别是在精细炼钢方面，要求优质特别高（质量）的这种炼钢，它对频率要求非常高。而本身冶金行业的时候，它是对我们电能质量产生影响比较大，所以它对我们供电的质量要求就更高，如果这个频率达不到它的要求，我们基本上我们中国特有的一些精细的材料的冶炼，基本就达不到一个特别好的质量水平。
随着我国能源结构的调整，风电、太阳能等新能源将越来越多地进入我们的生产和生活。然而受自然因素的影响，风能、太阳能等存在能量大小不均的情况，直接并网会加剧电厂输电的不稳定性，产生用电安全的隐患。传统火电可以通过人工控制的方式，确保电力输送的稳定性。而风能、太阳能这样的新能源，受自身条件所限，很难用人工控制的方式来调节电能的大小。要解决这一问题，就需要在风电厂与电网之间增加一套储能装备。那么，目前有哪些储能方式？飞轮储能又有什么特点？目前我们现存的储能方式有哪些？第一大储能方式就是抽水蓄能，它是从水力发电派生出来的，最先发明的实际上是在欧洲、法国。法国大家都知道它的核电比例比较大，核电它的最大的毛病就是，不足就是调峰能力差，就是变负荷满发的时候行，一个核电机组100万（千瓦）的，发100万（千瓦），90多万（千瓦）还可以，但你往下降来回这样不行。后来就发明抽水蓄能配合这个核电，所以法国的抽水蓄能占比大概15%左右。抽水蓄能电站是最成熟的一个现在储能方式，但抽水蓄能电站，首先受地域影响，你首先得解决水的问题，你得有一个高差。还得有落差。得有两个水盆，这个地域限制就比较严重一些，空气储能类似于抽水蓄能，它就像咱们风扇，咱们电风扇电驱动它，它给咱们吹风，要反着来拿风吹它，它就发电。
实际上空气储能，主要原理是这么一个逻辑，它有两个缺点，一个是占地。现在咱们这儿有个示范电站，是利用原来的盐穴，就是把盐井挖出来以后，里面空穴作为储空气的储罐，这是一种方式。还有一种是建钢罐，这种成本比较高，这是一个致命弱点，这个成本是非常高的，还有一个弱点就是它的效率比较低。化学储能就是我们现在说的电池，电池在充放电的过程中，它过充过放的时候会导致电池的局部升温，升温到了它着火点的时候，它就会着火，着火带来安全隐患非常麻烦。而且它着火了之后，释放的有毒气体，给我们人员伤害比较大，这个是安全的影响。第二个它整个循环次数，充放次数只有6500次，而6500次这个是理论值，实际上就化学储能电池，你能不能达到这个次数，实际应用的大家都是实验室里面测出来的，实际应用时能不能达到现在是一个未知数，所以先天来讲，化学储能能够解决我们火电厂调频作用。但是它将来有这么两个（制约）因素，一个是安全因素，还一个寿命因素，所以说它不可持续。
抽水蓄能虽然坚固耐用，但体积庞大不够灵活，而以锂电池为代表的化学储能虽然体积小、布置灵活，但对使用环境要求苛刻。那么，有没有一种储能方式既可以灵活布置、灵活调节，又结实耐用呢？科学家们想到了利用飞轮旋转来进行储能，那么飞轮究竟是如何储能的呢？什么是飞轮储能？它是通过什么方式来储电的？飞轮的工作原理其实非常简单，它就像一个陀螺，我们通过使它储电的方式，让陀螺高速旋转，高速旋转它储存的是这种动能。等到我需要发电时候，动能逐渐释放，再返回来再发电，就这么一个过程，它就是一个动能的转换，动能和电能之间的一个转换过程。飞轮储能就是把机械动能转化成电能的装置，充电时飞轮带动电动机加速旋转，把电能转换为飞轮的机械动能储存起来。放电时，过程刚好相反，由高速旋转的飞轮带动发电机，从而使机械动能转换为电能。那么与其他储能方式相比，飞轮储能有哪些优势呢？两位提到物理储能的飞轮储能，如果说它的优势相对而言体现在哪些方面？
一个是寿命，理论上咱们的飞轮寿命百万次，飞轮它不是零转速时零充电。它是有一个基础转速，比方3000转就开始充，充到12000充满了，完了再放，在工作转速是在3000到12000之间，是这么一个工作状态。它的寿命就是充满再放掉，这叫一次，大概有一百万次以上。那跟其他的储能方式比较来讲，它的寿命有优势吗？优势大了，咱们刚才安老师说了，化学电池理论上实验室的是6500次，实际上由于各种原因的就是制造工艺的分散性，它有可能故障点，它有可能在四五千次就没命了，飞轮是理论上有个量化百万次，但实际上是一个无限的寿命，相当于一个类比的无限寿命。百万次跟几千次这个差别还是很大的？很大的，这是美国一个实验室做了全工况的实验，也经过了这12年，基本上循环几十万次以上了，而现在我们中国目前，现在是电化学储能调频这个方式。现在最长的运行时间不会超过5年，而现在是已经带来了一些后患的影响了，电池衰减比较厉害。另外，就是退役之后，电池的污染问题处理问题，这个都跟飞轮储能是不能比的，飞轮将来退役之后，它就是个金属材料，处理起来比较简单，不会有环境污染。另外刚才说到了我们的抽水蓄能电站受地域的影响，飞轮储能场地比较灵活，这是一个优势。另外，飞轮储能它温度适应范围，我们现在电化学储能，它也是场地比较灵活，但是如果它到了一个温度特别高的地方，很容易出现安全风险，温度到特别低的地方，它效率又会受到很大影响。而飞轮储能是温度适应范围比较高，说你在我南方特别热，我也能用，你到北方温度特别低，我照样能用。给我们介绍一下飞轮储能，它的发展历史是什么样的？
实际上用飞轮原理储能有200年（历史），就是瓦特的蒸汽机，因为它是活塞式，活塞式往复（运动），往外的时候，它是驱动这轮走的，可是它往回走的时候，这个轮是属于悬空状态。它为了让这部分能量，就是往前走的速度保持均匀，它必须主动轮非常大，利用惯性在它回去的时候，火车还很匀速往前走，实际上就是利用了储能原理。后来就是航天上，航天咱们卫星上也用，它用化学电池，在太空当中，有太阳的时候一百多（摄氏）度了，一晒它就一百多（摄氏）度了。没太阳的时候，零下一百（摄氏）度。化学电池根本就适应不了，选了飞轮以后没毛病。可以持续供电。持续供电，它有太阳的时候，太阳能电池板进来的电储到飞轮里边，在没有太阳的时候再放出来，它对恶劣环境适应性非常强。两位也给我们介绍一下，目前国际上哪些国家应用飞轮储能技术是比较成熟的？这个效果是什么样的？
美国实际上在20年前就开始研究这个事儿，研究出来以后就在宾夕法尼亚州和纽约州，这两个州，以州为单位，这个电网。它们的电网就是商业电网，分别安了20兆瓦的碳纤维的这种飞轮，用于电网调频。美国的能源结构跟咱们不太一样，它的气电比咱们多，就是天然气（发）的电，它还有一个特点，就是（电）网小，所以它建了个2万（千瓦）的，现在已经运行了12年了，最长的一个州就这两个州，其中一个州运行12年。应用效果怎么样？非常好，它这一个电厂2万（千瓦）的，就是20兆瓦的这么一个飞轮储能调频电厂，它相当于多少呢？是它的20倍，是火电机组调频，包括燃气20倍，这是我初步分析，这个还没有得到实间验证。我认为一个100兆瓦的一个飞轮，假如有的话飞轮电厂可以替代30台300兆瓦火箭机组的调频能力。两位也给我们介绍一下，目前飞轮储能这种技术在我们国家哪些领域有应用？轨道交通这种应用场景比较简单。轨道交通指的是地铁？地铁或者高铁，比方高铁咱们在车站附近，它的供电变压器旁边放上一个飞轮，飞轮带的一个发电机是双向电机，放电的时候就是个发电机，充电的时候就是个电动机。这刹车距离我不用抱闸了，我直接拿这个飞轮给它逆向的一个电磁力矩，驱动飞轮发电。形成了阻力。
刹车的时候，把（动能）转化过去，把（电）存储起来，在启动开车的时候，再把（电）放出去。平时乘坐的地铁还有高铁，它的刹车都是用这种方式来进行的吗？还没有普遍应用，目前据统计现在是轨道交通，通过这种刹车和启动，上了飞轮之后，节能能达到20%，这个比例是非常大的。也就是说它这个东西将来下一步，在轨道交通应用来说，我们国家今后节能和减碳方面，它的作用也是非常明显。等于说这项技术，在我们国家的应用并不陌生。不陌生。在电网上的应用有过开始吗？因为火电机组现在调频，它的能力是有的，但它要是面对新型电力系统这种现在大比例的可再生能源接入以后，它的调频能力就是快速反应变负荷能力就显得不够了。我举个例子，就是咱们蒙西电网，它现在三千万的火电陪着三千万的风电和太阳能在这儿运行，它现在就是说原来一分钟基本上是波动一次，现在是一分钟得波动四次，十五秒得波动一次，它本来就是一个相当于一个大象，非让它像兔子一样快也不现实。最近，宁夏弄的跟火电机组耦合到一块的这个，它实际上是拿飞轮辅助火电机组来进行调频。飞轮储能15秒，你负荷上来了，我火电机组很胖很慢上不去，飞轮马上15秒毫秒级反应，盯完这15秒火电机组还平稳着发着（电），我再说个问题就是飞轮储能，它不是按量来取胜的，它是什么，它实际上就是说保驾护航应该也还算确切，它提高电网的稳定性，它需要长时间的这种调峰，这种辅助服务。
还有一种就是短时间的你突然来一个负荷峰值，我火电其他的方式我跟不上，我飞轮先跟上去，没有这个快速的负荷跟踪，有可能就要引起连锁反应，飞轮它的意义在这儿，不用说我要多少量，我占了百分之多少，它主要是个陪伴作用。它是保证输电质量的，一个重要的手段。它是陪伴，它自己发不出多少能量，就是能量的量，而是陪伴。刚才梁老师所讲这种情况，是因为新能源这一块，现在是占比越来越大，它给我们电力带来的整个安全风险，对居民来说就是个频率和电压这方面的影响（越来越大）。我们调度是让火电给新能源来进行调整，它这个调整方式，给火电带来了两个不利因素。一个刚才像梁老师所讲的，对我们的整个煤耗会产生很大的影响，使我们发电厂的成本会增加。第二个就是我们的发电是一个全过程，靠一个进汽的方式，汽轮机旋转，那么我们这个汽门就不断地就要跟着负荷，就要不断地频繁地摆动，经常摆动的话，这个门杆这儿会断，断的话会带来一个安全风险，所以储能这项技术有了之后，它进入电力系统了之后，它可以在火电机组在频繁摆动之前，它可以提前地进行调节，等到火电机组这个调门开得适应了整个的平衡了之后，它就可以退出，所以说储能伴随着火电机组，进行辅助调节手段，给火电厂带来的两个效益，一个是成本效益，一个是安全效益。
随着我国双碳目标的提出，风能、太阳能等新能源的占比会越来越高，预计到2030年，实现“碳达峰”目标时，我国清洁能源装机占比将达到68%，全国48%的电力都将由太阳能、风能提供。2060年实现“碳中和”目标时，清洁能源占比将超过80%。因此，未来很长一段时间，风能、太阳能依然会保持高速增长的态势，对电网稳定运行的需求会越来越大。为确保工业生产和生活用电的安全，储能技术的发展迫在眉睫，作为伴生于火电向新能源转化的飞轮储能技术，也将会广泛应用起来。2021年11月，宁夏灵武电力22兆瓦飞轮储能工程开工。该项目是国内第一个飞轮储能火力发电联合调频工程，也是全球单体储电量最大的飞轮储能项目，该项目建成后将成为我国电力发展未来趋势的重要参考。那么，飞轮技术在应用过程中，还存在哪些问题？未来它在工业生产和生活中会产生什么作用？目前我们飞轮储能的核心技术，我们国家有没有自主的研发能力呢？有，咱们国家有。就是说这个技术单项的都有，磁悬浮轴承，咱们国家在其他领域也用得不错。但是形成一个系统设备，把磁悬浮轴承用在飞轮上，工业场景就是刚刚安老师说的，它没有工业规模以后，做的单个的说明不了问题，必须经过工业实验，工业中试，或者是现场实际应用才行。
目前的成本怎么样？目前灵武（电厂）不是刚一个实验的吗？以当下的现在目前这种电价的政策状况下，现在恐怕它还拼不过电化学储能。对，它的成本应该还是高。在国外使用比较成熟的国家，这个计算的成本，它的使用情况怎么样？因为我们一个产品，你就单纯开发的时候，成本都会很高，如果市场大面积应用之后，规模效益出来了，成本自然就降下来了。飞轮储能现在跟电化学储能它一个区别，是因为飞轮储能技术现在没有任何问题，只是现在在我们国内应用场景，规模化应用上面还没有达到一定要求，所以说它的成本现在比电化学储能电池要高。未来如果应用场景出来了，它一定成本会降下去。飞轮储能未来还会有哪些方面的发展呢？因为飞轮储能它主要产生的效率损耗，这里面就两点，一个就是轴承摩擦阻力，还有一个就是高速旋转之后，我们整个带来的风阻。随着我们现在磁悬浮技术的发展，加上碳纤维技术的发展，加上我们现在真空脱导方面的发展，这个使我们目前飞轮储能整个的成本下降会更大，效率会越来越高，那么再加上它的应用场景就比其他的情况又更有优越性。那么这种情况下，飞轮储能未来的前景，作为物理储能的一种，它应该会发展得会非常快。
随着目前各种技术的发展，碳纤维技术也好，超导技术也好，再加上磁悬浮技术的发展，未来我感觉储能的应用场景的便利，它将来是到一定阶段吧，下一步它是完全可以替代一部分抽水蓄能电站，来起到抽水蓄能电站的大幅的储能这么一个作用。现在我们国家的电网上，假如说百分之十的清洁能源，都使用飞轮储能的话，会给我们带来什么样的效益？这个账不完全好算。但是这个是有一个直观的要求，就是我们现在双碳目标，双碳目标碳中和将来是影响我们每个人的生活的方方面面，我们今后我们所有的生活用品，如果都是用清洁能源生产出来的，那么按照现在国际上的要求，国际上现在基本有个绿证的概念。就说你这个产品里面有多少是绿色能源，这样的话你在欧洲有些严格限制时候，如果你没有一定绿证的要求，绿色能源的要求，它都不允许你进口的。那么根据这个要求下来之后，下一步的时候，我们飞轮储能大量发展了之后，我们可以让新能源消耗电能占的比例就会越来越高，那么这种情况下，其实我们整个人的生活，多数都用的是清洁绿色能源了。
你的意思就是它带来的外延的效益是无法计算的。外延的效益是很高的，无法计算的，而且我们正常情况，你老百姓不用，我们不会发电，发供用是一体的。那么这种情况下，因为新能源的友好性并不强，有风了才发，没光了我就发不了。这时候我发不了，就需要一个补充。而我能发的时候，老百姓不用的时候，那么这种情况，我可能就会弃风弃光，不让我发。有了储能之后，我就可以很好地解决这个矛盾，那么这种情况就是我刚才所说的，我们今后产品的生产里面，用到的清洁能源的比例就会越来越大。两位也帮我们来展望一下，未来我们真的国家电网上，能够开始使用飞轮储能不断比例升高的话，可能会对百姓的生活带来哪些影响？从环保角度来说，如果是没有飞轮储能或者其他储能的补充，我们新型电力系统是建立不起来的，那么这种情况下我们就离不开火电机组，火电机组带来的大家所认为的一些环境污染问题是解决不了的。而且从能源安全角度来说，我们过多依赖火电，我们能源安全问题就难以保证，只有我们储能技术发展，清洁能源大量上了之后，土地上就能产生电能。那么，这个对我们老百姓今后的用能安全是影响很大的。好，今天非常感谢两位来到我们演播室当中，给我们介绍了一种未来清洁能源的新的储能的一种方式和可能性，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频收看我们过往的节目。好，今天的节目就到这儿了。我是胜春，咱们下期节目再见。
