フライホイールによるエネルギー貯蔵

冷蔵コストが高かったため、低温超伝導体は磁気軸受への使用が早期に却下されました。しかし、高温超伝導体（HTSC）軸受は経済的であり、エネルギーを経済的に貯蔵できる時間を延長できる可能性があります。^{[ 8 ]} ハイブリッド軸受システムが最初に実用化される可能性が最も高いです。高温超伝導体軸受は、従来、大型設計に必要な揚力を提供するのに問題がありましたが、安定化力は容易に提供できます。そのため、ハイブリッド軸受では、永久磁石が荷重を支え、高温超伝導体が荷重の安定化に使用されます。超伝導体が荷重の安定化にうまく機能する理由は、超伝導体が完全な反磁性体であるためです。ローターが中心からずれようとすると、磁束ピン止めによる復元力によって元の位置に戻ります。これは軸受の磁気剛性として知られています。回転軸の振動は、剛性と減衰が低いために発生する可能性があり、これは超伝導磁石の固有の問題であり、フライホイール用途に完全な超伝導磁気軸受を使用することを妨げています。

磁束ピン止めは安定化力と揚力を生み出す上で重要な要素であるため、高温超伝導体（HTSC）は他の用途よりもフライホイールエネルギー貯蔵用に製造する方がはるかに容易である。磁束ピン止めが強固であれば、HTSC粉末は任意の形状に成形できる。超伝導体がFESシステムに十分な揚力を提供できるようになる前に克服しなければならない継続的な課題は、超伝導材料の磁束クリープによって引き起こされる運転中の浮上力の低下とローターの緩やかな落下を抑制する方法を見つけることである。

他の電力貯蔵方法と比較して、FESシステムは長寿命（メンテナンスがほとんどまたはまったくない状態で数十年持続します。^{[ 6 ] [ 9 ]}フライホイールのフルサイクル寿命は10⁵サイクル以上から^{10⁷サイクル}までとされています）^{[ 10 ]} 、高い比エネルギー（100～130  W·h/kg、または360～500 kJ/kg）^{[ 10 ] [ 11 ]}、および大きな最大出力があります。フライホイールのエネルギー効率（入力エネルギーに対する出力エネルギーの比率）は、往復効率とも呼ばれ、最大90%にも達することがあります。一般的な容量は3 kWhから133 kWhです。^{[ 6 ]}システムの急速充電は15分未満で行われます。^{[ 12 ]} フライホイールでよく引用される高い比エネルギーは、市販のシステムでは比エネルギーがはるかに低く、例えば 11 W·h/kg、または 40 kJ/kg であるため、少し誤解を招く可能性があります。^{[ 13 ]}  

ここ${\displaystyle m}$はフライホイールの質量の積分であり、${\displaystyle n_{m}}$は回転速度（1秒あたりの回転数）です。

フライホイールローターの最大比エネルギーは、主に2つの要因に依存します。1つ目はローターの形状、2つ目は使用されている材料の特性です。単一材料の等方性ローターの場合、この関係は次のように表すことができます^{[ 14 ]。}

${\displaystyle {\frac {E}{m}}=K\left({\frac {\sigma }{\rho }}\right),}$

どこ

${\displaystyle E}$ローターの運動エネルギー[J]、

${\displaystyle m}$ローターの質量[kg]は、

${\displaystyle K}$ローターの幾何学的形状係数[無次元]、

${\displaystyle \sigma }$は材料の引張強度[Pa]です。

${\displaystyle \rho }$は材料の密度[kg/m³ ^]です。

フライホイール設計における主要な制約の一つは、ローターの引張強度です。一般的に、ディスクの強度が高いほど、回転速度が速くなり、システムが蓄積できるエネルギー量も増加します。（強度を伴わずにフライホイールを重くすると、破断せずに回転できる最大速度が低下するため、フライホイールが蓄積できるエネルギー総量は増加しません。）

複合材フライホイールの外側の結合カバーの引張強度を超えると、結合カバーが破断し、外周全体の圧縮が失われることでホイールが粉々に砕け散り、蓄積されたエネルギーが一気に放出されます。これは、ホイールの破片が弾丸に匹敵する運動エネルギーに達することがあるため、一般的に「フライホイール爆発」と呼ばれています。層状に巻かれ接着された複合材料は、まず互いに絡み合って減速する細い繊維状になり、次に真っ赤に熱せられた粉末になるというように、急速に崩壊する傾向があります。一方、鋳造金属製のフライホイールは、高速の破片の大きな塊を飛ばします。

鋳造金属製フライホイールの場合、破壊限界は多結晶成形金属の結晶粒界の結合強度によって決まります。特にアルミニウムは疲労しやすく、低エネルギーの繰り返し引張によって微小亀裂が生じる可能性があります。角力によって金属製フライホイールの一部が外側に曲がり、外側の容器に引きずられたり、完全に分離して内部をランダムに跳ね回ったりすることがあります。フライホイールの残りの部分は著しくアンバランスになり、振動によるベアリングの急速な破損や、フライホイールの大きな部分の突然の衝撃による破壊につながる可能性があります。

従来のフライホイールシステムでは、安全対策として頑丈な格納容器が必要となり、装置全体の質量が増加します。故障時のエネルギー放出は、ゼラチン状またはカプセル化された液体の内張りによって抑制できます。この内張りは沸騰して破壊エネルギーを吸収します。しかし、大規模なフライホイールエネルギー貯蔵システムの多くの顧客は、格納容器から漏れ出す可能性のある物質を阻止するために、システムを地中に埋め込むことを好みます。

機械式ベアリングを使用するフライホイールエネルギー貯蔵システムは、2 時間でエネルギーの 20% ～ 50% を失う可能性があります。^{[ 22 ]} このエネルギー損失の原因となる摩擦の大部分は、地球の自転によるフライホイールの向きの変化（フーコー振り子で示される効果に類似）によって生じます。この向きの変化は、フライホイールの角運動量によって生じるジャイロ効果によって抵抗され、機械式ベアリングに力が加わります。この力によって摩擦が増加します。これは、フライホイールの回転軸を地球の自転軸と平行にすることで回避できます。

逆に、磁気ベアリングと高真空を備えたフライホイールは、97%の機械効率と85%の往復効率を維持できます。^{[ 23 ]}

車両に使用される場合、フライホイールはジャイロスコープとしても機能します。これは、フライホイールの角運動量が、通常、走行中の車両に作用する力と同程度の大きさであるためです。この特性は、旋回時や悪路走行時の車両の操縦特性に悪影響を及ぼす可能性があります。傾斜した土手の側面を走行すると、フライホイールが横方向の傾斜力に抵抗するため、車輪が地面から部分的に浮き上がる可能性があります。一方、この特性は、急旋回時に車両が横転しないようにバランスを保つために利用することもできます。^{[ 24 ]}

フライホイールがエネルギー貯蔵のためではなく、車両の姿勢に影響を与えるためだけに用いられる場合、それはリアクションホイールまたは制御モーメントジャイロスコープと呼ばれる。

フライホイールを適切なジンバル機構内に取り付けることで、角度の傾きによる抵抗をほぼ完全に除去できます。これにより、フライホイールは車両に影響を与えることなく元の向きを維持できます（ジャイロスコープの特性を参照）。ただし、この方法ではジンバルロックの問題は回避できないため、ジンバルの数と角度の自由度との間で妥協点を見つける必要があります。

フライホイールの中心軸は単一のジンバルとして機能し、垂直に配置されていれば、水平面内で360度のヨー角運動が可能になります。しかし、例えば上り坂を走行するには2つ目のピッチジンバルが必要となり、傾斜した土手の側面を走行するには3つ目のロールジンバルが必要となります。

2001年時点で生産されていたフライホイール式蓄電システム蓄電池と同等の蓄電容量とより速い放電速度を備えています。バッテリーシステムに比べてかなりのスペースを節約できるため、主にデータセンターの無停電電源装置などの大型バッテリーシステムの負荷平準化に使用されます。^{[ 36 ]}

フライホイールエネルギー貯蔵システムのサプライヤーであるActive Powerが2016年のインタビューで述べたところによると、フライホイールのメンテナンスは一般的に従来のバッテリーUPSシステムの約半分のコストで済み、メンテナンスは基本的な年間予防保守ルーチンと5～10年ごとのベアリングの交換のみで、これには約4時間かかります。^{[ 12 ]}最新のフライホイールシステムは、メンテナンスフリーの磁気ベアリングを使用して回転質量を完全に浮上させるため、ベアリングのメンテナンスと故障が軽減されます。^{[ 12 ]}

2009年当時、完全に設置されたフライホイールUPS（電源調整を含む）のコストは、1キロワットあたり約330ドル（15秒間の全負荷容量の場合）でした。 ^{[ 37 ]}

フライホイール動力システムの長年のニッチ市場は、回路ブレーカーや同様のデバイスをテストする施設です。小型の家庭用回路ブレーカーでさえ、電流を遮断する定格があります。10,000アンペア以上、大型ユニットでは遮断定格が100,000または100万アンペア。このような装置に意図的に負荷をかけて模擬短絡を遮断する能力を実証させると、膨大な過渡負荷が発生し、建物の電源から直接これらの試験を行うと、地域の電力網に許容できない影響を及ぼします。通常、このような実験室には、数分かけて回転速度を上げることができる大型のモーター発電機セットが複数設置されています。その後、回路遮断器の試験を行う前にモーターを切り離します。

トカマク型核融合実験では、短時間（主に大型電磁石を数秒間駆動するため）に非常に高い電流が必要となる。

• JET（Joint European Torus）には、直径9メートル（29.53フィート）、重量775トン（854ショートトン、763ロングトン）のフライホイールが2つ（1981年設置）あり、毎分225回転で回転します。^{[ 38 ]}各フライホイールは3.75ギガジュールのエネルギーを蓄え、最大400メガワット（54万馬力）の電力を供給できます。^{[ 39 ]}   
• ウィスコンシン大学マディソン校のらせん対称実験装置には、1トンのフライホイールが18個設置されており、再利用された電気列車用モーターを使って毎分1万回転で回転させている。
• ASDEX Upgradeには、フライホイール発電機が3基搭載されています。
• ゼネラル・アトミックス社のDIII-D（トカマク型）
• プリンストン・プラズマ物理研究所のプリンストン大型トーラス（PLT）

また、トカマク型ではないものの、ラザフォード・アップルトン研究所のニムロッド・シンクロトロンには、30トンのフライホイールが2つ搭載されていた。

ジェラルド・R・フォード級航空母艦は、フライホイールを使用して艦の電力供給からエネルギーを蓄積し、電磁式航空機発射システムに迅速に放出します。艦の電力システムだけでは、航空機の発射に必要な高出力の過渡現象を供給できません。4つのローターはそれぞれ、6400 rpmで121  MJ (34 kWh) を蓄積します。45秒で122 MJ (34 kWh)を蓄積し、2〜3秒で放出できます。^{[ 40 ]}フライホイールのエネルギー密度は28 kJ/kg (8 W·h/kg) です。ステーターとケースを含めると、トルクフレームを除いて18.1 kJ/kg (5 W·h/kg) になります。^{[ 40 ]}    

これはNASAのグレン研究センターが資金提供した設計で、実験室環境での部品テストを目的としていました。炭素繊維のリムと、60,000 rpmで回転するように設計されたチタンハブが磁気ベアリングに取り付けられていました。重量は250ポンド（110キログラム）に制限されていました。蓄電容量は525 Wh（1.89 MJ）で、 1 kW（1.3 hp）で充電または放電でき、比エネルギーは5.32 W⋅h/kg、出力密度は10.11 W/kgでした。^{[ 41 ]}ページ上部の写真に示されている動作モデルは、2004年9月2日に41,000 rpmで動作しました。^{[ 42 ]}    

ノッツベリーファームにある「モンテズーマズ・リベンジ」は、世界初のフライホイール式ジェットコースターであり、現在もアメリカで運行されている同種のジェットコースターとしては最後のものである。このジェットコースターは、7.6トンのフライホイールを使って、列車を4.5秒で時速55マイル（時速89キロ）まで加速させる。 

ユニバーサル・アイランズ・オブ・アドベンチャーにある「インクレディブル・ハルク」ジェットコースターは、一般的な重力落下とは異なり、急加速しながら上り坂を駆け上がるのが特徴です。これは、強力な牽引モーターによって車両をレール上へと押し上げることで実現されています。コースター車両全体を上り坂で最高速度まで加速させるために必要な、短時間で非常に高い電流を発生させるため、パークでは大型フライホイールを備えた複数のモータージェネレーターセットを使用しています。これらの蓄電装置がなければ、パークは新しい変電所に投資するか、アトラクションが発進するたびに地域の電力網を停電させるリスクを負うことになります。

補償型パルスオルタネータ（コンパルセータ）は、エネルギー密度と電力密度が高いため、核融合炉、高出力パルスレーザー、超高速電磁ランチャー用のパルス電源として最も人気のある選択肢の1つです。^{[ 43 ]}フライホイールと発電機を別々に持つ代わりに、低インダクタンスオルタネータの大きなローターのみがエネルギーを蓄積します。（ホモポーラ発電機も参照。）^{[ 44 ]}

無段変速機（CVT）を使用すると、ブレーキ時に駆動系からエネルギーが回収され、フライホイールに蓄えられます。この蓄えられたエネルギーは、CVTのギア比を変更することで加速時に使用されます。^{[ 45 ]}モータースポーツでは、このエネルギーは二酸化炭素排出量を削減するのではなく、加速を向上させるために使用されますが、同じ技術を乗用車に適用して燃費を向上させることもできます。^{[ 46 ]} 

毎年開催されるル・マン24時間レースとル・マン・シリーズの主催者であるフランス西部自動車クラブ（ACO）は現在、「運動エネルギー回生システムを搭載したLMP1向けの特別な規則を検討している」^{[ 47 ] 。}

ウィリアムズ F1 レーシング チームの子会社であるウィリアムズ ハイブリッド パワー^{[ 48 ]}は、 2010 年にポルシェの 911 GT3 R ハイブリッド^{[ 49 ]}と2012 年から 2015 年にかけてアウディの R18 e-Tron Quattro ^{[ 50} ]にフライホイール ベースのハイブリッド システムを供給しました^。2012年のル マン 24 時間レースでのアウディの勝利は、ハイブリッド (ディーゼル電気) 車両としては史上初の勝利です。^{[ 51 ]}

フライホイールは、瞬間的なグリッド周波数調整や供給と消費の急激な変化のバランス調整のための短期的な回転予備力として使用されることがあります。天然ガスタービンなどの従来のエネルギー源の代わりにフライホイールを使用する利点としては、炭素排出がなく、応答時間が速く、オフピーク時に電力を購入できることなどが挙げられます。^{[ 52 ]}動作は同じ用途のバッテリーと非常によく似ており、違いは主に経済的なものです。

ビーコン・パワーは、 2011年にニューヨーク州ステフェンタウンに200個のフライホイール^{[ 54 ]}を使用した5MWh（15分間で20MW）^{[ 23 ]}のフライホイールエネルギー貯蔵プラントを開設し^{[ 53 ]} 、 2014年にはペンシルベニア州ヘイズル・タウンシップに同様の20MWシステムを開設した^{[ 55 ]。}

カナダのオンタリオ州ミントにある、0.5MWh（15分間2MW）^{[ 56 ]}のフライホイール蓄電施設が2014年に開設された。^{[ 57 ]}このフライホイールシステム（ NRStor社が開発）は、磁気ベアリングで回転する10個の鋼製フライホイールを使用している。^{[ 57 ]}

アンバー・キネティクス社は、カリフォルニア州フレズノに20MW/80MWhのフライホイール式エネルギー貯蔵施設を建設する契約をパシフィック・ガス・アンド・エレクトリック社（PG&E）と締結しており、放電時間は4時間である。^{[ 58 ]}

中国では2024年に30MWのフライホイールグリッドシステムが稼働を開始した。^{[ 59 ]}

フライホイールは、風力タービンが発電したエネルギーを、電力需要の少ない時間帯や風速の強い時間帯に蓄えるために使用されることがある。

2010年、ビーコン・パワーはカリフォルニア州テハチャピの風力発電所でスマート・エナジー25（第4世代）フライホイール蓄電システムの試験を開始した。このシステムは、カリフォルニア州エネルギー委員会のために実施されている風力発電とフライホイールの実証プロジェクトの一部であった。^{[ 60 ]}

多くの玩具の車、トラック、列車、アクション玩具などを動かすのに使われる摩擦モーターは、単純なフライホイールモーターです。

産業界では、トグル式プレスは依然として広く用いられている。一般的な構成は、非常に頑丈なクランクシャフトと、プレスを駆動する高耐久性のコネクティングロッドで構成されている。大型で重量のあるフライホイールは電動モーターで駆動されるが、クラッチが作動している時のみフライホイールがクランクシャフトを回転させる。