هيكل وخصائص محطة توليد الطاقة بالتخزين الضخّي وطريقة بناء محطة توليد الطاقة

يُعدّ تخزين الطاقة بالضخّ التقنية الأكثر استخدامًا ونضجًا في مجال تخزين الطاقة على نطاق واسع، حيث تصل القدرة المركبة لمحطات الطاقة إلى جيجاوات. وفي الوقت الراهن، يُعتبر تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخّ التقنية الأكثر نضجًا والأكبر حجمًا في العالم.
تُعدّ تقنية التخزين بالضخ تقنية ناضجة ومستقرة، ذات فوائد شاملة عالية، وتُستخدم غالبًا لتنظيم ذروة الطلب وتوفير الطاقة الاحتياطية. وتُعتبر تقنية التخزين بالضخ التقنية الأكثر استخدامًا ونضجًا في مجال تخزين الطاقة على نطاق واسع، حيث تصل القدرة المركبة لمحطات الطاقة إلى جيجاوات.

بحسب إحصاءات غير مكتملة صادرة عن اللجنة المهنية لتخزين الطاقة التابعة للجمعية الصينية لأبحاث الطاقة، يُعدّ تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ حاليًا أكثر أنظمة تخزين الطاقة نضجًا وأكبرها حجمًا في العالم. ففي عام 2019، بلغت سعة تخزين الطاقة التشغيلية في العالم 180 مليون كيلوواط، بينما تجاوزت السعة المركبة لتخزين الطاقة بالضخ 170 مليون كيلوواط، ما يمثل 94% من إجمالي سعة تخزين الطاقة في العالم.
تستخدم محطات الطاقة الكهرومائية التخزينية الطاقة الكهربائية المولدة خلال فترات انخفاض الأحمال في شبكة الكهرباء لضخ المياه إلى مكان مرتفع لتخزينها، ثم تُطلق هذه المياه لتوليد الكهرباء خلال فترات ذروة الأحمال. عندما يكون الحمل منخفضًا، تُعتبر محطة الطاقة الكهرومائية التخزينية هي المستهلك؛ وعندما يكون الحمل في ذروته، تُعتبر هي محطة توليد الطاقة.
تؤدي وحدة التخزين بالضخ وظيفتين أساسيتين: ضخ المياه وتوليد الكهرباء. تعمل الوحدة كتوربين مائي عندما يكون حمل نظام الطاقة في ذروته. يتم ضبط فتحة ريشة التوجيه للتوربين المائي من خلال نظام التحكم، ويتم تحويل طاقة الوضع للماء إلى طاقة ميكانيكية لدوران الوحدة، ثم يتم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال المولد؛
عندما يكون حمل نظام الطاقة منخفضًا، تُستخدم مضخة المياه لضخ المياه من الخزان السفلي إلى الخزان العلوي. ومن خلال الضبط التلقائي لنظام التحكم، يتم تعديل فتحة ريشة التوجيه تلقائيًا وفقًا لارتفاع المضخة، ويتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كامنة مائية وتخزينها.

تُعدّ محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ مسؤولة بشكل أساسي عن تنظيم ذروة الطلب، وتنظيم التردد، وتوفير الطاقة الاحتياطية في حالات الطوارئ، وإعادة تشغيل نظام الطاقة من الصفر، مما يُحسّن من توازن أحمال النظام، ويرفع من جودة إمدادات الطاقة، ويعزز جدواها الاقتصادية، ويُشكّل الركيزة الأساسية لضمان التشغيل الآمن والاقتصادي والمستقر لشبكة الكهرباء. وتُعرف هذه المحطات بأسماء "المثبتات" و"المنظمات" و"الموازنات" في ضمان التشغيل الآمن لشبكات الكهرباء.
يتجه تطوير محطات الطاقة الكهرومائية التخزينية في العالم نحو ارتفاع الضغط، وكبر السعة، وسرعة التشغيل. ويعني ارتفاع الضغط زيادة الضغط، وكبر السعة زيادة سعة الوحدة باستمرار، وسرعة التشغيل العالية اعتماد الوحدة لسرعة نوعية أعلى.

هيكل وخصائص محطة توليد الطاقة
تشمل المباني الرئيسية لمحطة توليد الطاقة الكهرومائية بالتخزين بالضخ عادةً: الخزان العلوي، والخزان السفلي، ونظام توصيل المياه، وورشة العمل، ومبانٍ أخرى متخصصة. وبالمقارنة مع محطات الطاقة الكهرومائية التقليدية، تتميز الهياكل الهيدروليكية لمحطات توليد الطاقة الكهرومائية بالتخزين بالضخ بالخصائص الرئيسية التالية:
يوجد خزانان علوي وسفلي. وبالمقارنة مع محطات الطاقة الكهرومائية التقليدية ذات القدرة المركبة نفسها، فإن سعة خزانات محطات الطاقة الكهرومائية التي تعمل بنظام التخزين بالضخ عادة ما تكون صغيرة نسبياً.
يتذبذب منسوب المياه في الخزان بشكل كبير، حيث يرتفع وينخفض ​​بشكل متكرر. ولتلبية احتياجات شبكة الطاقة من الطاقة خلال فترات الذروة، يكون التغير اليومي في منسوب المياه في خزان محطة الطاقة الكهرومائية كبيراً نسبياً، ويتجاوز عادةً 10-20 متراً، وقد يصل في بعض المحطات إلى 30-40 متراً. كما أن معدل تغير منسوب المياه في الخزان سريع نسبياً، حيث يصل عادةً إلى 5-8 أمتار في الساعة، وقد يصل أحياناً إلى 8-10 أمتار في الساعة.
تُعدّ متطلبات منع تسرب المياه من الخزانات عالية. فإذا تسببت محطة توليد الطاقة الكهرومائية بالتخزين بالضخ في فقدان كمية كبيرة من المياه نتيجة تسرب المياه من الخزان العلوي، سينخفض ​​إنتاج الطاقة في المحطة. وفي الوقت نفسه، وللحيلولة دون تدهور الظروف الهيدروجيولوجية في منطقة المشروع بسبب تسرب المياه، وما يترتب عليه من أضرار وتسربات مركزة، تُفرض متطلبات أكثر صرامة على منع تسرب المياه من الخزانات.
يتميز منسوب المياه في محطات الطاقة الكهرومائية التخزينية بارتفاعه. وعادةً ما يتراوح منسوب المياه في هذه المحطات بين 200 و800 متر. وتُعد محطة جيكسي للطاقة الكهرومائية التخزينية، بقدرة إجمالية مركبة تبلغ 1.8 مليون كيلوواط، أول مشروع في البلاد بقسم منسوب مياه يبلغ 650 مترًا، بينما تُعد محطة دونهوا للطاقة الكهرومائية التخزينية، بقدرة إجمالية مركبة تبلغ 1.4 مليون كيلوواط، أول مشروع في البلاد بقسم منسوب مياه يبلغ 700 متر. ومع التطور المستمر لتقنية التخزين الكهرومائي، سيزداد عدد محطات الطاقة ذات المنسوب العالي والقدرة الكبيرة في البلاد.
تُركّب الوحدة على ارتفاع منخفض. وللتغلب على تأثير الطفو والتسرب على محطة توليد الطاقة، فإن محطات الطاقة الكهرومائية واسعة النطاق التي بُنيت محلياً ودولياً في السنوات الأخيرة تتخذ في الغالب شكل محطات توليد الطاقة تحت الأرض.

تُعدّ محطة نيترا لتخزين الطاقة بالضخ في زيورخ، سويسرا، أقدم محطة طاقة في العالم، حيث بُنيت عام 1882. أما في الصين، فقد بدأ إنشاء محطات تخزين الطاقة بالضخ في وقت متأخر نسبيًا. وتم تركيب أول وحدة عكسية للتدفق المائل في خزان غانغنان عام 1968. لاحقًا، ومع التطور السريع لقطاع الطاقة المحلي، ازدادت القدرة المركبة للطاقة النووية والحرارية بشكل كبير، مما استدعى تزويد نظام الطاقة بوحدات تخزين الطاقة بالضخ المناسبة.
منذ ثمانينيات القرن الماضي، بدأت الصين ببناء محطات طاقة تخزينية بالضخ واسعة النطاق على نطاق واسع. وفي السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع لاقتصاد بلادي وقطاع الطاقة فيها، حققت بلادي إنجازات علمية وتقنية مثمرة في مجال استقلالية معدات وحدات التخزين بالضخ واسعة النطاق.
بحلول نهاية عام 2020، بلغت القدرة المركبة لتوليد الطاقة من محطات التخزين بالضخ في بلادي 31.49 مليون كيلوواط، بزيادة قدرها 4.0% عن العام السابق. وفي عام 2020، بلغت القدرة الوطنية لتوليد الطاقة من محطات التخزين بالضخ 33.5 مليار كيلوواط/ساعة، بزيادة قدرها 5.0% عن العام السابق؛ وبلغت القدرة المضافة حديثًا 1.2 مليون كيلوواط/ساعة. وتحتل محطات توليد الطاقة من محطات التخزين بالضخ في بلادي، سواءً العاملة منها أو قيد الإنشاء، المرتبة الأولى عالميًا.

لطالما أولت شركة شبكة الدولة الصينية أهمية بالغة لتطوير تقنية تخزين الطاقة بالضخ. وتمتلك الشركة حالياً 22 محطة طاقة تعمل بتقنية تخزين الطاقة بالضخ، بالإضافة إلى 30 محطة أخرى قيد الإنشاء.
في عام 2016، بدأ بناء خمس محطات طاقة للتخزين بالضخ في تشنآن، وشنشي، وجورونغ، وجيانغسو، وتشينغيوان، ولياونينغ، وشيامن، وفوجيان، وفوكانغ، وشينجيانغ؛
وفي عام 2017، بدأ بناء ست محطات للطاقة للتخزين بالضخ في مقاطعة يي في خبي، وزيروي في منغوليا الداخلية، ونينغهاي في تشجيانغ، وجينيون في تشجيانغ، ولوونينغ في خنان، وبينججيانغ في هونان؛
وفي عام 2019، بدأ بناء خمس محطات طاقة للتخزين بالضخ في فونينغ في خبي، وجياويهي في جيلين، وكوجيانغ في تشجيانغ، وويفانغ في شاندونغ، وهامي في شينجيانغ؛
في عام 2020، ستبدأ أربع محطات طاقة للتخزين بالضخ في شانشي يوانتشو، وشانشي هونيوان، وتشجيانغ بانان، وشاندونغ تايآن المرحلة الثانية.

أول محطة طاقة تخزينية بالضخ في بلادي مزودة بمعدات تشغيلية ذاتية التشغيل بالكامل. في أكتوبر 2011، تم إنجاز المحطة بنجاح، مما يدل على أن بلادي قد أتقنت بنجاح التكنولوجيا الأساسية لتطوير معدات وحدات التخزين بالضخ.
في أبريل 2013، تم تشغيل محطة فوجيان شيانيو لتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ رسميًا لتوليد الطاقة؛ وفي أبريل 2016، تم ربط محطة تشجيانغ شيانجو لتخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ، بسعة 375 ألف كيلوواط، بالشبكة بنجاح. وقد انتشر استخدام المعدات المستقلة لوحدات تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ واسعة النطاق في بلدي، وتوسع نطاق تطبيقها بشكل مستمر.
أول محطة طاقة كهرومائية في بلادي تعمل بنظام التخزين بالضخ بارتفاع 700 متر. تبلغ طاقتها الإجمالية المركبة 1.4 مليون كيلوواط. في 4 يونيو 2021، تم تشغيل الوحدة الأولى لتوليد الكهرباء.
يجري حالياً إنشاء محطة توليد الطاقة الكهرومائية بالتخزين الضخّي، والتي تتمتع بأكبر قدرة مركّبة في العالم. وتبلغ القدرة المركّبة الإجمالية 3.6 مليون كيلوواط.
تتميز أنظمة التخزين بالضخ بخصائص أساسية وشاملة وعامة. فهي تُسهم في تنظيم مصادر الطاقة وشبكاتها وأحمالها وروابط تخزينها في نظام الطاقة الجديد، مما يُحقق فوائد شاملة أكبر. كما أنها تُوفر وظائف هامة كجهاز تثبيت آمن لإمدادات الطاقة، وجهاز موازنة نظيف منخفض الكربون، وجهاز تنظيم عالي الكفاءة.
يتمثل الحل الأول في معالجة نقص سعة الاحتياطي الموثوقة في نظام الطاقة الكهربائية في ظل زيادة نسبة الطاقة المتجددة. وبفضل ميزة تنظيم ذروة الطلب ذات السعة المزدوجة، يمكننا تحسين قدرة تنظيم ذروة الطلب في نظام الطاقة، وتخفيف مشكلة إمداد ذروة الحمل الناجمة عن عدم استقرار الطاقة المتجددة، بالإضافة إلى تخفيف ذروة الحمل الناتجة عن انخفاض الطلب. كما أن صعوبات الاستهلاك الناجمة عن التوسع الكبير في استخدام الطاقة المتجددة خلال هذه الفترة من شأنها أن تعزز استهلاكها بشكل أفضل.
أما الأمر الثاني فهو التعامل الفعال مع عدم التوافق بين خصائص إنتاج الطاقة الجديدة وطلب الحمل، بالاعتماد على قدرة التعديل المرنة للاستجابة السريعة، للتكيف بشكل أفضل مع عشوائية وتقلبات الطاقة الجديدة، وتلبية طلب التعديل المرن الذي تجلبه الطاقة الجديدة "بحسب الطقس".
أما الثالث فهو معالجة قصور عزم القصور الذاتي في نظام الطاقة المتجددة عالي النسبة. فبفضل ميزة عزم القصور الذاتي العالي للمولد التزامني، يمكن تعزيز قدرة النظام على مقاومة الاضطرابات والحفاظ على استقرار تردد النظام.
يتمثل الهدف الرابع في التعامل الفعال مع التأثيرات المحتملة لشكل "الارتفاع المزدوج" على سلامة نظام الطاقة الجديد، وتولي وظيفة النسخ الاحتياطي للطوارئ، والاستجابة السريعة لاحتياجات التعديل المفاجئة في أي وقت من خلال قدرات التشغيل والإيقاف السريع وزيادة الطاقة تدريجيًا. وفي الوقت نفسه، وباعتباره حملاً قابلاً للانقطاع، يمكنه إزالة الحمل المقنن لوحدة الضخ بأمان في غضون أجزاء من الثانية، مما يُحسّن التشغيل الآمن والمستقر للنظام.
خامساً، يتمثل الهدف في التعامل الفعال مع تكاليف التكيف المرتفعة الناجمة عن ربط شبكات الطاقة الجديدة واسعة النطاق. وذلك من خلال أساليب تشغيل معقولة، بالاقتران مع الطاقة الحرارية لتقليل انبعاثات الكربون وزيادة الكفاءة، والحد من هدر طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وتعزيز تخصيص القدرات، وتحسين الاقتصاد العام والتشغيل النظيف للنظام بأكمله.

تعزيز تحسين وتكامل موارد البنية التحتية، وتنسيق إدارة السلامة والجودة والتقدم لـ 30 مشروعًا قيد الإنشاء، والترويج بقوة للبناء الآلي والتحكم الذكي والبناء المعياري، وتحسين مدة الإنشاء، وضمان أن تتجاوز سعة التخزين بالضخ 20 مليون كيلوواط خلال فترة "الخطة الخمسية الرابعة عشرة"، وأن تتجاوز القدرة المركبة التشغيلية 70 مليون كيلوواط بحلول عام 2030.
ثانيًا، العمل بجد على الإدارة الرشيقة. تعزيز التوجيه التخطيطي، مع التركيز على هدف "خفض الانبعاثات الكربونية المزدوجة" وتنفيذ استراتيجية الشركة، وإعداد خطة التنمية الخمسية الرابعة عشرة لمحطات التخزين بالضخ بجودة عالية. تحسين إجراءات العمل التمهيدية للمشروع علميًا، والمضي قدمًا في دراسة جدوى المشروع والحصول على الموافقات اللازمة بطريقة منظمة. التركيز على السلامة والجودة ومدة الإنشاء والتكلفة، والترويج بقوة للإدارة والتحكم الذكيين، والإنشاء الآلي، والإنشاء الأخضر في المشاريع الهندسية لضمان تحقيق المشاريع قيد الإنشاء لفوائدها في أسرع وقت ممكن.
تعزيز إدارة دورة حياة المعدات، وتعميق البحث في خدمة شبكة الطاقة للوحدات، وتحسين استراتيجية تشغيل الوحدات، وخدمة شبكة الطاقة بشكل كامل لضمان تشغيلها الآمن والمستقر. تعزيز الإدارة الرشيقة متعددة الأبعاد، وتسريع بناء سلسلة توريد ذكية حديثة، وتحسين نظام إدارة المواد، وتخصيص رأس المال والموارد والتكنولوجيا والبيانات وعوامل الإنتاج الأخرى بشكل علمي، وتحسين الجودة والكفاءة بشكل كبير، وتحسين كفاءة الإدارة والتشغيل بشكل شامل.
ثالثًا، السعي لتحقيق اختراقات في الابتكار التكنولوجي. ويشمل ذلك التنفيذ المتعمق لـ"خطة العمل للقفزة الجديدة إلى الأمام" للابتكار العلمي والتكنولوجي، وزيادة الاستثمار في البحث العلمي، وتحسين القدرة على الابتكار المستقل. كما يشمل زيادة تطبيق تقنية وحدات السرعة المتغيرة، وتعزيز البحث والتطوير التكنولوجي لوحدات الطاقة ذات السعة الكبيرة 400 ميغاواط، وتسريع بناء مختبرات نماذج التوربينات الضخية ومختبرات المحاكاة، وبذل كل جهد ممكن لبناء منصة مستقلة للابتكار العلمي والتكنولوجي.
تحسين تخطيط البحث العلمي وتخصيص الموارد، وتعزيز البحث في التقنية الأساسية لتخزين الطاقة بالضخ، والسعي للتغلب على مشكلة "التعثر" التقنية. تعميق البحث في تطبيق التقنيات الجديدة مثل "سلسلة إنترنت الأشياء السحابية الكبيرة الذكية"، ونشر بناء محطات الطاقة الرقمية الذكية بشكل شامل، وتسريع التحول الرقمي للمؤسسات.