مشاكل وتدابير تطوير نظام الضخ والتخزين المتوافق مع نظام الطاقة الجديد

سعياً لتحقيق هدف "تخفيف ذروة انبعاثات الكربون وتحييدها" وبناء نظام طاقة جديد، اقترحت شركة شبكة الطاقة الجنوبية الصينية بوضوح إنشاء نظام طاقة جديد في المنطقة الجنوبية بحلول عام 2030، واكتماله بحلول عام 2060. وفي هذا السياق، سنعمل على تطوير تقنية تخزين الطاقة بالضخ بشكل مكثف. ومن المخطط زيادة القدرة المركبة بمقدار 6 ملايين كيلوواط، و15 مليون كيلوواط، و15 مليون كيلوواط على التوالي خلال فترات "الخطة الخمسية الرابعة عشرة والخامسة عشرة والسادسة عشرة". وسنسعى جاهدين للوصول إلى حوالي 44 مليون كيلوواط من قدرة تخزين الطاقة بالضخ في المنطقة الجنوبية بحلول عام 2035، مما يجعلها نوعاً جديداً من موازنات اضطرابات نظام الطاقة، وموازنات الأحمال، ومثبتات شبكة الطاقة.
المصدر: الحساب الرسمي على تطبيق وي تشات "China Energy Media Intelligent Manufacturing"
المؤلف: بنغ يومين، معهد أبحاث تخزين الطاقة التابع لشركة توليد الطاقة بتقنية تقليل ذروة الطلب وتعديل التردد المحدودة لشبكة الطاقة الجنوبية الصينية

الميزات الرئيسية لنظام الطاقة الجديد
يهيمن على نظام الطاقة الجديد الطاقة النظيفة، وستستمر نسبة الطاقة الجديدة في استهلاك الطاقة بالارتفاع، لتشكل تدريجياً نمطاً لاستخدام الطاقة يعتمد على الطاقة الجديدة والطاقة الكهرومائية والطاقة النووية كمصادر رئيسية لتوليد الطاقة. وسيتم خفض نسبة استهلاك الطاقة الأحفورية تدريجياً لتحقيق هدف الحياد الكربوني، وسيتم استخدام القدرة المركبة المتبقية من الطاقة الأحفورية كمصدر احتياطي للطاقة في نظام الطاقة الجديد. وفي هذا النظام، سيتم ربط الطاقة الجديدة بشبكة الكهرباء بطريقة مركزية وموزعة. وفيما يتعلق بالربط المركزي، تسعى المنطقة الجنوبية إلى تحقيق طاقة رياح برية تزيد عن 24 مليون كيلوواط، وطاقة رياح بحرية تزيد عن 20 مليون كيلوواط، وطاقة كهروضوئية تزيد عن 56 مليون كيلوواط بحلول عام 2025. أما فيما يتعلق بالربط الموزع، فسيتم إنشاء مصادر طاقة موزعة ذات سعة صغيرة وجهد منخفض للربط بشبكة الكهرباء، ويمكن استهلاكها في المناطق المجاورة، وذلك وفقاً للظروف المحلية.
في نظام الطاقة الجديد الذي يعتمد بشكل أساسي على الطاقة المتجددة، يتأثر الإنتاج الفعلي لمعدات توليد الطاقة المتجددة بشكل كبير بالظروف الجوية، مما يؤدي إلى تقلبات وتقطعات واضحة. ومع التوسع في استخدام بدائل الطاقة الكهربائية، ومعدات تخزين الطاقة المنزلية، والمنازل الذكية، يتطور استهلاك المستخدم بشكل متنوع وتفاعلي، ليصبح المستخدم مستهلكًا ومنتجًا في آن واحد. يتميز نظام الطاقة الجديد الذي يعتمد بشكل أساسي على الطاقة المتجددة بارتفاع نسبة الطاقة المتجددة ومعدات إلكترونيات الطاقة. ولمواجهة التقلبات الكبيرة في الطاقة المتجددة ومختلف الظروف الطارئة، من الضروري مواءمة سعة التخزين بالضخ مع حجم إنتاج الطاقة المتجددة. فعندما يكون إنتاج الطاقة المتجددة غير طبيعي، يجب أن يحافظ التخزين بالضخ على استقرار شبكة الطاقة الجديدة قدر الإمكان، ويمنع تحولها إلى نظام الطاقة التقليدي. لذلك، سيكون تطوير وبناء محطات الطاقة الكهرومائية المخزنة بالضخ أسرع وأوسع نطاقاً.
مشاكل وتدابير مواجهة التطور السريع والواسع النطاق لتخزين الطاقة بالضخ
أدى التطور والإنشاء السريع والواسع النطاق إلى ظهور مشكلات تتعلق بالسلامة والجودة ونقص الكوادر. ولتلبية احتياجات إنشاء نظام الطاقة الجديد، تمت الموافقة على إنشاء عدد من محطات الطاقة الكهرومائية التخزينية بالضخ سنويًا. كما تم تقليص مدة الإنشاء المطلوبة بشكل كبير من 8-10 سنوات إلى 4-6 سنوات. ولا شك أن التطور والإنشاء السريع للمشروع سيؤدي حتمًا إلى ظهور مشكلات تتعلق بالسلامة والجودة ونقص الكوادر.
لحل سلسلة من المشكلات الناجمة عن التطور السريع وإنشاء المشاريع، يتعين على وحدات إدارة الإنشاءات والمشاريع إجراء بحوث وتطبيقات تقنية حول ميكنة وذكاء الهندسة المدنية لمحطات الطاقة الكهرومائية التخزينية. وقد تم إدخال تقنية آلة حفر الأنفاق (TBM) لحفر عدد كبير من الأنفاق تحت الأرض، وتم تطوير معدات TBM بما يتناسب مع خصائص محطات الطاقة الكهرومائية التخزينية، ووضع مخطط تقني للإنشاء. وبالنظر إلى سيناريوهات التشغيل المختلفة، كالحفر والنقل والدعم والأقواس المقلوبة أثناء الإنشاء المدني، تم تطوير مخطط تطبيق داعم لعملية الإنشاء الآلية والذكية بأكملها، وأُجريت بحوث حول مواضيع مثل التشغيل الذكي لمعدات العمليات الفردية، وأتمتة نظام الإنشاء بأكمله، ورقمنة معلومات إنشاء المعدات، والإنشاء غير المأهول للمعدات الميكانيكية التي يتم التحكم فيها عن بُعد، والتحليل الذكي لجودة الإنشاء، وغيرها، وذلك لتطوير معدات وأنظمة إنشاء آلية وذكية متنوعة.
فيما يتعلق بميكنة وذكاء الهندسة الميكانيكية والكهربائية، يمكننا تحليل طلب التطبيق وإمكانية الميكنة والذكاء من جوانب تقليل عدد المشغلين، وتحسين كفاءة العمل، وتقليل مخاطر العمل، وما إلى ذلك، وتطوير معدات وأنظمة بناء الميكنة والذكاء المختلفة للهندسة الميكانيكية والكهربائية لسيناريوهات التشغيل المختلفة لتركيب المعدات الميكانيكية والكهربائية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام تقنية التصميم الهندسي ثلاثي الأبعاد والمحاكاة لتصنيع ومحاكاة بعض المرافق والمعدات مسبقًا، مما لا يسمح فقط بإكمال جزء من العمل مسبقًا، وتقصير فترة البناء في الموقع، ولكن أيضًا بإجراء القبول الوظيفي ومراقبة الجودة مسبقًا، مما يؤدي بشكل فعال إلى تحسين مستوى إدارة الجودة والسلامة.
يُثير التشغيل واسع النطاق لمحطات الطاقة مشكلة التشغيل الموثوق، والحاجة إلى إدارة ذكية وفعّالة. وسيؤدي التشغيل واسع النطاق لمحطات الطاقة الكهرومائية إلى مشاكل مثل ارتفاع تكاليف التشغيل والصيانة، ونقص الكوادر، وغيرها. ولخفض تكاليف التشغيل والصيانة، يكمن الحل في تحسين موثوقية تشغيل وحدات التخزين الكهرومائية؛ ولحل مشكلة نقص الكوادر، من الضروري تطبيق إدارة تشغيل ذكية وفعّالة لمحطة الطاقة.
لتحسين موثوقية تشغيل الوحدة، فيما يتعلق باختيار نوع المعدات وتصميمها، يحتاج الفنيون إلى استخلاص خلاصة وافية للخبرة العملية في تصميم وتشغيل محطات الطاقة الكهرومائية بالضخ، وإجراء أبحاث لتحسين التصميم واختيار النوع وتوحيد المعايير لأنظمة المعدات الفرعية ذات الصلة في هذه المحطات، وتحديثها بشكل دوري بناءً على خبرة تشغيل المعدات ومعالجة الأعطال وصيانتها. أما فيما يخص تصنيع المعدات، فلا تزال بعض تقنيات التصنيع الرئيسية في وحدات التخزين الكهرومائية التقليدية مملوكة لشركات تصنيع أجنبية. لذا، من الضروري إجراء أبحاث محلية على هذه المعدات الأساسية، ودمج سنوات من الخبرة والاستراتيجيات في مجال التشغيل والصيانة، وذلك لتحسين جودة المنتج وموثوقية تشغيل هذه المعدات الرئيسية بشكل فعال. فيما يتعلق بمراقبة تشغيل المعدات، يحتاج الفنيون إلى صياغة معايير تكوين عناصر مراقبة حالة المعدات بشكل منهجي من منظور إمكانية ملاحظة حالة المعدات وقياسها، وإجراء بحث معمق حول استراتيجيات التحكم في المعدات، واستراتيجيات مراقبة الحالة، وأساليب تقييم الصحة بناءً على متطلبات السلامة الجوهرية، وبناء منصة تحليل ذكية وإنذار مبكر لمراقبة حالة المعدات، واكتشاف المخاطر الخفية في المعدات مسبقًا وإجراء إنذار مبكر في الوقت المناسب.
لتحقيق إدارة تشغيل ذكية وفعّالة لمحطة الطاقة، يحتاج الفنيون إلى إجراء بحوث حول التحكم الآلي في المعدات أو تقنية التشغيل بمفتاح واحد، وذلك لتحقيق بدء التشغيل والإيقاف التلقائيين بالكامل وتنظيم الأحمال دون تدخل بشري، وتحقيق تسلسل العمليات والتأكيد الذكي متعدد الأبعاد قدر الإمكان. وفيما يتعلق بفحص المعدات، يمكن للفنيين إجراء بحوث تقنية حول إدراك الرؤية الآلية، والإدراك السمعي الآلي، والفحص الروبوتي، وغيرها من الجوانب، وإجراء تدريب عملي على استبدال آلات الفحص. أما فيما يخص التشغيل المكثف لمحطة الطاقة، فمن الضروري إجراء بحوث وتدريب عملي على تقنية المراقبة المركزية التي يقوم بها شخص واحد لعدة محطات، وذلك لحل مشكلة نقص الموارد البشرية المناوبة الناجمة عن تطوير محطات الطاقة الكهرومائية.
يُعدّ تصغير حجم وحدات التخزين بالضخ والتشغيل المتكامل لأنظمة الطاقة المتعددة من أبرز سمات نظام الطاقة الجديد، حيث تنتشر فيه مصادر الطاقة الجديدة صغيرة الحجم في مناطق مختلفة من الشبكة، وتعمل ضمن شبكة الجهد المنخفض. وللاستفادة القصوى من هذه المصادر الموزعة وتخفيف ازدحام شبكة الطاقة الرئيسية، لا بد من إنشاء وحدات تخزين بالضخ موزعة بالقرب من هذه المصادر، وذلك لتحقيق التخزين والاستهلاك والاستخدام المحلي للطاقة الجديدة عبر شبكات الجهد المنخفض. لذا، من الضروري إيجاد حلول لمشكلتي تصغير حجم وحدات التخزين بالضخ والتشغيل المتكامل لأنظمة الطاقة المتعددة.
من الضروري أن يقوم المهندسون والفنيون بإجراء بحوث مكثفة حول اختيار الموقع والتصميم والتصنيع واستراتيجية التحكم والتطبيق المتكامل لأنواع متعددة من محطات الطاقة الكهرومائية الموزعة، بما في ذلك وحدات التخزين الكهرومائية الصغيرة القابلة للعكس، والتشغيل المستقل المحوري للمضخات والتوربينات، والتشغيل المشترك لمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة ومحطات الضخ، وما إلى ذلك؛ وفي الوقت نفسه، يتم إجراء البحوث وعرض المشاريع حول تكنولوجيا التشغيل المتكامل للتخزين الكهرومائي وطاقة الرياح والطاقة الضوئية والطاقة الكهرومائية لاقتراح حلول تقنية لاستكشاف كفاءة الطاقة والتفاعل الاقتصادي في نظام الطاقة الجديد.
تُعدّ مشكلة "الاختناق" التقني لوحدات التخزين بالضخ ذات السرعة المتغيرة، والمُصممة للعمل مع شبكات الطاقة عالية المرونة، من أبرز التحديات التي تواجهها هذه الوحدات. تتميز هذه الوحدات باستجابتها السريعة لتنظيم التردد الأساسي، وقوة الإدخال القابلة للتعديل أثناء تشغيل المضخة، وعملها الأمثل، فضلاً عن استجابتها الحساسة وعزم قصورها الذاتي العالي. وللحدّ من عشوائية وتقلبات شبكة الطاقة، وتحسين دقة ضبط واستيعاب الطاقة الزائدة المُولّدة من مصادر الطاقة الجديدة في جانبي التوليد والاستهلاك، وتحسين التحكم في توازن الأحمال في شبكة الطاقة عالية المرونة والتفاعلية، من الضروري زيادة نسبة وحدات السرعة المتغيرة في الشبكة. مع ذلك، لا تزال معظم التقنيات الأساسية لوحدات ضخ وتخزين المياه ذات السرعة المتغيرة حكرًا على الشركات المصنعة الأجنبية، مما يستدعي إيجاد حلول لهذه المشكلة التقنية.
من أجل تحقيق التحكم المستقل في التقنيات الأساسية الرئيسية، من الضروري تركيز الجهود البحثية والتقنية المحلية على تنفيذ تصميم وتطوير محركات المولدات ذات السرعة المتغيرة وتوربينات المضخات بشكل معمق، وتطوير استراتيجيات وأجهزة التحكم لمحولات الإثارة AC، وتطوير استراتيجيات وأجهزة التحكم المنسقة للوحدات ذات السرعة المتغيرة، وبحث استراتيجيات التحكم في منظمات السرعة للوحدات ذات السرعة المتغيرة، وبحث عملية تحويل ظروف التشغيل واستراتيجيات التحكم المتكاملة للوحدات ذات السرعة المتغيرة، وتحقيق التصميم والتصنيع والتطبيق الهندسي التجريبي الكامل للوحدات الكبيرة ذات السرعة المتغيرة.