Um das Ziel „CO2-Spitzenwert erreichen und CO2-Neutralität erreichen“ und ein neues Stromnetz aufbauen zu können, hat die China Southern Power Grid Corporation (CSP) den Bau eines neuen Stromnetzes in Südchina bis 2030 in wesentlichen Punkten und bis 2060 in vollem Umfang beschlossen. In diesem Zusammenhang werden wir die Pumpspeicherung energisch ausbauen. Im 14., 15. und 16. Fünfjahresplan ist eine Steigerung der installierten Leistung um jeweils 6, 15 und 15 Millionen Kilowatt geplant. Bis 2035 wollen wir in Südchina eine Pumpspeicherleistung von rund 44 Millionen Kilowatt erreichen und so ein neuartiges Mittel zum Ausgleich von Netzstörungen, zur Lastverteilung und zur Stabilisierung des Stromnetzes schaffen.
Quelle: Offizieller WeChat-Account „China Energy Media Intelligent Manufacturing“
Autor: Peng Yumin, Energiespeicherforschungsinstitut der China Southern Power Grid Peak shaving and Frequency Modulation Power Generation Co., Ltd
Hauptmerkmale des neuen Energiesystems
Das neue Stromnetz wird von sauberer Energie dominiert, und ihr Anteil am Energieverbrauch wird weiter steigen. Schritt für Schritt entwickelt sich eine Energienutzungsform, bei der erneuerbare Energien, Wasserkraft und Kernkraft die wichtigsten Formen der Stromerzeugung darstellen. Um das Ziel der CO2-Neutralität zu erreichen, wird der Anteil fossiler Energieträger schrittweise reduziert, und die verbleibende installierte Kapazität fossiler Energieträger wird als Notstromversorgung des neuen Stromnetzes genutzt. Im neuen Stromnetz wird erneuerbare Energie zentral und dezentral an das Stromnetz angeschlossen. Im Hinblick auf den zentralen Zugang strebt die südliche Region bis 2025 eine Leistung von über 24 Millionen Kilowatt an Onshore-Windkraft, über 20 Millionen Kilowatt an Offshore-Windkraft und über 56 Millionen Kilowatt an Photovoltaik an. Im Hinblick auf den dezentralisierten Zugang werden in verschiedenen Regionen entsprechend den örtlichen Gegebenheiten dezentrale Stromquellen mit geringer Kapazität, niedrigem Netzanschluss und nahegelegener Verbrauchsmöglichkeit errichtet.
Im neuen Energiesystem, das hauptsächlich auf erneuerbarer Energie basiert, wird die tatsächliche Leistung der erneuerbaren Energieerzeugungsanlagen stark von den meteorologischen Bedingungen beeinflusst, die offensichtliche Merkmale von Zufälligkeit, Volatilität und Intermittenz aufweisen. Der breite Einsatz von Stromsubstitution, Haushaltsenergiespeichern und Smart Homes führt zu einer diversifizierten und interaktiven Lastentwicklung auf der Nutzerseite, und das Endgerät wird sowohl zum Verbraucher als auch zum Erzeuger. Das neue Energiesystem, das hauptsächlich auf erneuerbarer Energie basiert, weist die Merkmale eines „doppelten Hochs“ auf: ein hoher Anteil erneuerbarer Energie und ein hoher Anteil leistungselektronischer Geräte. Um die starken Schwankungen der erneuerbaren Energie und verschiedene Extremsituationen zu bewältigen, ist es notwendig, die installierte Kapazität der Pumpspeicher entsprechend der installierten Kapazität und der Leistung der erneuerbaren Energie anzupassen. Bei anormaler Leistung der erneuerbaren Energie sollten Pumpspeicher den Zustand des neuen Energiesystems so weit wie möglich aufrechterhalten und die Umstellung des neuen Energiesystems auf das herkömmliche Energiesystem verhindern. Daher werden Entwicklung und Bau von Pumpspeicherkraftwerken schneller und umfangreicher erfolgen.
Probleme und Gegenmaßnahmen bei der schnellen und großflächigen Entwicklung von Pumpspeicherkraftwerken
Die schnelle und groß angelegte Entwicklung und der Bau haben Sicherheits- und Qualitätsprobleme sowie Personalmangel mit sich gebracht. Um den Baubedarf des neuen Stromnetzes zu decken, werden jährlich mehrere Pumpspeicherkraftwerke genehmigt. Die erforderliche Bauzeit wurde zudem deutlich von 8–10 Jahren auf 4–6 Jahre verkürzt. Die schnelle Entwicklung und der Bau des Projekts werden unweigerlich Sicherheits- und Qualitätsprobleme sowie Personalmangel mit sich bringen.
Um eine Reihe von Problemen zu lösen, die durch die rasante Entwicklung und den Bau von Projekten entstehen, müssen Bau- und Projektmanagementeinheiten zunächst technische Forschungen durchführen und die Mechanisierung und Intelligenz des Tiefbaus von Pumpspeicherkraftwerken praktisch anwenden. Für den Aushub einer großen Zahl unterirdischer Kavernen wird die TBM-Technologie (Tunnelbohrmaschine) eingeführt. Die TBM-Ausrüstung wird in Übereinstimmung mit den Merkmalen von Pumpspeicherkraftwerken entwickelt und ein technischer Bauplan wird formuliert. Im Hinblick auf verschiedene Betriebsszenarien wie Aushub, Transport, Abstützung und inverses Gewölbe während des Tiefbaus wurde ein unterstützendes Anwendungsschema für den gesamten Prozess des mechanisierten und intelligenten Bauens entwickelt und Forschungen zu Themen wie dem intelligenten Betrieb einzelner Prozessausrüstungen, der Automatisierung des gesamten Prozessbausystems, der Digitalisierung von Ausrüstungsbauinformationen, dem unbemannten Bau ferngesteuerter mechanischer Ausrüstung, der intelligenten Wahrnehmungsanalyse der Bauqualität usw. durchgeführt. Entwickelt werden verschiedene mechanisierte und intelligente Bauausrüstungen und -systeme.
Im Hinblick auf die Mechanisierung und Intelligenz des Maschinenbaus und der Elektrotechnik können wir den Anwendungsbedarf und die Möglichkeiten der Mechanisierung und Intelligenz unter den Gesichtspunkten der Reduzierung des Bedienpersonals, der Verbesserung der Arbeitseffizienz, der Reduzierung von Arbeitsrisiken usw. analysieren und verschiedene mechanisierte und intelligente Baugeräte und -systeme für den Maschinenbau und die Elektrotechnik für verschiedene Betriebsszenarien der Installation mechanischer und elektrischer Geräte entwickeln.
Darüber hinaus können mithilfe der 3D-Konstruktions- und Simulationstechnologie auch bestimmte Anlagen und Geräte vorab vorgefertigt und simuliert werden. Dadurch können nicht nur Teile der Arbeiten im Voraus abgeschlossen und die Bauzeit vor Ort verkürzt werden, sondern auch die Funktionsabnahme und Qualitätskontrolle im Voraus durchgeführt werden, wodurch das Qualitäts- und Sicherheitsmanagement effektiv verbessert wird.
Der Großbetrieb von Kraftwerken bringt Probleme mit sich, die einen zuverlässigen Betrieb sowie eine intelligente und intensive Nachfrage erfordern. Der Großbetrieb von Pumpspeicherkraftwerken bringt Probleme wie hohe Betriebs- und Wartungskosten sowie Personalmangel mit sich. Um die Betriebs- und Wartungskosten zu senken, ist die Verbesserung der Betriebszuverlässigkeit der Pumpspeicherkraftwerke entscheidend. Um den Personalmangel zu lösen, ist ein intelligentes und intensives Betriebsmanagement des Kraftwerks erforderlich.
Um die Betriebssicherheit der Anlage zu verbessern, müssen Techniker bei der Auswahl und Konstruktion von Gerätetypen die praktischen Erfahrungen aus Konstruktion und Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken umfassend nutzen, Optimierungsdesign, Typenauswahl und Standardisierungsforschung an relevanten Anlagensubsystemen durchführen und diese anhand der Erfahrungen mit Inbetriebnahme, Störungsbehebung und Wartung iterativ aktualisieren. Bei der Anlagenherstellung traditioneller Pumpspeicherkraftwerke liegen einige Schlüsseltechnologien noch immer in der Hand ausländischer Hersteller. Lokale Forschung zu diesen sogenannten „Drosselanlagen“ und die Einbeziehung langjähriger Betriebs- und Wartungserfahrungen sowie -strategien sind notwendig, um die Produktqualität und Betriebssicherheit dieser wichtigen Kernanlagen effektiv zu verbessern. Im Hinblick auf die Anlagenüberwachung müssen Techniker systematisch Konfigurationsstandards für die Überwachungselemente des Anlagenzustands im Hinblick auf die Beobachtbarkeit und Messbarkeit des Anlagenzustands entwickeln, Anlagensteuerungsstrategien, Statusüberwachungsstrategien und Methoden zur Zustandsbewertung basierend auf den Anforderungen der Eigensicherheit gründlich erforschen, eine intelligente Analyse- und Frühwarnplattform für die Anlagenzustandsüberwachung aufbauen, versteckte Gefahren in den Anlagen frühzeitig erkennen und rechtzeitig warnen.
Um ein intelligentes und intensives Betriebsmanagement des Kraftwerks zu realisieren, müssen Techniker die automatische Steuerung der Ausrüstung oder eine zentrale Betriebstechnologie in Bezug auf die Ausrüstungssteuerung und den Betrieb erforschen, um ein vollautomatisches Starten und Herunterfahren und eine Lastregulierung der Einheit ohne Personaleingriff zu realisieren und so weit wie möglich eine Betriebssequenzierung und mehrdimensionale intelligente Bestätigung zu realisieren; in Bezug auf die Ausrüstungsprüfung können Techniker technische Forschungen zu maschineller Bildwahrnehmung, maschineller Hörwahrnehmung, Roboterprüfung und anderen Aspekten durchführen und technische Übungen zum Austausch von Prüfmaschinen durchführen; in Bezug auf den intensiven Betrieb des Kraftwerks ist es notwendig, Forschungen und Übungen zu zentralisierten Überwachungstechnologien für eine Person und mehrere Anlagen durchzuführen, um das Problem des Personalmangels im Dienst, der durch die Entwicklung von Pumpspeicherkraftwerken entsteht, wirksam zu lösen.
Die Miniaturisierung von Pumpspeichern und der integrierte Betrieb zur Energie-Komplementierung werden durch die Nutzung einer großen Anzahl dezentraler neuer Energiequellen ermöglicht. Ein bemerkenswertes Merkmal des neuen Stromsystems ist die große Anzahl kleiner neuer Energiequellen, die über verschiedene Netzbereiche verteilt sind und im Niederspannungsnetz betrieben werden. Um diese dezentralen neuen Energiequellen bestmöglich zu nutzen und die Stromüberlastung des großen Stromnetzes wirksam zu verringern, ist der Bau dezentraler Pumpspeicher in der Nähe der dezentralen neuen Energiequellen notwendig, um die lokale Speicherung, Nutzung und Nutzung der neuen Energie über das Niederspannungsnetz zu ermöglichen. Daher müssen die Probleme der Miniaturisierung von Pumpspeichern und des integrierten Betriebs zur Energie-Komplementierung gelöst werden.
Ingenieure und Techniker müssen intensive Forschungen zur Standortauswahl, Konstruktion und Herstellung, Steuerungsstrategie und integrierten Anwendung mehrerer Arten von verteilten Pumpspeicherkraftwerken durchführen, darunter kleine reversible Pumpspeichereinheiten, koaxial unabhängiger Betrieb von Pumpen und Turbinen, gemeinsamer Betrieb von kleinen Wasserkraftwerken und Pumpstationen usw. Gleichzeitig werden Forschungen und Projektdemonstrationen zur integrierten Betriebstechnologie von Pumpspeichern sowie Wind-, Licht- und Wasserkraft durchgeführt, um technische Lösungen für die Erforschung der Energieeffizienz und der wirtschaftlichen Interaktion im neuen Energiesystem vorzuschlagen.
Das Problem der technischen Drosselung von Pumpspeichern mit variabler Drehzahl, die an ein hochelastisches Stromnetz angepasst sind. Pumpspeicher mit variabler Drehzahl zeichnen sich durch eine schnelle Reaktion auf die Primärfrequenzregelung, eine regelbare Eingangskraft im Pumpbetrieb und einen optimalen Betrieb mit optimaler Kennlinie aus. Zudem zeichnen sie sich durch ein sensibles Ansprechverhalten und ein hohes Trägheitsmoment aus. Um die Unzufälligkeit und Volatilität des Stromnetzes wirksam einzudämmen, den durch neue Energie erzeugten Stromüberschuss auf Erzeuger- und Verbraucherseite präziser anzupassen und zu absorbieren und den Lastausgleich des hochelastischen und interaktiven Stromnetzes zu verbessern, ist es notwendig, den Anteil drehzahlgeregelter Anlagen im Stromnetz zu erhöhen. Derzeit befinden sich jedoch die meisten Schlüsseltechnologien für drehzahlgeregelte Wasserpump- und -speicheranlagen noch in der Hand ausländischer Hersteller, sodass das Problem der technischen Drosselung gelöst werden muss.
Um die unabhängige Steuerung wichtiger Kerntechnologien zu realisieren, ist es notwendig, die wissenschaftliche Forschung und die technischen Kräfte im Inland zu bündeln, um die Konstruktion und Entwicklung von Generatormotoren und Pumpturbinen mit variabler Drehzahl, die Entwicklung von Steuerungsstrategien und -geräten für Wechselstrom-Erregerumrichter, die Entwicklung koordinierter Steuerungsstrategien und -geräte für Einheiten mit variabler Drehzahl, die Erforschung von Reglersteuerungsstrategien für Einheiten mit variabler Drehzahl, die Erforschung von Arbeitsbedingungen-Umwandlungsprozessen und integrierten Steuerungsstrategien für Einheiten mit variabler Drehzahl gründlich durchzuführen und die vollständige lokale Konstruktion und Herstellung sowie die technische Demonstrationsanwendung großer Einheiten mit variabler Drehzahl zu realisieren.
Veröffentlichungszeit: 09.12.2022
