Um das Ziel der CO₂-Spitzenlastreduzierung und -neutralisierung zu erreichen und ein neues Stromnetz aufzubauen, hat die China Southern Power Grid Corporation (CSPGC) den grundlegenden Aufbau eines neuen Stromnetzes in der südlichen Region bis 2030 und dessen vollständige Fertigstellung bis 2060 angekündigt. Dabei wird der Ausbau von Pumpspeicherkraftwerken forciert. Geplant ist, die installierte Kapazität während des 14., 15. und 16. Fünfjahresplans um jeweils 6 Millionen Kilowatt, 15 Millionen Kilowatt und 15 Millionen Kilowatt zu erhöhen. Bis 2035 soll die Pumpspeicherkapazität in der südlichen Region auf rund 44 Millionen Kilowatt steigen. Dadurch sollen Pumpspeicherkraftwerke als neuartiger Ausgleichsmechanismus für Netzstörungen, Lasten und zur Stabilisierung des Stromnetzes dienen.
Quelle: Offizieller WeChat-Account „China Energy Media Intelligent Manufacturing“
Autor: Peng Yumin, Forschungsinstitut für Energiespeicherung der China Southern Power Grid Peak shaving and Frequency Modulation Power Generation Co., Ltd.
Hauptmerkmale des neuen Stromversorgungssystems
Das neue Energiesystem wird von sauberer Energie dominiert, und ihr Anteil am Energieverbrauch wird weiter steigen. So entsteht schrittweise ein Energiemodell, in dem erneuerbare Energien, Wasserkraft und Kernenergie die wichtigsten Energiequellen darstellen. Der Anteil fossiler Energieträger wird sukzessive reduziert, um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. Die verbleibende installierte Kapazität fossiler Energieträger dient als Reservekapazität des neuen Energiesystems. Im neuen Energiesystem werden erneuerbare Energien zentral und dezentral an das Stromnetz angeschlossen. Im Hinblick auf den zentralen Anschluss strebt die südliche Region bis 2025 eine Onshore-Windkraft von über 24 Millionen Kilowatt, eine Offshore-Windkraft von über 20 Millionen Kilowatt und eine Photovoltaik-Anlage von über 56 Millionen Kilowatt an. Im Hinblick auf den dezentralisierten Anschluss werden je nach lokalen Gegebenheiten in verschiedenen Regionen dezentrale Energiequellen mit geringer Kapazität und niedriger Netzspannung errichtet, die lokal genutzt werden können.
Im neuen Stromnetz, dessen Hauptbestandteil erneuerbare Energien sind, wird die tatsächliche Leistung der Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien stark von den Wetterbedingungen beeinflusst und ist durch Zufälligkeit, Volatilität und Intermittenz gekennzeichnet. Die zunehmende Verbreitung von alternativen Stromquellen, Heimspeichern und Smart Homes führt zu einer diversifizierten und interaktiven Entwicklung des Verbraucherbedarfs. Die Endgeräte der Verbraucher agieren gleichzeitig als Konsumenten und Produzenten. Das neue Stromnetz zeichnet sich durch einen hohen Anteil erneuerbarer Energien und einen hohen Anteil leistungselektronischer Anlagen aus. Um die starken Schwankungen der erneuerbaren Energien und verschiedene Extremsituationen zu bewältigen, muss die installierte Kapazität von Pumpspeicherkraftwerken entsprechend der installierten Kapazität und dem Leistungsumfang der erneuerbaren Energien dimensioniert werden. Bei anormaler Erzeugung erneuerbarer Energien sollen Pumpspeicherkraftwerke den Zustand des neuen Stromnetzes so weit wie möglich aufrechterhalten und eine Transformation des neuen Stromnetzes in ein konventionelles Stromnetz verhindern. Daher wird der Ausbau und Bau von Pumpspeicherkraftwerken beschleunigt und in größerem Umfang vorangetrieben.
Probleme und Gegenmaßnahmen bei der raschen und großflächigen Entwicklung von Pumpspeicherkraftwerken
Die rasante und großflächige Entwicklung und der Bau von Pumpspeicherkraftwerken haben zu Problemen hinsichtlich Sicherheit, Qualität und Personalmangel geführt. Um den Baubedarf des neuen Stromnetzes zu decken, werden jährlich zahlreiche Pumpspeicherkraftwerke genehmigt. Die erforderliche Bauzeit konnte zudem von 8–10 Jahren auf 4–6 Jahre deutlich verkürzt werden. Die rasante Entwicklung und der Bau des Projekts werden jedoch zwangsläufig Probleme hinsichtlich Sicherheit, Qualität und Personalmangel mit sich bringen.
Um die durch die rasante Entwicklung und den Bau von Projekten entstandenen Probleme zu lösen, müssen Bau- und Projektmanagementeinheiten zunächst technische Forschung und praktische Anwendung im Bereich der Mechanisierung und intelligenten Bauweise von Pumpspeicherkraftwerken betreiben. Die Tunnelbohrmaschinentechnologie (TBM) wird für den Aushub zahlreicher unterirdischer Kavernen eingesetzt. Die TBM-Ausrüstung wird in Kombination mit den spezifischen Eigenschaften von Pumpspeicherkraftwerken weiterentwickelt und ein entsprechendes Baukonzept formuliert. Angesichts verschiedener Betriebsszenarien wie Aushub, Transport, Stützung und Bogenbau wurde ein unterstützendes Anwendungskonzept für den gesamten mechanisierten und intelligenten Bauprozess entwickelt. Forschungsarbeiten umfassen Themen wie den intelligenten Betrieb einzelner Prozessanlagen, die Automatisierung des gesamten Bauprozesses, die Digitalisierung von Anlagenbauinformationen, den unbemannten Bau mit ferngesteuerten Maschinen, die intelligente Erfassung und Analyse der Bauqualität usw. Ziel ist die Entwicklung verschiedener mechanisierter und intelligenter Baugeräte und -systeme.
Im Hinblick auf die Mechanisierung und Intelligenz im Maschinenbau und der Elektrotechnik können wir den Anwendungsbedarf und die Möglichkeiten der Mechanisierung und Intelligenz unter Aspekten wie der Reduzierung des Personalbedarfs, der Verbesserung der Arbeitseffizienz, der Verringerung der Arbeitsrisiken usw. analysieren und verschiedene Maschinen und Systeme für den Mechanisierungs- und Intelligenzbau im Maschinenbau und der Elektrotechnik für verschiedene Betriebsszenarien der Installation von mechanischen und elektrischen Anlagen entwickeln.
Darüber hinaus können 3D-Konstruktions- und Simulationstechnologien auch zur Vorfertigung und Simulation von Anlagen und Ausrüstungen im Voraus eingesetzt werden. Dadurch können nicht nur Teile der Arbeiten im Voraus erledigt und die Bauzeit vor Ort verkürzt werden, sondern auch Funktionsabnahmen und Qualitätskontrollen im Voraus durchgeführt werden, was das Qualitäts- und Sicherheitsmanagementniveau effektiv verbessert.
Der großflächige Betrieb von Kraftwerken bringt die Herausforderungen eines zuverlässigen, intelligenten und intensiven Betriebs mit sich. Der großflächige Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken führt zu Problemen wie hohen Betriebs- und Wartungskosten sowie Personalmangel. Um die Betriebs- und Wartungskosten zu senken, ist die Verbesserung der Betriebssicherheit der Pumpspeicherkraftwerke entscheidend. Zur Behebung des Personalmangels ist ein intelligentes und intensives Betriebsmanagement des Kraftwerks notwendig.
Um die Betriebssicherheit der Anlage hinsichtlich der Anlagentypauswahl und -konstruktion zu verbessern, müssen Techniker die praktischen Erfahrungen in der Planung und im Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken umfassend zusammenfassen. Sie müssen Optimierungs-, Typenauswahl- und Standardisierungsforschung an relevanten Anlagenteilsystemen durchführen und diese iterativ auf Basis von Inbetriebnahme-, Störungsbehebungs- und Wartungserfahrungen aktualisieren. Im Bereich der Anlagenfertigung befinden sich einige Schlüsseltechnologien traditioneller Pumpspeicherkraftwerke noch immer in den Händen ausländischer Hersteller. Es ist notwendig, diese kritischen Anlagen zu lokalisieren und jahrelange Betriebs- und Wartungserfahrung sowie entsprechende Strategien zu integrieren, um die Produktqualität und Betriebssicherheit dieser Kernkomponenten effektiv zu verbessern. Im Bereich der Anlagenüberwachung müssen Techniker systematisch Konfigurationsstandards für die Überwachungselemente unter Berücksichtigung der Beobachtbarkeit und Messbarkeit des Anlagenzustands formulieren. Sie müssen die Anlagensteuerungsstrategien, Überwachungsstrategien und Methoden zur Zustandsbewertung auf Basis der inhärenten Sicherheitsanforderungen eingehend erforschen, eine intelligente Analyse- und Frühwarnplattform für die Anlagenüberwachung aufbauen, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig Warnungen auszulösen.
Um ein intelligentes und intensives Betriebsmanagement des Kraftwerks zu realisieren, müssen Techniker im Bereich der Anlagensteuerung und des Anlagenbetriebs Forschung zur automatischen Anlagensteuerung oder zu Ein-Tasten-Bedientechnologien betreiben. Ziel ist es, den vollautomatischen Start und Stopp sowie die Lastregelung der Anlagen ohne Personaleingriff zu erreichen und Betriebsabläufe sowie eine möglichst umfassende intelligente Bestätigung zu gewährleisten. Im Bereich der Anlageninspektion können Techniker Forschung zu maschineller Bildverarbeitung, maschineller akustischer Wahrnehmung, Roboterinspektion und anderen Aspekten betreiben und die Austauschbarkeit von Inspektionsmaschinen praktisch erproben. Für den intensiven Betrieb des Kraftwerks ist es notwendig, die zentrale Überwachungstechnologie für mehrere Anlagen durch eine Person zu erforschen und zu erproben, um dem durch den Ausbau von Pumpspeicherkraftwerken verursachten Personalmangel effektiv entgegenzuwirken.
Die Miniaturisierung von Pumpspeicherkraftwerken und der integrierte Betrieb von Mehrenergiesystemen sind durch den Verbrauch einer Vielzahl dezentraler erneuerbarer Energiequellen bedingt. Ein besonderes Merkmal des neuen Stromsystems ist die große Anzahl kleiner, im Niederspannungsnetz verteilter erneuerbarer Energiequellen. Um diese dezentralen Energiequellen bestmöglich zu nutzen und die Netzengpässe effektiv zu verringern, ist der Bau dezentraler Pumpspeicherkraftwerke in der Nähe der Energiequellen erforderlich. Dies ermöglicht die lokale Speicherung, den Verbrauch und die Nutzung der erneuerbaren Energien über Niederspannungsnetze. Daher müssen die Herausforderungen der Miniaturisierung von Pumpspeicherkraftwerken und des integrierten Betriebs von Mehrenergiesystemen gelöst werden.
Es ist notwendig, dass Ingenieure und Techniker intensiv Forschung zur Standortwahl, Konstruktion und Fertigung, Steuerungsstrategie und integrierten Anwendung verschiedener Arten von dezentralen Pumpspeicherkraftwerken betreiben, einschließlich kleiner reversibler Pumpspeichereinheiten, koaxialem unabhängigem Betrieb von Pumpen und Turbinen, gemeinsamem Betrieb von kleinen Wasserkraftwerken und Pumpstationen usw.; Gleichzeitig werden Forschung und Projektdemonstration zur integrierten Betriebstechnologie von Pumpspeicherkraftwerken und Wind-, Licht- und Wasserkraft durchgeführt, um technische Lösungen für die Erforschung von Energieeffizienz und wirtschaftlicher Interaktion im neuen Energiesystem vorzuschlagen.
Das Problem der technischen „Drosselung“ von drehzahlvariablen Pumpspeicherkraftwerken in hochelastischen Stromnetzen. Drehzahlvariable Pumpspeicherkraftwerke zeichnen sich durch schnelles Ansprechverhalten auf die Primärfrequenzregelung, anpassbare Eingangskraft im Pumpenbetrieb und Betrieb entlang der optimalen Kennlinie sowie durch hohes Ansprechverhalten und ein hohes Trägheitsmoment aus. Um die Zufälligkeit und Volatilität des Stromnetzes effektiv zu reduzieren, überschüssige Energie aus erneuerbaren Energien auf Erzeugungs- und Verbraucherseite präziser zu regulieren und aufzunehmen sowie die Lastverteilung im hochelastischen und vernetzten Stromnetz besser zu steuern, ist ein höherer Anteil drehzahlvariabler Kraftwerke erforderlich. Derzeit befinden sich jedoch die meisten Schlüsseltechnologien für drehzahlvariable Pumpspeicherkraftwerke noch in den Händen ausländischer Hersteller, wodurch das Problem der technischen „Drosselung“ gelöst werden muss.
Um die unabhängige Steuerung wichtiger Kerntechnologien zu realisieren, ist es notwendig, die heimischen wissenschaftlichen und technischen Kräfte zu bündeln, um die Konstruktion und Entwicklung von drehzahlvariablen Generatormotoren und Pumpturbinen, die Entwicklung von Steuerungsstrategien und -geräten für Wechselstrom-Erregerumrichter, die Entwicklung von koordinierten Steuerungsstrategien und -geräten für drehzahlvariable Einheiten, die Forschung von Reglersteuerungsstrategien für drehzahlvariable Einheiten, die Forschung von Betriebszustandsumwandlungsprozessen und integrierten Steuerungsstrategien für drehzahlvariable Einheiten intensiv voranzutreiben und die vollständige Lokalisierung von Konstruktion, Fertigung und technischer Demonstrationsanwendung großer drehzahlvariabler Einheiten zu erreichen.
Veröffentlichungsdatum: 09.12.2022
