Para contribuir al logro del objetivo de “limitación de la demanda de carbono y neutralización de carbono” y la construcción de un nuevo sistema eléctrico, China Southern Power Grid Corporation propuso claramente la construcción básica de un nuevo sistema eléctrico en la región sur para 2030 y su completa construcción para 2060. En este proceso, impulsaremos el desarrollo del almacenamiento por bombeo. Se prevé aumentar la capacidad instalada en 6 millones de kilovatios, 15 millones de kilovatios y 15 millones de kilovatios respectivamente durante los períodos del “Decimocuarto, Decimoquinto y Decimosexto Plan Quinquenal”. Nos esforzaremos por alcanzar una capacidad de almacenamiento por bombeo de aproximadamente 44 millones de kilovatios en la región sur para 2035, convirtiéndolo en un nuevo tipo de equilibrador de perturbaciones del sistema eléctrico, equilibrador de carga y estabilizador de la red eléctrica.
Fuente: Cuenta oficial de WeChat “China Energy Media Intelligent Manufacturing”
Autor: Peng Yumin, Instituto de Investigación de Almacenamiento de Energía de China Southern Power Grid Peak shaving and Frequency Modulation Power Generation Co., Ltd.
Características principales del nuevo sistema de energía
El nuevo sistema eléctrico está dominado por la energía limpia, y la proporción de energías renovables en el consumo energético seguirá aumentando, conformando gradualmente un modelo de utilización energética donde las energías renovables, la hidroeléctrica y la nuclear serán las principales fuentes de generación. La proporción de consumo de energía fósil se reducirá progresivamente para alcanzar el objetivo de neutralidad de carbono, y la capacidad instalada restante de energía fósil se utilizará como fuente de respaldo del nuevo sistema. En este nuevo sistema, las energías renovables se conectarán a la red eléctrica de forma centralizada y distribuida. En cuanto a la conexión centralizada, la región sur se propone alcanzar una capacidad de energía eólica terrestre superior a 24 millones de kilovatios, una capacidad eólica marina superior a 20 millones de kilovatios y una capacidad fotovoltaica superior a 56 millones de kilovatios para 2025. En cuanto a la conexión distribuida, se construirán fuentes de energía distribuidas de pequeña capacidad, con un nivel de tensión de conexión a la red y que puedan consumirse en las proximidades, en diversas regiones, de acuerdo con las condiciones locales.
En el nuevo sistema eléctrico con energías renovables como componente principal, la producción real de los equipos de generación de energía renovable se ve muy afectada por el entorno meteorológico, que presenta características evidentes de aleatoriedad, volatilidad e intermitencia. La amplia aplicación de la sustitución de energía eléctrica, los equipos de almacenamiento de energía doméstica y los hogares inteligentes impulsan el desarrollo de la carga del usuario en una dirección diversificada e interactiva, y el terminal del usuario entra en un nuevo modo en el que actúa tanto como consumidor como productor. El nuevo sistema eléctrico con energías renovables como componente principal presenta las características de "doble alto" de una alta proporción de energías renovables y una alta proporción de equipos electrónicos de potencia. Para hacer frente a las grandes fluctuaciones de las energías renovables y a diversas situaciones extremas, es necesario ajustar la capacidad instalada de almacenamiento por bombeo a la escala correspondiente según la capacidad instalada y la escala de producción de las energías renovables. Cuando la producción de energías renovables es anómala, el almacenamiento por bombeo debe mantener el estado del nuevo sistema eléctrico de la red en la medida de lo posible y evitar la transformación del nuevo sistema eléctrico en el sistema eléctrico tradicional. Por lo tanto, el desarrollo y la construcción de centrales hidroeléctricas de bombeo serán más rápidos y a mayor escala.
Problemas y contramedidas del desarrollo rápido y a gran escala del almacenamiento por bombeo.
El rápido desarrollo y la construcción a gran escala han generado problemas de seguridad, calidad y escasez de personal. Para satisfacer las necesidades de construcción del nuevo sistema eléctrico, cada año se aprueba la construcción de varias centrales hidroeléctricas de bombeo. El plazo de construcción también se ha reducido considerablemente, pasando de 8-10 años a 4-6 años. El rápido desarrollo y la construcción del proyecto inevitablemente generarán problemas de seguridad, calidad y escasez de personal.
Para resolver una serie de problemas derivados del rápido desarrollo y construcción de proyectos, las unidades de construcción y gestión de proyectos deben llevar a cabo primero investigación y práctica técnica sobre la mecanización e inteligencia de la ingeniería civil de las centrales hidroeléctricas de bombeo. Se introduce la tecnología TBM (Tunnel Boring Machine) para la excavación de un gran número de cavernas subterráneas, y se desarrolla el equipo TBM en combinación con las características de la central hidroeléctrica de bombeo, y se formula un esquema técnico de construcción. En vista de varios escenarios de operación tales como excavación, transporte, soporte y arco invertido durante la construcción civil, se ha desarrollado un esquema de aplicación de soporte para todo el proceso de construcción mecanizada e inteligente, y se han llevado a cabo investigaciones sobre temas tales como operación inteligente de equipos de proceso único, automatización de todo el sistema de construcción de proceso, digitalización de la información de construcción de equipos, construcción no tripulada de equipos mecánicos de control remoto, análisis de percepción inteligente de la calidad de la construcción, etc., desarrollando varios equipos y sistemas de construcción mecanizada e inteligente.
En lo que respecta a la mecanización e inteligencia de la ingeniería mecánica y eléctrica, podemos analizar la demanda y la posibilidad de aplicación de la mecanización e inteligencia desde los aspectos de reducción de operarios, mejora de la eficiencia laboral, reducción de riesgos laborales, etc., y desarrollar diversos equipos y sistemas de construcción de ingeniería mecánica y eléctrica mecanizada e inteligente para diversos escenarios operativos de instalación de equipos mecánicos y eléctricos.
Además, la tecnología de diseño y simulación de ingeniería 3D también se puede utilizar para prefabricar y simular algunas instalaciones y equipos con antelación, lo que no solo permite completar parte del trabajo por adelantado y acortar el período de construcción en obra, sino que también permite llevar a cabo la aceptación funcional y el control de calidad con anticipación, mejorando así el nivel de gestión de la calidad y la seguridad.
La operación a gran escala de la central eléctrica plantea problemas de fiabilidad, inteligencia y exigencia. La operación a gran escala de las centrales hidroeléctricas de bombeo conlleva problemas como altos costes de operación y mantenimiento, escasez de personal, etc. Para reducir los costes de operación y mantenimiento, la clave reside en mejorar la fiabilidad operativa de las unidades de bombeo. Para solucionar la escasez de personal, es necesario implementar una gestión operativa inteligente e intensiva de la central.
Para mejorar la fiabilidad operativa de la unidad, en términos de selección y diseño de equipos, los técnicos deben sintetizar en profundidad la experiencia práctica en el diseño y operación de centrales hidroeléctricas de bombeo, llevar a cabo un diseño de optimización, selección de tipos e investigación de estandarización de los subsistemas de equipos relevantes de las centrales hidroeléctricas de bombeo, y actualizarlos iterativamente según la experiencia de puesta en marcha, manejo de fallas y mantenimiento de los equipos. En cuanto a la fabricación de equipos, las unidades hidroeléctricas de bombeo tradicionales aún cuentan con algunas tecnologías clave de fabricación de equipos en manos de fabricantes extranjeros. Es necesario realizar una investigación de localización de estos equipos críticos e integrar años de experiencia y estrategias de operación y mantenimiento, para mejorar eficazmente la calidad del producto y la fiabilidad operativa de estos equipos centrales clave. En cuanto a la monitorización de la operación de los equipos, los técnicos deben formular sistemáticamente estándares de configuración de elementos de monitorización del estado de los equipos desde la perspectiva de la observabilidad y mensurabilidad del estado de los equipos, llevar a cabo una investigación profunda sobre estrategias de control de equipos, estrategias de monitorización del estado y métodos de evaluación de la salud basados en los requisitos de seguridad intrínseca, construir una plataforma inteligente de análisis y alerta temprana para la monitorización del estado de los equipos, detectar peligros ocultos en los equipos con anticipación y realizar alertas tempranas de manera oportuna.
Para lograr una gestión operativa inteligente e intensiva de la central eléctrica, los técnicos deben investigar el control automático de equipos o una tecnología operativa clave en términos de control y operación de equipos, para lograr el arranque y la parada totalmente automáticos y la regulación de carga de la unidad sin intervención del personal, y lograr la secuenciación operativa y la confirmación inteligente multidimensional en la medida de lo posible; en términos de inspección de equipos, los técnicos pueden realizar investigaciones técnicas sobre percepción visual artificial, percepción auditiva artificial, inspección robótica y otros aspectos, y realizar prácticas técnicas sobre el reemplazo de máquinas de inspección; en términos de operación intensiva de la central eléctrica, es necesario realizar investigaciones y prácticas sobre tecnología de monitoreo centralizado de una persona y múltiples plantas para resolver eficazmente el problema de la escasez de recursos humanos en servicio provocado por el desarrollo de las centrales hidroeléctricas de bombeo.
La miniaturización del almacenamiento por bombeo y la operación integrada de la complementación multienergética se deben al consumo de un gran número de fuentes de energía renovables distribuidas. Una característica notable del nuevo sistema eléctrico es la presencia de numerosas fuentes de energía renovables a pequeña escala dispersas en diversas áreas de la red, que operan en la red de baja tensión. Para absorber y utilizar al máximo estas fuentes de energía renovables distribuidas y aliviar eficazmente la congestión de la red eléctrica, es necesario construir unidades de almacenamiento por bombeo distribuidas cerca de dichas fuentes para lograr el almacenamiento, consumo y utilización local de la energía renovable a través de redes eléctricas de baja tensión. Por lo tanto, es necesario resolver los problemas de la miniaturización del almacenamiento por bombeo y la operación integrada de la complementación multienergética.
Es necesario que los ingenieros y técnicos realicen investigaciones exhaustivas sobre la selección del emplazamiento, el diseño y la fabricación, la estrategia de control y la aplicación integrada de diversos tipos de centrales hidroeléctricas de bombeo distribuidas, incluidas las pequeñas unidades reversibles de almacenamiento por bombeo, el funcionamiento coaxial independiente de bombas y turbinas, el funcionamiento conjunto de pequeñas centrales hidroeléctricas y estaciones de bombeo, etc. Al mismo tiempo, se llevan a cabo investigaciones y demostraciones de proyectos sobre la tecnología de operación integrada del almacenamiento por bombeo y la energía eólica, ligera e hidroeléctrica para proponer soluciones técnicas que permitan explorar la eficiencia energética y la interacción económica en el nuevo sistema eléctrico.
El problema del "estrangulamiento" técnico de las unidades de almacenamiento por bombeo de velocidad variable adaptadas a redes eléctricas altamente elásticas. Las unidades de almacenamiento por bombeo de velocidad variable se caracterizan por una rápida respuesta a la regulación de frecuencia primaria, una fuerza de entrada ajustable en condiciones de funcionamiento de la bomba y el funcionamiento de la unidad en la curva óptima, así como una respuesta sensible y un alto momento de inercia. Para mitigar eficazmente la aleatoriedad y la volatilidad de la red eléctrica, ajustar y absorber con mayor precisión el exceso de energía generada por las nuevas fuentes de energía tanto en la generación como en el consumo, y controlar mejor el equilibrio de carga de la red eléctrica altamente elástica e interactiva, es necesario aumentar la proporción de unidades de velocidad variable en la red. Sin embargo, actualmente, la mayoría de las tecnologías clave de las unidades de bombeo y almacenamiento de agua de velocidad variable siguen en manos de fabricantes extranjeros, y el problema del "estrangulamiento" técnico debe resolverse.
Para lograr el control independiente de las tecnologías centrales clave, es necesario concentrar la investigación científica y las fuerzas técnicas nacionales para llevar a cabo en profundidad el diseño y desarrollo de motores generadores de velocidad variable y turbinas de bomba, el desarrollo de estrategias y dispositivos de control para convertidores de excitación de CA, el desarrollo de estrategias y dispositivos de control coordinados para unidades de velocidad variable, la investigación de estrategias de control de reguladores para unidades de velocidad variable, la investigación del proceso de conversión de condiciones de trabajo y estrategias de control integradas para unidades de velocidad variable, y lograr el diseño y la fabricación totalmente localizados, así como la aplicación de demostración de ingeniería de grandes unidades de velocidad variable.
Fecha de publicación: 9 de diciembre de 2022
