Afin de contribuer à la réalisation des objectifs de « limitation et de neutralité carbone » et de construire un nouveau système électrique, China Southern Power Grid Corporation s'est engagée à mettre en place un système électrique fondamentalement nouveau dans la région sud d'ici 2030 et à l'achever entièrement d'ici 2060. Dans ce cadre, nous développerons activement le stockage par pompage-turbinage. Il est prévu d'augmenter la capacité installée de 6 millions de kilowatts, puis de 15 millions de kilowatts et enfin de 15 millions de kilowatts respectivement au cours des quatorzième, quinzième et seizième plans quinquennaux. Nous ambitionnons d'atteindre une capacité de stockage par pompage-turbinage d'environ 44 millions de kilowatts dans la région sud d'ici 2035, faisant de cette technologie un nouveau type de régulateur des perturbations du réseau électrique, d'équilibrage de la charge et de stabilisation du réseau.
Source : Compte officiel WeChat « China Energy Media Intelligent Manufacturing »
Auteur : Peng Yumin, Institut de recherche sur le stockage de l’énergie, China Southern Power Grid Peak shaving and Frequency Modulation Power Generation Co., Ltd.
Principales caractéristiques du nouveau système électrique
Le nouveau système électrique est dominé par les énergies propres, et la part de ces énergies dans la consommation énergétique continuera d'augmenter, aboutissant progressivement à un système où les énergies renouvelables, l'hydroélectricité et le nucléaire constituent les principales sources de production d'électricité. La part des énergies fossiles consommées sera progressivement réduite afin d'atteindre la neutralité carbone, et la capacité restante de production d'énergie fossile servira de source d'alimentation de secours pour le nouveau système. Dans ce système, les énergies renouvelables seront raccordées au réseau électrique de manière centralisée et décentralisée. Concernant le raccordement centralisé, la région sud ambitionne d'atteindre une capacité de production éolienne terrestre de plus de 24 millions de kilowatts, une capacité éolienne en mer de plus de 20 millions de kilowatts et une capacité photovoltaïque de plus de 56 millions de kilowatts d'ici 2025. Concernant le raccordement décentralisé, des sources d'énergie distribuées de faible capacité, à basse tension et pouvant être consommées localement, seront mises en place dans différentes régions en fonction des conditions locales.
Dans le nouveau système électrique dominé par les énergies renouvelables, la production effective des équipements de production d'électricité à partir de ces énergies est fortement influencée par les conditions météorologiques, caractérisées par leur caractère aléatoire, volatil et intermittent. Le développement de solutions de substitution à l'électricité, de systèmes de stockage d'énergie domestiques et de maisons intelligentes entraîne une diversification et une interactivité accrues de la consommation d'électricité, faisant du consommateur un acteur à la fois producteur et consommateur. Ce nouveau système électrique, centré sur les énergies renouvelables, présente une forte proportion d'énergies renouvelables et d'équipements d'électronique de puissance. Afin de faire face aux importantes fluctuations de la production d'énergies renouvelables et aux situations extrêmes, il est nécessaire d'adapter la capacité installée des stations de pompage-turbinage à la capacité et à la production des énergies renouvelables. En cas de production anormale d'énergies renouvelables, les stations de pompage-turbinage doivent maintenir autant que possible l'état du réseau et éviter un basculement vers le système électrique traditionnel. Par conséquent, le développement et la construction de centrales de pompage-turbinage seront plus rapides et plus importants.
Problèmes et contre-mesures liés au développement rapide et à grande échelle du stockage par pompage
Le développement et la construction rapides et à grande échelle de ce projet ont engendré des problèmes de sécurité, de qualité et de pénurie de personnel. Afin de répondre aux besoins de construction du nouveau réseau électrique, de nombreuses centrales de pompage-turbinage sont approuvées chaque année. Le délai de construction a également été considérablement réduit, passant de 8 à 10 ans à 4 à 6 ans. Ce développement et cette construction rapides entraîneront inévitablement des problèmes de sécurité, de qualité et de pénurie de personnel.
Afin de résoudre les problèmes engendrés par le développement et la construction rapides de projets, les entreprises de construction et de gestion de projets doivent mener des recherches techniques et des mises en pratique sur la mécanisation et l'intelligence artificielle dans le génie civil des centrales de pompage-turbinage. La technologie des tunneliers (TBM) est introduite pour le creusement de nombreuses cavités souterraines, et les équipements TBM sont développés en tenant compte des spécificités des centrales de pompage-turbinage. Un schéma technique de construction est ainsi élaboré. Compte tenu des différents scénarios d'exploitation (excavation, transport, soutènement et voûte inversée) lors des travaux de génie civil, un système d'application pour l'ensemble du processus de construction mécanisée et intelligente a été développé. Des recherches ont été menées sur des sujets tels que le fonctionnement intelligent des équipements, l'automatisation du système de construction dans son ensemble, la numérisation des informations relatives à la construction des équipements, la construction sans opérateur d'équipements mécaniques télécommandés, l'analyse intelligente de la qualité de la construction, etc., afin de développer divers équipements et systèmes de construction mécanisée et intelligente.
En matière de mécanisation et d'intelligence dans le domaine du génie mécanique et électrique, nous pouvons analyser la demande et la possibilité d'application de la mécanisation et de l'intelligence sous l'angle de la réduction du nombre d'opérateurs, de l'amélioration de l'efficacité du travail, de la réduction des risques professionnels, etc., et développer divers équipements et systèmes de construction de mécanisation et d'intelligence pour le génie mécanique et électrique, adaptés à différents scénarios d'exploitation lors de l'installation d'équipements mécaniques et électriques.
De plus, la technologie de conception et de simulation d'ingénierie 3D peut également être utilisée pour préfabriquer et simuler à l'avance certaines installations et certains équipements, ce qui permet non seulement de réaliser une partie des travaux à l'avance, de raccourcir la période de construction sur site, mais aussi d'effectuer à l'avance la réception fonctionnelle et le contrôle de la qualité, améliorant ainsi efficacement le niveau de gestion de la qualité et de la sécurité.
L'exploitation à grande échelle des centrales électriques pose des problèmes de fiabilité et exige une gestion intelligente et intensive. L'exploitation à grande échelle des centrales de pompage-turbinage engendre des difficultés telles que des coûts d'exploitation et de maintenance élevés et une pénurie de personnel. Pour réduire les coûts d'exploitation et de maintenance, il est essentiel d'améliorer la fiabilité des groupes de pompage-turbinage. Quant à la pénurie de personnel, elle nécessite une gestion intelligente et intensive de la centrale.
Afin d'améliorer la fiabilité de fonctionnement de l'unité, notamment en ce qui concerne le choix et la conception des équipements, les techniciens doivent tirer une leçon approfondie de l'expérience pratique acquise dans la conception et l'exploitation des centrales de pompage-turbinage. Ils doivent également mener des recherches sur l'optimisation, la sélection des types et la normalisation des sous-systèmes d'équipements pertinents, et les mettre à jour de manière itérative en fonction de l'expérience acquise lors de la mise en service, de la gestion des pannes et de la maintenance. Concernant la fabrication des équipements, certaines technologies clés restent encore détenues par des fabricants étrangers pour les unités de pompage-turbinage traditionnelles. Il est nécessaire de mener des recherches locales sur ces équipements critiques et d'y intégrer des années d'expérience et de stratégies d'exploitation et de maintenance, afin d'améliorer efficacement la qualité et la fiabilité de ces équipements essentiels. En matière de surveillance du fonctionnement des équipements, les techniciens doivent formuler systématiquement des normes de configuration des éléments de surveillance de l'état des équipements, du point de vue de l'observabilité et de la mesurabilité. Ils doivent également mener des recherches approfondies sur les stratégies de contrôle, de surveillance et d'évaluation de l'état des équipements, en se basant sur les exigences de sécurité intrinsèque. Enfin, ils doivent construire une plateforme d'analyse intelligente et d'alerte précoce pour la surveillance de l'état des équipements, afin de détecter les dangers potentiels et de déclencher une alerte rapide.
Afin de parvenir à une gestion opérationnelle intelligente et intensive de la centrale, les techniciens doivent mener des recherches sur la commande automatique des équipements ou sur les technologies de commande simplifiée, notamment en matière de contrôle et d'exploitation. Ceci permettra un démarrage et un arrêt entièrement automatisés, ainsi qu'une régulation de charge sans intervention humaine, et une séquence d'opérations et une confirmation intelligente multidimensionnelle aussi complètes que possible. Concernant l'inspection des équipements, les techniciens peuvent mener des recherches techniques sur la vision artificielle, la perception auditive, l'inspection robotisée et d'autres aspects, et s'exercer au remplacement des machines d'inspection. Enfin, pour une exploitation intensive de la centrale, il est nécessaire de mener des recherches et de mettre en pratique une technologie de surveillance centralisée par une seule personne pour plusieurs installations, afin de résoudre efficacement le problème de pénurie de personnel lié au développement des centrales de pompage-turbinage.
La miniaturisation des stations de pompage-turbinage et l'exploitation intégrée de la complémentarité énergétique sont rendues nécessaires par la consommation d'un grand nombre de sources d'énergies renouvelables distribuées. Une caractéristique marquante du nouveau système électrique est la présence d'un grand nombre de petites installations de production d'énergies renouvelables dispersées sur différents tronçons du réseau, fonctionnant en basse tension. Afin d'absorber et d'utiliser au mieux ces sources d'énergie renouvelables distribuées et de réduire efficacement la congestion du réseau électrique principal, il est indispensable de construire des stations de pompage-turbinage à proximité de ces installations pour permettre le stockage, la consommation et l'utilisation locaux de ces énergies renouvelables via le réseau basse tension. Il est donc nécessaire de résoudre les problèmes de miniaturisation des stations de pompage-turbinage et d'exploitation intégrée de la complémentarité énergétique.
Il est nécessaire que les ingénieurs et les techniciens mènent des recherches approfondies sur la sélection des sites, la conception et la fabrication, la stratégie de contrôle et l'application intégrée de plusieurs types de centrales de pompage-turbinage distribuées, y compris les petites unités de pompage-turbinage réversibles, le fonctionnement coaxial indépendant des pompes et des turbines, le fonctionnement conjoint des petites centrales hydroélectriques et des stations de pompage, etc. Parallèlement, des recherches et des démonstrations de projets sur la technologie de fonctionnement intégré du pompage-turbinage et de l'énergie éolienne, lumineuse et hydroélectrique sont menées afin de proposer des solutions techniques pour l'exploration de l'efficacité énergétique et de l'interaction économique dans le nouveau système électrique.
Le problème du « blocage » technique des stations de pompage-turbinage à vitesse variable adaptées aux réseaux électriques à haute flexibilité. Ces stations se caractérisent par une réponse rapide aux variations de fréquence primaires, une force d'entrée ajustable en fonction des conditions de fonctionnement de la pompe, un fonctionnement optimal, ainsi qu'une grande sensibilité et un moment d'inertie élevé. Afin de limiter efficacement l'aléatoire et la volatilité du réseau électrique, d'ajuster et d'absorber plus précisément les excédents d'énergie produits par les énergies renouvelables, tant du côté de la production que du côté de la consommation, et de mieux contrôler l'équilibre de charge d'un réseau électrique hautement flexible et interactif, il est nécessaire d'accroître la part des stations à vitesse variable dans le réseau. Or, à l'heure actuelle, la plupart des technologies clés des stations de pompage-turbinage à vitesse variable restent la propriété de fabricants étrangers, et ce « blocage » technique reste à résoudre.
Afin de parvenir à une maîtrise indépendante des technologies clés, il est nécessaire de concentrer les efforts de recherche scientifique et technique nationaux sur la conception et le développement de moteurs de générateurs et de turbines à vitesse variable, le développement de stratégies et de dispositifs de commande pour les convertisseurs d'excitation CA, le développement de stratégies et de dispositifs de commande coordonnée pour les unités à vitesse variable, la recherche sur les stratégies de commande de régulateur pour les unités à vitesse variable, la recherche sur le processus de conversion des conditions de fonctionnement et les stratégies de commande intégrées pour les unités à vitesse variable, et de réaliser la conception, la fabrication et l'application de démonstration technique entièrement localisées des grandes unités à vitesse variable.
Date de publication : 9 décembre 2022
