בעיות ואמצעי נגד לפיתוח מערכת שאיבה ואגירה המתאימה למערכת החשמל החדשה

על מנת לסייע בהשגת המטרה של "שיא פליטות פחמן, ניטרול פחמן" ולבנות מערכת חשמל חדשה, חברת החשמל הדרומית של סין הציעה בבירור לבנות מערכת חשמל חדשה באזור הדרום עד שנת 2030 ולבנות מערכת חשמל חדשה במלואה עד שנת 2060. בתהליך זה, נפתח במרץ את אגירת החשמל השאובת. מתוכנן להגדיל את הקיבולת המותקנת של 6 מיליון קילוואט, 15 מיליון קילוואט ו-15 מיליון קילוואט בהתאמה במהלך תקופות "תוכנית החומש הארבע עשרה, החמש עשרה והשש עשרה". נשאף להגיע לכ-44 מיליון קילוואט של קיבולת אגירת חשמל שאובה באזור הדרום עד שנת 2035, מה שיהפוך אותה לסוג חדש של מאזן הפרעות במערכת החשמל, מאזן עומסים ומייצב רשת החשמל.
מקור: חשבון WeChat הרשמי "China Energy Media Intelligent Manufacturing"
מחבר: פנג יומין, מכון המחקר לאגירת אנרגיה של חברת ייצור החשמל של רשת החשמל הדרומית של סין בע"מ, Peak shaving and Frequency Modulation

מאפיינים עיקריים של מערכת החשמל החדשה
מערכת החשמל החדשה נשלטת על ידי אנרגיה נקייה, ושיעור האנרגיה החדשה בצריכת האנרגיה ימשיך לעלות, וייצור בהדרגה צורה של ניצול אנרגיה עם אנרגיה חדשה, אנרגיה הידרואלקטרית ואנרגיה גרעינית כצורות העיקריות לייצור חשמל. שיעור צריכת האנרגיה המאובנים יופחת בהדרגה כדי לעמוד ביעד ניטרליות פחמן, והקיבולת המותקנת הנותרת של אנרגיה מאובנת תשמש כגיבוי חשמל למערכת החשמל החדשה. במערכת החשמל החדשה, אנרגיה חדשה תחובר לרשת החשמל בצורה מרכזית ומבוזרת. מבחינת גישה מרכזית, האזור הדרומי שואף להשיג אנרגיית רוח יבשתית של יותר מ-24 מיליון קילוואט, אנרגיית רוח ימית של יותר מ-20 מיליון קילוואט, וגישה פוטו-וולטאית של יותר מ-56 מיליון קילוואט עד שנת 2025. מבחינת גישה מבוזרת, מקורות חשמל מבוזרים בעלי קיבולת קטנה, רמת גישה לרשת מתח נמוכה וניתנים לצרוך בקרבת מקום ייבנו באזורים שונים בהתאם לתנאים המקומיים.
במערכת החשמל החדשה, שבה אנרגיה חדשה היא הגוף העיקרי, התפוקה בפועל של ציוד ייצור חשמל חדש מושפעת במידה רבה מהסביבה המטאורולוגית, בעלת מאפיינים ברורים של אקראיות, תנודתיות וסירוגין. היישום הנרחב של תחליפי אנרגיה חשמלית, ציוד אגירת אנרגיה ביתי ובית חכם גורם לעומס בצד המשתמש להתפתח בכיוון מגוון ואינטראקטיבי, ומסוף המשתמש נכנס למצב חדש שהוא גם צרכן וגם יצרן. מערכת החשמל החדשה, שבה אנרגיה חדשה היא הגוף העיקרי, מציגה את מאפייני ה"גבוה הכפול" של שיעור גבוה של אנרגיה חדשה ושיעור גבוה של ציוד אלקטרוני להספק. על מנת להתמודד עם תנודות בקנה מידה גדול של אנרגיה חדשה ומצבים קיצוניים שונים, יש צורך להתאים את הקיבולת המותקנת של אגירת שאיבה לקנה המידה המתאים בהתאם לקיבולת המותקנת ולקנה המידה של התפוקה של אנרגיה חדשה. כאשר תפוקת האנרגיה החדשה אינה תקינה, אגירת שאיבה צריכה לשמור על מצב מערכת החשמל החדשה של הרשת ככל האפשר, ולמנוע את המעבר של מערכת החשמל החדשה למערכת החשמל המסורתית. לכן, הפיתוח והבנייה של תחנות כוח אגירת שאיבה יהיו מהירים ובקנה מידה גדול יותר.
בעיות ואמצעי נגד של פיתוח מהיר וגדול של אגירת אנרגיה שאובה
הפיתוח והבנייה המהירים והרחבי היקף הביאו לבעיות של בטיחות, איכות ומחסור בכוח אדם. על מנת לענות על צורכי הבנייה של מערכת החשמל החדשה, מספר תחנות כוח אגירה שאובה אושרו לבנייה מדי שנה. תקופת הבנייה הנדרשת גם היא קוצרה מאוד מ-8-10 שנים ל-4-6 שנים. הפיתוח והבנייה המהירים של הפרויקט יביאו בהכרח לבעיות של בטיחות, איכות ומחסור בכוח אדם.
על מנת לפתור סדרה של בעיות הנובעות מפיתוח ובנייה מהירים של פרויקטים, יחידות בנייה וניהול פרויקטים צריכות תחילה לבצע מחקר טכני ותרגול בנושא מיכון ואינטליגנציה של הנדסה אזרחית של תחנות כוח אגירה שאובה. טכנולוגיית TBM (מכונת קידוח מנהרות) הוצגה לחפירת מספר רב של מערות תת-קרקעיות, ומפותח ציוד TBM בשילוב עם המאפיינים של תחנת כוח אגירה שאובה, ומנוסחת תוכנית טכנית לבנייה. לאור תרחישי הפעלה שונים כגון חפירה, הובלה, תמיכה וקשת הפוכה במהלך בנייה אזרחית, פותחה תוכנית יישום תומכת לכל תהליך הבנייה הממוכנת והחכמה, ומחקרים בוצעו בנושאים כגון הפעלה חכמה של ציוד תהליך יחיד, אוטומציה של מערכת בנייה שלמה, דיגיטציה של מידע בניית ציוד, בנייה בלתי מאוישת של ציוד מכני בשלט רחוק, ניתוח תפיסה חכם של איכות הבנייה וכו', פיתוח ציוד ומערכות בנייה ממוכנות וחכמות שונות.
מבחינת מיכון ואינטליגנציה של הנדסה מכנית וחשמלית, נוכל לנתח את הביקוש ליישומים ואת האפשר של מיכון ואינטליגנציה מהיבטים של צמצום מפעילים, שיפור יעילות עבודה, צמצום סיכוני עבודה וכו', ולפתח ציוד ומערכות בנייה מכניות ואינטליגנציה שונות של הנדסה מכנית וחשמלית עבור תרחישי פעולה שונים של התקנת ציוד מכני וחשמלי.
בנוסף, ניתן להשתמש בטכנולוגיית תכנון וסימולציה הנדסית תלת-ממדית גם לייצור וסימולציה של מתקנים וציוד מראש, מה שיכול לא רק להשלים חלק מהעבודה מראש, לקצר את תקופת הבנייה באתר, אלא גם לבצע קבלה פונקציונלית ובקרת איכות מראש, ובכך לשפר ביעילות את רמת ניהול האיכות והבטיחות.
הפעלה בקנה מידה גדול של תחנת כוח מביאה לבעיה של הפעלה אמינה, ביקוש חכם ואינטנסיבי. הפעלה בקנה מידה גדול של תחנות כוח אגירה שאובה תביא לבעיות כגון עלויות תפעול ותחזוקה גבוהות, מחסור בכוח אדם וכו'. כדי להפחית את עלויות התפעול והתחזוקה, המפתח הוא שיפור אמינות התפעול של יחידות אגירה שאובה; כדי לפתור את בעיית מחסור בכוח אדם, יש צורך לממש ניהול תפעול חכם ואינטנסיבי של תחנת הכוח.
כדי לשפר את אמינות התפעול של היחידה, מבחינת בחירת ותכנון סוג הציוד, טכנאים צריכים לסכם לעומק את הניסיון המעשי בתכנון ותפעול של תחנות כוח אגירה שאובה, לבצע מחקר אופטימיזציה של תכנון, בחירת סוג וסטנדרטיזציה על תת-מערכות ציוד רלוונטיות של תחנות כוח אגירה שאובה, ולעדכן אותן באופן איטרטיבי בהתאם לניסיון בהזמנת הציוד, טיפול בתקלות ותחזוקה. מבחינת ייצור ציוד, יחידות אגירה שאובה מסורתיות עדיין מחזיקות בכמה טכנולוגיות מפתח לייצור ציוד בידי יצרנים זרים. יש צורך לבצע מחקר לוקליזציה על ציוד "חנק" זה, ולשלב בו שנים של ניסיון ואסטרטגיות תפעול ותחזוקה, על מנת לשפר ביעילות את איכות המוצר ואמינות התפעול של ציוד ליבה זה. מבחינת ניטור תפעול הציוד, טכנאים צריכים לגבש באופן שיטתי סטנדרטים לתצורת רכיבי ניטור מצב הציוד מנקודת מבט של צפייה ומדידות מצב הציוד, לבצע מחקר לעומק על אסטרטגיות בקרת ציוד, אסטרטגיות ניטור מצב ושיטות הערכת בריאות המבוססות על דרישות בטיחות פנימיות, לבנות פלטפורמת ניתוח והתרעה מוקדמת חכמה לניטור מצב הציוד, למצוא סכנות נסתרות בציוד מראש ולבצע התרעה מוקדמת בזמן.
על מנת לממש ניהול תפעול חכם ואינטנסיבי של תחנת הכוח, טכנאים צריכים לבצע מחקר על בקרה אוטומטית של הציוד או טכנולוגיית תפעול מרכזית אחת מבחינת בקרת ותפעול הציוד, על מנת לממש הפעלה וכיבוי אוטומטיים לחלוטין וויסות עומס של היחידה ללא התערבות כוח אדם, ולהבין רצף פעולות ואישור חכם רב-ממדי ככל האפשר; מבחינת בדיקת ציוד, טכנאים יכולים לבצע מחקר טכני על תפיסת ראיית מכונה, תפיסת שמיעה מכונה, בדיקת רובוטים והיבטים אחרים, ולבצע תרגול טכני על החלפת מכונות בדיקה; מבחינת תפעול אינטנסיבי של תחנת הכוח, יש צורך לבצע מחקר ותרגול על טכנולוגיית ניטור מרכזית של אדם אחד ומספר תחנות כדי לפתור ביעילות את בעיית המחסור במשאבי אנוש בתפקיד שנגרם עקב פיתוח תחנות כוח אגירה שאובה.
מזעור אגירת שאיבה והפעולה המשולבת של השלמת אנרגיה רב-תכליתית נובעים מצריכת מספר רב של מקורות אנרגיה חדשים מבוזרים. מאפיין בולט של מערכת החשמל החדשה הוא שיש מספר רב של אנרגיה חדשה בקנה מידה קטן הפזורה באזורים שונים של הרשת, הפועלת ברשת המתח הנמוך. כדי לספוג ולנצל את מקורות האנרגיה החדשים המבוזרים הללו ככל האפשר ולהקל ביעילות על עומס החשמל ברשת החשמל הגדולה, יש צורך לבנות יחידות אגירת שאיבה מבוזרות ליד מקורות האנרגיה החדשים המבוזרים כדי לממש את האחסון, הצריכה והניצול המקומיים של אנרגיה חדשה באמצעות רשתות חשמל במתח נמוך. לכן, יש צורך לפתור את בעיות המזעור של אגירת שאיבה והפעולה המשולבת של השלמת אנרגיה רב-תכליתית.
יש צורך שמהנדסים וטכנאים יבצעו מחקר נמרץ על בחירת אתר, תכנון וייצור, אסטרטגיית בקרה ויישום משולב של סוגים רבים של תחנות כוח מבוזרות לאגירת שאיבה, כולל יחידות אגירה שאובה קטנות והפיכות, הפעלה עצמאית קואקסיאלית של משאבות וטורבינות, הפעלה משותפת של תחנות כוח הידרואלקטריות קטנות ותחנות שאיבה וכו'; במקביל, מתבצעים מחקרים והדגמות פרויקטים על טכנולוגיית הפעלה משולבת של אגירה שאובה ואנרגיית רוח, אור ואנרגיית הידרואלקטרית כדי להציע פתרונות טכניים לחקר יעילות אנרגטית ואינטראקציה כלכלית במערכת החשמל החדשה.
בעיית ה"חנק" הטכני של יחידות אגירה שאובה במהירות משתנה המותאמות לרשת חשמל אלסטית גבוהה. יחידות אגירה שאובה במהירות משתנה מתאפיינות בתגובה מהירה לוויסות תדר ראשוני, כוח קלט מתכוונן בתנאי עבודה של המשאבה, ופועלת בעקומה אופטימלית, כמו גם תגובה רגישה ומומנט אינרציה גבוה. על מנת לרסן ביעילות את האקראיות והתנודתיות של רשת החשמל, להתאים ולספוג בצורה מדויקת יותר את עודפי החשמל הנוצרים על ידי האנרגיה החדשה בצד הייצור ובצד המשתמש, ולשלוט טוב יותר באיזון העומס של רשת החשמל האלסטית והאינטראקטיבית ביותר, יש צורך להגדיל את שיעור יחידות המהירות המשתנה ברשת החשמל. עם זאת, כיום, רוב הטכנולוגיות המרכזיות של יחידות שאיבה ואגירת מים במהירות משתנה עדיין נמצאות בידי יצרנים זרים, ויש לפתור את בעיית ה"חנק" הטכני.
על מנת לממש את השליטה העצמאית בטכנולוגיות ליבה מרכזיות, יש צורך לרכז את המחקר המדעי והטכני המקומי כדי לבצע לעומק את התכנון והפיתוח של מנועי גנרטורים במהירות משתנה וטורבינות משאבה, פיתוח אסטרטגיות בקרה והתקנים עבור ממירי עירור AC, פיתוח אסטרטגיות בקרה והתקנים מתואמים עבור יחידות במהירות משתנה, מחקר אסטרטגיות בקרת מווסת עבור יחידות במהירות משתנה, מחקר תהליכי המרת תנאי עבודה ואסטרטגיות בקרה משולבות עבור יחידות במהירות משתנה, מימוש תכנון לוקליזציה מלא, ייצור והדגמה הנדסית של יחידות מהירות משתנה גדולות.