Para ajudar a alcançar a meta de "redução do pico de emissões de carbono e neutralização de carbono" e construir um novo sistema de energia, a China Southern Power Grid Corporation propôs claramente a construção de um novo sistema de energia na região sul até 2030 e a sua completa implementação até 2060. Nesse processo, desenvolveremos vigorosamente o armazenamento por bombeamento. Planejamos aumentar a capacidade instalada em 6 milhões de quilowatts, 15 milhões de quilowatts e 15 milhões de quilowatts, respectivamente, durante os períodos do "Décimo Quarto, Décimo Quinto e Décimo Sexto Plano Quinquenal". Buscaremos atingir cerca de 44 milhões de quilowatts de capacidade de armazenamento por bombeamento na região sul até 2035, tornando-o um novo tipo de balanceador de distúrbios do sistema de energia, balanceador de carga e estabilizador da rede elétrica.
Fonte: Conta oficial do WeChat “China Energy Media Intelligent Manufacturing”
Autor: Peng Yumin, Instituto de Pesquisa de Armazenamento de Energia da China Southern Power Grid Peak Shaving and Frequency Modulation Power Generation Co., Ltd.
Principais características do novo sistema de energia
O novo sistema de energia é dominado por energia limpa, e a proporção de novas energias no consumo energético continuará a aumentar, formando gradualmente um modelo de utilização de energia com novas energias, energia hidrelétrica e energia nuclear como principais formas de geração de energia. A proporção do consumo de energia fóssil será gradualmente reduzida para atingir a meta de neutralidade de carbono, e a capacidade instalada remanescente de energia fóssil será utilizada como fonte de energia de reserva para o novo sistema. No novo sistema de energia, as novas energias serão conectadas à rede elétrica de forma centralizada e distribuída. Em termos de conexão centralizada, a região sul busca atingir a marca de mais de 24 milhões de quilowatts de energia eólica onshore, mais de 20 milhões de quilowatts de energia eólica offshore e mais de 56 milhões de quilowatts de energia fotovoltaica até 2025. Em termos de conexão distribuída, fontes de energia distribuídas com pequena capacidade, baixa tensão de conexão à rede e que possam ser consumidas nas proximidades serão construídas em diversas regiões, de acordo com as condições locais.
No novo sistema de energia com fontes renováveis como principal componente, a produção real de energia gerada por equipamentos de geração renovável é fortemente influenciada pelas condições meteorológicas, que apresentam características marcantes de aleatoriedade, volatilidade e intermitência. A ampla aplicação de sistemas de substituição de energia elétrica, equipamentos de armazenamento de energia residencial e casas inteligentes faz com que a demanda do consumidor se desenvolva de forma diversificada e interativa, e o usuário final entra em um novo modo de atuação, sendo simultaneamente consumidor e produtor. O novo sistema de energia com fontes renováveis como principal componente apresenta a característica de "dupla potência", com alta proporção de energia renovável e alta proporção de equipamentos eletrônicos de potência. Para lidar com as flutuações em larga escala da geração de energia renovável e com diversas situações extremas, é necessário adequar a capacidade instalada de armazenamento por bombeamento à escala correspondente, de acordo com a capacidade instalada e a escala de produção de energia renovável. Quando a produção de energia renovável for anormal, o armazenamento por bombeamento deve manter o estado da rede do novo sistema de energia tanto quanto possível, evitando a transição do novo sistema de energia para o sistema de energia tradicional. Portanto, o desenvolvimento e a construção de usinas hidrelétricas de armazenamento por bombeamento serão mais rápidos e em maior escala.
Problemas e contramedidas para o desenvolvimento rápido e em larga escala de armazenamento por bombeamento
O desenvolvimento e a construção em larga escala e em ritmo acelerado acarretaram problemas de segurança, qualidade e escassez de pessoal. Para atender às necessidades de construção do novo sistema elétrico, diversas usinas hidrelétricas de bombeamento têm sido aprovadas para construção todos os anos. O prazo de construção também foi significativamente reduzido, de 8 a 10 anos para 4 a 6 anos. O rápido desenvolvimento e a construção do projeto inevitavelmente acarretarão problemas de segurança, qualidade e escassez de pessoal.
Para solucionar uma série de problemas decorrentes do rápido desenvolvimento e construção de projetos, as unidades de construção e gestão de projetos precisam, em primeiro lugar, realizar pesquisas técnicas e práticas sobre a mecanização e a inteligência da engenharia civil de usinas hidrelétricas de bombeamento. A tecnologia TBM (Tunnel Boring Machine - Máquina Perfuradora de Túneis) é introduzida para a escavação de um grande número de cavernas subterrâneas, e o equipamento TBM é desenvolvido em combinação com as características da usina hidrelétrica de bombeamento, sendo formulado um plano técnico de construção. Considerando os diversos cenários de operação, como escavação, transporte, sustentação e arco invertido durante a construção civil, foi desenvolvido um plano de aplicação de suporte para todo o processo de construção mecanizada e inteligente, e pesquisas foram realizadas em tópicos como operação inteligente de equipamentos de processo individuais, automação de todo o sistema de construção, digitalização das informações de construção dos equipamentos, construção não tripulada de equipamentos mecânicos controlados remotamente, análise de percepção inteligente da qualidade da construção, etc., desenvolvendo diversos equipamentos e sistemas de construção mecanizados e inteligentes.
Em termos de mecanização e inteligência na engenharia mecânica e elétrica, podemos analisar a demanda e a possibilidade de aplicação da mecanização e da inteligência sob a perspectiva da redução do número de operadores, do aumento da eficiência do trabalho, da redução dos riscos ocupacionais, etc., e desenvolver diversos equipamentos e sistemas de construção mecanizados e inteligentes para engenharia mecânica e elétrica, adequados a vários cenários de operação de instalação de equipamentos mecânicos e elétricos.
Além disso, a tecnologia de projeto e simulação de engenharia 3D também pode ser usada para pré-fabricar e simular algumas instalações e equipamentos com antecedência, o que não só permite concluir parte do trabalho antecipadamente e reduzir o tempo de construção no local, como também possibilita realizar a aceitação funcional e o controle de qualidade previamente, melhorando efetivamente o nível de gestão da qualidade e da segurança.
A operação em larga escala de usinas hidrelétricas traz consigo o desafio de garantir operação confiável, inteligente e intensiva. A operação em larga escala de usinas hidrelétricas de bombeamento acarreta problemas como altos custos de operação e manutenção, escassez de pessoal, etc. Para reduzir os custos de operação e manutenção, a chave é melhorar a confiabilidade operacional das unidades de bombeamento; para solucionar o problema da escassez de pessoal, é necessário implementar uma gestão operacional inteligente e intensiva da usina.
Para melhorar a confiabilidade operacional da unidade, em termos de seleção e projeto de equipamentos, os técnicos precisam sintetizar profundamente a experiência prática em projeto e operação de usinas hidrelétricas de bombeamento, realizar pesquisas de otimização de projeto, seleção de tipos e padronização em subsistemas de equipamentos relevantes dessas usinas e atualizá-los iterativamente de acordo com a experiência em comissionamento, tratamento de falhas e manutenção dos equipamentos. Em termos de fabricação de equipamentos, as unidades de bombeamento tradicionais ainda possuem algumas tecnologias-chave de fabricação de equipamentos nas mãos de fabricantes estrangeiros. É necessário realizar pesquisas de nacionalização nesses equipamentos críticos e integrar anos de experiência e estratégias de operação e manutenção, a fim de melhorar efetivamente a qualidade do produto e a confiabilidade operacional desses equipamentos essenciais. Em termos de monitoramento da operação dos equipamentos, os técnicos precisam formular sistematicamente padrões de configuração de elementos de monitoramento do status dos equipamentos, considerando a observabilidade e a mensurabilidade do status dos equipamentos, realizar pesquisas aprofundadas sobre estratégias de controle de equipamentos, estratégias de monitoramento de status e métodos de avaliação de integridade com base em requisitos de segurança intrínseca, construir uma plataforma inteligente de análise e alerta precoce para o monitoramento do status dos equipamentos, identificar riscos ocultos nos equipamentos com antecedência e emitir alertas precoces em tempo hábil.
Para alcançar uma gestão operacional inteligente e intensiva da usina, os técnicos precisam realizar pesquisas sobre controle automático de equipamentos ou tecnologia de operação com um único botão, visando o controle e a operação de equipamentos. O objetivo é realizar a partida e a parada totalmente automáticas, bem como a regulação de carga da unidade sem intervenção humana, além de implementar, na medida do possível, o sequenciamento de operações e a confirmação inteligente multidimensional. Em termos de inspeção de equipamentos, os técnicos podem realizar pesquisas técnicas sobre percepção visual por máquina, percepção auditiva por máquina, inspeção por robôs e outros aspectos, e realizar práticas técnicas na substituição de máquinas de inspeção. Para a operação intensiva da usina, é necessário realizar pesquisas e práticas sobre tecnologia de monitoramento centralizado por uma única pessoa e em múltiplas instalações, a fim de solucionar efetivamente o problema da escassez de recursos humanos em serviço, decorrente do desenvolvimento de usinas hidrelétricas de bombeamento.
A miniaturização do armazenamento por bombeamento e a operação integrada de complementação multienergética são impulsionadas pelo consumo de um grande número de fontes de energia renováveis distribuídas. Uma característica notável do novo sistema de energia é a presença de um grande número de pequenas fontes de energia renováveis dispersas em diversas áreas da rede, operando em baixa tensão. Para absorver e utilizar ao máximo essas fontes de energia renováveis distribuídas e aliviar efetivamente a sobrecarga da rede elétrica principal, é necessário construir unidades de armazenamento por bombeamento distribuídas próximas às fontes de energia renováveis distribuídas, a fim de viabilizar o armazenamento, o consumo e a utilização local de energia renovável por meio de redes elétricas de baixa tensão. Portanto, é necessário solucionar os problemas de miniaturização do armazenamento por bombeamento e de operação integrada de complementação multienergética.
É necessário que engenheiros e técnicos realizem pesquisas intensivas sobre seleção de locais, projeto e fabricação, estratégia de controle e aplicação integrada de múltiplos tipos de usinas hidrelétricas de bombeamento distribuídas, incluindo pequenas unidades reversíveis de bombeamento, operação coaxial independente de bombas e turbinas, operação conjunta de pequenas centrais hidrelétricas e estações de bombeamento, etc.; Ao mesmo tempo, pesquisas e demonstrações de projetos sobre a tecnologia de operação integrada de armazenamento por bombeamento e energia eólica, solar e hidrelétrica são realizadas para propor soluções técnicas para a exploração da eficiência energética e da interação econômica no novo sistema de energia.
O problema do "estrangulamento" técnico das unidades de bombeamento e armazenamento de água de velocidade variável adaptadas à rede elétrica de alta elasticidade. As unidades de bombeamento e armazenamento de água de velocidade variável apresentam características como resposta rápida à regulação primária de frequência, força de entrada ajustável sob as condições de operação da bomba e funcionamento na curva ideal, além de resposta sensível e alto momento de inércia. Para reduzir eficazmente a aleatoriedade e a volatilidade da rede elétrica, ajustar e absorver com maior precisão o excesso de energia gerada pela nova fonte de energia tanto na geração quanto no consumo, e controlar melhor o equilíbrio de carga da rede elétrica altamente elástica e interativa, é necessário aumentar a proporção de unidades de velocidade variável na rede elétrica. No entanto, atualmente, a maior parte das tecnologias-chave para unidades de bombeamento e armazenamento de água de velocidade variável ainda está nas mãos de fabricantes estrangeiros, e o problema do "estrangulamento" técnico precisa ser resolvido.
Para alcançar o controle independente de tecnologias-chave essenciais, é necessário concentrar os esforços científicos e técnicos nacionais em pesquisa e desenvolvimento de motores geradores de velocidade variável e turbinas de bombas, no desenvolvimento de estratégias e dispositivos de controle para conversores de excitação CA, no desenvolvimento de estratégias e dispositivos de controle coordenado para unidades de velocidade variável, na pesquisa de estratégias de controle de reguladores para unidades de velocidade variável, na pesquisa do processo de conversão de condições de trabalho e em estratégias de controle integrado para unidades de velocidade variável, visando a completa localização do projeto, fabricação e aplicação de demonstração em engenharia de grandes unidades de velocidade variável.
Data da publicação: 09/12/2022
