Budowa sieci ultra wysokich napięć (UHV) w Chinach – stan obecny i plany na przyszłość
W kilku publikowanych ostatnio na stronie chiny24.com artykułach poświęconych chińskiej energetyce wspominałem o sieciach ultrawysokich napięć (Ultra High Voltage – UHV), które łączą z siecią ogólnokrajową kolejne farmy wiatrowe i słoneczne, a ostatnio również magazyny energii. Pora na nieco więcej szczegółów o tym fenomenie na skalę światową – skąd się wziął, dokąd zmierza i dlaczego to ważne dla świata.
Podobno pomysł sieci przesyłowych ultra wysokich napięć (Ultra High Voltage – UHV) narodził się podczas pewnej przejażdżki samochodem. Pod koniec 2004 roku jednym samochodem podróżowali Liu Zhenya, ówczesny prezes State Grid Corporation i Ma Kai, minister Narodowej Komisji Rozwoju i reform (NDRC). Ma Kai narzekał na powtarzające się niedobory energii i przerwy w zasilaniu. Liu stwierdził, że powodem takiego stanu rzeczy jest słaba sieć linii przesyłowych, w dodatku nieprzystosowana do wymogów dynamicznie rozwijającej się gospodarki i rosnącego zapotrzebowania na energię. Zaproponował rozwiązanie problemu, śmiałe i wizjonerskie – utworzenie ogólnonarodowej sieci przesyłania energii w oparciu o najnowsze technologie UHV.
NDRC przeanalizowało pomysł i wydało zgodę na realizację tego ambitnego projektu. Cały proces decyzyjny trwał ok. 12 miesięcy. Projekt zakładał budowę linii przesyłowych UHV prądu stałego DC dedykowanych do przesyłania energii na duże odległości (tysiące kilometrów) i linii UHV prądu zmiennego AC do dystrybuowania energii do użytkowników końcowych. Podmiotem odpowiedzialnym za realizację projektu został oczywiście State Grid, który odpowiadał za całość prac inżynieryjnych i konstruktorskich. Został zobowiązany również do tego, aby produkcja co najmniej 90% komponentów sieci UHV odbywała się w kraju, co miało się przyczynić do rozwoju kolejnego sektora hi-tech w Chinach.
Liu przystąpił niezwłocznie do pracy. W ciągu 10 lat skierował do prac badawczo-rozwojowych ponad 2000 inżynierów pracujących w State Grid, a dodatkowo zaangażował do prac przy projekcie ponad 300 profesorów i 1000 absolwentów wyższych uczelni. Przebudował swoje centra R&D i ukierunkował ich prace na rozwiązanie kluczowych wyzwań związanych z przesyłaniem energii UHV, takich jak na przykład zabezpieczenie przed dużo większymi polami elektromagnetycznymi powstającymi na liniach UHV, czy gwałtownymi skokami napięć charakterystycznymi dla tych sieci (standardowe linie przesyłowe to 200 do 400 kV, UHV zaś od 800 do 1000 kV). Liu prowadził też zdecydowaną i konsekwentną politykę w stosunku do firm zagranicznych takich jak ABB i Siemens, które początkowo dostarczały kluczowe komponenty sieci. Polegała ona w skrócie na tym, że w zamian za dostęp do rynku i opłacanie prac R&D Liu wymagał współudziału w prawach intelektualnych do technologii tych firm.
W styczniu 2009 roku State Grid oddał do użytku swój pierwszy 650 kilometrowy odcinek testowy linii UHV AV 1000 kV łączący sieci przesyłowe Chin północnych i centralnych. Do końca 2019 roku oddano 19 z planowanych 30 linii UHV liczących w sumie prawie 28.000 km długości. W trakcie realizacji są obecnie 4 kolejne linie.
Sieci UHV pozwalają połączyć tereny produkujące energię na zachodzie kraju z cierpiącymi na jej deficyt prowincjami na wybrzeżu. Najnowsza linia UHV DC, która niebawem zostanie oddana do użytku, połączy Qinghai z oddaloną o 1587 kilometrów prowincją Henan. Dzięki zastosowaniu technologii UHV drastycznie zredukowano straty występujące podczas przesyłania energii.
Chiny są obecnie najbardziej światowym liderem pod względem rozwoju technologii UHV. Rozwinęły kompletny ekosystem dla produkcji urządzeń obsługujących sieci UHV (transformatory, tyrystory, drony patrolujące linie napowietrzne i stacje energetyczne, światłowody, itp., itd.). Mają doświadczenie w codziennej eksploatacji takich linii i stawiają czoła wyzwaniom jakich nie zna nikt na świecie.
Centralizacja przesyłania energii niesie za sobą zwiększone ryzyko blackoutu, czyli nagłej przerwy w dostawie energii elektrycznej na dużym obszarze. Najbardziej znane jej przypadki to Kanada i USA w 1956 roku, Brazylia w 1999 roku i Indie w roku 2012. Blackout może wynikać z przyczyn losowych i atmosferycznych (uderzenie pioruna w podstację elektryczną), lub też problemów z synchronizacją napięcia w sieci, co może dotyczyć hybrydowej sieci UHV AC-DC-AC, w której generowany jest prąd zmienny, przetwarzany na stały do transmisji na duże odległości, a następie znowu na zmienny do dystrybucji do końcowych użytkowników.
Tyrystorowe układy przekształtnikowe w sieciach UHV zużywają tak zwaną moc pozorną. W związku z tym mają tendencję do obniżania napięcia w sieciach UHV AC. Jest ono stabilizowane zazwyczaj przez rezerwy energetyczne sieci. Jeśli jednak ta stabilizacja zawiedzie w jednym miejscu, to sąsiednie linie AC będą zużywać jeszcze więcej mocy pozornej powodując jeszcze większy spadek napięcia. To z kolei może doprowadzić do zakłócenia zdolności trysystora do przełączania się między liniami (zwanego komutacją) i w efekcie do jego wyłączenia. Dalszą konsekwencją może być sprzężenie zwrotne prowadzące do blackoutu i nieszczęście gotowe.
Dla typowych linii przesyłowych niskiego napięcia w celu uniknięcia takich sytuacji operator sieci zostawia sobie rezerwę na pokrycie zużycia mocy pozornej – zazwyczaj wystarczy dodatkowy gigawat lub dwa.
W Chinach mamy do czynienia z wieloma liniami UHV, każda z nich zdolna do przesyłania 8 do 12 GW – rezerwy na pobór mocy pozornej rosną dramatycznie. State Grid zdaje sobie sprawę z powagi sytuacji i podejmuje odpowiednie działania, by nie dopuścić do blackoutu. Zainwestował w budowę światłowodowej sieci, która na bieżąco kontroluje popyt i podaż energii w sieci. Jeśli zajedzie taka potrzeba, jest w stanie zareagować w ciągu 200 milisekund na spadek napięcia, wykorzystując wbudowane mechanizmy w przemiennikach AC-DC. Potrafi podnieść napięcie o 10% w liniach UHV DC by utrzymać działanie sieci, uruchomić rezerwy energetyczne w elektrowniach szczytowo-pompowych, a w ostateczności selektywnie wyłączyć wybranych odbiorców energii, by zagwarantować ciągłość dostaw do innych (na przykład szpitali, węzłów komunikacyjnych, wodociągów, itp.).
Ponadto władze Chin dały ostatnio zielone światło (i duże subsydia) dla energetycznych projektów hybrydowych.
Może Cię zainteresować: Nowy trend na chińskim rynku energetycznym – mega projekty hybrydowe
Jedną z ich cech jest tworzenie magazynów energii przy źródłach wytwarzania energii elektrycznej i przy sieciach przesyłowych. Magazyny te mogą być również wykorzystywane do stabilizacji napięcia w sieciach UHV AC.
Sieci UHV pozwalają Chinom zaspakajać stale zwiększające się:
- zapotrzebowanie gospodarki na energię elektryczną, które wynika z jej dynamicznego rozwoju,
- potrzeby rosnącej klasy średniej korzystającej z coraz liczniejszych rodzajów sprzętu AGD (a mówimy o 400 milionach ludzi, których liczba ulegnie podwojeniu w ciągu najbliższych 10 lat, czyli o miliardach urządzeń AGD),
- ilości pojazdów NEV (całkowicie elektrycznych lub hybrydowych).
Chiny przewidują i planują w perspektywie dekad. Dlatego też obecnie powstająca sieć linii UHV budowana jest „z zapasem”. Obecnie linie te pracują „na pół gwizdka”. Umożliwia to podłączanie do sieci kolejnych „czystych” źródeł energii i czyni realną realizację planu neutralności węglowej Chin do 2060 roku.
15 lat prac nad budową i rozwojem technologii UHV daje też wymierne korzyści w postaci najbardziej zaawansowanego sektora hi-tech w tej branży na świecie. Ale nie oznacza to zastoju. Tworzone sa coraz to nowe koncepcje rozwiązań, jak choćby linie przesyłowe w otulinie gazowej (Gas Insulated Line), które mają umożliwić prowadzenie linii UHV pod ziemią, czy też nadprzewodnikowe linie przesyłowe. W tym przypadku proponuje się połączenie przesyłu skroplonego gazu w temperaturze między -173, a -183 stopni Celsjusza, który miałby służyć jako chłodziwo dla linii przesyłowej UHV i źródło efektu nadprzewodnictwa. Takie rozwiązanie pozwoliłoby na przesyłanie prądu z zerowym oporem (zerowymi stratami). 10-metrowy odcinek takiej sieci jest od roku testowany przez Instytut Inżynierii Elektrycznej Chińskiej Akademii Nauk i ma posłużyć do opracowania rozwiązania, które pozwoli zbudować pilotażową linię o długości 2000 kilometrów, łączącą prowincję Xinjiang z wschodnimi prowincjami Chin.
Gregory Reed, ekspert ds. transmisji prądu stałego i dziekan Centrum Energii na Uniwersytecie w Pittsburghu (USA) określił aktualny stan rozwoju technologii UHV w Chinach w następujący sposób:
Chiny intensywnie inwestują w te branżę i od samego początku sięgały po najbardziej zaawansowane rozwiązania. Nikt na świecie nie może się obecnie z nimi równać. To tak jakby wszyscy na świecie poruszali się na rowerach, a w Chinach jeżdżono samochodami Formuły 1.
State Grid ma ambicje sięgające daleko poza granice Chin. Logicznym następstwem posiadania tytułu światowego lidera w zakresie budowy i zarządzania liniami UHV pozwalającymi na przesyłanie energii elektrycznej na tysiące kilometrów ze znikomymi stratami jest zaproponowanie takiej sieci krajom ościennym. Planowana jest budowa sieci UHV do Mongolii, Kazachstanu i Rosji.
Jeszcze dalej sięgają propozycje rządu Chin. W 2015 roku prezydent Xi Jinping przedstawił projekt Globalnych Połączeń Energetycznych, sieci szkieletowej UHV łączącej ze sobą kontynenty. Wyobraźmy sobie generowanie odnawialnej energii elektrycznej, tam gdzie o nią najłatwiej (pustynie i pustkowia Bliskiego Wschodu, Azji, Australii, Afryki) i przesyłanie tam, gdzie jest w danej chwili potrzebna. Wyobraźmy sobie stabilizację i efektywne wykorzystanie tej energii między obszarami na kuli ziemskiej, gdzie jest noc (zapotrzebowanie na energię maleje) i tymi, gdzie jest dzień (zapotrzebowanie rośnie). W 2016 roku powołano Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization (GEIDCO), która jest otwartym stowarzyszeniem promującym idee międzykontynentalnej sieci szkieletowej UHV. Organizacja prowadzi badania, organizuje seminaria i konferencje, wydaje periodyki poświęcone tej konkretnej tematyce. Członkami organizacji są między innymi General Electric Company, Siemens AG, ABB Ltd, Volkswagen, Morgan Stanley Asia Limited, African Climate Change Research Centre i wiele, wiele innych. Od pewnego czasu GEIDCO pracuje and pilotażowym projektem sieci UHV w Afryce.
Jeśli w polityce amerykańskiej wobec Chin nic się nie zmieni (poza zamianą pancernej rękawicy na jedwabną rękawiczkę), to całkiem prawdopodobny staje się scenariusz połączenia taką międzykontynentalną szkieletową siecią UHV Azji, Ameryki Łacińskiej, Afryki i krajów Pasa i Szlaku.
Europa, Anglia i USA (a pewnie też Australia) z dumną odrzucą takie rozwiązania zdominowane przez chińską technologię.
Redakcja:
Leszek B. Ślazyk
e-mail: kontakt@chiny24.com
© chiny24.com 2010-2020
