Von Stromausfällen bis hin zu Weltstandards eröffnet diese Technologie die "Hochgeschwindigkeitsbahn" der Elektrizität

Von Stromausfällen aufgrund von Armut bis hin zu 24 Stunden hellem Licht – diese Technologie hat die „Hochgeschwindigkeitsbahn“ der Elektrizität ermöglicht. Durch unabhängige Rechte am geistigen Eigentum werden chinesische Standards mit weltweiten Standards gleichgesetzt.

Geschrieben von Reporter Zhao Tianyu. Herausgegeben von Liu Zhao.

Redakteur für neue Medien/Fang Yongzhen

Revisionsexperte

Ma Jing (Professor und Doktorvater an der School of Electrical and Electronic Engineering der North China Electric Power University und stellvertretender Direktor des Youth Work Committee der China Electrotechnical Society)

Energie ist der Eckpfeiler der wirtschaftlichen Entwicklung. Im letzten Jahrzehnt wurde die Energieunabhängigkeit meines Landes deutlich verbessert, das weltweit größte System zur Erzeugung sauberer Energie wurde errichtet und die Energiestruktur wurde kontinuierlich optimiert, wodurch das stabile Funktionieren der Volkswirtschaft wirksam sichergestellt wurde.

In den letzten Jahren ist China in den Bereichen Elektrotechnik und Energietechnik schrittweise gewachsen und hat sich weiterentwickelt. Nach mehr als 60 Jahren Entwicklung verfügt China heute über das leistungsstärkste Energiesystem der Welt: Im Jahr 2021 betrug die installierte Stromerzeugungskapazität des Landes rund 2,38 Milliarden Kilowatt und lag damit weltweit an erster Stelle; Beispielsweise verfügt das staatliche Unternehmen State Grid derzeit über mehr als 20.000 Patente und liegt damit weltweit auf Platz 3. Allein die Zahl der Patente im Bereich Energiespeicherbatterien beträgt 67,56 % der weltweiten Zahl; gleichzeitig ist mein Land auch der größte Stromexporteur der Welt.

Insbesondere im Bereich der Ultrahochspannungsübertragungstechnologie, der weltweit fortschrittlichsten Energieübertragungstechnologie, hat mein Land die Ultrahochspannungsübertragungstechnologie mit unabhängigen Rechten am geistigen Eigentum gemeistert, was eine bedeutende unabhängige Innovationsleistung darstellt, die weltweit führend ist. Das Land hat bei der Formulierung international verwendeter Standards für Höchstspannungsleitungen eine Vorreiterrolle übernommen und so die chinesischen Standards den weltweiten Standards gleichgestellt.

Was ist UHV-Übertragung?

Im Stromnetzbetriebssystem meines Landes wird die Spannung in zwei Systeme aufgeteilt: Übertragung und Verteilung. Der Zweck des Übertragungssystems besteht darin, Strom an Umspannwerke auf gleicher oder niedrigerer Ebene zu übertragen, und das Spannungsniveau ist im Allgemeinen höher. Der Zweck des Stromverteilungssystems besteht darin, Strom an die Verteilungslast zu übertragen, und der allgemeine Spannungspegel überschreitet 110 kV nicht.

Einfach ausgedrückt reicht das Übertragungssystem vom Kraftwerk zum Umspannwerk und zum Übertragungsnetz. Das Verteilungssystem reicht vom Umspannwerk zum Verteilungsnetz und dann zu elektrischen Geräten wie Fernsehern und Klimaanlagen.

Gemäß dem Ohmschen Gesetz kommt es bei der Übertragung zu Stromverlusten. Entfernung und Materialien sind beides wichtige Ursachen für Übertragungsverluste, insbesondere die Übertragungsdistanz. Je größer die Entfernung, desto größer der Verlust. Eine Möglichkeit, Übertragungsverluste zu verringern, besteht darin, die Übertragungsspannung zu erhöhen. Daher entstand das Konzept der Hochspannungselektrizität.

In unserem Land bezieht sich Hochspannungsnetz auf ein 220-kV-Stromnetz. Auf der Grundlage von Hochspannungselektrizität entwickelte Ultrahochspannung kann 500 kV erreichen. Dennoch reicht die Technologie zur Übertragung von Ultrahochspannungsgleichstrom immer noch nicht aus, um eine Fernübertragung von Tausenden von Kilometern zu bewältigen, und der Stromverlust kann sogar 20 % oder mehr betragen.

Wenn die Spannung bei der Gleichstromübertragung weiter ansteigt, können herkömmliche Isoliermaterialien dieser Spannung nicht mehr standhalten. Dies führt zu Ausfällen im Stromnetz und erhöht die Gefahr von Unfällen, beispielsweise Bränden. Dies erfordert die Unterstützung der Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragungstechnologie.

Unter Höchstspannungstechnik versteht man die Übertragungstechnik mit Spannungsebenen von AC 1000kV und DC ±800kV. Das größte Merkmal dieser Technologie besteht darin, dass sie eine effiziente Stromübertragung über große Entfernungen ermöglicht, was insbesondere für Länder mit großem Territorium, hoher Bevölkerungszahl oder ungleichmäßiger regionaler Ressourcenverteilung eine „zeitnahe Hilfe“ darstellt. Es wird auch „5G-Netz im elektrischen Bereich“ und „Hochgeschwindigkeitsbahn im Stromnetz“ genannt.

Daten der State Grid Corporation of China zeigen, dass ein Einkreis-Ultrahochspannungs-Gleichstromnetz 6 Millionen Kilowatt Strom liefern kann, was der 5- bis 6-fachen Kapazität des bestehenden 500-kV-Gleichstromnetzes entspricht. Auch die Übertragungsdistanz ist zwei- bis dreimal so groß wie bei letzterem und es können 60 % der Landressourcen eingespart werden.

▲ Schematische Darstellung der Ultrahochspannungsübertragung (Fotoquelle: Wall Street Journal)

Vom Nullpunkt zur Selbstständigkeit

Tatsächlich ist auch Chinas Entwicklung der Ultrahochspannungs-Stromübertragung ein „hilfloser Schachzug“, da Chinas grundlegende nationale Bedingungen eine äußerst unausgewogene geografische Verteilung der Stromerzeugung und des Stromverbrauchs bedingen.

Zwei Drittel der Kohleressourcen des Landes konzentrieren sich in Shaanxi, Shanxi und der Inneren Mongolei, 80 % der Wasserkraftressourcen sind im Südwesten konzentriert und die Photovoltaik- und Windenergieressourcen konzentrieren sich hauptsächlich im Nordwesten, in der Inneren Mongolei und an anderen Orten. Allerdings sind die 16 Provinzen in Zentral- und Ostchina am dichtesten besiedelt und weisen den höchsten Strombedarf auf, was zu einem enormen Bedarf an Stromübertragung über große Entfernungen führt. Die Stromtechnologie ist nicht nur eine wissenschaftliche Angelegenheit, sondern auch eine wichtige Garantie für die Energiesicherheit meines Landes.

Im Gegensatz zu seinen „traditionellen Vorteilsbereichen“ wie Brücken- und Tiefbau verfügt China in der Energieübertragungstechnologie nicht über große technische Reserven und beginnt im Grunde bei Null. Daher kam es bis in die Anfangszeit der Reform- und Öffnungspolitik vielerorts häufig zu Stromausfällen aufgrund unzureichender Stromversorgung.

Um das Problem der Stromversorgung zu lösen, führte mein Land in den 1980er Jahren eine Übertragungs- und Transformationstechnologie mit einer Spannung von 500 kV aus dem Westen ein (zuvor wurde in den meisten Gebieten eine normale Übertragung mit 220 kV verwendet). Mit der rasanten Entwicklung von Wirtschaft und Gesellschaft ist jedoch auch die 500-kV-Übertragungstechnologie an eine Angebots- und Nachfragegrenze gestoßen, und es ist notwendig, die Übertragungsleistung weiter zu erhöhen und in den Ultrahochspannungsbereich vorzudringen.

Im Energiebereich war die Übertragung von Höchstspannungen schon immer ein Problem von Weltrang. In vielen Ländern wurden Forschungen und Experimente im Bereich der Höchstspannung durchgeführt sowie Geräte entwickelt und technische Versuche unternommen, doch aufgrund politischer, wirtschaftlicher, technischer und anderer Faktoren endeten sie alle mit einem Misserfolg.

Seit dem Jahr 2000 haben die zuständigen Behörden Dutzende wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und Universitäten sowie Hunderte von Ausrüstungsherstellern organisiert, um Tausende von Plänen zu entwickeln, an denen Hunderttausende Menschen teilnahmen. Da es auf internationaler Ebene keine Standards, keine Erfahrung und keine Ausrüstung gab, haben sie viele Herausforderungen auf Weltniveau in der Hochspannungsübertragungstechnologie gemeistert.

Der von meinem Land unabhängig entwickelte ±800-kV-Ultrahochspannungs-Gleichstrom-Wandlertransformator hat einen Weltrekord für die größte Einzelkapazität, den höchsten technischen Schwierigkeitsgrad und die kürzeste Produktionszeit aufgestellt.

Die Leitfähigkeit der von meinem Land mithilfe verbesserter Technologie entwickelten energiesparenden Hochspannungsleiter konnte von 61,0 % IACS (Leitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu übertragen) auf 63,5 % IACS erhöht werden, wodurch die Verluste bei der Hochspannungsübertragung erheblich reduziert wurden und die Stromübertragungsverluste jährlich um Milliarden Kilowattstunden gesenkt werden können.

Diese wissenschaftlichen und technologischen Innovationserfolge sind untrennbar mit der Aufmerksamkeit der zuständigen nationalen Behörden verbunden und, was noch wichtiger ist, sie sind untrennbar mit der harten Arbeit zahlloser wissenschaftlicher Forscher verbunden, die den Geist der Wissenschaftler, die nach der Wahrheit suchen, innovativ sind und hart arbeiten, weitertragen. Beispielsweise ist Li Lixuan, ein Akademiker der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften, ein Experte auf dem Gebiet der Hochspannungs-Gleichstromübertragung in China und gilt als „Erster in der Gleichstromübertragung“. Auf dem Gebiet der Ultrahochspannungs-Gleichstromtechnologie (±800 kV) hat er Experten und Teams dabei unterstützt, Schwierigkeiten zu überwinden, hat 73 wichtige elektrische Geräte in 13 Kategorien entwickelt, 141 Schlüsseltechnologien erlangt, 37 Weltneuheiten geschaffen und ist zu einem der Hauptförderer der „weltweiten Führungsrolle“ meines Landes auf diesem Gebiet geworden.

Chen Weijiang, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ist Experte für Hochspannungs- und Isolationstechnik. Er hat den National Science and Technology Progress Special Award und den National Technological Invention Second Prize gewonnen. Er beschäftigt sich seit langem mit der Forschung zu Methoden der elektromagnetischen Transientenanalyse und Schutztechnologien für Stromversorgungssysteme. Diese wissenschaftlichen Forschungsergebnisse haben die erfolgreiche Entwicklung der Ultrahochspannungsübertragungstechnologie meines Landes wirksam unterstützt.

Die 1981 gegründete Chinese Electrotechnical Society ist eine akademische Gruppenorganisation, die sich hauptsächlich aus Elektroingenieuren und Mitarbeitern der Elektrowissenschaft und -technik zusammensetzt. Darüber hinaus ist es eine wichtige gesellschaftliche Kraft bei der Entwicklung der chinesischen Elektroindustrie. Die Gesellschaft legt großen Wert darauf, den akademischen Austausch in den Mittelpunkt zu stellen und führt aktiv akademische Austauschaktivitäten im Einklang mit den Anforderungen der Grenzen der Elektrotechnik und des volkswirtschaftlichen Aufbaus durch. Der „Leitfaden für wichtige akademische Konferenzen (2022)“ der China Association for Science and Technology umfasst insgesamt 8 Konferenzen der Chinese Society of Electrotechnical Engineering. Konferenzen wie die Akademische Jahreskonferenz der Chinesischen Gesellschaft für Elektrotechnik sind akademische Konferenzen mit großem Einfluss und einer großen Teilnehmerzahl.

▲Für weitere Informationen zum „Leitfaden für wichtige wissenschaftliche Konferenzen (2022)“ scannen Sie bitte den QR-Code

Neue Chancen vor dem Hintergrund von „Dual Carbon“

Im Jahr 2009 wurde die erste Höchstspannungsleitung meines Landes, Südost-Shanxi-Nanyang-Jingmen, vollständig eröffnet. Damit ist China das erste Land der Welt, das die Höchstspannungsübertragungstechnologie vollständig beherrscht und in den kommerziellen Betrieb nimmt.

In den mehr als zehn Jahren seitdem hat die Ultrahochspannungsübertragungstechnologie meines Landes einen weiteren historischen Durchbruch erzielt: Bis Ende 2021 wurden in meinem Land insgesamt 33 Ultrahochspannungsleitungen in Betrieb genommen, die die sieben wichtigsten Stromnetzgebiete des Landes abdecken, und das Übertragungsleitungsprojekt ist fast 40.000 Kilometer lang, was einem Kreis um die Erde entspricht.

Durch die technologische Führung hat China mehr Mitspracherecht erlangt. Derzeit hat China im Bereich der UHV-Technologie die Führung bei der Formulierung international anerkannter Standards für UHV-Übertragungsleitungen übernommen und verfügt über die vollständigen Patentnutzungsrechte. Dies bedeutet, dass andere Länder, selbst wenn sie inländische Technologien entwickeln, die chinesischen Standards einhalten müssen, bevor sie diese international verkaufen dürfen.

China hat sukzessive mit den Philippinen, Portugal, Australien, Griechenland, Russland und anderen Ländern zusammengearbeitet, um den weltweiten Aufbau einer Hochspannungsübertragung zu starten. 168 Länder auf der ganzen Welt haben technische Kooperationsabkommen mit State Grid unterzeichnet, was bedeutet, dass Chinas Ultrahochspannungstechnologie begonnen hat, ins Ausland und in die Welt hinauszugehen.

Vor dem Hintergrund von „Dual Carbon“ steht das Stromsystem nun vor einem Wandel und auch die Ultrahochspannungstechnologie steht an einem neuen Scheideweg.

Da in Zukunft der Anteil der herkömmlichen Wärmekraft sinkt und der Anteil der Windkraft, Solarenergie und sauberen Energie steigt, wird sich das traditionelle Modell „Stromerzeugung, -übertragung, -umwandlung, -verteilung und -verbrauch“ ändern, was auch mehr Chancen und Herausforderungen für die Entwicklung der chinesischen Energietechnikbranche mit sich bringt.

Einerseits ist die Höchstspannungstechnologie als Träger für die Stromübertragung über große Entfernungen im Rahmen der CO2-Neutralität ein wichtiger Beitrag zur Gewährleistung der Energiesicherheit und zur Beschleunigung der Verwirklichung der „dualen CO2-Ziele“. Zudem spielt sie eine Rolle beim Energieausgleich und der Lastverteilung sowie bei der Förderung des Verbrauchs neuer Energien.

Andererseits können UHV-Projekte auch die lokale Wirtschaftsentwicklung wirksam vorantreiben. Schätzungen zufolge muss während der Laufzeit des 14. Fünfjahresplans die Übertragungskapazität der Gleichstromübertragungskanäle Chinas im Nordosten Chinas, im Westen der Inneren Mongolei, in Shanxi, Nordwestchina und Südwestchina um 84,52 Millionen Kilowatt erhöht werden. Dies erfordert neue Investitionen in UHV-Gleichstromprojekte in Höhe von etwa 260 Milliarden RMB. Dies wird eine positive Rolle bei der Förderung der Entwicklung vor- und nachgelagerter Industrieketten spielen. Es wird erwartet, dass sich die Entwicklung im Bereich Ultrahochspannung weiter beschleunigt und mehr Raum für Wachstum bietet. ■