- síla vs. energie: síla je okamžitý tok elektřiny nebo proud-to znamená rychlost výroby, přenosu nebo poptávky po elektřině. Podle mezinárodního systému jednotek se měří ve wattech. Energie je množství energie spotřebované v průběhu času, které se měří ve wattech.
- energie = výkon x čas: například pokud generátor produkuje 100 megawattů (MW) energie po dobu dvou hodin, vytvoří 200 megawatthodin (MWh) energie. Průměrná domácnost spotřebuje asi 900 kilowatthodin (kWh) měsíčně.
elektřina je tok elektrického náboje. Vyskytuje se přirozeně, ale musí být vytvořen a distribuován konkrétními způsoby, aby byl užitečný pro lidi. Fyzikální základy elektřiny definují, jak budujeme a využíváme elektrickou infrastrukturu k zajištění spolehlivých služeb zákazníkům.
drtivá většina elektřiny ve Spojených státech je vyráběna velkými elektrárnami a převedena na zákazníky prostřednictvím „sítě“.“Síť nebo přenosová soustava je síť elektrických vedení a zařízení používaných k hromadné přepravě elektřiny z elektráren do komunit. Na místní úrovni přenášejí distribuční linky a zařízení energii z přenosové soustavy koncovým zákazníkům. Stále častěji zákazníci také vyrábějí elektřinu na místě, aby uspokojili některé nebo všechny své potřeby, nejčastěji prostřednictvím střešních solárních panelů.
elektřina je sekundární zdroj energie odvozený z primárního zdroje. Primární zdroje zahrnují chemickou energii uloženou ve fosilních palivech a biomase; kinetická energie z větru nebo slunce; jaderná energie uložená v jádrech atomů; nebo gravitační energie uložená v přehradě do kopce. Tato energie se přeměňuje na mechanickou energii, která točí nebo otáčí magnety kolem drátěných cívek, které tak indukují elektrické proudy a napětí.
napětí je měřítkem elektromotorické síly elektřiny. To lze považovat za „tlak“ elektřiny, podobný tlaku ve vodorysce. Rozvodna „zvyšuje“ napětí elektřiny vyrobené v elektrárnách, aby ji přepravovala vysokonapěťovými přenosovými vedeními. Vedení s vyšším napětím přenáší energii efektivněji na velké vzdálenosti. Hromadný nebo“ velkoobchodní “ přenosový systém provozuje linky, které se pohybují v kapacitě od několika tisíc voltů až po 750 000 voltů. Tento systém dodává energii do maloobchodních distribučních soustav, kde ostatní rozvodny „snižují“ napětí pro místní distribuci zákazníkům na nízkonapěťových vodičích.
centralizovaná elektrická soustava
provoz systému
pro udržení spolehlivosti, USA. elektrický systém se snaží udržet frekvenci systému poblíž 60 hertzů, ale nerovnováha v nabídce a poptávce způsobuje odchylky od tohoto cíle. Závažné odchylky mohou způsobit problémy v kvalitě a spolehlivosti elektrické služby, jako jsou výpadky a výpadky proudu. Tato výzva je umocněna praktickými limity skladování elektřiny nákladově efektivním způsobem. Systém tedy musí vyvážit generaci a poptávku současně, což vyžaduje, aby byl výkon generace neustále upravován tak, aby odpovídal výkyvům poptávky.
existuje řada provozních omezení, kterým čelí výrobní zařízení, která omezují jejich schopnost odpovídat změnám v poptávce. Generátory se liší v tom, jak rychle mohou upravit svůj výstup. Například generátory na zemní plyn mohou obecně měnit svůj výkon rychleji než generátory na uhlí. Generátory mají také omezený „rozsah odeslání“, který odkazuje na rozdíl mezi jejich maximálním a minimálním výkonem. Většina fosilních a jaderných jednotek vyžaduje spuštění hodin nebo dokonce dnů. Generátory mohou být také omezeny v tom, jak často mohou začít a zastavit během jednoho nebo několika dnů. Jednotky s lepšími provozními schopnostmi poskytují větší flexibilitu nabídky, aby odpovídaly výkyvům poptávky. Například spalovací turbíny na zemní plyn mohou začít během několika minut a být zapnuty a vypnuty několikrát denně.
poptávka po elektřině nebo „zatížení“ kolísá v každé hodině a značně se liší v závislosti na denní době a počasí. Poptávka se také velmi liší podle místa. Geografické rozptýlení výrobních zařízení a poptávky, spolu s omezeními přenosové soustavy, má za následek přetížení přenosu. Přetížení přenosu omezuje schopnost odesílat generaci, aby uspokojila poptávku v omezených oblastech. K tomu často dochází v oblastech s vysokou poptávkou, jako jsou města, kde omezení přenosu omezují schopnost dovážet energii z dálky.
vyvážení elektrické soustavy zahrnuje koordinaci expedice generátorů za účelem uspokojení poptávky. To vyžaduje předvídání poptávky, proces známý jako “ prognóza zatížení.“Pro přípravu na změny poptávky musí provozovatel sítě předem umístit generátory (tj. zapnout je a naplánovat jejich provoz) hodiny nebo dokonce dny předem na základě jejich provozních charakteristik a umístění. Úpravy v reálném čase jsou nezbytné k nápravě neočekávaného vývoje, jako jsou chyby prognózy zatížení nebo nepředvídané události systému. Zdroje generování rezerv mohou řešit velké nepředvídané události, jako je náhlá mechanická porucha na výrobním zařízení nebo ztráta přenosového vedení. Vzestup větrných a solárních zdrojů, jejichž výkon se mění v závislosti na povětrnostních podmínkách, přináší do vyvažování sítě náročnou proměnnou na straně nabídky.
elektrárny jsou jako sprinteři
schopnosti elektráren lze přirovnat k schopnostem elitních sportovců:
- jak rychle sprinter běží, se podobá „expedici“ závodu nebo úrovni výkonu.
- jak rychle sprinter zrychluje, se podobá „rampě“ nebo rychlosti změny výkonu.
- maximální rychlost sprinteru je podobná kapacitě závodu nebo maximálnímu výkonu.
- reakce sportovce je podobná době, kdy rostlina potřebuje k zahájení výroby energie.
- krátkodobý a dlouhodobý výkon sportovců i elektráren závisí na kondicionování (např. údržba zařízení).
- výkon sportovců i elektráren může být citlivý na povětrnostní podmínky (např. vysoké teplo snižuje výkon mnoha elektráren).
plánování systému
udržování spolehlivého systému vyžaduje dlouhodobé plánování, aby bylo zajištěno, že budoucí poptávka bude uspokojena odpovídajícím způsobem. Výstavba velkých výrobních a přenosových zařízení trvá tři nebo více let. Plánování vyžaduje určení vhodné velikosti výrobních, přenosových a distribučních zařízení tak, aby splňovaly maximální množství energie, které budou spotřebitelé v daném okamžiku požadovat. Konkrétně to vyžaduje dostatečnou výrobní kapacitu nebo maximální výkon pro splnění špičkového zatížení plus rezervu v případě nouze systému.
plánovači používají dlouhodobé předpovědi zatížení k poskytnutí odhadu špičkové poptávky. Programy řízení na straně poptávky, jako je podpora počasí a vysoce účinné osvětlení, mohou snížit potřebu investovat do výroby a přenosu. Plánování přenosových a distribučních soustav musí rovněž zajistit dostatečnou schopnost přenosu, aby bylo možné přizpůsobit toky elektřiny ve špičkách ve všech lokalitách.
plánování elektrických systémů musí řešit očekávané i neočekávané. Změny v technologii, politice a poptávce je obtížné předvídat. Plánovači musí zohledňovat rizika a nejistoty, jako jsou ekonomické posuny, které ovlivňují růst zátěže, změny regulačních požadavků a vzestup rušivých technologií, které ovlivňují zatížení nebo vlastní generaci zákazníků. Například politiky, které podporují výrobu větru a slunečního záření, mohou vytvářet potřebu dalších služeb flexibilní generace, jako je rychlý start a schopnost rychlého rozjezdu. Budoucí neznámé, v kombinaci s dlouhodobou povahou elektrické infrastruktury, zesilují význam řízení rizik a nejistoty při plánování elektřiny.
ilustrace typické denní poptávky po elektřině