Physikalische Eigenschaften von Energie

• Leistung vs. Energie: Leistung ist der momentane Stromfluss oder Strom – dh die Rate der Stromerzeugung, -übertragung oder -nachfrage. Nach dem Internationalen Einheitensystem wird es in Watt gemessen. Energie ist die im Laufe der Zeit verbrauchte Energiemenge, die in Wattstunden gemessen wird.
• Energie = Leistung x Zeit: Wenn ein Generator beispielsweise zwei Stunden lang 100 Megawatt (MW) Leistung erzeugt, erzeugt er 200 Megawattstunden (MWh) Energie. Der Durchschnittshaushalt verbraucht etwa 900 Kilowattstunden (kWh) pro Monat.

Elektrizität ist der Fluss elektrischer Ladung. Es kommt natürlich vor, muss aber auf bestimmte Weise erstellt und verteilt werden, um es für die Menschen nützlich zu machen. Die physikalischen Grundlagen der Elektrizität definieren, wie wir elektrische Infrastruktur aufbauen und nutzen, um einen zuverlässigen Service für unsere Kunden zu gewährleisten.

Die überwiegende Mehrheit des Stroms in den Vereinigten Staaten wird von großen Kraftwerken erzeugt und über das Stromnetz an die Kunden übertragen.“ Das Netz oder Übertragungssystem ist ein Netz von Stromleitungen und Geräten, mit denen Strom in großen Mengen von Kraftwerken zu Gemeinden transportiert wird. Auf lokaler Ebene übertragen Verteilungsleitungen und Geräte Strom vom Übertragungsnetz an die Endkunden. Zunehmend erzeugen Kunden auch Strom vor Ort, um einige oder alle ihre Bedürfnisse zu erfüllen, am häufigsten durch Sonnenkollektoren auf dem Dach.

Elektrizität ist eine sekundäre Energiequelle, die aus einer Primärquelle stammt. Primärquellen sind chemische Energie, die in fossilen Brennstoffen und Biomasse gespeichert ist; kinetische Energie aus Wind oder Sonne; Kernenergie, die in den Kernen von Atomen gespeichert ist; oder Gravitationsenergie, die an einem bergauf gelegenen Damm gespeichert ist. Diese Energie wandelt sich in mechanische Energie um, die Magnete um Drahtspulen dreht oder dreht, die somit elektrische Ströme und Spannungen induzieren.

Spannung ist ein Maß für die elektromotorische Kraft von Elektrizität. Dies kann als der „Druck“ der Elektrizität angesehen werden, ähnlich dem Druck in einer Wasserlinie. Ein Umspannwerk „erhöht“ die Spannung des in Kraftwerken erzeugten Stroms, um ihn über Hochspannungsleitungen zu transportieren. Hochspannungsleitungen übertragen Energie effizienter über große Entfernungen. Das Bulk- oder „Wholesale“ -Übertragungssystem betreibt Leitungen mit einer Kapazität von einigen tausend Volt bis zu 750.000 Volt. Dieses System liefert Strom an Einzelhandelsverteilungssysteme, in denen andere Umspannwerke die Spannung für die lokale Verteilung an Kunden auf Niederspannungskabeln „absenken“.

Das zentrale Elektrizitätssystem

SYSTEMBETRIEB

Um die Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten, müssen die U.S. electric System versucht, die Netzfrequenz in der Nähe von 60 Hertz zu halten, aber Ungleichgewichte in Angebot und Nachfrage führen zu Abweichungen von diesem Ziel. Starke Abweichungen können zu Problemen bei der Qualität und Zuverlässigkeit des elektrischen Dienstes führen, wie z. B. Stromausfälle und Stromausfälle. Diese Herausforderung wird durch die praktischen Grenzen der kostengünstigen Speicherung von Strom verschärft. Daher muss das System Erzeugung und Nachfrage gleichzeitig ausbalancieren, was erfordert, dass die Erzeugungsleistung ständig an Nachfrageschwankungen angepasst wird.

Es gibt eine Vielzahl von betrieblichen Einschränkungen, mit denen Erzeugungsanlagen konfrontiert sind, die ihre Fähigkeit einschränken, Änderungen der Nachfrage anzupassen. Generatoren unterscheiden sich darin, wie schnell sie ihre Leistung anpassen können. Beispielsweise können Erdgasgeneratoren ihre Leistung im Allgemeinen schneller ändern als Kohlegeneratoren. Generatoren haben auch einen begrenzten „Dispatch-Bereich“, der sich auf die Differenz zwischen ihrer maximalen und minimalen Leistung bezieht. Die meisten fossilen und nuklearen Einheiten benötigen Stunden oder sogar Tage, um zu starten. Generatoren können auch begrenzt sein, wie häufig sie innerhalb eines oder mehrerer Tage starten und stoppen können. Einheiten mit besseren Betriebsfähigkeiten bieten mehr Angebotsflexibilität, um Schwankungen der Nachfrage gerecht zu werden. Zum Beispiel können Erdgasverbrennungsturbinen in wenigen Minuten starten und mehrmals am Tag ein- und ausgeschaltet werden.

Der Strombedarf oder die „Last“ schwankt innerhalb jeder Stunde und variiert je nach Tageszeit und Wetter erheblich. Die Nachfrage variiert auch stark je nach Standort. Die geografische Streuung der Erzeugungsanlagen und der Nachfrage sowie die Beschränkungen des Übertragungsnetzes führen zu Engpässen bei der Übertragung. Eine Überlastung der Übertragung schränkt die Fähigkeit ein, die Erzeugung zu versenden, um die Nachfrage in begrenzten Gebieten zu befriedigen. Dies tritt häufig in Gebieten mit hoher Nachfrage auf, z. B. in Städten, in denen Übertragungsbeschränkungen die Möglichkeit einschränken, Strom aus der Ferne zu importieren.

Das Ausbalancieren des Stromsystems beinhaltet die Koordination des Einsatzes von Generatoren, um die Nachfrage zu decken. Dies erfordert die Antizipation der Nachfrage, Ein Prozess, der als „Lastprognose“ bezeichnet wird.“ Um sich auf Nachfrageänderungen vorzubereiten, muss ein Netzbetreiber Generatoren Stunden oder sogar Tage im Voraus vorpositionieren (d. H. einschalten und ihren Betrieb planen), basierend auf ihren Betriebseigenschaften und ihrem Standort. Echtzeitanpassungen werden notwendig, um unvorhergesehene Entwicklungen wie Lastprognosefehler oder Systemkontingente zu korrigieren. Reserveerzeugungsressourcen können wichtige Eventualitäten wie einen plötzlichen mechanischen Ausfall in einer Erzeugungsanlage oder den Verlust einer Übertragungsleitung beheben. Der Anstieg der Wind- und Solarressourcen, deren Leistung mit den Wetterbedingungen variiert, stellt eine herausfordernde angebotsseitige Variable für den Ausgleich des Netzes dar.

Kraftwerke sind wie Sprinter

Die Fähigkeiten von Kraftwerken können mit denen von Spitzensportlern analogisiert werden:

• Wie schnell ein Sprinter fährt, ist vergleichbar mit dem „Dispatch“ oder dem Output einer Anlage.
• Wie schnell ein Sprinter beschleunigt, ist vergleichbar mit der „Rampe“ oder der Änderungsrate der Leistung.
• Die Höchstgeschwindigkeit eines Sprinters entspricht der Kapazität einer Anlage oder der maximalen Leistung.
• Die Reaktionsfähigkeit eines Athleten ist vergleichbar mit der Zeit, die eine Pflanze benötigt, um mit der Stromerzeugung zu beginnen.
• Die kurz- und langfristige Leistung von Sportlern und Kraftwerken hängt von der Konditionierung ab (z. B. Wartung der Ausrüstung).
• Die Leistung von Sportlern und Kraftwerken kann witterungsempfindlich sein (z. B. senkt hohe Hitze die Leistung vieler Pflanzen).

SYSTEMPLANUNG

Die Aufrechterhaltung eines zuverlässigen Systems erfordert eine langfristige Planung, um sicherzustellen, dass der zukünftige Bedarf angemessen gedeckt werden kann. Der Bau großer Erzeugungs- und Übertragungsanlagen dauert drei oder mehr Jahre. Die Planung erfordert die Bestimmung der geeigneten Größe von Erzeugungs-, Übertragungs- und Verteilungsanlagen, um die maximale Menge an Stromverbrauchern zu einem bestimmten Zeitpunkt zu decken. Konkret erfordert dies eine ausreichende Erzeugungskapazität oder maximale Leistung, um die Spitzenlast zu decken, sowie eine Reserve für den Fall eines Systemkontingents.

Planer verwenden langfristige Lastprognosen, um eine Schätzung des Spitzenbedarfs zu erhalten. Nachfrageseitige Managementprogramme wie die Förderung der Verwitterung und der hocheffizienten Beleuchtung können die Notwendigkeit von Investitionen in Erzeugung und Übertragung verringern. Die Übertragungs- und Verteilernetzplanung muss auch für eine ausreichende Übertragungsfähigkeit sorgen, um die Stromflüsse in Spitzenzeiten an allen Standorten unterzubringen.

Die Planung des elektrischen Systems muss sowohl das Erwartete als auch das Unerwartete berücksichtigen. Veränderungen in Technologie, Politik und Nachfrage sind schwer vorherzusagen. Planer müssen Risiken und Unsicherheiten berücksichtigen, z. B. wirtschaftliche Verschiebungen, die sich auf das Lastwachstum auswirken, Änderungen der regulatorischen Anforderungen und das Aufkommen disruptiver Technologien, die sich auf die Last- oder Kundeneigenerzeugung auswirken. Zum Beispiel können Richtlinien, die die Wind- und Solarerzeugung fördern, den Bedarf an zusätzlichen flexiblen Erzeugungsdiensten wie Schnellstart- und Schnellstartfähigkeit schaffen. Zukünftige Unbekannte, kombiniert mit der langfristigen Natur der Strominfrastruktur, verstärken die Bedeutung des Risiko- und Unsicherheitsmanagements in der Stromplanung.

Eine Illustration des typischen täglichen Strombedarfs