- Energía vs. Energía: La energía es el flujo instantáneo de electricidad, o corriente, es decir, la tasa de producción, transferencia o demanda de electricidad. Bajo el Sistema Internacional de Unidades, se mide en vatios. La energía es la cantidad de energía consumida a lo largo del tiempo, que se mide en vatios-hora.
- Energía = Potencia x Tiempo: Por ejemplo, si un generador produce 100 megavatios (MW) de potencia durante dos horas, crea 200 megavatios-hora (MWh) de energía. El hogar promedio consume alrededor de 900 kilovatios-hora (kWh) por mes.
la Electricidad es el flujo de carga eléctrica. Ocurre naturalmente, pero debe crearse y distribuirse de formas particulares para que sea útil para las personas. Los fundamentos físicos de la electricidad definen cómo construimos y utilizamos la infraestructura eléctrica para garantizar un servicio confiable a los clientes.
La gran mayoría de la electricidad en los Estados Unidos es generada por grandes centrales eléctricas y transferida a los clientes a través de la «red».»La red, o sistema de transmisión, es una red de líneas eléctricas y equipos utilizados para transportar electricidad a granel desde las centrales eléctricas a las comunidades. A nivel local, las líneas de distribución y el equipo transfieren energía del sistema de transmisión a los clientes de uso final. Cada vez más, los clientes también generan electricidad en el sitio para satisfacer algunas o todas sus necesidades, más comúnmente a través de paneles solares en la azotea.
La electricidad es una fuente de energía secundaria derivada de una fuente primaria. Las fuentes primarias incluyen energía química almacenada en combustibles fósiles y biomasa; energía cinética eólica o solar; energía nuclear almacenada en los núcleos de los átomos; o energía gravitacional almacenada en una presa cuesta arriba. Esta energía se convierte en energía mecánica que hace girar o girar imanes alrededor de bobinas de alambre, lo que induce corrientes y voltajes eléctricos.
El voltaje es una medida de la fuerza electromotriz de la electricidad. Esto se puede considerar como la «presión» de la electricidad, similar a la presión en una línea de flotación. Una subestación «aumenta» el voltaje de la electricidad generada en las centrales eléctricas para transportarla a través de líneas de transmisión de alta tensión. Las líneas de alto voltaje transfieren energía de manera más eficiente a largas distancias. El sistema de transmisión a granel o «mayorista» opera líneas que varían en capacidad desde unos pocos miles de voltios hasta 750,000 voltios. Este sistema suministra energía a los sistemas de distribución minorista, donde otras subestaciones «reducen» el voltaje para la distribución local a los clientes en cables de bajo voltaje.
El sistema eléctrico centralizado
OPERACIÓN DEL SISTEMA
Para mantener la confiabilidad, los EE. el sistema eléctrico busca mantener la frecuencia del sistema cerca de 60 hertz, pero los desequilibrios en la oferta y la demanda causan desviaciones de ese objetivo. Las desviaciones graves pueden causar problemas en la calidad y fiabilidad del servicio eléctrico, como apagones y apagones. Este desafío se ve exacerbado por los límites prácticos para almacenar electricidad de manera rentable. Por lo tanto, el sistema debe equilibrar la generación y la demanda simultáneamente, lo que requiere que la producción de generación se ajuste constantemente para adaptarse a las fluctuaciones de la demanda.
Hay una variedad de limitaciones operativas a las que se enfrentan las instalaciones de generación que limitan su capacidad para adaptarse a los cambios en la demanda. Los generadores varían en la rapidez con la que pueden ajustar su salida. Por ejemplo, los generadores alimentados con gas natural generalmente pueden alterar su producción más rápidamente que los generadores alimentados con carbón. Los generadores también tienen un «rango de despacho» limitado, que se refiere a la diferencia entre su salida máxima y mínima. La mayoría de las unidades fósiles y nucleares requieren horas o incluso días para comenzar. Los generadores también pueden estar limitados en la frecuencia con la que pueden arrancar y detenerse en uno o varios días. Las unidades con mejores capacidades operativas proporcionan más flexibilidad de suministro para adaptarse a las fluctuaciones de la demanda. Por ejemplo, las turbinas de combustión de gas natural pueden comenzar en cuestión de minutos y encenderse y apagarse varias veces al día.
La demanda de electricidad, o «carga», fluctúa dentro de cada hora, variando considerablemente según la hora del día y los patrones climáticos. La demanda también varía mucho según la ubicación. La dispersión geográfica de las instalaciones de generación y la demanda, junto con las limitaciones del sistema de transmisión, dan lugar a la congestión de la transmisión. La congestión de la transmisión limita la capacidad de enviar generación para satisfacer la demanda en áreas restringidas. Esto ocurre a menudo en áreas de alta demanda, como las ciudades, donde las limitaciones de transmisión limitan la capacidad de importar energía desde lugares lejanos.
Equilibrar el sistema eléctrico implica coordinar el despacho de los generadores para satisfacer la demanda. Esto requiere anticipar la demanda, un proceso conocido como «pronóstico de carga».»Para prepararse para los cambios en la demanda, un operador de red debe colocar previamente los generadores (es decir, encenderlos y programar su operación) con horas o incluso días de anticipación, en función de sus características de operación y ubicación. Se hacen necesarios ajustes en tiempo real para corregir desarrollos imprevistos, como errores de previsión de carga o contingencias del sistema. Los recursos de generación de reservas pueden abordar contingencias importantes, como una falla mecánica repentina en una instalación de generación o la pérdida de una línea de transmisión. El aumento de los recursos eólicos y solares, cuya producción varía con las condiciones climáticas, introduce una variable desafiante del lado de la oferta para equilibrar la red.
Las plantas de energía son como velocistas
Las habilidades de las plantas de energía se pueden asimilar a las de los atletas de élite:
- La velocidad a la que corre un velocista es similar al «despacho» o nivel de producción de una planta.
- La rapidez con la que acelera un velocista es similar a la «rampa», o la velocidad de cambio en la salida.
- La velocidad máxima de un velocista es similar a la capacidad de una planta, o la producción máxima.
- La capacidad de respuesta de un atleta es similar al tiempo que una planta necesita para comenzar a producir energía.
- El rendimiento a corto y largo plazo de los atletas y las centrales eléctricas depende del acondicionamiento (por ejemplo, el mantenimiento del equipo).
- El rendimiento de los atletas y las centrales eléctricas puede ser sensible a las condiciones climáticas (por ejemplo, el calor elevado reduce la producción de muchas plantas).
PLANIFICACIÓN DEL SISTEMA
El mantenimiento de un sistema confiable requiere una planificación a largo plazo para garantizar que la demanda futura se pueda satisfacer adecuadamente. Las grandes instalaciones de generación y transmisión tardan tres o más años en construirse. La planificación requiere determinar el tamaño apropiado de las instalaciones de generación, transmisión y distribución para satisfacer la cantidad máxima de energía que los consumidores demandarán en un momento dado. Específicamente, esto requiere suficiente capacidad de generación, o producción máxima, para satisfacer la carga máxima, más una reserva en caso de contingencia del sistema.
Los planificadores utilizan la previsión de carga a largo plazo para proporcionar una estimación de la demanda máxima. Los programas de gestión de la demanda, como la promoción de la climatización y la iluminación de alta eficiencia, pueden reducir la necesidad de invertir en generación y transmisión. La planificación de los sistemas de transmisión y distribución también debe prever una capacidad de transferencia suficiente para acomodar los flujos de electricidad en los períodos de máxima actividad en todos los lugares.
La planificación del sistema eléctrico debe abordar tanto lo esperado como lo inesperado. Los cambios en la tecnología, las políticas y la demanda son difíciles de predecir. Los planificadores deben tener en cuenta los riesgos y las incertidumbres, como los cambios económicos que afectan al crecimiento de la carga, los cambios en los requisitos reglamentarios y el aumento de las tecnologías disruptivas que afectan a la carga o a la autogeneración de los clientes. Por ejemplo, las políticas que promueven la generación eólica y solar pueden crear la necesidad de servicios adicionales de generación flexible, como la capacidad de inicio rápido y de rampa rápida. Las incógnitas futuras, combinadas con la naturaleza a largo plazo de la infraestructura eléctrica, amplifican la importancia de la gestión del riesgo y la incertidumbre en la planificación de la electricidad.
Una ilustración de la demanda diaria típica de electricidad