- Puissance vs énergie: La puissance est le flux instantané d’électricité, ou courant, c’est–à-dire le taux de production, de transfert ou de demande d’électricité. Dans le Système international d’unités, il est mesuré en watts. L’énergie est la quantité d’énergie consommée au fil du temps, qui est mesurée en watts-heures.
- Énergie = Puissance x Temps: Par exemple, si un générateur produit 100 mégawatts (MW) de puissance pendant deux heures, il crée 200 mégawatts-heures (MWh) d’énergie. Le ménage moyen consomme environ 900 kilowattheures (kWh) par mois.
L’électricité est le flux de charge électrique. Il se produit naturellement, mais doit être créé et distribué de manière particulière pour le rendre utile aux gens. Les fondements physiques de l’électricité définissent la façon dont nous construisons et utilisons l’infrastructure électrique pour assurer un service fiable aux clients.
La grande majorité de l’électricité aux États-Unis est produite par de grandes centrales électriques et transférée aux clients via le « réseau ». »Le réseau, ou système de transport, est un réseau de lignes électriques et d’équipements utilisés pour transporter l’électricité en vrac des centrales électriques vers les communautés. Au niveau local, les lignes de distribution et les équipements transfèrent l’énergie du réseau de transport aux clients finaux. De plus en plus, les clients produisent également de l’électricité sur place pour répondre à tout ou partie de leurs besoins, le plus souvent grâce à des panneaux solaires sur les toits.
L’électricité est une source d’énergie secondaire dérivée d’une source primaire. Les sources primaires comprennent l’énergie chimique stockée dans les combustibles fossiles et la biomasse; énergie cinétique éolienne ou solaire; énergie nucléaire stockée dans les noyaux des atomes; ou énergie gravitationnelle stockée dans un barrage en montée. Cette énergie se convertit en énergie mécanique qui tourne ou fait tourner des aimants autour des bobines de fil, qui induisent ainsi des courants et des tensions électriques.
La tension est une mesure de la force électromotrice de l’électricité. Cela peut être considéré comme la « pression » de l’électricité, similaire à la pression dans une ligne de flottaison. Une sous-station « augmente » la tension de l’électricité produite dans les centrales électriques pour la transporter via des lignes de transmission à haute tension. Les lignes à haute tension transfèrent la puissance plus efficacement sur de longues distances. Le système de transport en vrac ou « en gros » exploite des lignes dont la capacité varie de quelques milliers de volts à jusqu’à 750 000 volts. Ce système fournit de l’énergie aux systèmes de distribution au détail, où d’autres sous-stations « réduisent » la tension pour une distribution locale aux clients sur des fils basse tension.
Le système d’électricité centralisé
FONCTIONNEMENT DU SYSTÈME
Pour maintenir la fiabilité, les États-Unis. le système électrique cherche à maintenir la fréquence du système près de 60 hertz, mais les déséquilibres de l’offre et de la demande provoquent des écarts par rapport à cet objectif. Des écarts importants peuvent causer des problèmes de qualité et de fiabilité du service électrique, tels que des pannes de courant et des pannes d’électricité. Ce défi est exacerbé par les limites pratiques du stockage de l’électricité de manière rentable. Ainsi, le système doit équilibrer simultanément la production et la demande, ce qui nécessite d’ajuster constamment la production pour correspondre aux fluctuations de la demande.
Les installations de production sont confrontées à diverses limitations opérationnelles qui limitent leur capacité à répondre aux changements de la demande. Les générateurs varient dans la rapidité avec laquelle ils peuvent ajuster leur sortie. Par exemple, les générateurs au gaz naturel peuvent généralement modifier leur production plus rapidement que les générateurs au charbon. Les générateurs ont également une « plage de répartition » limitée, qui fait référence à la différence entre leur puissance maximale et minimale. La plupart des unités fossiles et nucléaires nécessitent des heures, voire des jours, pour démarrer. Les générateurs peuvent également être limités dans la fréquence à laquelle ils peuvent démarrer et s’arrêter en un ou plusieurs jours. Les unités dotées de meilleures capacités opérationnelles offrent une plus grande flexibilité d’approvisionnement pour répondre aux fluctuations de la demande. Par exemple, les turbines à combustion au gaz naturel peuvent démarrer en quelques minutes et être allumées et éteintes plusieurs fois par jour.
La demande d’électricité, ou « charge « , fluctue au cours de chaque heure, variant considérablement en fonction de l’heure de la journée et des conditions météorologiques. La demande varie également considérablement selon l’emplacement. La dispersion géographique des installations de production et de la demande, ainsi que les limitations du réseau de transport, entraînent une congestion du transport. La congestion du transport limite la capacité d’expédier la production pour répondre à la demande dans les zones contraintes. Cela se produit souvent dans les zones à forte demande, telles que les villes, où les contraintes de transmission limitent la capacité d’importer de l’énergie de loin.
L’équilibrage du réseau électrique implique la coordination de la répartition des générateurs pour répondre à la demande. Cela nécessite d’anticiper la demande, un processus appelé « prévision de charge. »Pour se préparer aux changements de la demande, un opérateur de réseau doit pré-positionner les générateurs (c’est-à-dire les allumer et planifier leur fonctionnement) des heures, voire des jours à l’avance, en fonction de leurs caractéristiques de fonctionnement et de leur emplacement. Des ajustements en temps réel deviennent nécessaires pour corriger les développements imprévus, tels que les erreurs de prévision de charge ou les imprévus du système. Les ressources de production de réserve peuvent faire face à des éventualités majeures, comme une défaillance mécanique soudaine à une installation de production ou la perte d’une ligne de transmission. La montée en puissance des ressources éoliennes et solaires, dont la production varie en fonction des conditions météorologiques, introduit une variable d’offre difficile pour équilibrer le réseau.
Les centrales électriques sont comme des sprinteurs
Les capacités des centrales électriques peuvent être analogiques à celles des athlètes d’élite:
- La vitesse à laquelle un sprinter court s’apparente à la « répartition » ou au niveau de production d’une usine.
- La rapidité avec laquelle un sprinter accélère s’apparente à une « rampe », ou au taux de changement de sortie.
- La vitesse maximale d’un sprinter s’apparente à la capacité ou à la puissance maximale d’une usine.
- La réactivité d’un athlète est similaire au temps dont une plante a besoin pour commencer à produire de l’énergie.
- Les performances à court et à long terme des athlètes et des centrales électriques dépendent du conditionnement (par exemple, de l’entretien de l’équipement).
- Les performances des athlètes et des centrales électriques peuvent être sensibles aux conditions météorologiques (par exemple, une chaleur élevée réduit la production de nombreuses plantes).
PLANIFICATION DU SYSTÈME
Le maintien d’un système fiable nécessite une planification à long terme pour s’assurer que la demande future peut être satisfaite de manière adéquate. La construction de grandes installations de production et de transmission prend trois ans ou plus. La planification nécessite de déterminer la taille appropriée des installations de production, de transport et de distribution pour répondre à la quantité maximale d’électricité que les consommateurs demanderont à un moment donné. Plus précisément, cela nécessite une capacité de production suffisante, ou une puissance maximale, pour répondre à la charge de pointe, plus une réserve en cas de contingence du système.
Les planificateurs utilisent des prévisions de charge à long terme pour fournir une estimation de la demande de pointe. Les programmes de gestion de la demande, tels que la promotion de la protection contre les intempéries et de l’éclairage à haute efficacité, peuvent réduire le besoin d’investir dans la production et la transmission. La planification du réseau de transport et de distribution doit également prévoir une capacité de transfert suffisante pour tenir compte des flux d’électricité aux périodes de pointe dans tous les endroits.
La planification du système électrique doit tenir compte à la fois de l’attendu et de l’inattendu. L’évolution de la technologie, des politiques et de la demande est difficile à prévoir. Les planificateurs doivent tenir compte des risques et des incertitudes, tels que les changements économiques qui affectent la croissance de la charge, les changements dans les exigences réglementaires et la montée en puissance des technologies perturbatrices qui affectent la charge ou l’auto-génération des clients. Par exemple, les politiques qui favorisent la production d’énergie éolienne et solaire peuvent créer le besoin de services de production flexibles supplémentaires, tels que la capacité de démarrage rapide et de rampe rapide. Les inconnues futures, combinées à la nature à long terme des infrastructures électriques, amplifient l’importance de la gestion des risques et des incertitudes dans la planification de l’électricité.
Une illustration de la demande quotidienne typique d’électricité