- Potenza vs energia: la potenza è il flusso istantaneo di elettricità, o corrente, cioè il tasso di produzione, trasferimento o domanda di elettricità. Sotto il sistema internazionale di unità, è misurato in watt. L’energia è la quantità di energia consumata nel tempo, che viene misurata in watt-ora.
- Energia = Potenza x tempo: ad esempio, se un generatore produce 100 megawatt (MW) di potenza per due ore crea 200 megawattora (MWh) di energia. La famiglia media consuma circa 900 kilowattora (kWh) al mese.
L’elettricità è il flusso di carica elettrica. Si presenta naturalmente, ma deve essere creato e distribuito in modi particolari per renderlo utile alle persone. I fondamenti fisici dell’elettricità definiscono il modo in cui costruiamo e utilizziamo l’infrastruttura elettrica per garantire un servizio affidabile ai clienti.
La stragrande maggioranza dell’elettricità negli Stati Uniti è generata da grandi centrali elettriche e trasferita ai clienti attraverso la ” rete.”La rete, o sistema di trasmissione, è una rete di linee elettriche e apparecchiature utilizzate per trasportare elettricità alla rinfusa dalle centrali elettriche alle comunità. A livello locale, le linee di distribuzione e le apparecchiature trasferiscono la potenza dal sistema di trasmissione ai clienti finali. Sempre più spesso, i clienti generano anche elettricità in loco per soddisfare alcune o tutte le loro esigenze, più comunemente attraverso pannelli solari sul tetto.
L’elettricità è una fonte di energia secondaria derivata da una fonte primaria. Le fonti primarie includono l’energia chimica immagazzinata nei combustibili fossili e nella biomassa; energia cinetica dal vento o solare; energia nucleare immagazzinata nei nuclei degli atomi; o energia gravitazionale immagazzinata in una diga in salita. Questa energia si converte in energia meccanica che gira o ruota i magneti attorno alle bobine di filo, che inducono quindi correnti e tensioni elettriche.
La tensione è una misura della forza elettromotrice dell’elettricità. Questo può essere pensato come la” pressione ” dell’elettricità, simile alla pressione in una linea di galleggiamento. Una sottostazione “aumenta” la tensione dell’elettricità generata nelle centrali elettriche per trasportarla attraverso linee di trasmissione ad alta tensione. Le linee ad alta tensione trasferiscono la potenza in modo più efficiente su lunghe distanze. Il sistema di trasmissione bulk o “wholesale” gestisce linee che vanno da poche migliaia di volt a 750.000 volt. Questo sistema fornisce energia ai sistemi di distribuzione al dettaglio, dove altre sottostazioni “abbassano” la tensione per la distribuzione locale ai clienti su cavi a bassa tensione.
Il sistema elettrico centralizzato
FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA
Per mantenere l’affidabilità, gli Stati Uniti il sistema elettrico cerca di mantenere la frequenza del sistema vicino a 60 hertz, ma gli squilibri nella domanda e nell’offerta causano deviazioni da tale obiettivo. Deviazioni gravi possono causare problemi nella qualità e nell’affidabilità del servizio elettrico, come interruzioni e blackout. Questa sfida è esacerbata dai limiti pratici per immagazzinare l’elettricità in modo economico. Pertanto, il sistema deve bilanciare contemporaneamente generazione e domanda, il che richiede che la produzione di generazione venga regolata costantemente per soddisfare le fluttuazioni della domanda.
Ci sono una serie di limitazioni operative che gli impianti di generazione devono affrontare che limitano la loro capacità di soddisfare i cambiamenti della domanda. I generatori variano in quanto velocemente possono regolare la loro uscita. Ad esempio, i generatori a gas naturale in genere possono alterare la loro produzione più rapidamente rispetto ai generatori a carbone. I generatori hanno anche un “intervallo di spedizione” limitato, che si riferisce alla differenza tra la loro uscita massima e minima. La maggior parte delle unità fossili e nucleari richiedono ore o addirittura giorni per iniziare. I generatori possono anche essere limitati nella frequenza con cui possono avviarsi e fermarsi entro uno o più giorni. Le unità con migliori capacità operative offrono una maggiore flessibilità dell’offerta per soddisfare le fluttuazioni della domanda. Ad esempio, le turbine di combustione a gas naturale possono iniziare in pochi minuti e essere accese e spente più volte al giorno.
La domanda di elettricità, o “carico”, oscilla all’interno di ogni ora, variando considerevolmente in base all’ora del giorno e ai modelli meteorologici. Anche la domanda varia notevolmente in base alla posizione. La dispersione geografica degli impianti di generazione e della domanda, insieme alle limitazioni del sistema di trasmissione, provoca la congestione della trasmissione. La congestione della trasmissione limita la capacità di inviare la generazione per soddisfare la domanda in aree vincolate. Ciò si verifica spesso in aree ad alta domanda, come le città, dove i vincoli di trasmissione limitano la capacità di importare energia da lontano.
Il bilanciamento del sistema elettrico comporta il coordinamento dell’invio dei generatori per soddisfare la domanda. Ciò richiede anticipando la domanda, un processo noto come “load forecasting.”Per prepararsi ai cambiamenti della domanda, un operatore di rete deve pre-posizionare i generatori (cioè accenderli e programmarne il funzionamento) ore o addirittura giorni in anticipo, in base alle loro caratteristiche operative e alla loro posizione. Gli aggiustamenti in tempo reale diventano necessari per correggere sviluppi imprevisti, come errori di previsione del carico o imprevisti del sistema. Le risorse di generazione di riserva possono affrontare imprevisti importanti, come un improvviso guasto meccanico in un impianto di generazione o la perdita di una linea di trasmissione. L’aumento delle risorse eoliche e solari, la cui produzione varia con le condizioni meteorologiche, introduce una difficile variabile dal lato dell’offerta per bilanciare la rete.
Le centrali elettriche sono come i velocisti
Le capacità delle centrali elettriche possono essere analogizzate con quelle degli atleti d’élite:
- Quanto velocemente corre un velocista è simile al “dispatch” o al livello di output di un impianto.
- Quanto velocemente un velocista accelera è simile a “rampa”, o il tasso di variazione in uscita.
- La velocità massima di un velocista è simile alla capacità di un impianto, o alla potenza massima.
- La reattività di un atleta è simile al tempo di cui una pianta ha bisogno per iniziare a produrre energia.
- Le prestazioni a breve e lungo termine degli atleti e delle centrali elettriche dipendono dal condizionamento (ad esempio, manutenzione delle attrezzature).
- Le prestazioni sia degli atleti che delle centrali elettriche possono essere sensibili alle condizioni meteorologiche (ad esempio, il calore elevato riduce la produzione di molte piante).
PIANIFICAZIONE DEL SISTEMA
Il mantenimento di un sistema affidabile richiede una pianificazione a lungo termine per garantire che la domanda futura possa essere soddisfatta adeguatamente. Le grandi strutture di generazione e trasmissione richiedono tre o più anni per essere costruite. La pianificazione richiede di determinare la dimensione appropriata degli impianti di generazione, trasmissione e distribuzione per soddisfare la quantità massima di energia richiesta dai consumatori in un dato momento. In particolare, ciò richiede una capacità di generazione sufficiente, o potenza massima, per soddisfare il carico di picco, più una riserva in caso di emergenza del sistema.
I pianificatori utilizzano la previsione del carico a lungo termine per fornire una stima del picco della domanda. I programmi di gestione della domanda, come la promozione della meteorizzazione e dell’illuminazione ad alta efficienza, possono ridurre la necessità di investire nella generazione e nella trasmissione. La pianificazione del sistema di trasmissione e distribuzione deve inoltre prevedere una capacità di trasferimento sufficiente per accogliere i flussi di energia elettrica nei periodi di punta in tutte le località.
La pianificazione del sistema elettrico deve affrontare sia il previsto che l’imprevisto. I cambiamenti nella tecnologia, nella politica e nella domanda sono difficili da prevedere. I pianificatori devono tenere conto dei rischi e delle incertezze, come i cambiamenti economici che influenzano la crescita del carico, i cambiamenti nei requisiti normativi e l’aumento delle tecnologie dirompenti che influenzano il carico o l’auto-generazione del cliente. Ad esempio, le politiche che promuovono la generazione eolica e solare possono creare la necessità di ulteriori servizi di generazione flessibile, come la capacità di avvio rapido e di rampa rapida. Le incognite future, combinate con la natura a lungo termine delle infrastrutture elettriche, amplificano l’importanza della gestione del rischio e dell’incertezza nella pianificazione dell’elettricità.
Un’illustrazione della tipica domanda giornaliera di elettricità