¿Cómo funcionan las redes de energía?

Answer 1

Para ser claros, la red eléctrica es una de las maravillas de ingeniería más milagrosas y subestimadas de la actualidad.

Estás hablando de un sistema que cada minuto de cada día convierte la luz solar pasada y presente en el combustible seguro, limpio, inodoro y silencioso de casi toda la tecnología moderna. Miles de generadores giran perfectamente sincronizados a lo largo de miles de millas para que todo funcione a exactamente 50 o 60 Hz, dependiendo de dónde se encuentre. Enciende y apaga las luces, las fábricas suben y bajan y, sin embargo, (casi) nunca se entrega muy poca o demasiada energía.

Por lo tanto, puede imaginar que hay una gran profundidad que podría entrar en una respuesta sobre cómo funciona todo, y elaborar esa respuesta requeriría una cantidad de especialistas diferentes. Ciertamente hay partes que no pretendo entender. Pero intentaré repasar lo básico, al menos.

Física

Dejando a un lado las celdas solares y las cajas de borde, la electricidad se produce girando bobinas de alambre rodeadas de imanes. Puede obtener la fuerza para girar esas bobinas de una variedad de lugares, pero la mayor parte proviene de quemar algo para calentar agua en vapor y luego empujar ese vapor a través de una turbina. Una turbina es solo un dispositivo que convierte la temperatura y la presión en fuerza mecánica.

Una vez que tenga su potencia mecánica girando un gran eje de metal, querrá colocar bobinas de alambre en el extremo y rodearlo con imanes. A medida que las bobinas giran, la dirección del campo magnético en relación con las bobinas cambia, y esto hace que la corriente fluya a través de las bobinas. Voilà, electricidad.

Voltaje. El voltaje es un potencial, como sostener una bola de boliche sobre el suelo. La pelota no se mueve, nada está “sucediendo”, pero el tamaño de la pelota y la altura a la que la sostienes te dice cuánto podrías hacer.

La corriente es la acción misma, los electrones fluyen a través de un cable. La cantidad de corriente que fluye en un sistema determinado depende del voltaje, pero la corriente muestra que las cosas realmente están sucediendo. El voltaje actual es el poder.

En la mayor parte de la red en la mayoría de los lugares del mundo, usamos CA, o corriente alterna. Esto significa que a medida que esos cables giran, el campo magnético tira de la corriente en una dirección y luego en la otra. Si tuviera que sostener una banda elástica entre dos dedos y luego tirar de ella hacia arriba y hacia abajo, eso sería análogo a lo que está haciendo el generador. “Neutral” es la banda de goma en el medio. En su toma de corriente en el hogar, si vive en los Estados Unidos, la electricidad pasa de neutral (0 voltios) a 169 voltios, vuelve a cero, a -169 voltios, vuelve a cero, etc. Esto ocurre 60 veces por segundo.

Vale la pena señalar que para que el generador siga girando a 60 Hz, la fuerza ejercida por la turbina debe coincidir exactamente con la fuerza ejercida por el imán, de lo contrario se aceleraría o disminuiría. Esto puede parecer trivial, pero es importante recordar que cuando la demanda de electricidad cambia, esto se manifiesta como un cambio mecánico en la fuerza en el generador.

Transmisión

Entonces has creado electricidad, ahora quieres llevarla a lugares. El factor limitante aquí es el calor. Cuanto más corriente empujes un cable, más se calienta. Pero, a la mayoría de las personas no les importa la corriente, les importa el poder. Puede entregar la misma cantidad de energía con menos corriente aumentando el voltaje, que es lo que tiene que hacer para mover la electricidad a largas distancias, de lo contrario, perderá demasiada energía como calor.

La desventaja es que el alto voltaje puede ser peligroso. Recuerde, el voltaje es potencial. A altos voltajes, la electricidad realmente “quiere” fluir a algún lado, como una banda elástica extendida hasta sus límites. A medida que el voltaje sigue subiendo, se hace cada vez más difícil asegurarse de que “en algún lugar” esté solo donde queremos que esté.

Los transformadores son los dispositivos que cambian el voltaje. El voltaje aumenta para moverse largas distancias y luego vuelve a bajar para su distribución, para evitar que las líneas de alto voltaje cuelguen alrededor de casas y negocios.

La red

La red no es un grupo de líneas de transmisión que van de un punto a otro. Es una red. Su electricidad puede provenir de diferentes lugares en cualquier momento. Esto tiene costos y beneficios. Por un lado, aumenta la resistencia. Si un generador se apaga, permite que otros intervengan y se hagan cargo. Sin embargo, si no pueden proporcionar suficiente energía (y los sistemas de protección fallan), comenzarán a disminuir la velocidad y a desconectarse, y pronto tendrá apagones. La ingeniería que se utiliza para administrar la red y asegurarse de que todos los puntos jueguen bien juntos es realmente notable.

Mercados / Equilibrio

La demanda de electricidad cambia en cada escala de tiempo. A medida que pasan los años, tendemos a querer más y más potenciar toda la nueva tecnología. Durante todo el año, la calefacción y el aire acondicionado se encienden y cambian la cantidad de electricidad que se necesita de un mes a otro. Se utiliza más electricidad durante los días de semana cuando las empresas operan que el fin de semana. Exige picos por las mañanas cuando la gente se despierta y comienza a usar cosas, y luego baja por la noche. Y, por último, cada vez que se enciende o apaga un dispositivo eléctrico, la demanda cambia de un milisegundo al siguiente.

En todas estas escalas de tiempo, debe existir un incentivo para que los generadores sigan la demanda. Por lo menos en los Estados Unidos, generalmente tenemos mercados establecidos para encargarnos de determinar el tamaño (precio) de ese incentivo. Economía básica: a medida que aumenta la demanda, también lo hará el precio hasta que la oferta coincida. Tenemos los mercados de capacidad para incentivar la construcción de nuevas plantas para satisfacer la demanda futura. Los mercados de LMP pagan por la producción en la mayoría de las escalas de medio tiempo. El mercado que paga por el equilibrio en las escalas de tiempo rápidas se llama mercado de regulación de frecuencia.

–

Bueno, espero que sea suficiente para ser útil. A partir de aquí, pasaría a temas más específicos, que enumeraré a continuación en caso de que desee investigar más.

-física de transmisión, efectos coronales, caída de línea
-demanda de respuesta, afeitado máximo
-respuesta primaria y secundaria
-gobernadores generadores
-rejilla de inercia, inercia sintética
-corriente continua de alto voltaje
-Factor de potencia, potencia activa y reactiva.
-generación asíncrona y asíncrona
-duck curve
-escala de rejilla de almacenamiento
-gestión de red activa
-microgrids