Producción eléctrica

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La Producción eléctrica o generación de energía electricidad es el proceso de generar industrialmente energía eléctrica a partir de fuentes de energía primaria. Para las utilities del sector de la energía eléctrica, es la etapa previa a su entrega (transmisión, distribución, etc.) a los usuarios finales oa su almacenamiento (utilizando, por ejemplo, el método de almacenamiento por bombeo).

La electricidad no está disponible gratuitamente en la naturaleza, por lo que debe ser "producida" (es decir, transformando otras formas de energía en electricidad). La producción se lleva a cabo en centrales eléctricas (también llamadas "centrales eléctricas"). La electricidad se genera con mayor frecuencia en una planta de energía mediante generadores electromecánicos, impulsados ​​principalmente por motores térmicos alimentados por combustión o fisión nuclear, pero también por otros medios, como la energía cinética del agua y el viento. Otras fuentes de energía incluyen la energía solar fotovoltaica y la energía geotérmica.

La eliminación gradual de las centrales eléctricas de carbón y, finalmente, las centrales eléctricas de gas, o la captura de sus emisiones de gases de efecto invernadero, es una parte importante de la transformación energética necesaria para limitar el cambio climático. Se pronostica que se necesitará mucha más energía solar y eólica, y la demanda de electricidad aumentará fuertemente con una mayor electrificación del transporte, los hogares y la industria.

Historia

Los principios fundamentales de la generación de electricidad fueron descubiertos en la década de 1820 y principios de la de 1830 por el científico británico Michael Faraday. Su método, que aún se usa hoy en día, consiste en generar electricidad mediante el movimiento de un bucle de alambre, o disco de Faraday, entre los polos de un imán. Las centrales eléctricas centrales se volvieron económicamente prácticas con el desarrollo de la transmisión de energía de corriente alterna (CA), utilizando transformadores de potencia para transmitir energía a alto voltaje y con pocas pérdidas.

La producción comercial de electricidad comenzó con el acoplamiento de la dínamo a la turbina hidráulica. La producción mecánica de energía eléctrica inició la Segunda Revolución Industrial e hizo posible varios inventos que utilizan electricidad, siendo los principales contribuyentes Thomas Alva Edison y Nikola Tesla. Anteriormente, la única forma de producir electricidad era mediante reacciones químicas o usando celdas de batería, y el único uso práctico de la electricidad era para el telégrafo.

La generación de electricidad en las centrales eléctricas comenzó en 1882, cuando una máquina de vapor que impulsaba una dínamo en la estación Pearl Street producía una corriente continua que alimentaba el alumbrado público en Pearl Street, Nueva York. La nueva tecnología fue rápidamente adoptada por muchas ciudades alrededor del mundo, que adaptaron sus farolas de gas a energía eléctrica. Poco después, las luces eléctricas se usarían en edificios públicos, negocios y para impulsar el transporte público, como tranvías y trenes.

Las primeras centrales eléctricas utilizaban energía hidráulica o carbón. Hoy en día se utilizan una variedad de fuentes de energía, como el carbón, la nuclear, el gas natural, la hidroeléctrica, el viento y el petróleo, así como la energía solar, la energía de las mareas y las fuentes geotérmicas.

En la década de 1880, la popularidad de la electricidad creció enormemente con la introducción de la bombilla de luz incandescente. Aunque hay 22 inventores reconocidos de la bombilla antes de Joseph Swan y Thomas Edison, el invento de Edison y Swan se convirtió, con mucho, en el más exitoso y popular de todos. Durante los primeros años del siglo XIX, se dieron saltos masivos en las ciencias eléctricas. Y a fines del siglo XIX, el avance de la tecnología y la ingeniería eléctricas llevó a que la electricidad fuera parte de la vida cotidiana. Con la introducción de muchos inventos eléctricos y su implementación en la vida cotidiana, la demanda de electricidad dentro de los hogares creció de forma espectacular. Con este aumento de la demanda, Muchos empresarios vieron el potencial de ganancias y comenzaron a invertir en sistemas eléctricos para eventualmente crear los primeros servicios públicos de electricidad. Este proceso en la historia a menudo se describe como electrificación.

La primera distribución de electricidad provino de compañías que operaban independientemente unas de otras. Un consumidor compraría electricidad a un productor y el productor la distribuiría a través de su propia red eléctrica. A medida que la tecnología mejoró, también lo hizo la productividad y la eficiencia de su generación. Invenciones como la turbina de vapor tuvieron un impacto masivo en la eficiencia de la generación eléctrica, pero también en la economía de la generación. Esta conversión de energía térmica en trabajo mecánico era similar a la de las máquinas de vapor, aunque a una escala significativamente mayor y mucho más productiva. Las mejoras de estas plantas de generación a gran escala fueron críticas para el proceso de generación centralizada, ya que se volverían vitales para todo el sistema de energía que ahora usamos.

A mediados del siglo XX, muchas empresas de servicios públicos comenzaron a fusionar sus redes de distribución debido a los beneficios económicos y de eficiencia. Junto con la invención de la transmisión de energía a larga distancia, comenzó a formarse la coordinación de las centrales eléctricas. Luego, este sistema fue asegurado por operadores de sistemas regionales para garantizar la estabilidad y confiabilidad. La electrificación de los hogares comenzó en el norte de Europa y en América del Norte en la década de 1920 en las grandes ciudades y áreas urbanas. No fue sino hasta la década de 1930 que las áreas rurales vieron el establecimiento a gran escala de la electrificación.

Métodos de generación

Existen varios métodos fundamentales para convertir otras formas de energía en energía eléctrica. La generación a gran escala se logra mediante generadores eléctricos rotativos o mediante sistemas fotovoltaicos. Una pequeña proporción de la energía eléctrica distribuida por las empresas de servicios públicos es proporcionada por baterías. Otras formas de generación de electricidad utilizadas en aplicaciones de nicho incluyen el efecto triboeléctrico, el efecto piezoeléctrico, el efecto termoeléctrico y la betavoltaica.

Generadores

Los generadores eléctricos transforman la energía cinética en electricidad. Esta es la forma más utilizada para generar electricidad y se basa en la ley de Faraday. Se puede ver experimentalmente girando un imán dentro de bucles cerrados de material conductor (por ejemplo, alambre de cobre). Casi toda la generación eléctrica comercial se realiza mediante inducción electromagnética, en la que la energía mecánica fuerza a un generador a girar.

Electroquímica

La electroquímica es la transformación directa de la energía química en electricidad, como en una batería. La generación de electricidad electroquímica es importante en aplicaciones portátiles y móviles. Actualmente, la mayor parte de la energía electroquímica proviene de baterías. Las celdas primarias, como las baterías comunes de zinc-carbono, actúan como fuentes de energía directamente, pero las celdas secundarias (es decir, baterías recargables) se utilizan para sistemas de almacenamiento en lugar de sistemas de generación primaria. Los sistemas electroquímicos abiertos, conocidos como pilas de combustible, se pueden utilizar para extraer energía de combustibles naturales o de combustibles sintetizados. El poder osmótico es una posibilidad en lugares donde se fusionan el agua dulce y la salada.

Efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es la transformación de la luz en energía eléctrica, como en las células solares. Los paneles fotovoltaicos convierten la luz solar directamente en electricidad de CC. Los inversores de energía pueden convertir eso en electricidad de CA si es necesario. Aunque la luz del sol es gratis y abundante, la electricidad de la energía solar suele ser más costosa de producir que la energía generada mecánicamente a gran escala debido al costo de los paneles. Las celdas solares de silicio de baja eficiencia han ido disminuyendo en costo y las celdas de unión múltiple con una eficiencia de conversión cercana al 30% ahora están disponibles comercialmente. Se ha demostrado una eficiencia superior al 40 % en sistemas experimentales.Hasta hace poco, la energía fotovoltaica se usaba con mayor frecuencia en sitios remotos donde no hay acceso a una red eléctrica comercial, o como fuente de electricidad complementaria para hogares y negocios individuales. Los avances recientes en la eficiencia de fabricación y la tecnología fotovoltaica, combinados con subsidios impulsados ​​por preocupaciones ambientales, han acelerado drásticamente el despliegue de paneles solares. La capacidad instalada está creciendo un 40 % al año, impulsada por aumentos en Alemania, Japón, Estados Unidos, China e India.

Ciencias económicas

La selección de modos de producción de electricidad y su viabilidad económica varía según la demanda y la región. La economía varía considerablemente en todo el mundo, lo que resulta en precios de venta residencial generalizados, por ejemplo, el precio en Islandia es de 5,54 centavos por kWh mientras que en algunas naciones insulares es de 40 centavos por kWh. Las plantas hidroeléctricas, las plantas de energía nuclear, las plantas de energía térmica y las fuentes renovables tienen sus propios pros y contras, y la selección se basa en el requerimiento de energía local y las fluctuaciones en la demanda. Todas las redes eléctricas tienen cargas variables, pero el mínimo diarioes la carga base, a menudo suministrada por plantas que funcionan continuamente. Las centrales nucleares, de carbón, de petróleo, de gas y algunas hidroeléctricas pueden suministrar carga base. Si los costos de construcción de pozos para gas natural son inferiores a $10 por MWh, generar electricidad a partir de gas natural es más económico que generar energía quemando carbón.

La energía térmica puede ser económica en áreas de alta densidad industrial, ya que la alta demanda no puede ser satisfecha por fuentes renovables locales. El efecto de la contaminación localizada también se minimiza, ya que las industrias suelen estar ubicadas lejos de las zonas residenciales. Estas plantas también pueden soportar variaciones en la carga y el consumo agregando más unidadeso disminuyendo temporalmente la producción de algunas unidades. Las plantas de energía nuclear pueden producir una gran cantidad de energía a partir de una sola unidad. Sin embargo, los desastres nucleares han generado preocupaciones sobre la seguridad de la energía nuclear y el costo de capital de las plantas nucleares es muy alto. Las centrales hidroeléctricas están ubicadas en áreas donde la energía potencial del agua que cae puede aprovecharse para mover turbinas y generar energía. Puede que no sea una única fuente de producción económicamente viable cuando la capacidad de almacenar el flujo de agua es limitada y la carga varía demasiado durante el ciclo de producción anual.

Debido a los avances tecnológicos y a la producción en masa, las fuentes renovables distintas de la hidroelectricidad (energía solar, energía eólica) experimentaron reducciones en el costo de producción y, en muchos casos, la energía ahora es tan costosa o menos costosa que los combustibles fósiles. Muchos gobiernos de todo el mundo otorgan subsidios para compensar el mayor costo de cualquier nueva producción de energía y para hacer que la instalación de sistemas de energía renovable sea económicamente viable.

Equipos generadores

Los generadores eléctricos se conocieron en formas simples desde el descubrimiento de la inducción electromagnética en la década de 1830. En general, alguna forma de motor principal, como un motor o las turbinas descritas anteriormente, impulsa un campo magnético giratorio a través de bobinas estacionarias de alambre, convirtiendo así la energía mecánica en electricidad. La única producción de electricidad a escala comercial que no emplea un generador es la energía solar fotovoltaica.

Turbinas

Casi toda la energía eléctrica comercial en la Tierra se genera con una turbina, impulsada por viento, agua, vapor o combustión de gas. La turbina mueve un generador, transformando así su energía mecánica en energía eléctrica por inducción electromagnética. Hay muchos métodos diferentes para desarrollar energía mecánica, incluidos motores térmicos, energía hidráulica, eólica y mareomotriz. La mayor parte de la generación eléctrica es impulsada por motores térmicos. La combustión de combustibles fósiles suministra la mayor parte de la energía a estos motores, con una fracción significativa de la fisión nuclear y parte de fuentes renovables. La turbina de vapor moderna (inventada por Sir Charles Parsons en 1884) actualmente genera alrededor del 80% de la energía eléctrica en el mundo usando una variedad de fuentes de calor. Los tipos de turbinas incluyen:

Aunque las turbinas son más comunes en la generación de energía comercial, los generadores más pequeños pueden funcionar con motores de gasolina o diésel. Estos pueden usarse para generación de respaldo o como fuente principal de energía dentro de pueblos aislados.

Producción

La producción bruta total mundial de electricidad en 2016 fue de 25 082 TWh. Las fuentes de electricidad fueron carbón y turba 38,3%, gas natural 23,1%, hidroeléctrica 16,6%, energía nuclear 10,4%, petróleo 3,7%, solar/eólica/geotérmica/mareomotriz/otras 5,6%, biomasa y residuos 2,3%.

En 2021, la electricidad generada por energía eólica y solar alcanzó el 10% de la electricidad producida a nivel mundial. Las fuentes limpias (Solar y eólica y otras) generaron el 38% de la electricidad mundial.

Resultados históricos de producción de energía eléctrica

Generación neta anual mundial de electricidad.svg

Producción por país

Estados Unidos ha sido durante mucho tiempo el mayor productor y consumidor de electricidad, con una participación global en 2005 de al menos el 25%, seguido por China, Japón, Rusia e India. En 2011, China superó a Estados Unidos y se convirtió en el mayor productor de electricidad.

Preocupaciones ambientales

Las variaciones entre los países que generan energía eléctrica afectan las preocupaciones sobre el medio ambiente. En Francia, solo el 10 % de la electricidad se genera a partir de combustibles fósiles, EE. UU. es más alto con un 70 % y China con un 80 %. La limpieza de la electricidad depende de su fuente. La mayoría de los científicos están de acuerdo en que las emisiones de contaminantes y gases de efecto invernadero de la generación de electricidad basada en combustibles fósiles representan una parte significativa de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. En los Estados Unidos, la combustión de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica es responsable del 65% de todas las emisiones de dióxido de azufre, el componente principal de la lluvia ácida. La generación de electricidad es la cuarta fuente combinada más alta de NO x, monóxido de carbono y partículas en los EE. UU.

Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), la generación de electricidad con bajas emisiones de carbono debe representar el 85 % de la producción eléctrica mundial para 2040 a fin de evitar los peores efectos del cambio climático. Al igual que otras organizaciones, incluido el Energy Impact Center (EIC) y la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (CEPE), la AIE ha pedido la expansión de la energía nuclear y renovable para cumplir ese objetivo. Algunos, como el fundador de EIC, Bret Kugelmass, creen que la energía nuclear es el método principal para descarbonizar la generación de electricidad porque también puede impulsar la captura directa de aire que elimina las emisiones de carbono existentes en la atmósfera.Las plantas de energía nuclear también pueden crear proyectos de desalinización y calefacción urbana, lo que limita las emisiones de carbono y la necesidad de una mayor producción eléctrica.

Un tema fundamental con respecto a la generación centralizada y los métodos actuales de generación eléctrica en uso hoy en día son los importantes efectos ambientales negativos que tienen muchos de los procesos de generación. Procesos como el carbón y el gas no solo liberan dióxido de carbono cuando se queman, sino que su extracción del suelo también afecta el medio ambiente. Las minas de carbón a cielo abierto utilizan grandes extensiones de tierra para extraer carbón y limitan el potencial de uso productivo de la tierra después de la excavación. La extracción de gas natural libera grandes cantidades de metano a la atmósfera cuando se extrae del suelo, lo que aumenta en gran medida los gases de efecto invernadero globales. Aunque las plantas de energía nuclear no liberan dióxido de carbono a través de la generación de electricidad, existen riesgos significativos asociados con los desechos nucleares y problemas de seguridad asociados con el uso de fuentes nucleares. Este miedo a la energía nuclear proviene de catástrofes nucleares a gran escala como el desastre de Chernobyl y el desastre nuclear de Fukushima Daiichi. Ambas tragedias provocaron importantes bajas y la contaminación radiactiva de grandes áreas.

TecnologíaDescripciónpercentil 50
(g CO 2 /kWh e)
Hidroeléctricoreservorio4
Vientoen tierra12
Nuclearvarios tipos de reactores de segunda generacióndieciséis
Biomasavarios18
Solar térmicacilindro parabólico22
Geotermiaroca seca y caliente45
energía solar fotovoltaicaSilicio policristalino46
Gas naturalvarias turbinas de ciclo combinado sin depuración469
Carbónvarios tipos de generadores sin depuración1 001

Generación centralizada

La generación centralizada se refiere al proceso común de generación de electricidad a través de instalaciones centralizadas a gran escala, a través de líneas de transmisión hasta el consumidor. Estas instalaciones suelen estar ubicadas lejos de los consumidores y distribuyen la electricidad a través de líneas de transmisión de alto voltaje a una subestación, donde luego se distribuye a los consumidores; el concepto básico es que las estaciones increíblemente grandes generan electricidad para un gran número de personas. La gran mayoría de la electricidad utilizada se genera a partir de generación centralizada. La mayor parte de la generación de energía centralizada proviene de grandes plantas de energía que funcionan con combustibles fósiles como el carbón o el gas natural, aunque también se usan comúnmente plantas nucleares o grandes hidroeléctricas. Muchos no están de acuerdo con los procesos de generación centralizadaya que a menudo depende de la generación eléctrica a través de procesos de combustión de combustibles fósiles, que son malos para el medio ambiente. Por insostenible que sea el sistema actual, es, con mucho, el sistema más ampliamente utilizado, fiable y eficiente que está actualmente en uso.

La generación centralizada es fundamentalmente lo opuesto a la generación distribuida. La generación distribuida es la generación de electricidad a pequeña escala para grupos más pequeños de consumidores. Esto también puede incluir la producción independiente de electricidad mediante energía solar o eólica. En los últimos años, la generación distribuida ha visto una chispa en popularidad debido a su propensión a utilizar métodos de generación de energía renovable como la eólica y la solar.

Tecnologías

Las fuentes de energía centralizadas son grandes centrales térmicas que producen enormes cantidades de electricidad para un gran número de consumidores. Esta es la forma tradicional de producir energía. Casi todas las centrales eléctricas utilizadas en la generación centralizada son centrales térmicas, lo que significa que utilizan un combustible para calentar el vapor y producir un gas presurizado que, a su vez, hace girar una turbina y genera electricidad. Este proceso se basa en varias formas de tecnología para producir electricidad generalizada, que son el carbón natural, el gas y las formas nucleares de generación térmica.

Carbón

Las centrales eléctricas de carbón producen vapor quemando carbón extraído de la tierra. Este vapor, bajo intensas fuerzas de alta presión en una turbina. Estas turbinas están conectadas a generadores que giran a altas velocidades creando electricidad. Después de la generación, el vapor se enfría de nuevo en agua para calentarse una vez más y producir electricidad. Una sola central eléctrica de carbón puede producir electricidad para 70 000 hogares, sin embargo, puede utilizar hasta 14 000 toneladas de carbón al día para calentar su caldera.

Los problemas fundamentales con respecto al uso del carbón en la generación de electricidad son los gases de efecto invernadero liberados por la quema de carbón y la cantidad limitada de carbón en la tierra, lo que lleva a muchos a estar de acuerdo en que es una forma muy insostenible de producir electricidad.

Gas natural

El gas natural se enciende para crear gas presurizado que se utiliza para hacer girar turbinas para generar electricidad. Las plantas de gas natural usan una turbina de gas donde se agrega gas natural junto con oxígeno que a su vez se quema y se expande a través de la turbina para obligar a un generador a girar.

Las centrales eléctricas de gas natural son más eficientes que la generación de energía con carbón; sin embargo, contribuyen al cambio climático, pero no tanto como la generación con carbón. No solo producen dióxido de carbono a partir de la ignición del gas natural, sino que también la extracción de gas cuando se extrae libera una cantidad significativa de metano a la atmósfera.

Nuclear

Las plantas de energía nuclear crean electricidad a través del proceso de fisión nuclear. Actualmente, la energía nuclear produce el 11% de toda la electricidad en el mundo. La mayoría de los reactores nucleares utilizan uranio como fuente de combustible. En un proceso llamado fisión nuclear, la energía, en forma de calor, se libera cuando se dividen los átomos nucleares. La electricidad se crea mediante el uso de un reactor nuclear donde el calor producido por la fisión nuclear se usa para producir vapor que a su vez hace girar las turbinas y alimenta los generadores. Aunque existen varios tipos de reactores nucleares, todos utilizan fundamentalmente este proceso.

Aunque la energía nuclear produce muy pocas emisiones, varios accidentes a lo largo de la historia han llevado a muchos a especular sobre la seguridad y el riesgo asociado con estas plantas. Accidentes como el desastre de Chernobyl y el desastre nuclear de Fukushima han llevado a muchos a estar en desacuerdo con la práctica de la generación de energía nuclear.

Usos

Si bien existe una variación en la cantidad de electricidad necesaria en todo momento, la carga base es la cantidad mínima de energía requerida en un momento, esta es la mayor parte de toda la energía y debe ser creada por grandes centrales eléctricas que tengan la capacidad de ejecutar todo. día, todos los días. Solo las centrales nucleares, de carbón, de petróleo, de gas y algunas hidroeléctricas pueden suministrar de forma fiable la carga base. Muchos métodos más ecológicos dependen en gran medida de variables como el sol y el viento y, por lo tanto, su rendimiento varía demasiado para soportar la carga base.

Las áreas altamente industriales tienden a ser alimentadas casi en su totalidad por plantas de energía térmica, como las plantas que funcionan con carbón o gas, ya que su enorme producción de energía es necesaria para impulsar la industria en la región. El efecto localizado de la contaminación también es mínimo, ya que las regiones industriales suelen estar lejos de las zonas suburbanas. Las plantas también pueden hacer frente a una gran variación en la producción de energía ajustando la producción de las turbinas.

Las grandes centrales térmicas producen la gran mayoría de la electricidad para las áreas residenciales, aunque ha habido un aumento en las fuentes de energía renovables, todavía solo representan alrededor del 8% de toda la electricidad consumida. Sin embargo, estas fuentes renovables de electricidad ayudan en las fluctuaciones de la demanda de electricidad, ya que a menudo son fáciles de ajustar la producción requerida para satisfacer las necesidades de la red. A través de la línea de transmisión, la mayoría de la electricidad se distribuye a las zonas residenciales.