Generación de electricidad

Ben Franklin comenzó a explorar la electricidad usando una llave de metal sujeta a una cometa durante una tormenta, una actividad que no es segura según los estándares de salud y seguridad actuales.  

Su teoría era que las nubes de tormenta contienen electricidad estática y que los relámpagos son descargas de electricidad estática. Un rayo golpearía la llave y la electrificaría, con lo que demostró que el rayo y la electricidad son el resultado del mismo fenómeno. Su idea era correcta: que los rayos son el resultado de los electrones que viajan desde las nubes al suelo, pero carecía de los conceptos científicos para expresar plenamente esa idea.  

Se siguió con su legado y el siglo 19 fue testigo de un rápido progreso en la ciencia eléctrica, la ingeniería eléctrica y la tecnología de generación de energía.  

Los pioneros de la electricidad como Alexander Graham Bell, Nicolas Tesla, Werner von Siemens y muchos más ayudaron a convertir la electricidad de una curiosidad científica en una parte esencial de la vida. Algunos de esos pioneros crearon imperios industriales en el proceso. Entre ellos se encuentran Thomas Edison y George Westinghouse. Edison y Westinghouse también fueron los actores principales en uno de los episodios más fascinantes de la historia de la ingeniería: la guerra de las corrientes. Volveremos a eso. 

La electricidad es una forma de energía y consiste en un flujo de electrones en un material conductor.  

Los electrones son partículas que tienen carga negativa y rodean al átomo. El núcleo de un átomo contiene partículas con carga positiva llamadas protones y partículas sin carga llamadas neutrones. Normalmente, un átomo solo puede tener tantos electrones como protones. Entonces, cuando el flujo de electricidad choca con un electrón contra otro átomo, son demasiados electrones para el átomo receptor. Entonces, otro electrón choca con otro átomo. Así fluye la electricidad. 

¿Cómo se produce la electricidad? 

La electricidad se genera por máquinas diseñadas para poner en movimiento el flujo de electrones y mantener ese flujo. Esto generalmente se hace mediante generadores eléctricos. Hay otras formas de generar electricidad. Los paneles solares y las baterías son otras formas.  

Un generador requiere un movimiento giratorio, generalmente proporcionado por algún tipo de turbina o motor. El movimiento giratorio se transfiere al disco del generador. Dentro del generador, el disco crea un campo magnético. Cuando el disco gira, el campo magnético también gira. El campo magnético giratorio excita los electrones en los conductores de cobre que se encuentran en la parte estática del generador, y esto es lo que crea el flujo de electricidad. Puede pensar en ello como el campo magnético que empuja a los electrones en el estator hasta que comienzan a moverse. El flujo de electricidad se canaliza a través de los conductores de cobre fuera del generador, hacia los cables eléctricos y fuera de la planta de energía.

Respondamos esta pregunta al revés.  

Pulsa un interruptor en tu casa y la luz se enciende. Hacemos esto montones de veces al día sin pensar en lo que sucede exactamente o en qué tipo de sistema eléctrico lo hace posible.  

Retrocedamos el flujo de electricidad por un momento. La electricidad ingresa a su hogar por el panel eléctrico a través de una entrada de servicio. La entrada de servicio se conecta a los cables de bajo voltaje en las líneas eléctricas aéreas, que a su vez se conectan a un transformador montado en un poste. Los transformadores montados en postes se conectan a líneas aéreas de voltaje medio y a lo que se conoce como red de distribución, que conecta a los usuarios de electricidad locales dentro de un área determinada.  

La red de distribución se conecta a la red de transporte a través de una subestación. La red de transporte consta de líneas eléctricas de tensión alta y muy alta diseñadas para transferir grandes cantidades de electricidad a grandes distancias. Estas líneas eléctricas conducen a plantas de energía, donde se produce la electricidad.  

Piense en la corriente eléctrica como el agua que fluye a través de una tubería. Al comienzo de la tubería, tal vez a cientos de millas de distancia, la presión del agua es extremadamente alta. A medida que se acerca a los vecindarios y los hogares, la presión se reduce a presiones más manejables. Es por eso que en cada paso del camino hay subestaciones y transformadores que reducen el voltaje de la electricidad.

¿Qué es la electricidad renovable?

La electricidad renovable es simplemente la electricidad que se genera a través de fuentes de energías renovables. La energía solar, eólica e hidráulica son tres de las formas más populares de generar electricidad renovable.  

La demanda de electricidad renovable ha ido en aumento por dos razones clave. La primera es la asequibilidad. Los paneles solares y las turbinas eólicas se han vuelto mejores y más asequibles a lo largo de los años. La segunda razón tiene que ver con las preocupaciones ambientales. La tolerancia a las emisiones asociadas a las plantas de energía fósil está disminuyendo rápidamente. Esto impulsa la tendencia a reemplazar las plantas de energía fósil con recursos de energía renovable.  

¿Qué son la electricidad AC y DC? 

La corriente alterna (AC) y la corriente continua (DC) son dos formas diferentes en que la corriente eléctrica puede fluir en un circuito.  

La DC fluye a una tasa constante y siempre en la misma dirección. La AC fluye a una tasa variable y la dirección de su flujo cambia con frecuencia.  

Cuando decimos que nuestro suministro de electricidad en Norteamérica es 60 Hz, significa que la dirección del flujo de AC cambia 60 veces por segundo. Piense en la AC como un cigüeñal en un auto de carreras deportivo y rápido. Tiene varios cilindros que empujan el cigüeñal para mover el auto, pero los cilindros no empujan el cigüeñal al mismo tiempo. Juntos impulsan el automóvil y ese movimiento se siente como un movimiento constante.  

Ahora piense en la DC como un taladro manual. El taladro aporta movimiento constante, potencia constante, a cualquier tarea que esté realizando.  

En los primeros días de la electrificación, la DC y la AC se consideraban formas válidas de generar, transportar, distribuir y consumir electricidad. Esto nos lleva de regreso a Edison y Westinghouse.  

Edison imaginó un sistema eléctrico basado en electricidad de DC. Westinghouse estaba apoyando el desarrollo de un sistema de AC. El problema para ellos era que los sistemas de AC y DC se excluyen mutuamente, por lo que uno tenía que prevalecer y el otro tenía que perder. Esto resultó en una amarga rivalidad que pasó a los anales de la historia.  

Con el tiempo, la AC se convirtió en el tipo de electricidad dominante porque era mucho más fácil de transportar y distribuir de manera eficiente, desde plantas de energía hasta subestaciones, hogares y negocios.  

Hasta bien entrado el siglo 20, se podían encontrar fragmentos del sistema eléctrico de DC de Edison en la ciudad de Nueva York, que prestaban servicio, por ejemplo, a edificios antiguos que tenían ascensores de DC o al sistema de metro, cuyos trenes también funcionaban con DC. El último cliente de servicio de DC en Manhattan, un edificio en 40th Street, se desconectó recién en 2007.  

Curiosamente, las líneas de transmisión de DC están regresando en ciertas aplicaciones. Son, por ejemplo, una opción común para los cables submarinos que llevan la electricidad generada por los parques eólicos marinos de vuelta a tierra. La razón por la que las líneas de DC se pueden conectar a la red de CA es que ahora tenemos electrónica de potencia que puede convertir la electricidad entre DC y AC con pérdidas mínimas; la electrónica de potencia no se había inventado en el siglo 19, por lo que Edison y Westinghouse no tenía esa opción.

Curiosamente, el aumento de la energía renovable a partir de recursos solares y eólicos está impulsando una recuperación del interés por la electricidad de DC. Hay varias razones para esto.

La primera razón es que la DC tiende a ser una buena opción para los cables submarinos que transportan la electricidad generada por los parques eólicos marinos de vuelta a tierra. Estas conexiones de DC a veces se conocen como líneas HVDC, que significa líneas de DC de alto voltaje.  

Otra razón es el hecho de que los paneles fotovoltaicos solo pueden producir electricidad de DC.

La tercera razón es el resultado del mayor uso de sistemas de almacenamiento de energía de baterías a escala de servicios públicos, que a menudo se construyen junto con paneles fotovoltaicos para ayudar a mitigar su variabilidad y, al igual que los paneles fotovoltaicos, solo pueden producir electricidad de DC. Todos estos elementos de DC están conectados a la red eléctrica más amplia, que tiene electricidad de AC, que utilizan electrónica de potencia que puede convertir la electricidad entre CC y CA con pérdidas mínimas.

La electrónica de potencia no se había inventado en el siglo 19 y, desafortunadamente para Edison y Westinghouse, esa opción no estaba disponible para que se reconciliaran.