¿Qué es la generación de energía?

Generación de energía es un término utilizado para describir la producción de electricidad mediante diferentes tipos de tecnología. Algunas, como las calderas de vapor, tienen más de cien años y otras, como las turbinas eólicas, son más recientes. En realidad, las calderas de vapor y los molinos de viento son mucho más antiguos. Al principio se inventaron para mover la maquinaria y triturar el grano, y todavía lo hacen, pero ahora se utilizan sobre todo para producir electricidad.

La mayoría de los equipos de generación de energía producen electricidad haciendo girar un mecanismo en un alternador. La forma de hacer girar el mecanismo depende de la tecnología que se utilice.

¿Cómo se genera la electricidad?

Las centrales eléctricas y los generadores de energía producen mucha energía. Dijimos que un movimiento giratorio se transmite a un alternador y este transforma el movimiento en electricidad. ¿Cómo sucede exactamente?

Un alternador es muy parecido a un motor eléctrico. Los motores eléctricos utilizan la electricidad para hacer girar un disco. En los alternadores ocurre lo contrario: en lugar de utilizar la electricidad para crear movimiento, los alternadores utilizan el movimiento para crear electricidad. De hecho, muchos motores pueden funcionar como alternadores improvisados.

Los alternadores se componen de dos partes: un estator y un disco. El disco gira dentro del alternador y está diseñado para crear un campo magnético. El estator es esencialmente una caja formada por muchos bobinados de cobre envueltos en un núcleo de hierro hueco. Cuando el disco gira dentro del estator, su campo magnético también gira, y esa rotación crea una corriente eléctrica dentro de los bobinados del estator. Esa corriente eléctrica se recoge y se envía a la red de energía.

¿Cómo funciona un generador de energía?

Los generadores de energía son pequeñas centrales eléctricas autónomas construidas en torno a un motor recíproco y un alternador. El motor y el alternador suelen estar combinados en una sola carcasa, que puede ser tan grande como el remolque de un tractor o tan pequeño como una maleta, dependiendo de la cantidad de electricidad que se necesite. Existen generadores con motores aptos para diferentes combustibles: diésel, gasolina, biocombustibles, gas natural y más.

Los generadores de energía más grandes se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones e industrias. Pueden servir como energía primaria o como energía de reserva. Las bases militares desplegadas en zonas donde no hay una red eléctrica confiable, por ejemplo, a menudo dependen de generadores en la base para todas sus necesidades de electricidad. En edificios donde no es aceptable perder la energía en cualquier momento, se instalan generadores de reserva para proporcionar energía en caso de un corte. Los centros de datos y hospitales son ejemplos de edificios que requieren generadores de reserva.

Tipos de centrales eléctricas

Hay muchos tipos de centrales eléctricas con diferentes tecnologías: motores alternativos (a veces denominados motores de combustión interna), turbinas a vapor, turbinas a gas, turbinas hidroeléctricas, turbinas eólicas, geotérmicas, nucleares, etc.

¿Qué son las centrales hidroeléctricas y los parques eólicos?

Las centrales hidroeléctricas y los parques eólicos son primos en tecnología, ya que generan electricidad sin usar combustible, solo el viento y las corrientes de agua.

Además, ambos utilizan palas de turbina giratorias externas para aplicar una torsión en el eje giratorio de un alternador. La presa Hoover, por ejemplo, contiene una conocida central hidroeléctrica que crea grandes cantidades de electricidad aprovechando la energía potencial liberada por el agua al pasar por la presa.

En el caso de las turbinas eólicas, cada torre tiene un conjunto de palas de turbina y un alternador que extrae la energía del viento y la convierte en electricidad.

¿Qué son las centrales solares?

La electricidad solar se produce en paneles fotovoltaicos que utilizan la luz del sol para activar las células de silicio que contienen. Cuando los fotones del sol golpean las células de silicio, eliminan los electrones de los átomos presentes en el silicio. Las células están diseñadas de tal manera que los electrones solo pueden viajar en una dirección. Así, cuando el colector de electrones de la célula se conecta a una carga eléctrica, los electrones se alinean para salir de la célula y llegar a la carga eléctrica. En otras palabras, se genera una corriente eléctrica.

La tecnología de la energía solar se ha expandido a las plantas solares concentradas con turbinas a vapor. En algunas configuraciones, los espejos se colocan alrededor de una torre y el reflejo se dirige a un receptor en la parte superior de la torre. Es como si se utilizara una lupa para concentrar los rayos del sol y encender un fuego. En la parte superior de la torre hay una caldera a vapor que transporta el vapor caliente hasta una turbina a vapor situada en el suelo.

¿Qué son las centrales geotérmicas?

Las centrales geotérmicas tienen tuberías que se adentran en la tierra, donde el agua se calienta gracias al calor que emana del magma cercano. El agua se convierte en vapor y ese vapor es utilizado por un conjunto de alternador y turbina a vapor para producir electricidad. Un ejemplo de agua convertida en vapor por la actividad geotérmica son los numerosos géiseres calientes del Parque Nacional Yellowstone en Wyoming.

¿Qué son las centrales eléctricas a gas?

En las centrales eléctricas a gas que dependen de una turbina a gas, el proceso es el siguiente:

1. El aire se introduce en un compresor donde se comprime.
2. El aire comprimido se conduce a una cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se enciende la mezcla de aire y combustible.
3. El gas presurizado resultante de la combustión hace girar las palas de la turbina.
4. Como en los motores alternativos, el movimiento giratorio se transmite a un alternador que lo convierte en electricidad.

Los motores de reacción funcionan de forma muy similar, con la diferencia de que la torsión hace girar las aspas del ventilador y propulsa el chorro.

¿Qué son las centrales eléctricas diésel?

Las centrales eléctricas diésel tienen una capacidad de generación de energía relativamente menor en comparación con otras centrales eléctricas. Estas centrales eléctricas suelen utilizar los motores alternativos para la generación de energía. Estos motores alternativos son como el motor de un auto:

• El aire entra en un compresor cuando se inyecta el combustible.
• Un pistón sube y baja a medida que la mezcla de aire y combustible se quema.
• El pistón está conectado a un cigüeñal que produce un movimiento giratorio.
• El movimiento giratorio se transfiere a un alternador que transforma el movimiento en corriente eléctrica.

Las centrales eléctricas con motores alternativos pueden quemar una gran variedad de combustibles, incluidos el gas natural o el petróleo pesado, entre otros.

¿Qué son las centrales eléctricas de carbón?

En las centrales eléctricas de carbón el proceso es el siguiente:
 

• Una fuente de combustible se enciende para calentar el agua en una caldera.
• El agua calentada en la caldera se convierte en vapor.
• El vapor hace girar las palas de una turbina de vapor
• Ese movimiento giratorio se transfiere al alternador, que crea electricidad.

El proceso es el mismo en las centrales nucleares, pero el agua hierve gracias al calor procedente de la fisión de los átomos de uranio, en lugar de la combustión del combustible.

Las centrales nucleares y cómo funcionan

En las centrales nucleares, el proceso es el mismo con turbinas a vapor, pero el agua hierve por el calor procedente de la fisión de los átomos de uranio, en lugar de la combustión del combustible.

Las centrales nucleares albergan uno o varios reactores donde se produce la fisión nuclear. Los átomos grandes de uranio se separan para formar átomos más pequeños, liberando una enorme cantidad de energía en el proceso. El uranio se lleva al reactor en forma de pastillas de óxido de uranio apiladas en tubos metálicos sellados llamados barras de combustible. Las barras de combustible se introducen en una gran recipiente lleno de agua y presurizado, el recipiente del reactor. Una vez iniciada la fisión nuclear, las barras de combustible calientan el agua presente en el recipiente del reactor, creando vapor. Este vapor hace girar una turbina a vapor y un conjunto de alternadores eléctricos, creando electricidad.

En ningún momento del proceso intervienen combustibles fósiles, por lo que las centrales nucleares no generan emisiones de carbono. Sin embargo, lo que generan es una gran cantidad de barras de combustible gastadas altamente radiactivas, con las que nadie sabe realmente qué hacer.

Hay unos 94 reactores nucleares instalados en 57 centrales eléctricas de Estados Unidos y unos 450 reactores en todo el mundo, hasta el 2021.

Centrales eléctricas de ciclo combinado

Las turbinas a vapor pueden sumarse a las turbinas a gas para crear una planta de "ciclo combinado" que utilice el calor residual de la turbina a gas para producir vapor. El calor de escape de la turbina a gas produce ahora electricidad adicional. Es por esto que las centrales eléctricas de ciclo combinado tienen un mayor rendimiento y una mayor producción que las centrales de ciclo simple.

Beneficios de las diferentes tecnologías de generación de energía

Cada tipo de central eléctrica y de tecnología de generación de energía tiene sus ventajas e inconvenientes.

Las centrales nucleares producen mucha electricidad con muy poco combustible y casi sin emisiones, pero los residuos nucleares son un gran problema que aún no se ha resuelto.

Las turbinas a gas generan menos emisiones y son más eficientes que la mayoría de las centrales eléctricas con turbinas a vapor, pero suelen tener un mantenimiento más costoso. También funcionan mejor con gas natural, que no está disponible en todas partes.

Los motores alternativos tienen una gran flexibilidad: pueden arrancar y parar rápidamente, y pueden funcionar con una gran variedad de combustibles, son muy eficientes y su costo de construcción y mantenimiento es relativamente bajo.

Las turbinas eólicas y los paneles solares no generan emisiones directas ni requieren combustible, pero su producción es variable y a veces imprevisible: un día sin viento, un parque eólico no generará mucha electricidad.

A medida que aumenta el deseo mundial de generar energía más limpia y reducir las emisiones para las generaciones futuras, el cambio a la energía limpia y renovable sigue creciendo. Con tantos parques eólicos y solares en la red eléctrica, es importante tener suficientes centrales eléctricas flexibles que puedan arrancar y parar rápidamente para compensar la variabilidad de la energía eólica y solar. Las turbinas a gas y los motores alternativos son muy adecuados para ello y una opción popular entre las empresas eléctricas.

Fuentes de energía para la generación de electricidad

Todos los sistemas de generación de energía y las centrales eléctricas funcionan convirtiendo la energía disponible de una u otra forma en electricidad.

Los paneles solares y los parques eólicos convierten la energía presente en su entorno, la luz del sol y el viento, en electricidad. Asimismo, las centrales hidroeléctricas extraen la energía potencial del agua embalsada o la energía cinética presente en los ríos para generar electricidad. La energía del viento, el sol y el agua se considera renovable porque su fuente se repone constantemente, aunque su disponibilidad dependa de las condiciones meteorológicas.

Otras tecnologías de generación de energía requieren combustible como fuente de energía. Casi todo lo que se puede quemar se ha utilizado como combustible para generar electricidad. Hay centrales eléctricas que funcionan con basura municipal, neumáticos viejos, gas de alcantarilla, hojas de maíz, residuos industriales, etc. Dicho esto, la mayor parte de la electricidad no renovable procede de combustibles fósiles, categoría que incluye el carbón, el gas natural y los destilados del petróleo, como el diésel.

Los biocombustibles son una categoría de combustibles cada vez más importante porque son neutros en carbono. Esto significa que cuando se queman, el carbono que liberan no procede de una fuente fósil. Los biocombustibles se fabrican a partir de materiales orgánicos, como cultivos energéticos, subproductos agrícolas o incluso aceite de freír usado. Los biocombustibles se presentan en forma sólida, líquida y gaseosa, lo que permite una variedad de usos en aplicaciones de generación de energía. El biodiésel, por ejemplo, es un tipo de biocombustible líquido muy utilizado.