Mercado de la Energía eléctrica. Historia, fundamentos y modos de generación

Historia del Mercado de la Energía Eléctrica

A pesar de que se conoce que la electricidad fue producida como el resultado de las reacciones químicas que se dan en la célula electrolítica desde que Alessandro Volta desarrollara la pila voltaica en 1800, su producción a través de este método era y es todavía costoso.
En 1931, Michael Faraday inventó una máquina  que generaba electricidad por el movimiento rotativo, pero tuvieron que pasar 50 años para que esa tecnología alcanzara un estado comercial viable.
En 1878, en USA, Thomas Edison desarrolló y vendió un sustituto para la luz y calefacción de gas utilizando corriente continua (DC) generada localmente y distribuida después.
El primer suministro público de electricidad fue a finales de 1881, cuando las calles del pueblo de Surrey, en el condado de Godalming (Inglaterra) fueron alumbradas con luz eléctrica. Este sistema generaba electricidad a partir del molino de agua en el río Wey controlado por un alternador Siemens que suministraba electricidad a las lámparas de arco en la ciudad. Este plan de suministro también ofrecía electricidad a algunos comercios y locales.
Goldaming Electric Station
Las lámparas de arco fueron muy utilizadas entonces, consistían en dos electrodos de carbono por donde circula una corriente al principio al estar unidos. Al separarlos poco a poco, la corriente continúa a través del hueco que los separa. Entonces los electrodos se calientan hasta ponerse incandescentes.
Lampara de Arco
A la vez, a principios de 1882, Edison dio a conocer al mundo la primera estación generadora de electricidad a partir del vapor. Esto sucedió en el puente de Holborn Viaduct en Londres, donde tenía un contrato con la ciudad para suministrar alumbrado publico. A esta dinamo se le llamó Jumbo, ya que su gran tamaño obligo a ser transportada en el barco que trasladó a Jumbo, el elefante del Zoo de Londres que en aquel entonces era el más grande del mundo. Con el tiempo, ya proveería de corriente eléctrica a un buen numero de consumidores. Esta energía es en corriente continúa.
Holborn Viaduct
Un poco mas tarde, en septiembre de 1882 cuando Edison abrió la central eléctrica de Pearl Street en la ciudad de Nueva York, y otra vez, usando corriente continua. El uso de la corriente continua obligaba a que al generación de ésta fuera cerca del local que la necesitaba o incluso en el mismo local ya que Edison no sabía transformar el voltaje.
El voltaje utilizado para cualquier sistema eléctrico es muy importante. Aumentando el voltaje, se reduce la corriente por lo que se reduce la pérdida resistiva del cable. Desafortunadamente también aumente el daño cuando hay contacto directo y que se tenga que utilizar aislantes más gruesos.

Por otro lado, Robert Hammond, en diciembre de 1881, realizó una prueba de alumbrado eléctrico en la ciudad de Sussex, en Brighton (UK).
Esta prueba fue un éxito, por lo que permitió a Hammond a formalizarlo comercial y legalmente ya que muchos comerciantes demandaban el uso de la luz eléctrica. Entonces, apareció la Compañía de Hammond (Hammond Electricity Supply Co).
Mientras que los planes de Goldalming y Holborn Viaduct cerraron después de los años, el plan de Brighton perduró y se ofreció un servicio de veinticuatro horas al día en 1887.
Brighton Electric Station
Nikola Tesla, a pesar de haber trabajo para Edison durante un corto periodo de tiempo, entendía la teoría eléctrica de manera diferente. Invento un sistema alternativo utilizando la corriente alterna. Tesla se dio cuenta que mientras se doblaba el voltaje, la corriente se dividía por dos y se reducía así las perdidas en tres cuartas partes. Solo la corriente alterna permite la transformación entre niveles del voltaje en distintos puntos del sistema (circuito). Esto permitía utilizar altos voltajes para una distribución eficiente, donde los riesgos podían ser fácilmente mitigados por un buen diseño de la red, a la vez que permitía voltajes menos peligrosos para ser suministrados a las masas Tesla lo demostrará más tarde en la Exposición Universal de Chicago en 1893.
Tesla desarrolló la parte teoría del sistema completamente, inventado alternativas prácticas y teóricas para todos los suministros de corriente continua que había en ese entonces. Patentó sus ideas en 1887, en 30 patentes diferentes.
En 1880, George Westinghouse se fijó en el trabajo de Tesla. Westinghouse poseía la patente de un tipo de transformador de voltaje que podía trabajar con alto voltaje y era sencillo de construir.
El sistema de Westinghouse podía encender las luces y calefacciones de Edison, pero le faltaba un motor de inducción de corriente alterna.
Con Tesla y sus patentes, Westinghouse construye en 1891 el sistema eléctrico en las minas de oro de Telluride, en Colorado. El sistema utilizaba un generador a partir de agua de 100 CV que alimentaba a un motor de 100CV a través de una línea eléctrica de 4 kilómetros usando un sistema polifásico.
Tesla and Westinghouse
Almarian Decker finalmente en 1893, ideó el sistema completo de generación de electricidad de Redlands en California. El sistema trifásico, es el utilizado en la actualidad. Fue ideado en 1880 por John Hopkinson. entre otros. El sistema trifásico el conjunto de tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud (y por lo tanto, mismo valor eficaz) que presentan un desfase entre ellas de 120° (la tercera parte de un ciclo).
Más tarde, la Westinghouse, en un trato con General Electric, construyó la central eléctrica Adams en las cataratas del Niagara, con 3 generadores Tesla de 5000 CV (7.3 MW) suministrando electricidad a un horno de fundición de aluminio y a la ciudad de Buffalo a unos 35 kilómetros de distancia. La central eléctrica del Niagara se abrió el 20 de abril de 1895.
3 Tesla en Niagara

En España:

En 1875 la Escuela de Ingenieros importó una dinamo de Gramme y una luz de arco que utilizó para el alumbrado en su gabinete de física.
La dinamo de Gramme fue un diseño que hizo Zénobe Gramme mejorando las dinamos de Faraday y Pixxi que inducían picos inesperados de corriente tan solo cuando los polos del imán se acercaban a la bobina. También mejoró la dinamo de Pacinotti, italiano que resolvió los problemas de Faraday y Pixxi utilizando una bobina con forma toroidal.

Desde entonces se divulgó lentamente la electrificación, gracias a ingenieros como Narcís Xifra Masmitjà, Francisco de Paula Rojas Caballero-Infante, Lluís Muntadas Rovira o Josep Mestre Borrell

En 1881 se fundó la primera empresa en España que producía (y distribuía al consumidor) electricidad, la Sociedad Española de Electricidad en Barcelona que impulsó a proveer de electricidad a las ciudades más importantes como Barcelona, Madrid, Valencia y Bilbao). En la foto se puede ver las dos primeras chimeneas, más tarde construyeron una tercera.Sociedad Electrica de Barcelona
En Gerona, en 1886 se instaló la primera red de alumbrado urbano. Más tarde Jerez de la Frontera y Haro, en 1890, fueron las primeras ciudades españolas en completar el proceso de instalación de la red en todo el área urbana.

Fundamentos de la Energía Eléctrica

Potencial eléctrico:

El potencial eléctrico en un punto, se puede definir como el trabajo que debe de realizar un campo electroestático para mover una carga electroestática cualquiera desde un punto que tomaremos de referencia, dividido todo ello entre la unidad de carga de prueba.
Se puede expresar matemáticamente mediante la formula:

El potencial eléctrico solo puede ser comprendido para un campo estático producido por cargas que abarcan una región finita del espacio. En caso de que las cargas estén en movimiento se recurre a los potenciales de Liénard- Wiecher con el fin de representar el campo electromagnético (se debe a que las perturbaciones del campo eléctrico no se pueden propagar más rápido que la velocidad de la luz). En caso de estar la carga en el exterior de dicho campo, la carga seria incapaz de tener energía y el potencial eléctrico seria igual al trabajo de llevar la carga desde el exterior campo hasta donde se considere.

El trabajo eléctrico y la energía potencial eléctrica:

Si se considera una carga puntual en presencia notable de un campo eléctrico, la carga dará como resultado:

En caso de se quiera mantener la partícula en equilibrio o desplazarla a una velocidad de forma constante, es necesario una fuerza que contrarreste el efecto generado por el campo eléctrico:

Para éste caso se realizará un trabajo para trasladar una carga de un punto a otro, de tal forma que se produce un ligero desplazamiento.

También se puede expresar el trabajo total como:

Si el trabajo se realiza en una trayectoria de forma cerrada su resultado es igual a cero, y hablamos pues de un campo eléctrico conservativo.

En caso de que una carga recorriera unas inmediaciones de una carga Q, el trabajo infinitesimal del producto escalar del vector fuerza F por el vector desplazamiento tangente a la trayectoria.

Para calcular pues el trabajo total se recurre a integrar dichas fuerzas:

Por lo tanto se concluye que el trabajo no depende de la ruta seguida de la partícula para ir desde la posición A hasta la B, lo cual implica que la fuerza de atracción que se ejerce desde la carga Q sobre la carga conservativa da como resultado la fórmula de la energía potencial:

Diferencia de potencial eléctrico

Si consideramos una carga de prueba positiva que se encuentra en presencia de un campo eléctrico y que se traslada un punto A a otro punto B en equilibrio, se daría una diferencia de potencial eléctrico definida como:

Se utiliza para estos casos el electronvoltio, que es la energía adquirida para un electrón al moverse a través de una diferencia de potencial de 1v.
Por lo tanto, el potencial según el punto de vista físico-circuital, se podría expresar como:

Campo eléctrico uniforme

Si consideramos una carga de prueba positiva moviéndose a velocidad constante desde un punto A hasta otro B, la fuerza eléctrica sobre la carga apuntará hacia abajo y para moverse deberá contrarrestar dicha fuerza ejerciendo una fuerza externa de la misma magnitud pero de forma opuesta. Por lo tanto su trabajo será:

Y considerando que:

Se sustituye y se obtiene:

El punto B obtiene un potencial mas elevado que el de A. Es un resultado optimo porque si un agente exterior quisiera mover la carga de prueba de A hasta B, tendría que hacer un trabajo de sentido positivo.

Campo eléctrico no uniforme

Si un agente externo consigue que un cuerpo de prueba se mueva siguiendo un desplazamiento a lo largo de una trayectoria AB, el elemento de trabajo seria fuerza por dicho desplazamiento. Asi pues para obtener el trabajo total, seria mediante:

Dado que:

Se sustituye en la expresión, y se obtiene:

Con éstas ecuaciones se consigue calcular la diferenca de potencial entre 2 puntos si se conoce “E”.

Expresión general:

El potencial eléctrico puede definirse por el teorema del trabajo a través del campo eléctrico:

Representamos como E a el campo eléctrico vectorial generado por una distribución de carga eléctrica. En condiciones de campo potencial eléctrico nulo, el potencial eléctrico asociado es contante. Así pues se podría definir como:

En términos de energía potencial, el potencial en un punto es igual a la energía potencial entre la carga.

Según Coulomb, el potencial se podría calcular a partir de la energía potencial de una distribución de cargas en reposo.

En donde Vol es un volumen que comprende la región del espacio que contiene las cargas.

Fuerza electromotriz

La fuerza electromotriz (FEM) es todo aquello capaz de conseguir mantener una diferencia de potencial entre dos puntos, o de ser capaz de crear una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es la característica general de un generador eléctrico.

Donde E es un campo electromotor.

Cuando circula una unidad de carga por el circuito exterior al generador desde un polo de positivo al de negativo, se realiza un trabajo o esfuerzo para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial a otro de mayor.

Así que solo queda

Todo se relaciona con una diferencia de potencial entre las bornas y una resistencia interna

La FEM del generador coincide con la diferencia de potencial del mismo circuito abierto.
La fuerza electromotriz de inducción en un circuito cerrado es igual a su variación de flujo de inducción del campo magnético que lo atraviesa, se expresa de forma:

Generación de la Energía Eléctrica comercial

La generación de energía  eléctrica se realiza en centrales eléctricas.
En la actualidad, la energía eléctrica se puede producir a través de distintos medios, dependiendo de la fuente primaria de energía utilizada, las principales centrales generadoras son:

  • Centrales térmicas convencionales
  • Centrales de ciclo combinado
  • Centrales nucleares
  • Centrales hidroeléctricas:
  • Centrales solares termoeléctricas
  • Centrales solares fotovoltaicas
  • Centrales eólicas
  • Centrales de biomasa

Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en común el elemento generador, constituido por un alternador, movido mediante una turbina que será distinta dependiendo del tipo de energía primaria utilizada.
El generador eléctrico es un aparato preparado para mantener una diferencia de potencial entre dos de sus puntos, transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se obtiene por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos situados sobre una armadura o estator. Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de Faraday.
El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica.

El alternador es un aparato eléctrico, capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética, produciendo corriente alterna. Un alternador, consta de un sistema inductor, que crea un campo magnético constante, y un sistema inducido, formado por bobinas en las que se generan fuerzas electromotrices en virtud de los cambios de posición del campo magnético.

El rotor, el cual coincide con el inductor, es el mecanismo giratorio del alternador, que recibe la fuerza mecánica de rotación.
En el inducido o estator, se hallan una serie de pares de polos distribuidos de modo alterno y, en este caso, formados por bobinado en torno a un núcleo de material ferromagnético de característica blanda, normalmente hierro dulce.
La rotación del inductor hace que su campo magnético, formado por imanes fijos, se haga variable en el tiempo, y el paso de este campo variable por los polos del inducido genera en él una corriente alterna que se recoge en los terminales de la máquina.
El funcionamiento de los alternadores tiene su fundamento en el flujo magnético (Φ) a través de cada espira de las bobinas que constituyen el inducido tiene por valor el producto de la intensidad de campo (B), por la superficie de la espira (s) y por el coseno del ángulo formado por el plano que contiene a esta y la dirección del campo magnético (cos φ), por lo que el flujo en cada instante será:

Por otro lado, siempre que se produce una variación del flujo magnético que atraviesa una espira se produce en ella una fuerza electromotriz (F.E.M.)  inducida cuyo valor es igual a la velocidad de variación del flujo, por tanto tendremos que,


El signo menos delante expresa que, según la Ley de Lenz, la corriente inducida se opone a la variación del flujo que la genera.
Si la fuerza electromotriz inducida en una espira es igual a F.E.M., la fuerza electromotriz total (F.E.M.TOTAL) es igual a:


Donde n el número total de espiras del inducido.
La frecuencia de la corriente alterna que aparece entre los terminales de la máquina se obtiene multiplicando la velocidad de rotación (número de vueltas por segundo) del inductor por el número de pares de polos del inducido

Funcionamiento de las principales centrales de generadoras

Centrales térmicas convencionales

En las centrales térmicas convencionales se produce electricidad a partir de combustibles fósiles como el carbón, el fuel-oil o el gas natural, mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor.

El funcionamiento de las centrales térmicas es  similar, independientemente del combustible utilizado.
El combustible se quemará unas vez llegue a la caldera. Esto producirá energía calorífica que será utilizada para calentar agua y convertirla en vapor.
Este vapor hará girar una turbina y un alternador para que este produzca electricidad.
La electricidad generada pasa por un transformador para aumentar su tensión y así transportarla reduciendo las pérdidas por Efecto Joule.
El vapor que sale de la turbina se lleva al condensador para convertirlo en agua y así retornarlo a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.

Centrales de ciclo combinado

En las centrales térmicas de ciclo combinado se genera electricidad mediante el uso conjunto de dos turbinas, utilizando dos ciclos termodinámicos. En el primero se produce la combustión de gas natural en una turbina de gas, y en el segundo, se aprovecha el calor residual de los gases para generar vapor y expandirlo en una turbina de vapor.

En una central de ciclo combinado primero el aire es comprimido a alta presión en el compresor, atravesando a la cámara de combustión mezclándose con el combustible.
Posteriormente, los gases de la combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transfiriéndoselo al eje.
Los gases expulsa la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo agua-vapor convencional.
A la salida de la turbina el vapor se condensa (transformándose en agua) y regresa a la caldera para nuevamente comenzar un ciclo de producción de vapor.
Actualmente lo habitual es acoplar la turbina de gas y la turbina de vapor a un mismo eje, de manera que accionen simultáneamente un mismo generador eléctrico.

Centrales nucleares

Una central nuclear es una instalación con el fin de generar electricidad a partir de la energía nuclear.
Las centrales nucleares pertenecen a la familia de las centrales termoeléctricas, ya generan energía eléctrica mediante calor el cual procede de la fisión de materiales como el uranio y el plutonio.

El funcionamiento de una central nuclear está basado en la utilización del calor para mover una turbina por la acción del vapor de agua, que está asociada a un generador eléctrico.
Para obtener el vapor de agua se usa el uranio o el plutonio como combustible.
Debido a la fisión (división del átomo) del uranio que se produce en el reactor nuclear, se libera una gran cantidad de energía calentando el agua hasta que esta se evapora. Dicho vapor se lleva al conjunto turbina–generador a través de un circuito de vapor y, una vez ahí, las aspas de la turbina giran por la acción del mismo moviendo el generador que trasforma la energía mecánica en eléctrica.
Cuando el vapor de agua ha pasado por la turbina se remite a un condensador donde se enfría y vuelve a su estado líquido. Repitiendo el ciclo, el agua se envía al calentador para volver a conseguir vapor, cerrando así el circuito del agua.
Dentro de la misma central los residuos generados por la fisión del uranio se guardan en unas piscinas de hormigón especiales para materiales radioactivos.

Centrales hidroeléctricas

Una central hidroeléctrica aprovecha la energía potencial del agua de los ríos para transformarla en energía eléctrica.
Entre los diferentes tipos de centrales hidroeléctricas podemos destacar las de agua fluyente, las de embalse (existen dos variantes, central a pie de presa o por derivación de las aguas) y centrales de bombeo o reversibles.

En una central hidroeléctrica, la presa acumula una gran cantidad de agua para formar un embalse. Adquiriendo el agua una energía potencial que después se transformará en electricidad. Para esto, se sitúa aguas arriba la presa de agua protegida por una reja metálica, con una válvula que permite controlar la entrada de agua a la galería de presión; previa a una tubería forzada que conduzca, finalmente, el agua hasta la turbina de la sala de máquinas de la central.
El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética, es decir, va perdiendo fuerza y adquiere velocidad. Al llegar a la sala de máquinas actúa sobre los álabes de la turbina hidráulica, transformando su energía cinética en energía mecánica de rotación. El eje de la turbina está unido al del generador eléctrico, que al girar convierte la energía rotatoria en corriente alterna de media tensión. El agua, una vez ha cedido su energía, es restituida al río aguas abajo de la central a través de un canal de desagüe.

Centrales solares termoeléctricas

Una central solar termoeléctrica es permite el utilización de la energía del Sol para producir electricidad utilizando un ciclo térmico parecido al de las centrales térmicas convencionales.
Hay varios tipos de centrales solares termoeléctricas, aunque las centrales de torre central son las más usuales. Estas tienen un conjunto de espejos direccionales muy grandes que centralizan la radiación solar en un punto, donde el calor es transferido a un fluido que circula por dentro de la caldera y lo transforma en vapor, comenzando así un ciclo convencional de agua-vapor.

En la caldera de una central solar termoeléctrica de torre central la contribución calorífica de la radiación solar es absorbida por un fluido térmico que se lleva a un generador de vapor.  Este vapor se lleva a una turbina para transformar su energía en energía mecánica que se transformará en electricidad en el alternador. El vapor se transporta a un condensador donde vuelve a su estado líquido para poder repetir un nuevo ciclo de producción de vapor.
La producción en este tipo de central depende de las horas de sol, por eso, para que su producción sea mayor normalmente se dispone de sistemas de aislamiento térmico en el circuito de calentamiento.

Centrales solares fotovoltaicas

La energía solar fotovoltaica se aprovecha transformándola directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico.
Esta transformación se lleva a cabo mediante células fotovoltaicas.
El efecto fotovoltaico es un fenómeno que convierte la energía luminosa en energía eléctrica. La energía de radiación (fotones) incide sobre la célula fotovoltaica y es absorbida por electrones de las capas más externas de los átomos quela forman, eso produce una corriente eléctrica.

En una central fotovoltaica las células fotovoltaicas captan la energía solar, que se transforma en corriente eléctrica continua. Las células fotovoltaicas están integradas en módulos que unidos forman placas fotovoltaicas. La corriente continua generada se lleva a un armario de corriente continua donde se transforma mediante un inversor de corriente y, posteriormente se transporta a un centro de transformación donde se adapta a las condiciones de las líneas de transporte de la red.

Centrales eólicas

En las centrales eólicas la energía eléctrica se produce mediante la fuerza del viento, con aerogeneradores que aprovechan las corrientes de aire.
Un aerogenerador es un generador de electricidad movido por la acción del viento. El viento mueve la hélice que mediante un sistema hace girar el rotor del generador, produciendo corriente eléctrica.
El mayor inconveniente de los parques eólicos es la inseguridad respecto a la disponibilidad de viento, ya que es aleatorio, unos días puede soplar más viento que otros o incluso que no sople, todas estas centrales disponen de una fuente auxiliar para tener garantizado en todo momento el suministro de energía eléctrica.

Para que una central eólica produzca necesitamos que el viento sople con velocidad de entre 3 y 25m/s. Este hace girar las palas al incidir sobre ellas, convirtiendo la energía cinética del viento en mecánica que se transmite al rotor. Esta energía se transmite a la caja del multiplicador, y sale a una velocidad 50 veces mayor, transmitiéndola al eje del generador para producir energía eléctrica.

Centrales de biomasa

Estas centrales utilizan el esquema de una central térmica convencional, difiriendo en el combustible ya que este proviene de la biomasa
Estas generan energía eléctrica a partir de recursos biológicos. Estos recursos utilizados como combustibles son la vegetación, los residuos forestales y agrícolas (restos de poda, paja, rastrojos…) o ciertos cultivos específicos.

Una central de biomasa obtiene energía eléctrica mediante los distintos procesos de transformación de la materia orgánica.
Primero, el combustible principal y los residuos forestales se almacenan en la central. Allí se los trata para reducir su tamaño, si fuera necesario. Posteriormente, pasa a un edificio de preparación del combustible, donde se clasifica en función de su tamaño y finalmente se llevan a los correspondientes almacenes.
A continuación se llevan a la caldera para su combustión, donde el agua de las tuberías de la caldera se convierte en vapor. El agua de las tuberías de la caldera proviene del tanque de alimentación, donde es precalentado mediante el intercambio de calor con los gases de combustión que salen de la propia caldera.
Como en otras centrales térmicas convencionales, el vapor generado va hacia la turbina de vapor que está unida al generador eléctrico. El vapor de agua se convierte en líquido en el condensador, donde nuevamente enviado al tanque de alimentación cerrando el circuito agua-vapor de la central.

Referencias

http://www.wikipedia.org
http://www.unesa.net
http://www.endesa.com
http://www.mostolesmuseo.com
Godalming electric supply station*

http://open.jorum.ac.uk/xmlui/bitstream/handle/123456789/1021/Items/T307_1_section21.html
Brighton 1882*
http://www.teslasociety.com
http://electricmuseum.com/?p=279
http://chimevapor.wordpress.com/2009/01/10/las-tres-chimeneas-fecsa/

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