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Diagrama de un sistema de energía eléctrica, sistema de generación en rojo

La generación de electricidad es el proceso de generar energía eléctrica a partir de fuentes de energía primaria . Para las empresas de servicios públicos de la industria de energía eléctrica , es la etapa previa a su entrega ( transmisión , distribución , etc.) a los usuarios finales o 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 central eléctrica 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 que fluye y el viento. Otras fuentes de energía incluyen energía solar fotovoltaica y energía geotérmica .

Historia [ editar ]

Costo: con la implementación cada vez más generalizada de fuentes de energía renovable, los costos de las energías renovables han disminuido, sobre todo para la energía generada por paneles solares. [1]
El costo nivelado de energía (LCOE) es una medida del costo actual neto promedio de la generación de electricidad para una planta generadora durante su vida útil.
Dinamos y motor instalados en Edison General Electric Company, Nueva York 1895

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 todavía se utiliza 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 se volvieron económicamente prácticas con el desarrollo de la transmisión de energía de corriente alterna (CA), utilizando transformadores de energía para transmitir energía a alto voltaje y con bajas pérdidas.

La producción de electricidad comercial comenzó en 1873 [ cita requerida ] con el acoplamiento de la dinamo a la turbina hidráulica. La producción mecánica de energía eléctrica inició la Segunda Revolución Industrial e hizo posible varios inventos utilizando electricidad, siendo los principales contribuyentes Thomas Alva Edison y Nikola Tesla . Anteriormente, la única forma de producir electricidad era mediante reacciones químicas o utilizando pilas, y el único uso práctico de la electricidad era el telégrafo .

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

Las primeras plantas de energía utilizaron energía hidráulica o carbón. [2] Hoy en día se utilizan diversas fuentes de energía, como el carbón , la nuclear , el gas natural , la hidroeléctrica , la eólica y el petróleo , así como la energía solar , la energía mareomotriz y las fuentes geotérmicas .

Métodos de generación [ editar ]

Generación mundial de electricidad por fuente en 2018. La generación total fue de 26,7 PWh . [3]

  Carbón (38%)
  Gas natural (23%)
  Hidro (16%)
  Nuclear (10%)
  Viento (5%)
  Aceite (3%)
  Solar (2%)
  Biocombustibles (2%)
  Otro (1%)

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

Generadores [ editar ]

Las turbinas eólicas generalmente proporcionan generación eléctrica junto con otros métodos de producción de energía.

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 . Puede verse experimentalmente al girar 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 obliga a un generador a girar:

Electroquímica [ editar ]

Las presas grandes, como la presa Hoover en los Estados Unidos, pueden proporcionar grandes cantidades de energía hidroeléctrica . Tiene una capacidad instalada de 2,07 GW .

La electroquímica es la transformación directa de 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 las baterías. [4] 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. Poder osmótico es una posibilidad en lugares donde la sal y el agua dulce se fusionan.

Efecto fotovoltaico [ editar ]

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 solar es gratuita y abundante, la producción de electricidad mediante energía solar suele ser más cara que la energía generada mecánicamente a gran escala debido al coste de los paneles. Las celdas solares de silicio de baja eficiencia han ido disminuyendo en costo y las celdas multifuncionales con una eficiencia de conversión cercana al 30% ahora están disponibles comercialmente. Se ha demostrado una eficiencia superior al 40% en sistemas experimentales. [5]Hasta hace poco, la energía fotovoltaica se usaba más comúnmente en sitios remotos donde no hay acceso a una red eléctrica comercial, o como una fuente de electricidad complementaria para hogares y negocios individuales. Los avances recientes en la eficiencia de la fabricación y la tecnología fotovoltaica, combinados con los subsidios impulsados ​​por preocupaciones ambientales, han acelerado drásticamente el despliegue de paneles solares. La capacidad instalada está creciendo en un 40% anual debido a aumentos en Alemania, Japón, Estados Unidos, China e India.

Economía [ editar ]

La selección de modos de producción de electricidad y su viabilidad económica varía de acuerdo con la demanda y la región. La economía varía considerablemente en todo el mundo, lo que resulta en precios de venta residenciales 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. Centrales hidroeléctricas , centrales nucleares , centrales térmicas y fuentes renovablestienen sus propios pros y contras, y la selección se basa en los requisitos de energía locales y las fluctuaciones de la demanda. Todas las redes eléctricas tienen cargas variables, pero el mínimo diario es la carga base, a menudo suministrada por plantas que funcionan de forma continua. Las centrales nucleares, de carbón, de petróleo, de gas y algunas hidroeléctricas pueden suministrar carga base. Si los costos de construcción de pozos de gas natural son inferiores a $ 10 por MWh, generar electricidad a partir de gas natural es más barato que generar energía quemando carbón. [6]

Energía térmicapuede ser económico 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 generalmente se ubican lejos de las áreas residenciales. Estas plantas también pueden soportar variaciones en la carga y el consumo agregando más unidades o 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 suscitado preocupaciones sobre la seguridad de la energía nuclear y el costo de capital de las plantas nucleares es muy alto. Las plantas de energía hidroeléctrica están ubicadas en áreas donde la energía potencial del agua que cae se puede aprovechar para mover turbinas y generar energía.Puede que no sea una única fuente de producción económicamente viable donde 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 en la tecnología y con la producción en masa, las fuentes renovables distintas de la hidroelectricidad (energía solar, energía eólica, energía mareomotriz, etc.) experimentaron disminuciones en el costo de producción, y la energía es ahora en muchos casos tan cara o menos cara que combustibles fósiles. [7] 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.

Equipo de generación [ editar ]

Un gran generador sin el rotor.

Los generadores eléctricos se conocieron en formas simples a partir del descubrimiento de la inducción electromagnética en la década de 1830. En general, alguna forma de motor primario, como un motor o las turbinas descritas anteriormente, impulsa un campo magnético giratorio que pasa por bobinas de alambre estacionarias, convirtiendo así la energía mecánica en electricidad. [8] La única producción de electricidad a escala comercial que no emplea un generador es la energía solar fotovoltaica.

Turbinas [ editar ]

Grandes represas como la de las Tres Gargantas en China pueden proporcionar grandes cantidades de energía hidroeléctrica; tiene una capacidad de 22,5 GW .

Casi toda la energía eléctrica comercial en la Tierra se genera con una turbina , impulsada por viento, agua, vapor o gas ardiente. La turbina acciona un generador, transformando así su energía mecánica en energía eléctrica por inducción electromagnética. Hay muchos métodos diferentes para desarrollar la energía mecánica, incluidos los motores térmicos , la energía hidráulica, la eólica y la 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 Parsonsen 1884) actualmente genera alrededor del 80% de la energía eléctrica en el mundo utilizando una variedad de fuentes de calor. Los tipos de turbinas incluyen:

  • Vapor
    • El agua se hierve con carbón quemado en una central térmica . Aproximadamente el 41% de toda la electricidad se genera de esta manera. [9]
    • El calor de fisión nuclear creado en un reactor nuclear crea vapor. De esta forma se genera menos del 15% de la electricidad.
    • Energía renovable. El vapor es generado por biomasa , energía solar térmica o energía geotérmica .
  • Gas natural: las turbinas son impulsadas directamente por gases producidos por combustión. Los ciclos combinados son impulsados ​​tanto por vapor como por gas natural. Generan energía quemando gas natural en una turbina de gas y utilizan el calor residual para generar vapor. Al menos el 20% de la electricidad mundial se genera con gas natural.
  • Agua La energía es captada por una turbina de agua a partir del movimiento del agua - de la caída de agua, el ascenso y descenso de las mareas o las corrientes térmicas del océano (ver conversión de energía térmica del océano ). Actualmente, las plantas hidroeléctricas proporcionan aproximadamente el 16% de la electricidad mundial.
  • El molino de viento fue una turbina eólica muy temprana . En 2018, alrededor del 5% de la electricidad mundial se produjo a partir del viento.

Aunque las turbinas son más comunes en la generación de energía comercial, los generadores más pequeños pueden funcionar con motores de gasolina o diesel . Estos pueden usarse para la generación de respaldo o como una fuente principal de energía en aldeas aisladas.

Producción [ editar ]

La producción bruta total de electricidad a nivel mundial 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%. [10]

fuente de datos IEA / OCDE
Flujo de energía de la planta de energía

La energía total consumida en todas las centrales eléctricas para la generación de electricidad fue de 51,158 teravatios-hora (4,398,768 kilotoneladas de petróleo equivalente ), lo que representó el 36% del total de las fuentes de energía primaria (TPES) de 2008. La producción de electricidad (bruta) fue de 20,185 TWh ( 1,735,579 ktep), la eficiencia fue del 39% y el saldo del 61% fue calor generado. Una pequeña parte, 1.688 TWh (145.141 ktep) o aproximadamente el 3% del total de entrada, del calor se utilizó en plantas de cogeneración de calor y energía. El consumo interno de electricidad y las pérdidas de transmisión de energía fueron de 3.369 TWh (289.681 ktep). La cantidad suministrada al consumidor final fue de 16.809 TWh (1.445.285 ktep) que era 33% de la energía total consumida en plantas de energía y de calor y electricidad co-generación de plantas (CHP). [11]

Resultados históricos de la producción de electricidad [ editar ]

Tenga en cuenta que los ejes verticales de estos dos gráficos no tienen la misma escala.

[ cita requerida ] [ cita requerida ]

Producción por país [ editar ]

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

Lista de países con fuente de electricidad 2005 [ editar ]

La fuente de datos de los valores (energía eléctrica generada) es IEA / OCDE. [12] Los países incluidos en la lista están entre los 20 primeros por población o los 20 primeros por PIB (PPA) y Arabia Saudita según el CIA World Factbook 2009. [13]

Energía solar fotovoltaica * es energía fotovoltaica Bio otros * = 198 TWh (biomasa) + 69 TWh (residuos) + 4 TWh (otros)

Preocupaciones medioambientales [ editar ]

Las variaciones entre 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, Estados Unidos es más alto con un 70% y China con un 80%. [12] 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 generación de electricidad representa casi el 40% de las emisiones, la mayor de todas las fuentes. Las emisiones del transporte están muy cerca, contribuyendo con aproximadamente un tercio de la producción estadounidense de dióxido de carbono . [14]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 principal componente de la lluvia ácida. [15] La generación de electricidad es la cuarta fuente combinada más alta de NOx , monóxido de carbono y material particulado en los EE. UU. [16] En julio de 2011, el parlamento del Reino Unido presentó una moción que "los niveles de emisiones (de carbono) de la energía nuclear eran aproximadamente tres veces más bajos por kilovatio hora que los de la energía solar, cuatro veces más bajos que el carbón limpio y 36 veces más bajos que el carbón convencional ". [17]

Ver también [ editar ]

  • Planificación de expansión de generación
  • Cogeneración : el uso de una máquina térmica o central eléctrica para generar electricidad y calor útil al mismo tiempo.
  • Generador de diesel
  • Generación distribuida
  • Transmisión de energía eléctrica
  • Motor-generador
  • Central eléctrica
  • Consumo mundial de energía : la energía total utilizada por toda la civilización humana.

Referencias [ editar ]

  1. ^ Chrobak, Ula (autor); Chodosh, Sara (infografía) (28 de enero de 2021). "La energía solar se volvió barata. Entonces, ¿por qué no la usamos más?" . Ciencia popular . Archivado desde el original el 29 de enero de 2021.● El gráfico de Chodosh se deriva de los datos de "Lazard's Levelized Cost of Energy Version 14.0" (PDF) . Lazard.com . Lazard. 19 de octubre de 2020. Archivado (PDF) desde el original el 28 de enero de 2021.
  2. ^ "Estación de Pearl Street - Wiki de historia de la ingeniería y la tecnología" . ethw.org . Consultado el 14 de agosto de 2016 .
  3. ^ "Generación de electricidad por fuente" . Agencia Internacional de Energía .
  4. ^ El sistema de batería para servicios públicos más grande del mundo instalado en Alaska (comunicado de prensa, 24 de septiembre de 2003), Departamento de energía de Estados Unidos. "13.670 celdas de batería de níquel-cadmio para generar hasta 40 megavatios de energía durante aproximadamente 7 minutos, o 27 megavatios de energía durante 15 minutos".
  5. ^ Nuevo récord mundial logrado en tecnología de células solares Archivado 2007-04-23 en Wayback Machine (comunicado de prensa, 2006-12-05), Departamento de Energía de Estados Unidos.
  6. ^ Smith, Karl (22 de marzo de 2013). "¿El gas natural seguirá siendo lo suficientemente barato como para reemplazar el carbón y reducir las emisiones de carbono?" . Forbes . Consultado el 20 de junio de 2015 .
  7. ^ "Gráfico del día: las renovables son cada vez más baratas que el carbón" . Foro Económico Mundial . Consultado el 26 de agosto de 2020 .
  8. ^ Sedlazeck, K .; Richter, C .; Strack, S .; Lindholm, S .; Pipkin, J .; Fu, F .; Humphries, B .; Montgomery, L. (1 de mayo de 2009). "Prueba de tipo de un turbogenerador de 2000 MW". 2009 IEEE International Electric Machines and Drives Conference . págs. 465–470. doi : 10.1109 / IEMDC.2009.5075247 . ISBN 978-1-4244-4251-5. S2CID  9118902 : a través de IEEE Xplore.
  9. ^ "Carbón y electricidad" . Asociación Mundial del Carbón . 2015-04-29 . Consultado el 14 de agosto de 2016 .
  10. ^ Agencia Internacional de Energía, " Estadísticas de electricidad ", obtenido el 8 de diciembre de 2018.
  11. ^ Agencia Internacional de Energía, " 2008 Energy Balance for World ", 2011.
  12. ^ a b Estadísticas y balances de la IEA recuperados el 8 de mayo de 2011
  13. ^ CIA World Factbook 2009 obtenido 2011-5-8
  14. Borenstein, Seth (3 de junio de 2007). "¿Culpable de las emisiones de carbono? Carbón" . El Seattle Times . Archivado desde el original el 24 de abril de 2011.
  15. ^ "Dióxido de azufre" . Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos.
  16. ^ "AirData" . Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos.
  17. ^ "Movimiento temprano 2061" . Parlamento del Reino Unido . Consultado el 15 de mayo de 2015 .
  18. ^ http://srren.ipcc-wg3.de/report/IPCC_SRREN_Annex_II.pdf véase la página 10 Moomaw, W., P. Burgherr, G. Heath, M. Lenzen, J. Nyboer, A. Verbruggen, 2011: Anexo II : Metodología. En Informe especial del IPCC sobre fuentes de energía renovable y mitigación del cambio climático.