La industria de la energía eléctrica abarca la generación , transmisión , distribución y venta de energía eléctrica al público en general y a la industria. La distribución comercial de energía eléctrica comenzó en 1882 cuando se produjo electricidad para iluminación eléctrica . En las décadas de 1880 y 1890, las crecientes preocupaciones económicas y de seguridad llevaron a la regulación de la industria. Lo que alguna vez fue una novedad costosa limitada a las áreas más densamente pobladas, la energía eléctrica confiable y económica se ha convertido en un aspecto esencial para el funcionamiento normal de todos los elementos de las economías desarrolladas.
A mediados del siglo XX, la electricidad era considerada un " monopolio natural ", eficiente sólo si un número restringido de organizaciones participaba en el mercado; en algunas zonas, empresas integradas verticalmente proporcionaban todas las etapas, desde la generación hasta la venta minorista, y sólo la supervisión gubernamental regulaba la tasa de retorno y la estructura de costos.
Desde la década de 1990, muchas regiones han fragmentado la generación y distribución de energía eléctrica [ cita requerida ] . Si bien estos mercados pueden ser manipulados abusivamente con el consiguiente impacto adverso en los precios y la confiabilidad para los consumidores, la producción de energía eléctrica generalmente competitiva conduce a mejoras valiosas en la eficiencia [ cita requerida ] . Sin embargo, la transmisión y la distribución son problemas más difíciles ya que no es tan fácil encontrar retornos sobre la inversión .
Aunque se sabía que la electricidad se producía como resultado de las reacciones químicas que tienen lugar en una celda electrolítica desde que Alessandro Volta desarrolló la pila voltaica en 1800, su producción por este medio era, y sigue siendo, costosa. En 1831, Michael Faraday ideó una máquina que generaba electricidad a partir del movimiento rotatorio, pero la tecnología tardó casi 50 años en alcanzar una etapa comercialmente viable. En 1878, en Estados Unidos , Thomas Edison desarrolló y vendió un sustituto comercialmente viable para la iluminación y la calefacción a gas utilizando electricidad de corriente continua generada y distribuida localmente .
En diciembre de 1881, Robert Hammond demostró la nueva luz eléctrica en la ciudad de Brighton, en Sussex , Reino Unido, durante un período de prueba. El éxito posterior de esta instalación permitió a Hammond poner esta iniciativa en una posición comercial y legal, ya que varios propietarios de tiendas querían utilizar la nueva luz eléctrica. Así nació la Hammond Electricity Supply Co.
A principios de 1882, Edison inauguró la primera central eléctrica del mundo impulsada por vapor en el viaducto de Holborn , en Londres , donde había firmado un acuerdo con la corporación de la ciudad por un período de tres meses para proporcionar alumbrado público. Con el tiempo, había suministrado luz eléctrica a varios consumidores locales. El método de suministro era corriente continua (CC). Aunque el proyecto de Godalming y el del viaducto de Holborn de 1882 cerraron después de unos años, el proyecto de Brighton continuó y en 1887 el suministro estuvo disponible las 24 horas del día.
Fue más tarde, en septiembre de 1882, cuando Edison inauguró la central eléctrica de Pearl Street en la ciudad de Nueva York , que también funcionaba con suministro de corriente continua. Por este motivo, la generación se realizaba cerca o en las instalaciones del consumidor, ya que Edison no tenía medios para convertir el voltaje. El voltaje elegido para cualquier sistema eléctrico es un compromiso. Para una cantidad dada de energía transmitida, aumentar el voltaje reduce la corriente y, por lo tanto, reduce el grosor del cable necesario. Desafortunadamente, también aumenta el peligro del contacto directo y aumenta el grosor del aislamiento necesario . Además, era difícil o imposible hacer funcionar algunos tipos de carga con voltajes más altos. El efecto general fue que el sistema de Edison requería que las centrales eléctricas estuvieran a una milla de los consumidores. Si bien esto podría funcionar en los centros urbanos, no sería capaz de abastecer económicamente a los suburbios. [1]
A mediados y finales de la década de 1880 se introdujeron los sistemas de corriente alterna (CA) en Europa y Estados Unidos. La energía CA tenía la ventaja de que los transformadores , instalados en las centrales eléctricas , podían usarse para aumentar el voltaje de los generadores, y los transformadores en las subestaciones locales podían reducir el voltaje para suministrar cargas. Aumentar el voltaje reducía la corriente en las líneas de transmisión y distribución y, por lo tanto, el tamaño de los conductores y las pérdidas de distribución. Esto hizo que fuera más económico distribuir energía a largas distancias. Los generadores (como los sitios hidroeléctricos ) podían ubicarse lejos de las cargas. La CA y la CC compitieron durante un tiempo, durante un período llamado la guerra de las corrientes . El sistema de CC pudo reclamar una seguridad ligeramente mayor, pero esta diferencia no fue lo suficientemente grande como para abrumar las enormes ventajas técnicas y económicas de la corriente alterna que finalmente ganó. [1]
El sistema de alimentación de CA que se utiliza hoy en día se desarrolló rápidamente, respaldado por industriales como George Westinghouse con Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Galileo Ferraris , Sebastian Ziani de Ferranti , Lucien Gaulard , John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens , William Stanley Jr. , Nikola Tesla y otros contribuyeron a este campo.
La electrónica de potencia es la aplicación de la electrónica de estado sólido al control y conversión de energía eléctrica. La electrónica de potencia comenzó con el desarrollo del rectificador de arco de mercurio en 1902, utilizado para convertir CA en CC. A partir de la década de 1920, la investigación continuó aplicando tiratrones y válvulas de arco de mercurio controladas por red a la transmisión de energía. Los electrodos de gradación los hicieron adecuados para la transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC). En 1933, se inventaron los rectificadores de selenio. [2] La tecnología de transistores se remonta a 1947, con la invención del transistor de contacto puntual , al que siguió el transistor de unión bipolar (BJT) en 1948. En la década de 1950, los diodos semiconductores de mayor potencia estuvieron disponibles y comenzaron a reemplazar a los tubos de vacío . En 1956, se introdujo el rectificador controlado por silicio (SCR), que aumentó la gama de aplicaciones de la electrónica de potencia. [3]
Un gran avance en la electrónica de potencia llegó con la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico) en 1959. Generaciones de MOSFET permitieron a los diseñadores de potencia lograr niveles de rendimiento y densidad que no eran posibles con los transistores bipolares. [4] En 1969, Hitachi presentó el primer MOSFET de potencia vertical , [5] que más tarde se conocería como VMOS (MOSFET de ranura en V). [6] Desde entonces, el MOSFET de potencia se ha convertido en el dispositivo de potencia más común en el mundo, debido a su bajo consumo de energía de control de compuerta, velocidad de conmutación rápida, [7] capacidad de paralelismo avanzado fácil, [7] [8] ancho de banda amplio , robustez, fácil manejo, polarización simple, facilidad de aplicación y facilidad de reparación. [8]
Si bien la HVDC se utiliza cada vez más para transmitir grandes cantidades de electricidad a largas distancias o para conectar sistemas de energía asíncronos adyacentes, la mayor parte de la generación, transmisión, distribución y venta minorista de electricidad se realiza mediante corriente alterna.
La industria de la energía eléctrica se divide comúnmente en cuatro procesos: generación de electricidad ( central eléctrica) , transmisión de energía eléctrica , distribución de electricidad y venta minorista de electricidad . En muchos países, las compañías eléctricas son dueñas de toda la infraestructura, desde las centrales generadoras hasta la infraestructura de transmisión y distribución. Por esta razón, la energía eléctrica se considera un monopolio natural . La industria está generalmente muy regulada , a menudo con controles de precios , y con frecuencia es propiedad del gobierno y está operada por él . Sin embargo, la tendencia moderna ha sido la creciente desregulación en al menos los dos últimos procesos. [9]
La naturaleza y el estado de la reforma del mercado eléctrico a menudo determinan si las compañías eléctricas pueden participar en algunos de estos procesos sin tener que ser propietarias de toda la infraestructura, o si los ciudadanos eligen qué componentes de la infraestructura utilizar. En los países donde el suministro de electricidad está desregulado, los usuarios finales de electricidad pueden optar por electricidad verde, más costosa .
Generación mundial de electricidad en 2021 por fuente. La generación total fue de 28 petavatios-hora . [10]
La generación es la conversión de una fuente de energía primaria en energía eléctrica adecuada para uso comercial en una red eléctrica. La mayor parte de la energía eléctrica comercial se produce mediante máquinas eléctricas rotativas, " generadores ", que mueven conductores a través de un campo magnético para producir corriente eléctrica. El generador gira mediante otra máquina motriz primaria; en los generadores conectados a la red eléctrica, se trata de una turbina de vapor, una turbina de gas o una turbina hidráulica. Las fuentes de energía primaria para estas máquinas suelen ser combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural), fisión nuclear, vapor geotérmico o caída de agua. Las fuentes renovables, como la energía eólica y solar, tienen cada vez mayor importancia comercial.
Dado que la generación eléctrica debe estar estrechamente relacionada con el consumo eléctrico, se debe instalar suficiente capacidad de generación para satisfacer las demandas pico. Al mismo tiempo, se deben seleccionar fuentes de energía primaria para minimizar el costo de la energía eléctrica producida. Generalmente, la fuente de energía eléctrica con el menor costo incremental será la siguiente unidad que se conecte para satisfacer la demanda creciente. Los generadores eléctricos tienen controles automáticos para regular la energía que se alimenta al sistema de transmisión eléctrica, ajustando la salida del generador momento a momento para equilibrarla con la demanda eléctrica. Para una red grande con decenas o cientos de generadores conectados y miles de cargas, la gestión del suministro estable de generadores es un problema que presenta desafíos importantes para satisfacer los requisitos económicos, ambientales y de confiabilidad. Por ejemplo, las fuentes de generación de bajo costo incremental, como las plantas de energía nuclear, pueden funcionar continuamente para satisfacer la " carga base " promedio del sistema conectado, mientras que las plantas de energía de pico más costosas , como las turbinas de gas natural, pueden funcionar durante breves períodos durante el día para satisfacer las cargas pico. Alternativamente, las estrategias de gestión de carga pueden alentar una demanda más uniforme de energía eléctrica y reducir los picos costosos. Las unidades generadoras designadas para una red eléctrica particular pueden funcionar solo a potencia parcial, para proporcionar una "reserva giratoria" para aumentos repentinos en la demanda o fallas en otras unidades generadoras.
Además de la producción de energía eléctrica, las unidades de generación eléctrica pueden proporcionar otros servicios auxiliares a la red eléctrica, como control de frecuencia, potencia reactiva y arranque en negro de una red eléctrica colapsada. Estos servicios auxiliares pueden tener valor comercial cuando las empresas de generación, transmisión y distribución de electricidad son entidades comerciales separadas.
La transmisión de energía eléctrica es el movimiento masivo de energía eléctrica desde un sitio generador, como una planta de energía , hasta una subestación eléctrica . Las líneas interconectadas que facilitan este movimiento se conocen como red de transmisión. Esto es distinto del cableado local entre las subestaciones de alto voltaje y los clientes, que normalmente se conoce como distribución de energía eléctrica . La red combinada de transmisión y distribución se conoce como la " red eléctrica " en América del Norte , o simplemente "la red". En el Reino Unido , India , Malasia y Nueva Zelanda , la red se conoce como la Red Nacional.
Una red síncrona de área amplia , también conocida como "interconexión" en América del Norte, conecta directamente muchos generadores que suministran energía de CA con la misma frecuencia relativa a numerosos consumidores. Por ejemplo, hay cuatro interconexiones principales en América del Norte (la Interconexión Occidental , la Interconexión Oriental , la Interconexión de Quebec y la red del Consejo de Confiabilidad Eléctrica de Texas (ERCOT)). En Europa, una gran red conecta la mayor parte de Europa continental .
Históricamente, las líneas de transmisión y distribución eran propiedad de la misma empresa, pero a partir de la década de 1990, muchos países han liberalizado la regulación del mercado eléctrico de maneras que han llevado a la separación del negocio de transmisión de electricidad del negocio de distribución. [11]
La distribución de energía eléctrica es la etapa final en la entrega de energía eléctrica ; lleva electricidad desde el sistema de transmisión a los consumidores individuales. Las subestaciones de distribución se conectan al sistema de transmisión y reducen el voltaje de transmisión a voltaje medio que varía entre 2 kV y 35 kV con el uso de transformadores . [12] Las líneas de distribución primaria llevan esta energía de voltaje medio a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución nuevamente reducen el voltaje al voltaje de utilización utilizado por iluminación, equipo industrial o electrodomésticos. A menudo, varios clientes son abastecidos desde un transformador a través de líneas de distribución secundarias . Los clientes comerciales y residenciales están conectados a las líneas de distribución secundarias a través de bajadas de servicio . Los clientes que demandan una cantidad mucho mayor de energía pueden conectarse directamente al nivel de distribución primaria o al nivel de subtransmisión . [13]
La venta minorista de electricidad es la venta final de electricidad desde la generación hasta el consumidor final.
La organización del sector eléctrico de un país o región varía según el sistema económico del país. En algunos lugares, toda la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica está a cargo de una organización controlada por el gobierno. En otras regiones, existen empresas de servicios públicos privadas o de propiedad de inversores, empresas de propiedad municipal o de la ciudad, empresas cooperativas propiedad de sus propios clientes o combinaciones de ellas. La generación, transmisión y distribución pueden estar a cargo de una sola empresa, o distintas organizaciones pueden proporcionar cada una de estas partes del sistema.
No todo el mundo tiene acceso a la red eléctrica. En 2017, alrededor de 840 millones de personas (en su mayoría en África) no tenían acceso a ella, frente a los 1.200 millones de 2010. [14]
El modelo de negocio de las empresas eléctricas ha cambiado a lo largo de los años y ha desempeñado un papel fundamental en la transformación de la industria eléctrica en lo que es hoy: desde la generación, la transmisión, la distribución hasta la venta minorista local final. Esto ha ocurrido de forma destacada desde la reforma de la industria de suministro eléctrico en Inglaterra y Gales en 1990.
Entre 1996 y 1999, la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC) adoptó una serie de decisiones destinadas a abrir el mercado mayorista de energía de Estados Unidos a nuevos actores, con la esperanza de que estimular la competencia ahorraría a los consumidores entre 4.000 y 5.000 millones de dólares al año y alentaría la innovación técnica en la industria. [15] Se tomaron medidas para dar a todos los participantes del mercado acceso abierto a las líneas de transmisión interestatales existentes.
Estas decisiones, que tenían por objeto crear una red totalmente interconectada y un mercado eléctrico nacional integrado, dieron lugar a la reestructuración de la industria eléctrica estadounidense. Ese proceso sufrió pronto dos reveses: la crisis energética de California de 2000 y el escándalo y el colapso de Enron . Aunque la reestructuración de la industria prosiguió, estos acontecimientos pusieron de manifiesto que los mercados competitivos podían manipularse y, por tanto, debían diseñarse y supervisarse adecuadamente. Además, el apagón del noreste de Estados Unidos de 2003 puso de relieve la necesidad de un doble enfoque: la fijación de precios competitivos y unos estándares de fiabilidad estrictos. [21]
En algunos países, funcionan mercados mayoristas de electricidad, en los que los generadores y los minoristas comercian electricidad de manera similar a las acciones y las divisas . A medida que continúa la desregulación , las empresas de servicios públicos se ven obligadas a vender sus activos , ya que el mercado de la energía sigue la línea del mercado del gas en el uso de los mercados de futuros y al contado y otros acuerdos financieros. Incluso se está produciendo una globalización con compras extranjeras. Una de esas compras fue cuando National Grid del Reino Unido , la mayor empresa de servicios públicos privada de electricidad del mundo, compró varias empresas de servicios públicos de electricidad en Nueva Inglaterra por 3.200 millones de dólares. [22] Entre 1995 y 1997, siete de las 12 empresas eléctricas regionales (REC) de Inglaterra y Gales fueron compradas por empresas de energía estadounidenses. [23] A nivel nacional, las empresas locales de electricidad y gas han fusionado operaciones al ver las ventajas de la afiliación conjunta, especialmente con el costo reducido de la medición conjunta. Se producirán avances tecnológicos en los mercados eléctricos mayoristas competitivos, como los ejemplos que ya se están utilizando incluyen las pilas de combustible utilizadas en los vuelos espaciales , las turbinas de gas aeroderivadas utilizadas en los aviones a reacción ; ingeniería solar y sistemas fotovoltaicos ; parques eólicos marinos; y los avances en comunicación generados por el mundo digital, particularmente con microprocesamiento que ayuda en el monitoreo y despacho. [24]
Se espera que la demanda de electricidad aumente en el futuro. La revolución de la información depende en gran medida de la energía eléctrica. Otras áreas de crecimiento incluyen nuevas tecnologías emergentes que no requieren electricidad, avances en el acondicionamiento de espacios, procesos industriales y transporte (por ejemplo, vehículos híbridos y locomotoras ). [24]
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