La electrificación es el proceso de alimentar con electricidad y, en muchos contextos, la introducción de dicha energía mediante el cambio de una fuente de energía anterior.
En el contexto de la historia de la tecnología y el desarrollo económico , la electrificación se refiere al desarrollo de los sistemas de generación y distribución de energía eléctrica en Gran Bretaña, Estados Unidos y otros países ahora desarrollados desde mediados de la década de 1880 hasta alrededor de 1950. En el contexto de la energía sostenible , la electrificación se refiere a la construcción de súper redes con almacenamiento de energía para dar cabida a la transición energética a energías renovables y el cambio de usos finales a la electricidad.
La electrificación de sectores particulares de la economía se denomina con términos como electrificación de fábricas , electrificación de hogares , electrificación rural o electrificación ferroviaria . En el contexto de la energía sostenible , se utilizan términos como electrificación del transporte (en referencia a los vehículos eléctricos ) o electrificación de la calefacción (en referencia a las bombas de calor ). También puede aplicarse al cambio de procesos industriales como fundición, fusión, separación o refinación a partir de carbón o calentamiento de coque, o procesos químicos a algún tipo de proceso eléctrico como horno de arco eléctrico , calentamiento por inducción o resistencia eléctrica , o electrólisis o separación electrolítica.
Los primeros usos comerciales de la electricidad fueron la galvanoplastia y el telégrafo . [1]
En los años 1831-1832, Michael Faraday descubrió el principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos. El principio, más tarde llamado ley de Faraday , se basa en una fuerza electromotriz generada en un conductor eléctrico que está sometido a un flujo magnético variable como, por ejemplo, un cable que se mueve a través de un campo magnético. Faraday construyó el primer generador electromagnético, llamado disco de Faraday , un tipo de generador homopolar , utilizando un disco de cobre que gira entre los polos de un imán de herradura . El primer generador electromagnético de Faraday produjo un pequeño voltaje de CC.
Alrededor de 1832, Hippolyte Pixii mejoró el magneto utilizando una herradura enrollada con alambre, y las bobinas adicionales del conductor generaban más corriente, pero era CA. André-Marie Ampère sugirió una forma de convertir la corriente del magneto de Pixii a CC mediante un interruptor basculante. Posteriormente se utilizaron conmutadores segmentados para producir corriente continua. [2]
Alrededor de 1838-40, William Fothergill Cooke y Charles Wheatstone desarrollaron un telégrafo. En 1840, Wheatstone estaba utilizando un magneto que desarrolló para alimentar el telégrafo. Wheatstone y Cooke lograron una mejora importante en la generación eléctrica al utilizar un electroimán alimentado por batería en lugar de un imán permanente, que patentaron en 1845. [3] La dinamo de campo magnético autoexcitado eliminó la batería para alimentar electroimanes. Este tipo de dinamo fue fabricado por varias personas en 1866.
El primer generador práctico, la máquina Gramme , fue fabricado por ZT Gramme, quien vendió muchas de estas máquinas en la década de 1870. El ingeniero británico REB Crompton mejoró el generador para permitir una mejor refrigeración por aire e hizo otras mejoras mecánicas. El devanado compuesto, que proporcionaba un voltaje más estable con carga, mejoró las características operativas de los generadores. [4]
Las mejoras en la tecnología de generación eléctrica en el siglo XIX aumentaron enormemente su eficiencia y confiabilidad. Los primeros magnetos sólo convertían un pequeño porcentaje de la energía mecánica en electricidad. A finales del siglo XIX, las eficiencias más altas superaban el 90%.
Sir Humphry Davy inventó la lámpara de arco de carbono en 1802 al descubrir que la electricidad podía producir un arco luminoso con electrodos de carbono. Sin embargo, no se utilizó en gran medida hasta que se desarrolló un medio práctico para generar electricidad.
Las lámparas de arco de carbono se pusieron en marcha haciendo contacto entre dos electrodos de carbono, que luego se separaron dentro de un espacio estrecho. Debido a que el carbón se quemaba, la brecha debía reajustarse constantemente. Se desarrollaron varios mecanismos para regular el arco. Un enfoque común era alimentar un electrodo de carbono por gravedad y mantener el espacio con un par de electroimanes, uno de los cuales retraía el carbono superior después de que se iniciaba el arco y el segundo controlaba un freno en la alimentación por gravedad. [5]
Las lámparas de arco de la época tenían una potencia luminosa muy intensa (del orden de 4.000 candelas ) y liberaban mucho calor, además de representar un riesgo de incendio, lo que las hacía inadecuadas para iluminar hogares. [2]
En la década de 1850, muchos de estos problemas fueron resueltos por la lámpara de arco inventada por William Petrie y William Staite. La lámpara utilizaba un generador magnetoeléctrico y tenía un mecanismo autorregulador para controlar el espacio entre las dos varillas de carbono. Su luz se utilizó para iluminar la Galería Nacional de Londres y fue una gran novedad en ese momento. Estas lámparas de arco y diseños similares, alimentados por grandes magnetos, se instalaron por primera vez en faros ingleses a mediados de la década de 1850, pero las limitaciones de potencia impidieron que estos modelos tuvieran un éxito adecuado. [6]
La primera lámpara de arco exitosa (la vela Yablochkov ) fue desarrollada por el ingeniero ruso Pavel Yablochkov utilizando el generador Gramme . Su ventaja radicaba en que no requería el uso de un regulador mecánico como sus predecesores. Se exhibió por primera vez en la Exposición de París de 1878 y Gramme lo promovió intensamente. [7] La luz de arco se instaló a lo largo de media milla de Avenue de l'Opéra , Place du Theatre Francais y alrededor de la Place de l'Opéra en 1878. [8]
REB Crompton desarrolló un diseño más sofisticado en 1878 que proporcionaba una luz mucho más brillante y estable que la vela Yablochkov. En 1878, formó Crompton & Co. y comenzó a fabricar, vender e instalar la lámpara Crompton. Su empresa fue una de las primeras empresas de ingeniería eléctrica del mundo.
Diversas formas de bombillas incandescentes tuvieron numerosos inventores; sin embargo, las primeras bombillas que tuvieron más éxito fueron las que utilizaban un filamento de carbono sellado en alto vacío. Fueron inventados por Joseph Swan en 1878 en Gran Bretaña y por Thomas Edison en 1879 en Estados Unidos. La lámpara de Edison tuvo más éxito que la de Swan porque Edison utilizó un filamento más delgado, lo que le daba mayor resistencia y, por lo tanto, conducía mucha menos corriente. Edison comenzó la producción comercial de bombillas de filamento de carbono en 1880. La luz de Swan comenzó su producción comercial en 1881. [9]
La casa de Swan, en Low Fell , Gateshead, fue la primera del mundo en tener bombillas instaladas que funcionaban. La Biblioteca Lit & Phil en Newcastle fue la primera sala pública iluminada por luz eléctrica, [10] [11] y el Teatro Savoy fue el primer edificio público del mundo iluminado completamente por electricidad. [12]
Se cree que la primera estación central que proporcionó energía pública fue la de Godalming , Surrey, Reino Unido, en el otoño de 1881. El sistema se propuso después de que la ciudad no lograra llegar a un acuerdo sobre la tarifa cobrada por la compañía de gas, por lo que el ayuntamiento decidió utilizar electricidad. El sistema encendió lámparas de arco en las calles principales y lámparas incandescentes en algunas calles laterales con energía hidroeléctrica. En 1882 estaban conectados entre 8 y 10 hogares, con un total de 57 luces. El sistema no fue un éxito comercial y la ciudad volvió al gas. [13]
La primera planta de suministro de distribución central a gran escala se inauguró en Holborn Viaduct en Londres en 1882. [14] Equipada con 1000 bombillas incandescentes que reemplazaron la antigua iluminación de gas, la estación iluminó Holborn Circus, incluidas las oficinas de la Oficina General de Correos y el famoso Iglesia del Templo de la Ciudad . El suministro era de corriente continua a 110 V; Debido a la pérdida de corriente en los cables de cobre, esto ascendió a 100 V para el cliente.
En cuestión de semanas, un comité parlamentario recomendó la aprobación de la histórica Ley de Iluminación Eléctrica de 1882, que permitía otorgar licencias a personas, empresas o autoridades locales para suministrar electricidad para cualquier fin público o privado.
La primera central eléctrica a gran escala en Estados Unidos fue la estación Pearl Street de Edison en Nueva York, que comenzó a funcionar en septiembre de 1882. La estación tenía seis dinamos Edison de 200 caballos de fuerza, cada uno impulsado por una máquina de vapor independiente. Estaba situada en un distrito comercial y de negocios y suministraba corriente continua de 110 voltios a 85 clientes con 400 lámparas. En 1884, Pearl Street suministraba 10.164 lámparas a 508 clientes. [15]
A mediados de la década de 1880, otras compañías eléctricas estaban estableciendo centrales eléctricas y distribuyendo electricidad, incluidas Crompton & Co. y Swan Electric Light Company en el Reino Unido, Thomson-Houston Electric Company y Westinghouse en Estados Unidos y Siemens en Alemania . En 1890 había 1.000 estaciones centrales en funcionamiento. [5] El censo de 1902 enumeró 3.620 estaciones centrales. En 1925, la mitad de la energía la proporcionaban las estaciones centrales. [dieciséis]
Uno de los mayores problemas que enfrentaron las primeras compañías eléctricas fue la demanda variable horaria. Cuando la iluminación era prácticamente el único uso de la electricidad, la demanda era alta durante las primeras horas antes de la jornada laboral y en las horas de la tarde cuando la demanda alcanzaba su punto máximo. [17] Como consecuencia, la mayoría de las primeras compañías eléctricas no brindaban servicio diurno, y dos tercios no brindaban servicio diurno en 1897. [18]
La relación entre la carga promedio y la carga máxima de una estación central se llama factor de carga. [17] Para que las empresas eléctricas aumentaran la rentabilidad y bajaran tarifas, era necesario aumentar el factor de carga. La forma en que finalmente se logró esto fue mediante la carga del motor. [17] Los motores se utilizan más durante el día y muchos funcionan continuamente. Los tranvías eléctricos eran ideales para equilibrar la carga. Muchos ferrocarriles eléctricos generaban su propia energía y también vendían energía y operaban sistemas de distribución. [19]
El factor de carga se ajustó al alza a principios del siglo XX: en Pearl Street, el factor de carga aumentó del 19,3% en 1884 al 29,4% en 1908. En 1929, el factor de carga en todo el mundo era superior al 50%, principalmente debido a los motores. carga. [20]
Antes de la distribución generalizada de energía desde las estaciones centrales, muchas fábricas, grandes hoteles, edificios de apartamentos y oficinas tenían su propia generación de energía. A menudo esto resultaba económicamente atractivo porque el vapor de escape podía utilizarse para generar calor en edificios y procesos industriales, lo que hoy se conoce como cogeneración o combinación de calor y energía (CHP). La mayor parte de la energía autogenerada se volvió antieconómica a medida que los precios de la energía cayeron. Todavía a principios del siglo XX, los sistemas de energía aislados superaban con creces a las estaciones centrales. [5] La cogeneración todavía se practica comúnmente en muchas industrias que utilizan grandes cantidades de vapor y energía, como la pulpa y el papel, los productos químicos y la refinación. El uso continuado de generadores eléctricos privados se denomina microgeneración .
El primer motor eléctrico de corriente continua con conmutador capaz de hacer girar maquinaria fue inventado por el científico británico William Sturgeon en 1832. [21] El avance crucial que representó respecto al motor demostrado por Michael Faraday fue la incorporación de un conmutador . Esto permitió que el motor de Sturgeon fuera el primero capaz de proporcionar un movimiento giratorio continuo. [22]
Frank J. Sprague mejoró el motor de CC en 1884 al resolver el problema de mantener una velocidad constante con carga variable y reducir las chispas de las escobillas. Sprague vendió su motor a través de Edison Co. [23] Es fácil variar la velocidad con los motores de CC, lo que los hacía adecuados para una serie de aplicaciones, como tranvías eléctricos, máquinas herramienta y otras aplicaciones industriales donde era deseable el control de la velocidad. [5]
La fabricación pasó de ser eje lineal y transmisión por correa utilizando motores de vapor y energía hidráulica a motores eléctricos . [19] [24]
Aunque las primeras centrales eléctricas suministraban corriente continua , la distribución de corriente alterna pronto se convirtió en la opción preferida. Las principales ventajas de la CA eran que podía transformarse a alto voltaje para reducir las pérdidas de transmisión y que los motores de CA podían funcionar fácilmente a velocidades constantes.
La tecnología de corriente alterna tuvo sus raíces en el descubrimiento de Faraday en 1830-1831 de que un campo magnético cambiante puede inducir una corriente eléctrica en un circuito . [25]
La primera persona en concebir un campo magnético giratorio fue Walter Baily, quien hizo una demostración viable de su motor polifásico operado por baterías y ayudado por un conmutador el 28 de junio de 1879 a la Sociedad de Física de Londres. [26] Casi idéntico al aparato de Baily, el ingeniero eléctrico francés Marcel Deprez publicó en 1880 un artículo que identificaba el principio del campo magnético giratorio y el de un sistema de corriente alterna de dos fases para producirlo. [27] En 1886, el ingeniero inglés Elihu Thomson construyó un motor de CA ampliando el principio de inducción-repulsión y su vatímetro . [28]
Fue en la década de 1880 cuando la tecnología se desarrolló comercialmente para la generación y transmisión de electricidad a gran escala. En 1882, el inventor e ingeniero eléctrico británico Sebastian de Ferranti , que trabajaba para la empresa Siemens , colaboró con el distinguido físico Lord Kelvin para ser pionero en la tecnología de energía de CA, incluido uno de los primeros transformadores. [29]
Un transformador de potencia desarrollado por Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs se demostró en Londres en 1881 y atrajo el interés de Westinghouse . También expusieron el invento en Turín en 1884, donde fue adoptado para un sistema de iluminación eléctrica. Muchos de sus diseños se adaptaron a las leyes particulares que rigen la distribución eléctrica en el Reino Unido. [ cita necesaria ]
Sebastian Ziani de Ferranti se dedicó a este negocio en 1882 cuando abrió una tienda en Londres diseñando diversos aparatos eléctricos. Ferranti creyó desde el principio en el éxito de la distribución de energía con corriente alterna y fue uno de los pocos expertos en este sistema en el Reino Unido. Con la ayuda de Lord Kelvin , Ferranti fue pionero en el primer generador y transformador de energía de CA en 1882. [30] John Hopkinson , un físico británico , inventó el sistema de tres cables ( trifásico ) para la distribución de energía eléctrica, para el cual se le concedió una patente en 1882. [31]
El inventor italiano Galileo Ferraris inventó un motor de inducción de CA polifásico en 1885. La idea era que dos corrientes desfasadas, pero sincronizadas, podrían usarse para producir dos campos magnéticos que podrían combinarse para producir un campo giratorio sin necesidad de conmutación o para piezas móviles. Otros inventores fueron los ingenieros estadounidenses Charles S. Bradley y Nikola Tesla , y el técnico alemán Friedrich August Haselwander. [32] Pudieron superar el problema de arrancar el motor de CA utilizando un campo magnético giratorio producido por una corriente polifásica. [33] Mikhail Dolivo-Dobrovolsky introdujo el primer motor de inducción trifásico en 1890, un diseño mucho más capaz que se convirtió en el prototipo utilizado en Europa y Estados Unidos. [34] En 1895, GE y Westinghouse tenían motores de CA en el mercado. [35] Con corriente monofásica, se puede usar un capacitor o una bobina (creando inductancia) en parte del circuito dentro del motor para crear un campo magnético giratorio. [36] Los motores de CA de varias velocidades que tienen polos cableados por separado están disponibles desde hace mucho tiempo; el más común es el de dos velocidades. La velocidad de estos motores se cambia encendiendo o apagando conjuntos de polos, lo que se hizo con un arrancador de motor especial para motores más grandes, o un simple interruptor de múltiples velocidades para motores de potencia fraccionaria.
La primera central eléctrica de CA fue construida por el ingeniero eléctrico inglés Sebastian de Ferranti . En 1887, la London Electric Supply Corporation contrató a Ferranti para el diseño de su central eléctrica en Deptford . Diseñó el edificio, la planta generadora y el sistema de distribución. Fue construido en Stowage, un sitio al oeste de la desembocadura de Deptford Creek que alguna vez fue utilizado por la Compañía de las Indias Orientales . Construido a una escala sin precedentes y pionero en el uso de corriente alterna de alto voltaje (10.000 V), generó 800 kilovatios y abasteció al centro de Londres. Cuando se completó en 1891, fue la primera central eléctrica verdaderamente moderna, que suministraba energía CA de alto voltaje que luego se "reducía" con transformadores para uso de los consumidores en cada calle. Este sistema básico sigue utilizándose hoy en día en todo el mundo.
En Estados Unidos, George Westinghouse , que se había interesado en el transformador de potencia desarrollado por Gaulard y Gibbs, comenzó a desarrollar su sistema de iluminación de CA, utilizando un sistema de transmisión con un voltaje elevador con reducción de 20:1. En 1890, Westinghouse y Stanley construyeron un sistema para transmitir energía a varios kilómetros de distancia hasta una mina en Colorado. Se tomó la decisión de utilizar CA para la transmisión de energía desde el Proyecto Niagara Power a Buffalo, Nueva York. Las propuestas presentadas por los proveedores en 1890 incluían sistemas de aire comprimido y CC. Se siguió considerando un sistema combinado de CC y aire comprimido hasta el final del cronograma. A pesar de las protestas del comisionado de Niágara, William Thomson (Lord Kelvin), se tomó la decisión de construir un sistema de aire acondicionado, que había sido propuesto tanto por Westinghouse como por General Electric. En octubre de 1893, Westinghouse obtuvo el contrato para suministrar los primeros tres generadores bifásicos de 5.000 hp, 250 rpm y 25 Hz. [37] La central hidroeléctrica entró en funcionamiento en 1895, [38] y fue la más grande hasta esa fecha. [39]
En la década de 1890, la CA monofásica y polifásica estaba experimentando una rápida introducción. [40] En los EE. UU. en 1902, el 61% de la capacidad de generación era CA, aumentando al 95% en 1917. [41] A pesar de la superioridad de la corriente alterna para la mayoría de las aplicaciones, algunos sistemas de CC existentes continuaron funcionando durante varias décadas después de la CA. se convirtió en el estándar para los nuevos sistemas.
La eficiencia de los motores primarios de vapor para convertir la energía térmica del combustible en trabajo mecánico fue un factor crítico en el funcionamiento económico de las centrales generadoras de vapor. Los primeros proyectos utilizaban máquinas de vapor alternativas , que operaban a velocidades relativamente bajas. La introducción de la turbina de vapor cambió fundamentalmente la economía de las operaciones de la estación central. Las turbinas de vapor se podían fabricar con potencias mayores que los motores alternativos y, en general, tenían mayor eficiencia. La velocidad de las turbinas de vapor no fluctuó cíclicamente durante cada revolución. Esto hizo posible el funcionamiento paralelo de generadores de CA y mejoró la estabilidad de los convertidores rotativos para la producción de corriente continua para usos industriales y de tracción. Las turbinas de vapor funcionaban a mayor velocidad que los motores alternativos y no estaban limitadas por la velocidad permitida de un pistón en un cilindro. Esto los hizo más compatibles con generadores de CA de sólo dos o cuatro polos; no se necesitaba caja de cambios ni aumentador de velocidad con correa entre el motor y el generador. Era costoso y, en última instancia, imposible proporcionar una transmisión por correa entre un motor de baja velocidad y un generador de alta velocidad en las capacidades muy grandes requeridas para el servicio de la estación central.
La turbina de vapor moderna fue inventada en 1884 por el ingeniero británico Sir Charles Parsons , cuyo primer modelo estaba conectado a una dinamo que generaba 7,5 kW (10 hp) de electricidad. [42] La invención de la turbina de vapor de Parsons hizo posible la electricidad abundante y barata. Las turbinas Parsons se introdujeron ampliamente en las estaciones centrales inglesas en 1894; la primera empresa de suministro eléctrico del mundo en generar electricidad utilizando turbogeneradores fue la propia empresa de suministro de electricidad de Parsons, Newcastle and District Electric Lighting Company , fundada en 1894. [43] Durante la vida de Parsons, la capacidad de generación de una unidad aumentó en aproximadamente 10.000 veces. [44]
Las primeras turbinas estadounidenses fueron dos unidades De Leval en Edison Co. en Nueva York en 1895. La primera turbina Parsons estadounidense estuvo en Westinghouse Air Brake Co. cerca de Pittsburgh . [45]
Las turbinas de vapor también tenían costos de capital y ventajas operativas sobre los motores alternativos. El condensado de las máquinas de vapor estaba contaminado con aceite y no podía reutilizarse, mientras que el condensado de una turbina está limpio y normalmente se reutiliza. Las turbinas de vapor eran una fracción del tamaño y peso de las máquinas de vapor alternativas de clasificación comparable. Las turbinas de vapor pueden funcionar durante años casi sin desgaste. Las máquinas de vapor alternativas requerían un alto mantenimiento. Las turbinas de vapor se pueden fabricar con capacidades mucho mayores que las de cualquier máquina de vapor jamás fabricada, lo que proporciona importantes economías de escala .
Se podrían construir turbinas de vapor para funcionar con vapor a mayor presión y temperatura. Un principio fundamental de la termodinámica es que cuanto mayor es la temperatura del vapor que ingresa a un motor, mayor es la eficiencia. La introducción de las turbinas de vapor motivó una serie de mejoras en temperaturas y presiones. La mayor eficiencia de conversión resultante redujo los precios de la electricidad. [46]
La densidad de potencia de las calderas se incrementó mediante el uso de aire de combustión forzada y el uso de aire comprimido para alimentar carbón pulverizado. Además, se mecanizó y automatizó el manejo del carbón. [47]
Con la realización de la transmisión de energía a larga distancia fue posible interconectar diferentes estaciones centrales para equilibrar las cargas y mejorar los factores de carga. La interconexión se volvió cada vez más deseable a medida que la electrificación creció rápidamente en los primeros años del siglo XX.
Charles Merz , de la sociedad de consultoría Merz & McLellan , construyó la central eléctrica de Neptune Bank cerca de Newcastle upon Tyne en 1901, [48] y en 1912 se había convertido en el sistema eléctrico integrado más grande de Europa. [49] En 1905 intentó influir en el Parlamento para unificar la variedad de voltajes y frecuencias en la industria de suministro eléctrico del país, pero no fue hasta la Primera Guerra Mundial que el Parlamento comenzó a tomar en serio esta idea, nombrándolo jefe de un comité parlamentario para abordar el problema. En 1916, Merz señaló que el Reino Unido podría aprovechar su pequeño tamaño creando una red de distribución densa para alimentar sus industrias de manera eficiente. Sus conclusiones dieron lugar al Informe Williamson de 1918, que a su vez creó la Ley de Suministro de Electricidad de 1919. La ley fue el primer paso hacia un sistema eléctrico integrado en el Reino Unido.
La Ley (de suministro) de electricidad más importante de 1926 condujo a la creación de la Red Nacional. [50] La Junta Central de Electricidad estandarizó el suministro de electricidad del país y estableció la primera red de CA sincronizada, funcionando a 132 kilovoltios y 50 Hertz . Este comenzó a operar como un sistema nacional, el National Grid , en 1938.
En Estados Unidos se convirtió en un objetivo nacional tras la crisis energética del verano de 1918 en plena Primera Guerra Mundial consolidar el suministro. En 1934, la Ley de Sociedades Holding de Servicios Públicos reconoció a los servicios eléctricos como bienes públicos de importancia junto con las compañías de gas, agua y teléfono y, por lo tanto, se les impusieron restricciones definidas y supervisión regulatoria de sus operaciones. [51]
La electrificación de los hogares en Europa y América del Norte comenzó a principios del siglo XX en las principales ciudades y en áreas atendidas por ferrocarriles eléctricos y aumentó rápidamente hasta aproximadamente 1930, cuando el 70% de los hogares estaban electrificados en los EE. UU.
Las zonas rurales fueron electrificadas primero en Europa, y en Estados Unidos la Administración Eléctrica Rural , establecida en 1935, llevó la electrificación a las zonas rurales. [52]
La generación de energía eléctrica en las estaciones centrales proporcionaba energía de manera más eficiente y a menor costo que los pequeños generadores. El capital y el costo operativo por unidad de energía también eran más baratos con las estaciones centrales. [24] El costo de la electricidad cayó drásticamente en las primeras décadas del siglo XX debido a la introducción de turbinas de vapor y al factor de carga mejorado después de la introducción de los motores de CA. A medida que los precios de la electricidad cayeron, el uso aumentó dramáticamente y las estaciones centrales se ampliaron a tamaños enormes, creando importantes economías de escala. [53] Para el costo histórico ver Ayres-Warr (2002) Fig. 7. [54]
La electrificación fue llamada "el mayor logro de ingeniería del siglo XX" por la Academia Nacional de Ingeniería , [55] y continúa tanto en países ricos como pobres. [56] [57]
La iluminación eléctrica es muy deseable. La luz es mucho más brillante que la de las lámparas de petróleo o gas y no hay hollín. Aunque la electricidad antigua era muy cara en comparación con la actual, era mucho más barata y conveniente que la iluminación con petróleo o gas. La iluminación eléctrica era mucho más segura que el petróleo o el gas, por lo que algunas empresas pudieron pagar la electricidad con los ahorros del seguro. [19]
En 1851, Charles Babbage afirmó:
Uno de los inventos más importantes para una clase de trabajadores altamente calificados (ingenieros) sería una pequeña fuerza motriz -que oscilaría quizás desde la fuerza de medio hombre hasta la de dos caballos-, que podría comenzar o cesar su acción en un momento dado. aviso del momento, no requieren gasto de tiempo para su gestión y tienen un costo modesto tanto en costo original como en gasto diario. [58]
Para ser eficientes, las máquinas de vapor debían tener varios cientos de caballos de fuerza. Las máquinas de vapor y las calderas también requerían operadores y mantenimiento. Por estas razones, las máquinas de vapor comerciales más pequeñas tenían alrededor de 2 caballos de fuerza. Esto estaba por encima de la necesidad de muchas tiendas pequeñas. Además, una pequeña máquina de vapor y una caldera cuestan alrededor de 7.000 dólares, mientras que un viejo caballo ciego que puede desarrollar 1/2 caballo de fuerza cuesta 20 dólares o menos. [59] La maquinaria para utilizar caballos como fuente de energía costaba 300 dólares o menos. [60]
Muchas necesidades de energía eran menores que las de un caballo. Las máquinas de taller, como los tornos para trabajar la madera, a menudo funcionaban con una manivela de uno o dos hombres. Las máquinas de coser domésticas funcionaban con un pedal; sin embargo, las máquinas de coser de fábrica funcionaban con vapor desde un eje lineal . A veces se utilizaban perros en máquinas como una cinta de correr, que podía adaptarse para batir mantequilla. [5]
A finales del siglo XIX, edificios de energía especialmente diseñados alquilaban espacio a pequeñas tiendas. Estos edificios suministraban energía a los inquilinos desde una máquina de vapor a través de ejes lineales. [5]
Los motores eléctricos eran varias veces más eficientes que las pequeñas máquinas de vapor porque la generación de la estación central era más eficiente que las pequeñas máquinas de vapor y porque los ejes lineales y las correas tenían altas pérdidas por fricción. [24] [5]
Los motores eléctricos eran más eficientes que la energía humana o animal. La eficiencia de conversión de alimento para animales en trabajo está entre el 4 y el 5%, en comparación con más del 30% de la electricidad generada con carbón. [61] [54]
La electrificación y el crecimiento económico están altamente correlacionados. [62] En economía, se ha demostrado que la eficiencia de la generación eléctrica se correlaciona con el progreso tecnológico . [61] [62]
En Estados Unidos, entre 1870 y 1880, cada hora-hombre contaba con 0,55 caballos de fuerza. En 1950, cada hora-hombre disponía de 5 CV, o un aumento anual del 2,8%, que descendió al 1,5% entre 1930 y 1950. [63] El período de electrificación de fábricas y hogares, de 1900 a 1940, fue uno de alta productividad y crecimiento económico.
La mayoría de los estudios sobre electrificación y redes eléctricas se centraron en los países centrales industriales de Europa y Estados Unidos. En otros lugares, la electricidad por cable a menudo se transmitía a través de los circuitos del dominio colonial. Algunos historiadores y sociólogos consideraron la interacción de la política colonial y el desarrollo de las redes eléctricas: en la India, Rao [64] demostró que la política regional basada en la lingüística –no en consideraciones tecnogeográficas– conducía a la creación de dos redes separadas; en el Zimbabwe colonial (Rodesia), Chikowero [65] demostró que la electrificación tenía una base racial y servía a la comunidad de colonos blancos excluyendo a los africanos; y en Mandato Palestina, Shamir [66] [ página necesaria ] afirmó que las concesiones eléctricas británicas a una empresa de propiedad sionista profundizaron las disparidades económicas entre árabes y judíos.
La electrificación, el proceso de alimentar sistemas con electricidad, ha sido fundamental en el avance de la automatización industrial. Esto es particularmente evidente en el uso de controladores lógicos programables (PLC) y controladores lógicos secuenciales (SLC) más antiguos, que son tipos de computadoras utilizadas para controlar procesos industriales. Estos controladores, introducidos originalmente hace más de medio siglo, han sido esenciales en la gestión de tareas complejas en fábricas y entornos de automatización.
La evolución de la automatización a través de la Industria 4.0 ha elevado aún más la importancia de los PLC y SLC. En los sistemas automatizados modernos, la atención se centra no sólo en el control mecánico, sino también en la gestión y el análisis de datos. Estos controladores se han adaptado a este cambio y se han integrado más con sistemas digitales avanzados. Los PLC modernos, por ejemplo, ahora cuentan con capacidades como conectividad en la nube, que les permite enviar y recibir datos a través de Internet, y computación de borde, lo que significa procesar datos más cerca de donde se generan.
Este avance tecnológico es particularmente crucial en entornos desafiantes, como en sitios industriales remotos. Aquí, los PLC equipados con nuevas tecnologías garantizan un funcionamiento fiable incluso en condiciones adversas. Pueden manejar tareas complejas como monitorear maquinaria y administrar el flujo de datos, lo que demuestra que incluso las tecnologías de automatización más antiguas se han adaptado y siguen siendo relevantes en el panorama industrial en rápida evolución actual.
En general, la evolución continua de los PLC y SLC ejemplifica la naturaleza dinámica de la tecnología de automatización, adaptándose continuamente para satisfacer las necesidades cambiantes de las industrias y manteniendo su papel fundamental en los procesos industriales modernos.
Si bien la electrificación de ciudades y hogares existe desde finales del siglo XIX, alrededor de 840 millones de personas (principalmente en África) no tenían acceso a la red eléctrica en 2017, frente a 1.200 millones en 2010. [68]
Los avances más recientes en electrificación tuvieron lugar entre los años 1950 y 1980. En las décadas de 1970 y 1980 se observaron grandes avances: del 49% de la población mundial en 1970 al 76% en 1990. [69] [70] Los avances recientes han sido más modestos; A principios de la década de 2010, entre el 81% y el 83% de la población mundial tenía acceso a la electricidad. [71]
La energía limpia se genera principalmente en forma de electricidad, como la energía renovable o la energía nuclear . El cambio a estas fuentes de energía requiere que los usos finales, como el transporte y la calefacción, estén electrificados para que los sistemas energéticos del mundo sean sostenibles. Trabajos recientes han demostrado que en EE. UU. y Canadá el uso de bombas de calor (HP) es económico si se alimentan con dispositivos solares fotovoltaicos (PV) para compensar la calefacción con propano en áreas rurales [72] y la calefacción con gas natural en las ciudades. [73] Un estudio de 2023 [74] investigó: (1) un sistema de calefacción residencial a base de gas natural y red eléctrica, (2) un sistema de calefacción residencial a base de gas natural con energía fotovoltaica para alimentar la carga eléctrica, (3) un sistema residencial Sistema HP con electricidad de red y (4) un sistema HP+PV residencial. Encontró que, en condiciones típicas de inflación, el costo del ciclo de vida del gas natural y las bombas de calor reversibles de fuente de aire son casi idénticos, lo que en parte explica por qué las ventas de bombas de calor han superado las ventas de calderas de gas en los EE. UU. por primera vez durante un período de alta inflación. [75] Con tasas de inflación más altas o costos de capital más bajos para la energía fotovoltaica, la energía fotovoltaica se convierte en una protección contra el aumento de los precios y fomenta la adopción de bombas de calor al bloquear también el crecimiento de los costos de electricidad y calefacción. El estudio [74] concluye: "La tasa interna de retorno real para tales tecnologías de prosumidor es 20 veces mayor que un certificado de depósito a largo plazo , lo que demuestra el valor adicional que las tecnologías fotovoltaicas y HP ofrecen a los prosumidores en comparación con vehículos de inversión comparablemente seguros, al tiempo que realizan reducciones sustanciales". en emisiones de carbono". Este enfoque se puede mejorar integrando una batería térmica en el sistema de calefacción con bomba de calor+energía solar. [76] [77]
Es más fácil producir electricidad de forma sostenible que producir combustibles líquidos de forma sostenible. Por tanto, la adopción de vehículos eléctricos es una forma de hacer que el transporte sea más sostenible. [78] Los vehículos de hidrógeno pueden ser una opción para vehículos más grandes que aún no se han electrificado ampliamente, como los camiones de larga distancia. [79] Muchas de las técnicas necesarias para reducir las emisiones del transporte marítimo y la aviación aún se encuentran en las primeras etapas de su desarrollo. [80]
Una gran fracción de la población mundial no puede permitirse una refrigeración suficiente para sus hogares. Además del aire acondicionado , que requiere electrificación y demanda de energía adicional, será necesario un diseño de edificios pasivos y una planificación urbana para garantizar que se satisfagan las necesidades de refrigeración de forma sostenible. [81] De manera similar, muchos hogares en el mundo desarrollado y en desarrollo sufren de pobreza energética y no pueden calentar sus casas lo suficiente. [82] Las prácticas de calefacción existentes suelen ser contaminantes.
Una solución sostenible clave para la calefacción es la electrificación ( bombas de calor o calentadores eléctricos menos eficientes ). La AIE estima que las bombas de calor actualmente cubren solo el 5% de las necesidades de calentamiento de agua y espacios a nivel mundial, pero podrían cubrir más del 90%. [83] El uso de bombas de calor geotérmicas no sólo reduce las cargas totales de energía anual asociadas con la calefacción y la refrigeración, sino que también aplana la curva de demanda eléctrica al eliminar los requisitos extremos de suministro eléctrico durante los picos de verano. [84] Sin embargo, las bombas de calor y la calefacción resistiva por sí solas no serán suficientes para la electrificación del calor industrial. Esto porque en varios procesos se requieren temperaturas más altas que no se pueden lograr con este tipo de equipos. Por ejemplo, para la producción de etileno mediante craqueo con vapor se requieren temperaturas de hasta 900 °C. Por lo tanto, se requieren procesos drásticamente nuevos. Sin embargo, se espera que la conversión de energía a calor sea el primer paso en la electrificación de la industria química y se espera que se implemente a gran escala para 2025. [85]
Algunas ciudades de Estados Unidos han comenzado a prohibir las conexiones de gas para casas nuevas, y se han aprobado y se están considerando leyes estatales para exigir electrificación o prohibir los requisitos locales. [86] El gobierno del Reino Unido está experimentando con la electrificación de la calefacción doméstica para cumplir sus objetivos climáticos. [87] El calentamiento cerámico y por inducción para placas de cocina, así como aplicaciones industriales (por ejemplo, craqueadores de vapor) son ejemplos de tecnologías que pueden utilizarse para abandonar el gas natural. [88]
La electricidad es una forma de energía "pegajosa", ya que tiende a permanecer en el continente o isla donde se produce. También tiene múltiples fuentes; Si una fuente sufre escasez, se puede producir electricidad a partir de otras fuentes, incluidas fuentes renovables . Como resultado, a largo plazo es un medio de transmisión de energía relativamente resistente. [89] A corto plazo, debido a que la electricidad debe suministrarse en el mismo momento en que se consume, es algo inestable, en comparación con los combustibles que pueden entregarse y almacenarse in situ. Sin embargo, esto puede mitigarse mediante el almacenamiento de energía en la red y la generación distribuida .
La solar y la eólica son fuentes de energía renovables variables que suministran electricidad de forma intermitente según el clima y la hora del día. [90] [91] La mayoría de las redes eléctricas se construyeron para fuentes de energía no intermitentes, como las centrales eléctricas de carbón. [92] A medida que se integran mayores cantidades de energía solar y eólica en la red, es necesario realizar cambios en el sistema energético para garantizar que el suministro de electricidad se ajuste a la demanda. [93] En 2019, estas fuentes generaron el 8,5% de la electricidad mundial, una proporción que ha crecido rápidamente. [94]
Hay varias formas de flexibilizar el sistema eléctrico. En muchos lugares, la producción eólica y solar son complementarias a escala diaria y estacional: hay más viento durante la noche y en invierno, cuando la producción de energía solar es baja. [93] La vinculación de diferentes regiones geográficas a través de líneas de transmisión de larga distancia permite cancelar aún más la variabilidad. [95] La demanda de energía se puede cambiar en el tiempo mediante la gestión de la demanda de energía y el uso de redes inteligentes , coincidiendo con los momentos en que la producción de energía variable es más alta. Con el almacenamiento, la energía producida en exceso puede liberarse cuando sea necesario. [93] La creación de capacidad adicional para la generación eólica y solar puede ayudar a garantizar que se produzca suficiente electricidad incluso en condiciones climáticas adversas; durante condiciones climáticas óptimas, es posible que sea necesario reducir la generación de energía . El desajuste final puede cubrirse mediante el uso de fuentes de energía gestionables como la energía hidroeléctrica, la bioenergía o el gas natural. [96]
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El almacenamiento de energía ayuda a superar las barreras a la energía renovable intermitente y, por lo tanto, es un aspecto importante de un sistema energético sostenible. [97] El método de almacenamiento más comúnmente utilizado es la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo , que requiere ubicaciones con grandes diferencias de altura y acceso al agua. [97] Las baterías , y específicamente las baterías de iones de litio , también se utilizan ampliamente. [98] Contienen cobalto , que se extrae en gran medida en el Congo , una región políticamente inestable. Un abastecimiento geográfico más diverso puede garantizar la estabilidad de la cadena de suministro y sus impactos ambientales pueden reducirse mediante el downcycling y el reciclaje. [99] [100] Las baterías suelen almacenar electricidad durante períodos cortos; Se están investigando tecnologías con capacidad suficiente para durar estaciones. [101] En algunos lugares se ha implementado almacenamiento hidroeléctrico por bombeo y conversión de energía a gas con capacidad para uso durante varios meses. [102] [103]
A partir de 2018, el almacenamiento de energía térmica no suele ser tan conveniente como la quema de combustibles fósiles . Los altos costos iniciales constituyen una barrera para la implementación. El almacenamiento estacional de energía térmica requiere una gran capacidad; se ha implementado en algunas regiones de latitudes altas para la calefacción doméstica. [104]
La sala de conferencias de la sociedad fue la primera sala pública iluminada con luz eléctrica, durante una conferencia de Sir Joseph Swan el 20 de octubre de 1880.
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La definición del diccionario de electrificación en Wikcionario.