La electrificación es el proceso de suministro de energía mediante 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 a la construcción de sistemas de generación de electricidad y distribución de energía eléctrica . En el contexto de la energía sostenible , la electrificación se refiere a la construcción de superredes con almacenamiento de energía para dar cabida a la transición energética a la energía renovable y el cambio de usos finales a la electricidad. [ cita requerida ]
La electrificación de sectores particulares de la economía, particularmente fuera de contexto, se denomina con términos modificados como electrificación de fábricas , electrificación de hogares , electrificación rural y electrificación ferroviaria . En el contexto de la energía sostenible , se utilizan términos como electrificación del transporte (refiriéndose a los vehículos eléctricos ) o electrificación de la calefacción (refiriéndose a las bombas de calor ). También puede aplicarse a procesos industriales cambiantes como la fundición, la fusión, la separación o el refinado del carbón o el calentamiento del coque, [ aclaración necesaria ] o a procesos químicos a algún tipo de proceso eléctrico como el horno de arco eléctrico , el calentamiento por inducción eléctrica o por resistencia , o la electrólisis o separación electrolítica.
La Academia Nacional de Ingeniería calificó la electrificación como "el mayor logro de ingeniería del siglo XX" [1] y continúa tanto en países ricos como pobres. [2] [3]
La iluminación eléctrica es muy deseable. La luz es mucho más brillante que la de las lámparas de petróleo o gas y no produce hollín. Aunque en sus inicios la electricidad era muy cara en comparación con la actual, era mucho más barata y cómoda que la iluminación a petróleo o gas. La iluminación eléctrica era mucho más segura que la de petróleo o gas, por lo que algunas empresas podían pagar la electricidad con los ahorros del seguro. [4]
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 podría ir desde la fuerza de medio hombre hasta la de dos caballos- que podría comenzar y cesar su acción en cualquier momento, no requerir ningún gasto de tiempo para su manejo y tener un costo modesto tanto en costo original como en gasto diario. [5]
Para ser eficientes, las máquinas de vapor necesitaban 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 superaba las necesidades de muchos pequeños talleres. Además, una pequeña máquina de vapor y una caldera costaban alrededor de $7,000, mientras que un viejo caballo ciego que podía desarrollar 1/2 caballo de fuerza costaba $20 o menos. [6] La maquinaria que utilizaba caballos para generar energía costaba $300 o menos. [7]
Muchos de los requisitos de potencia eran menores que los de un caballo. Las máquinas de taller, como los tornos para trabajar la madera, solían accionarse con una manivela que manejaban una o dos personas. Las máquinas de coser domésticas se accionaban con un pedal; sin embargo, las máquinas de coser de fábrica funcionaban con vapor desde un eje de transmisión . A veces se utilizaban perros en máquinas como una cinta de correr, que podía adaptarse para batir mantequilla. [8]
A finales del siglo XIX, se construyeron edificios especialmente diseñados para la producción de energía que alquilaban espacio a pequeños comercios. Estos edificios suministraban energía a los inquilinos a partir de una máquina de vapor que circulaba por conductos. [8]
Los motores eléctricos eran varias veces más eficientes que las pequeñas máquinas de vapor porque la generación en la estación central era más eficiente que la de las pequeñas máquinas de vapor y porque los ejes y las correas tenían altas pérdidas por fricción. [9] [8]
Los motores eléctricos eran más eficientes que la fuerza humana o animal. La eficiencia de conversión de alimento para animales en trabajo es de entre el 4 y el 5%, en comparación con más del 30% de la electricidad generada con carbón. [10] [11]
La electrificación y el crecimiento económico están estrechamente correlacionados. [12] En economía, se ha demostrado que la eficiencia de la generación eléctrica se correlaciona con el progreso tecnológico . [10] [12]
En los Estados Unidos, entre 1870 y 1880, cada hora-hombre se abastecía con 0,55 hp. En 1950, cada hora-hombre se abastecía con 5 hp, o un aumento anual del 2,8%, que disminuyó al 1,5% entre 1930 y 1950. [13] El período de electrificación de fábricas y hogares, de 1900 a 1940, fue de alta productividad y crecimiento económico.
La mayoría de los estudios sobre electrificación y redes eléctricas se centraron en los países del núcleo industrial de Europa y Estados Unidos. En otros lugares, la electricidad por cable se transportaba a menudo a través de los circuitos del régimen colonial. Algunos historiadores y sociólogos consideraron la interacción de la política colonial y el desarrollo de las redes eléctricas: en la India, Rao [14] demostró que la política regional basada en la lingüística (no consideraciones tecnogeográficas) llevó a la creación de dos redes separadas; en el Zimbabue colonial (Rodesia), Chikowero [15] demostró que la electrificación tenía una base racial y servía a la comunidad de colonos blancos, al tiempo que excluía a los africanos; y en el Mandato de Palestina, Shamir [16] [ página requerida ] afirmó que las concesiones eléctricas británicas a una empresa de propiedad sionista profundizaron las disparidades económicas entre árabes y judíos.
Si bien la electrificación de ciudades y hogares existe desde fines del siglo XIX, alrededor de 840 millones de personas (principalmente en África) no tenían acceso a la red eléctrica en 2017, cifra menor a los 1.200 millones de 2010. [18]
En los decenios de 1970 y 1980 se observaron grandes avances en materia de electrificación: del 49% de la población mundial en 1970 al 76% en 1990. [19] [20] A principios de la década de 2010, entre el 81% y el 83% de la población mundial tenía acceso a la electricidad. [21]
La energía limpia se genera principalmente en forma de electricidad, como la energía renovable o la energía nuclear . Cambiar a estas fuentes de energía requiere que los usos finales, como el transporte y la calefacción, se electrifiquen para que los sistemas energéticos del mundo sean sostenibles. En los 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 las zonas rurales [23] y la calefacción con gas natural en las ciudades. [24] Un estudio de 2023 [25] investigó: (1) un sistema de calefacción residencial basado en gas natural y electricidad de red, (2) un sistema de calefacción residencial basado en gas natural con PV para satisfacer la carga eléctrica, (3) un sistema residencial de HP con electricidad de red y (4) un sistema residencial de HP + PV. Encontró que, en condiciones típicas de inflación, el costo del ciclo de vida de las bombas de calor de gas natural y 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 hornos de gas en los EE. UU. por primera vez durante un período de alta inflación. [26] Con tasas de inflación más altas o costos de capital más bajos, la energía fotovoltaica se convierte en una cobertura contra el aumento de precios y alienta la adopción de bombas de calor al bloquear también el crecimiento de los costos de electricidad y calefacción. El estudio [25] concluye: "La tasa interna de retorno real para tales tecnologías de prosumidores es 20 veces mayor que un certificado de depósito a largo plazo , lo que demuestra el valor adicional que las tecnologías fotovoltaicas y de HP ofrecen a los prosumidores en comparación con vehículos de inversión comparablemente seguros, al tiempo que logran reducciones sustanciales en las emisiones de carbono". Este enfoque se puede mejorar integrando una batería térmica en el sistema de calefacción con bomba de calor + energía solar. [27] [28]
Es más fácil producir electricidad de manera sostenible que producir combustibles líquidos de manera sostenible. Por lo tanto, la adopción de vehículos eléctricos es una forma de hacer que el transporte sea más sostenible. [29] 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. [30] Si bien la tecnología de vehículos eléctricos está relativamente madura en el transporte por carretera, el transporte marítimo y la aviación eléctricos aún están en las primeras etapas de su desarrollo, por lo que los combustibles líquidos sostenibles pueden tener un papel más importante que desempeñar en estos sectores. [31]
Una gran parte de la población mundial no puede permitirse el lujo de disponer de una refrigeración adecuada para sus hogares. Además del aire acondicionado , que requiere electrificación y una mayor demanda de energía, será necesario diseñar edificios pasivos y planificar las zonas urbanas para garantizar que las necesidades de refrigeración se satisfagan de manera sostenible. [32] De manera similar, muchos hogares en el mundo en desarrollo y desarrollado sufren pobreza energética y no pueden calentar sus casas lo suficiente. [33] Las prácticas de calefacción existentes suelen ser contaminantes.
Una solución sostenible clave para la calefacción es la electrificación ( bombas de calor o el calentador eléctrico menos eficiente ). La IEA estima que las bombas de calor actualmente proporcionan solo el 5% de las necesidades de calefacción de espacios y agua a nivel mundial, pero podrían proporcionar más del 90%. [34] El uso de bombas de calor de fuente terrestre no solo reduce las cargas energéticas anuales totales asociadas con la calefacción y la refrigeración, sino que también aplana la curva de demanda eléctrica al eliminar los requisitos de suministro eléctrico pico extremos de verano. [35] 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 a vapor se requieren temperaturas de hasta 900 °C. Por lo tanto, se requieren procesos drásticamente nuevos. No obstante, se espera que la conversión de energía en calor sea el primer paso en la electrificación de la industria química con una implementación a gran escala esperada para 2025. [36]
Algunas ciudades de los Estados Unidos han comenzado a prohibir las conexiones de gas para las casas nuevas, y se han aprobado leyes estatales que están bajo consideración para exigir la electrificación o prohibir los requisitos locales. [37] El gobierno del Reino Unido está experimentando con la electrificación para la calefacción de los hogares a fin de cumplir con sus objetivos climáticos. [38] La calefacción por cerámica e inducción para cocinas, así como las aplicaciones industriales (por ejemplo, los craqueadores a vapor) son ejemplos de tecnologías que se pueden utilizar para dejar de usar gas natural. [39]
La electricidad es una forma de energía "pegajosa", ya que tiende a permanecer en el continente o la isla donde se produce. También tiene múltiples fuentes: si una fuente sufre una escasez, la electricidad se puede producir a partir de otras fuentes, incluidas las fuentes renovables . Como resultado, a largo plazo es un medio de transmisión de energía relativamente resistente. [40] 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 en el sitio. Sin embargo, eso se puede mitigar mediante el almacenamiento de energía en la red y la generación distribuida .
La energía solar y eólica son fuentes de energía renovables variables que suministran electricidad de forma intermitente según el clima y la hora del día. [41] [42] La mayoría de las redes eléctricas se construyeron para fuentes de energía no intermitentes, como las centrales eléctricas de carbón. [43] A medida que se integran mayores cantidades de energía solar y eólica en la red, se deben realizar cambios en el sistema energético para garantizar que el suministro de electricidad se ajuste a la demanda. [44] En 2019, estas fuentes generaron el 8,5% de la electricidad mundial, una proporción que ha crecido rápidamente. [45]
Existen diversas maneras de hacer que el sistema eléctrico sea más flexible. 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. [44] La conexión de regiones geográficas distantes a través de líneas de transmisión de larga distancia permite una mayor cancelación de la variabilidad. [46] La demanda de energía se puede desplazar 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 se puede liberar cuando sea necesario. [44] La creación de capacidad adicional para la generación eólica y solar puede ayudar a garantizar que se produzca suficiente electricidad incluso durante el mal tiempo; durante el clima óptimo, puede ser necesario reducir la generación de energía . El desajuste final se puede cubrir mediante el uso de fuentes de energía despachables como la energía hidroeléctrica, la bioenergía o el gas natural. [47]
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El almacenamiento de energía ayuda a superar las barreras para la energía renovable intermitente y, por lo tanto, es un aspecto importante de un sistema de energía sostenible. [48] 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. [48] Las baterías , y específicamente las baterías de iones de litio , también se utilizan ampliamente. [49] Contienen cobalto , que se extrae en gran medida en el Congo , una región políticamente inestable. Una mayor diversidad geográfica de las fuentes puede garantizar la estabilidad de la cadena de suministro y sus impactos ambientales se pueden reducir mediante el reciclaje y el downcycling. [50] [51] Las baterías suelen almacenar electricidad durante períodos cortos; se están realizando investigaciones sobre tecnología con capacidad suficiente para durar varias estaciones. [52] El almacenamiento hidroeléctrico por bombeo y la conversión de energía a gas con capacidad para uso durante varios meses se han implementado en algunas ubicaciones. [53] [54]
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 su implementación. El almacenamiento de energía térmica estacional requiere una gran capacidad; se ha implementado en algunas regiones de alta latitud para calefacción doméstica. [55]
Los primeros usos comerciales de la electricidad fueron la galvanoplastia y el telégrafo . [56]
En los años 1831-1832, Michael Faraday descubrió el principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos. El principio, posteriormente 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 producía un pequeño voltaje de CC.
Alrededor de 1832, Hippolyte Pixii mejoró el magneto utilizando una herradura de alambre enrollado, con las bobinas adicionales del conductor generando más corriente, pero era CA. André-Marie Ampère sugirió un medio para convertir la corriente del magneto de Pixii en CC utilizando un interruptor oscilante. Más tarde se utilizaron conmutadores segmentados para producir corriente continua. [57]
Entre 1838 y 1840, William Fothergill Cooke y Charles Wheatstone desarrollaron un telégrafo. En 1840, Wheatstone utilizó un magneto que él mismo desarrolló para alimentar el telégrafo. Wheatstone y Cooke realizaron una mejora importante en la generación eléctrica al utilizar un electroimán alimentado por batería en lugar de un imán permanente, que patentaron en 1845. [58] El dinamo de campo magnético autoexcitado eliminó la batería para alimentar los electroimanes. Este tipo de dinamo fue fabricado por varias personas en 1866.
El primer generador práctico, la máquina de Gramme , fue fabricado por Z. T. 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. [59]
Las mejoras en la tecnología de generación eléctrica en el siglo XIX aumentaron enormemente su eficiencia y fiabilidad. Los primeros magnetos solo 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 carbón en 1802 tras descubrir que la electricidad podía producir un arco de luz con electrodos de carbón. Sin embargo, no se utilizó en gran medida hasta que se desarrolló un medio práctico de generar electricidad.
Las lámparas de arco de carbón se encendían haciendo contacto entre dos electrodos de carbón, que luego se separaban hasta quedar dentro de un espacio estrecho. Como el carbón se quemaba, el espacio debía reajustarse constantemente. Se desarrollaron varios mecanismos para regular el arco. Un enfoque común era alimentar un electrodo de carbón por gravedad y mantener el espacio con un par de electroimanes, uno de los cuales retraía el carbón superior después de que se encendía el arco y el segundo controlaba un freno en la alimentación por gravedad. [8]
Las lámparas de arco de la época tenían una potencia luminosa muy intensa (en el orden de las 4.000 candelas ) y liberaban mucho calor, además de ser un peligro de incendio, todo lo cual las hacía inadecuadas para iluminar hogares. [57]
En la década de 1850, muchos de estos problemas se resolvieron gracias a la lámpara de arco inventada por William Petrie y William Staite. La lámpara utilizaba un generador magnetoeléctrico y tenía un mecanismo de autorregulación para controlar el espacio entre las dos barras de carbono. Su luz se utilizó para iluminar la National Gallery de Londres y fue una gran novedad en su época. Estas lámparas de arco y diseños similares, alimentados por grandes magnetos, se instalaron por primera vez en los faros ingleses a mediados de la década de 1850, pero la tecnología adolecía de limitaciones energéticas. [60]
La primera lámpara de arco que funcionó con éxito (la vela de Yablochkov ) fue desarrollada por el ingeniero ruso Pavel Yablochkov utilizando el generador Gramme . Su ventaja residía en el hecho de 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 fue promocionada intensamente por Gramme. [61] La luz de arco se instaló a lo largo de la media milla de la Avenida de la Ópera , la Place du Theatre Francais y alrededor de la Place de l'Opéra en 1878. [62]
En 1878, REB Crompton desarrolló un diseño más sofisticado que ofrecía una luz mucho más brillante y estable que la de 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 firmas de ingeniería eléctrica del mundo.
Las distintas 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 un alto vacío. Estas fueron inventadas por Joseph Swan en 1878 en Gran Bretaña y por Thomas Edison en 1879 en los EE. UU. 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 a producirse comercialmente en 1881. [63]
La casa de Swan, en Low Fell , Gateshead, fue la primera del mundo en tener instaladas bombillas que funcionaran. La biblioteca Lit & Phil de Newcastle fue la primera sala pública iluminada con luz eléctrica, [64] [65] y el Teatro Savoy fue el primer edificio público del mundo iluminado completamente con electricidad. [66]
Se cree que la primera central eléctrica que suministró energía al público 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 que cobraría la compañía de gas, por lo que el ayuntamiento decidió utilizar electricidad. El sistema encendía lámparas de arco en las calles principales y lámparas incandescentes en algunas calles laterales con energía hidroeléctrica. En 1882, entre 8 y 10 hogares estaban conectados, con un total de 57 luces. El sistema no fue un éxito comercial y la ciudad volvió al gas. [67]
La primera planta de distribución central a gran escala se inauguró en el viaducto de Holborn, en Londres, en 1882. [68] Equipada con 1000 bombillas incandescentes que sustituyeron a la antigua iluminación de gas, la estación iluminaba Holborn Circus, incluidas las oficinas de la Oficina General de Correos y la famosa iglesia City Temple . El suministro era de corriente continua a 110 V; debido a la pérdida de potencia en los cables de cobre, esto equivalía 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 propósito público o privado.
La primera central eléctrica a gran escala de Estados Unidos fue la Pearl Street Station de Edison en Nueva York, que empezó a funcionar en septiembre de 1882. La central tenía seis dinamos Edison de 200 caballos de fuerza, cada uno de ellos accionado por una máquina de vapor independiente. Estaba situada en un distrito comercial y empresarial y suministraba corriente continua de 110 voltios a 85 clientes con 400 lámparas. En 1884, Pearl Street abastecía a 508 clientes con 10.164 lámparas. [69]
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 los EE. UU. y Siemens en Alemania . En 1890, había 1000 centrales eléctricas en funcionamiento. [8] El censo de 1902 enumeraba 3620 centrales eléctricas. En 1925, la mitad de la energía era proporcionada por centrales eléctricas. [70]
Uno de los mayores problemas a los que se enfrentaron las primeras compañías eléctricas fue la demanda variable por horas. 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 las horas de la tarde, cuando la demanda alcanzaba su pico máximo. [71] Como consecuencia, la mayoría de las primeras compañías eléctricas no proporcionaban servicio diurno, y dos tercios de ellas no lo hacían en 1897. [72]
La relación entre la carga media y la carga máxima de una estación central se denomina factor de carga. [71] Para que las compañías eléctricas aumentaran su rentabilidad y redujeran sus tarifas, era necesario aumentar el factor de carga. La forma en que esto se logró finalmente fue mediante la carga de los motores. [71] Los motores se utilizan más durante el día y muchos funcionan de forma continua. Los tranvías eléctricos eran ideales para equilibrar la carga. Muchos ferrocarriles eléctricos generaban su propia energía y también la vendían y operaban sistemas de distribución. [4]
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 %, debido principalmente a la carga del motor. [73]
Antes de que existiera una distribución generalizada de energía desde centrales eléctricas, muchas fábricas, grandes hoteles, edificios de apartamentos y oficinas contaban con su propia generación de energía. A menudo, esto resultaba económicamente atractivo porque el vapor de escape podía utilizarse para generar calor para procesos industriales y de construcción, lo que hoy se conoce como cogeneración o calor y energía combinados (CHP). La mayor parte de la energía autogenerada dejó de ser económica a medida que caían los precios de la energía. Incluso a principios del siglo XX, los sistemas de energía aislados superaban en gran número a las centrales eléctricas. [8] La cogeneración todavía se practica habitualmente 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 continuo de generadores eléctricos privados se denomina microgeneración .
El primer motor eléctrico de corriente continua con conmutador capaz de hacer girar una maquinaria fue inventado por el científico británico William Sturgeon en 1832. [74] El avance crucial que esto representó con 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 rotatorio continuo. [75]
En 1884, Frank J. Sprague mejoró el motor de corriente continua 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. [76] Es fácil variar la velocidad con los motores de corriente continua, lo que los hizo adecuados para una serie de aplicaciones, como los tranvías eléctricos, las máquinas herramienta y otras aplicaciones industriales en las que era deseable controlar la velocidad. [8]
La fabricación pasó de la transmisión por correa y eje lineal mediante máquinas de vapor y energía hidráulica a motores eléctricos . [4] [9]
Aunque las primeras centrales eléctricas suministraban corriente continua , la distribución de corriente alterna pronto se convirtió en la opción más favorecida. Las principales ventajas de la corriente alterna eran que se podía transformar en alto voltaje para reducir las pérdidas de transmisión y que los motores de corriente alterna podían funcionar fácilmente a velocidades constantes.
La tecnología de corriente alterna tuvo sus raíces en el descubrimiento de Faraday entre 1830 y 1831 de que un campo magnético cambiante puede inducir una corriente eléctrica en un circuito . [77]
La primera persona en concebir un campo magnético rotatorio fue Walter Baily, quien el 28 de junio de 1879, ante la Sociedad Física de Londres, realizó una demostración práctica de su motor polifásico a batería con la ayuda de un conmutador. [78] Casi idéntico al aparato de Baily, el ingeniero eléctrico francés Marcel Deprez publicó en 1880 un artículo que identificaba el principio del campo magnético rotatorio y el de un sistema de corriente alterna bifásico para producirlo. [79] En 1886, el ingeniero inglés Elihu Thomson construyó un motor de corriente alterna ampliando el principio de inducción-repulsión y su vatímetro . [80]
Fue en la década de 1880 cuando se desarrolló comercialmente la tecnología 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 desarrollar la tecnología de alimentación de corriente alterna, incluido un transformador temprano. [81]
En 1881, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs presentaron en Londres un transformador de potencia que atrajo el interés de Westinghouse . También exhibieron el invento en Turín en 1884, donde se adoptó para un sistema de iluminación eléctrica. Muchos de sus diseños se adaptaron a las leyes particulares que regían la distribución eléctrica en el Reino Unido. [ cita requerida ]
Sebastian Ziani de Ferranti se dedicó a este negocio en 1882 cuando abrió una tienda en Londres para diseñar varios dispositivos eléctricos. Ferranti creyó en el éxito de la distribución de energía de corriente alterna desde el principio 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. [82] John Hopkinson , un físico británico , inventó el sistema de tres cables ( trifásico ) para la distribución de energía eléctrica, por el que se le concedió una patente en 1882. [83]
El inventor italiano Galileo Ferraris inventó un motor de inducción de CA polifásico en 1885. La idea era que dos corrientes desfasadas, pero sincronizadas, pudieran usarse para producir dos campos magnéticos que pudieran combinarse para producir un campo giratorio sin necesidad de conmutación o de partes móviles. Otros inventores fueron los ingenieros estadounidenses Charles S. Bradley y Nikola Tesla , y el técnico alemán Friedrich August Haselwander. [84] Pudieron superar el problema de arrancar el motor de CA utilizando un campo magnético giratorio producido por una corriente polifásica. [85] 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 los EE. UU. [86] En 1895, GE y Westinghouse tenían motores de CA en el mercado. [87] Con corriente monofásica, se puede usar un capacitor o una bobina (que crea inductancia) en parte del circuito dentro del motor para crear un campo magnético giratorio. [88] Hace tiempo que existen motores de corriente alterna de varias velocidades con polos cableados por separado, siendo los más comunes los de dos velocidades. La velocidad de estos motores se modifica activando o desactivando conjuntos de polos, lo que se hacía con un arrancador de motor especial para motores más grandes o con un simple interruptor de varias velocidades para motores de potencia fraccionaria.
La primera central eléctrica de corriente alterna 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 . Él diseñó el edificio, la planta generadora y el sistema de distribución. Se construyó en Stowage, un sitio al oeste de la desembocadura del arroyo Deptford , utilizado en su día por la Compañía de las Indias Orientales . Construida a una escala sin precedentes y siendo pionera en el uso de corriente alterna de alto voltaje (10.000 V), generó 800 kilovatios y abasteció al centro de Londres. Cuando se terminó de construir en 1891, fue la primera central eléctrica verdaderamente moderna, que suministraba corriente alterna 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 los EE. UU., 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 de 20:1 de aumento y reducción. En 1890, Westinghouse y Stanley construyeron un sistema para transmitir energía a varios kilómetros de una mina en Colorado. Se tomó la decisión de utilizar CA para la transmisión de energía desde el Proyecto de Energía de Niágara hasta Buffalo, Nueva York. Las propuestas presentadas por los proveedores en 1890 incluían sistemas de CC y aire comprimido. Un sistema combinado de CC y aire comprimido siguió bajo consideración 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 CA, que había sido propuesto tanto por Westinghouse como por General Electric. En octubre de 1893, Westinghouse recibió el contrato para proporcionar los primeros tres generadores bifásicos de 5000 hp, 250 rpm, 25 Hz. [89] La central hidroeléctrica entró en funcionamiento en 1895, [90] y fue la más grande hasta esa fecha. [91]
En la década de 1890, la corriente alterna monofásica y polifásica se estaba introduciendo rápidamente. [92] En los EE. UU. en 1902, el 61% de la capacidad de generación era corriente alterna, aumentando al 95% en 1917. [93] A pesar de la superioridad de la corriente alterna para la mayoría de las aplicaciones, algunos sistemas de corriente continua existentes continuaron funcionando durante varias décadas después de que la corriente alterna se convirtiera en el estándar para los nuevos sistemas.
La eficiencia de los motores de vapor para convertir la energía térmica del combustible en trabajo mecánico era un factor crítico en el funcionamiento económico de las centrales generadoras de vapor. Los primeros proyectos utilizaban máquinas de vapor alternativas , que funcionaban a velocidades relativamente bajas. La introducción de la turbina de vapor cambió fundamentalmente la economía de las operaciones de las centrales. Las turbinas de vapor podían fabricarse con potencias más altas que las máquinas alternativas y, en general, tenían una mayor eficiencia. La velocidad de las turbinas de vapor no fluctuaba cíclicamente durante cada revolución. Esto hizo posible el funcionamiento en paralelo de los generadores de CA y mejoró la estabilidad de los convertidores rotativos para la producción de corriente continua para tracción y usos industriales. Las turbinas de vapor funcionaban a mayor velocidad que las máquinas alternativas, sin estar limitadas por la velocidad permitida de un pistón en un cilindro. Esto las hacía más compatibles con los generadores de CA con solo dos o cuatro polos; no se necesitaba una caja de cambios ni un multiplicador 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 potencias muy altas requeridas para el servicio de la 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. [94] La invención de la turbina de vapor de Parsons hizo posible la electricidad barata y abundante. Las turbinas Parsons se introdujeron ampliamente en las centrales inglesas en 1894; la primera empresa de suministro eléctrico del mundo en generar electricidad utilizando turbogeneradores fue la propia empresa de suministro eléctrico de Parsons, Newcastle and District Electric Lighting Company , creada en 1894. [95] Durante la vida de Parsons, la capacidad de generación de una unidad se incrementó unas 10.000 veces. [96]
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 . [97]
Las turbinas de vapor también tenían ventajas operativas y de costos de capital sobre los motores alternativos. El condensado de los motores 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 tenían una fracción del tamaño y el peso de un motor de vapor alternativo de potencia comparable. Las turbinas de vapor pueden funcionar durante años casi sin desgaste. Los motores de vapor alternativos requerían un alto mantenimiento. Las turbinas de vapor pueden fabricarse con capacidades mucho mayores que las de cualquier motor de vapor jamás fabricado, lo que proporciona importantes economías de escala .
Se podrían construir turbinas de vapor para que funcionen con vapor a mayor presión y temperatura. Un principio fundamental de la termodinámica es que cuanto mayor sea la temperatura del vapor que entra en una máquina, mayor será la eficiencia. La introducción de las turbinas de vapor motivó una serie de mejoras en las temperaturas y presiones. La mayor eficiencia de conversión resultante redujo los precios de la electricidad. [98]
La densidad de potencia de las calderas se incrementó mediante el uso de aire de combustión forzada y de aire comprimido para alimentar carbón pulverizado. Además, se mecanizó y automatizó el manejo del carbón. [99]
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 crecía rápidamente en los primeros años del siglo XX.
Charles Merz , de la sociedad consultora Merz & McLellan , construyó la central eléctrica de Neptune Bank cerca de Newcastle upon Tyne en 1901, [100] y en 1912 se había convertido en el sistema eléctrico integrado más grande de Europa. [101] 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 esta idea en serio, nombrándolo jefe de un comité parlamentario para abordar el problema. En 1916, Merz señaló que el Reino Unido podría utilizar su pequeño tamaño en su beneficio, creando una red de distribución densa para alimentar a sus industrias de manera eficiente. Sus hallazgos condujeron al Informe Williamson de 1918, que a su vez creó el Proyecto de Ley de Suministro de Electricidad de 1919. El proyecto de ley fue el primer paso hacia un sistema eléctrico integrado en el Reino Unido.
La Ley de suministro de electricidad de 1926, de mayor importancia, condujo a la creación de la Red Nacional. [102] La Junta Central de Electricidad estandarizó el suministro de electricidad del país y estableció la primera red de CA sincronizada, que funcionaba a 132 kilovoltios y 50 hercios . Esta comenzó a funcionar como un sistema nacional, la Red Nacional , en 1938.
En Estados Unidos, después de la crisis energética del verano de 1918, en medio de la Primera Guerra Mundial, se convirtió en un objetivo nacional consolidar el suministro. En 1934, la Ley de Sociedades de Servicios Públicos (Public Utility Holding Company Act) reconoció a las empresas eléctricas como bienes públicos de importancia junto con las compañías de gas, agua y teléfono, y por lo tanto se les otorgaron restricciones específicas y supervisión regulatoria de sus operaciones. [103]
La electrificación de los hogares en Europa y América del Norte comenzó a principios del siglo XX en las principales ciudades y en las zonas servidas por ferrocarriles eléctricos y aumentó rápidamente hasta aproximadamente 1930, cuando el 70% de los hogares estaban electrificados en los EE. UU.
Las áreas rurales fueron electrificadas primero en Europa, y en los EE. UU. la Administración Eléctrica Rural , establecida en 1935, llevó la electrificación a las áreas rurales con servicios insuficientes. [104]
En la Unión Soviética, al igual que en los Estados Unidos, la electrificación rural avanzó más lentamente que en las zonas urbanas. No fue hasta la era de Brezhnev que la electrificación se generalizó en las regiones rurales, y la campaña soviética de electrificación rural se completó en gran medida a principios de los años 1970. [105]
En China, la agitación de la Era de los Señores de la Guerra , la Guerra Civil y la invasión japonesa a principios del siglo XX retrasaron la electrificación durante décadas. Fue recién después del establecimiento de la República Popular China en 1949 que el país estuvo en condiciones de impulsar la electrificación generalizada. Durante los años de Mao, mientras que la electricidad se volvió algo común en las ciudades, las áreas rurales fueron en gran medida desatendidas. [106] En el momento de la muerte de Mao en 1976, el 25% de los hogares chinos aún carecían de acceso a la electricidad. [107]
Deng Xiaoping, que se convirtió en el máximo líder de China en 1978, inició una campaña de electrificación rural como parte de un esfuerzo de modernización más amplio. A fines de la década de 1990, la electricidad se había vuelto omnipresente en las áreas regionales. [108] Las últimas aldeas remotas de China se conectaron a la red en 2015. [109]
La generación de energía eléctrica mediante centrales eléctricas proporcionaba energía de manera más eficiente y a un menor costo que los pequeños generadores. El costo de capital y de operación por unidad de energía también era más barato en las centrales eléctricas. [9] 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 motores de corriente alterna. A medida que los precios de la electricidad cayeron, el uso aumentó drásticamente y las centrales eléctricas se ampliaron a tamaños enormes, creando importantes economías de escala. [110] Para el costo histórico, véase Ayres-Warr (2002), Figura 7. [11]
Los años de inicio difieren según el sector, pero todos los sectores están presentes a partir de 2020.
La sala de conferencias de la sociedad fue la primera sala pública que se iluminó 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