La industria de 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 la 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 antes era una costosa novedad limitada a las zonas más densamente pobladas, la energía eléctrica fiable 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 vista como un " monopolio natural ", sólo eficiente si un número restringido de organizaciones participaban en el mercado; en algunas áreas, las empresas integradas verticalmente proporcionan todas las etapas, desde la generación hasta la venta al por menor, y sólo la supervisión gubernamental regulaba la tasa de rendimiento 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 manipularse abusivamente con el consiguiente impacto adverso en el precio y la confiabilidad para los consumidores, la producción generalmente competitiva de energía eléctrica 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 de 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 de un movimiento giratorio, pero la tecnología tardó casi 50 años en alcanzar una etapa comercialmente viable. En 1878, en los Estados Unidos , Thomas Edison desarrolló y vendió un reemplazo comercialmente viable para la iluminación y la calefacción de gas utilizando electricidad de corriente continua generada y distribuida localmente .
Robert Hammond , en diciembre de 1881, hizo una demostración de la nueva luz eléctrica en la ciudad de Brighton , en Sussex , Reino Unido, durante un período de prueba. El éxito resultante de esta instalación permitió a Hammond poner esta empresa en una base tanto comercial como legal, ya que varios propietarios de tiendas querían utilizar la nueva luz eléctrica. Así se lanzó Hammond Electricity Supply Co.
A principios de 1882, Edison inauguró la primera estación generadora de electricidad impulsada por vapor del mundo en el viaducto de Holborn en Londres , donde había firmado un acuerdo con City Corporation por un período de tres meses para proporcionar alumbrado público. Con el tiempo, proporcionó luz eléctrica a varios consumidores locales. El método de suministro fue corriente continua (DC). Si bien el proyecto del viaducto de Godalming y Holborn de 1882 cerró después de unos años, el proyecto de Brighton continuó y en 1887 el suministro estuvo disponible las 24 horas del día.
Más tarde, en septiembre de 1882, Edison inauguró la central eléctrica de Pearl Street en la ciudad de Nueva York y nuevamente fue un suministro de CC. 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 determinada cantidad de potencia transmitida, aumentar el voltaje reduce la corriente y, por lo tanto, reduce el espesor del cable requerido. Desafortunadamente, esto también aumenta el peligro por contacto directo y aumenta el espesor de aislamiento requerido . Además, algunos tipos de carga eran difíciles o imposibles de hacer funcionar 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 de las ciudades, no sería capaz de suministrar energía económicamente a los suburbios. [1]
Entre mediados y finales de la década de 1880 se introdujeron los sistemas de corriente alterna (CA) en Europa y los EE. UU. La energía de CA tenía la ventaja de que los transformadores , instalados en las centrales eléctricas , podían usarse para elevar el voltaje de los generadores y los transformadores en las subestaciones locales. podría reducir el voltaje para alimentar las cargas. El aumento del voltaje redujo 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 ) podrían ubicarse lejos de las cargas. AC y DC compitieron durante un tiempo, durante un periodo llamado la guerra de las corrientes . El sistema de CC pudo presumir de una seguridad ligeramente mayor, pero esta diferencia no fue lo suficientemente grande como para anular las enormes ventajas técnicas y económicas de la corriente alterna, que finalmente prevaleció. [1]
El sistema de alimentación de CA utilizado 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, continuaron las investigaciones sobre la aplicación de tiratrones y válvulas de arco de mercurio controladas por rejilla a la transmisión de energía. Los electrodos de clasificación 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 los tubos de vacío . En 1956, se introdujo el rectificador controlado por silicio (SCR), lo que aumentó la gama de aplicaciones de la electrónica de potencia. [3]
Un gran avance en la electrónica de potencia se produjo con la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) en 1959. Generaciones de MOSFET permitieron a los diseñadores de energía alcanzar niveles de rendimiento y densidad que no eran posibles con los transistores bipolares. [4] En 1969, Hitachi introdujo 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 baja potencia de accionamiento de compuerta, rápida velocidad de conmutación, [7] capacidad avanzada de conexión en paralelo, [7] [8] amplio ancho de banda , robustez, fácil unidad, polarización simple, facilidad de aplicación y facilidad de reparación. [8]
Si bien 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 utilizando corriente alterna.
La industria de la energía eléctrica comúnmente se divide en cuatro procesos. Se trata de generación de electricidad , como una central eléctrica , transmisión de energía eléctrica , distribución de electricidad y venta al por menor de electricidad . En muchos países, las empresas de energía eléctrica son propietarias de toda la infraestructura, desde las estaciones generadoras hasta la infraestructura de transmisión y distribución. Por esta razón, la energía eléctrica es vista como un monopolio natural . La industria generalmente está fuertemente regulada , a menudo con controles de precios y frecuentemente es propiedad y está operada por el gobierno . Sin embargo, la tendencia moderna ha sido una 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 empresas eléctricas pueden participar sólo en algunos de estos procesos sin tener que poseer toda la infraestructura, o si los ciudadanos eligen qué componentes de la infraestructura patrocinar. 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 alguna 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 giratorias, " generadores ", que mueven conductores a través de un campo magnético para producir corriente eléctrica. El generador es hecho girar por alguna otra máquina motriz; en los generadores típicos conectados a la red, se trata de una turbina de vapor, una turbina de gas o una turbina hidráulica. Las fuentes de energía primarias para estas máquinas suelen ser combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural), fisión nuclear, vapor geotérmico o caídas de agua. Las fuentes renovables como la energía eólica y solar tienen cada vez más importancia comercial.
Dado que la generación eléctrica debe coincidir estrechamente con el consumo eléctrico, se debe instalar suficiente capacidad de generación para satisfacer las demandas máximas. 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 costo incremental más bajo será la siguiente unidad conectada para satisfacer la creciente demanda. Los generadores eléctricos tienen controles automáticos para regular la energía alimentada 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 cumplir con los requisitos económicos, ambientales y de confiabilidad. Por ejemplo, las fuentes de generación de bajo costo incremental, como las centrales nucleares, pueden funcionar continuamente para satisfacer la " carga base " promedio del sistema conectado, mientras que las centrales eléctricas más costosas , como las turbinas de gas natural, pueden funcionar durante períodos breves durante el día para hacer frente a las cargas máximas. Alternativamente, las estrategias de gestión de carga pueden fomentar una demanda más uniforme de energía eléctrica y reducir los costosos picos. Las unidades generadoras designadas para una red eléctrica en particular pueden funcionar a potencia parcial únicamente, para proporcionar una "reserva giratoria" para aumentos repentinos de 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 compañías 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 de generación, 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 denomina distribución de energía eléctrica . La red combinada de transmisión y distribución se conoce como " red eléctrica " en América del Norte , o simplemente "la red". En el Reino Unido , India , Malasia y Nueva Zelanda , la red se conoce como National Grid.
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 de la electricidad de tal manera que han llevado a la separación del negocio de transmisión de electricidad del de distribución. [11]
La distribución de energía eléctrica es la etapa final en el suministro de energía eléctrica ; transporta electricidad desde el sistema de transmisión a los consumidores individuales. Las subestaciones de distribución se conectan al sistema de transmisión y bajan la tensión de transmisión a media tensión que oscila entre 2 kV y 35 kV con el uso de transformadores . [12] Las líneas de distribución primaria llevan esta energía de media tensión a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución vuelven a reducir el voltaje al voltaje de utilización utilizado por la iluminación, los equipos industriales o los electrodomésticos. A menudo, varios clientes reciben suministro desde un transformador a través de líneas de distribución secundarias . Los clientes comerciales y residenciales están conectados a las líneas de distribución secundaria a través de caídas 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 dependiendo del 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. Otras regiones tienen empresas de servicios públicos privadas o de propiedad de inversores, empresas de propiedad municipal o municipal, empresas cooperativas de propiedad de sus propios clientes o combinaciones. La generación, transmisión y distribución pueden ser ofrecidas por una sola empresa, o diferentes organizaciones pueden proporcionar cada una de estas partes del sistema.
No todo el mundo tiene acceso a la red eléctrica. Alrededor de 840 millones de personas (principalmente en África) no tenían acceso en 2017, frente a 1.200 millones en 2010. [14]
El modelo de negocio detrás de la empresa de servicios eléctricos ha cambiado a lo largo de los años y ha desempeñado un papel vital en la transformación de la industria eléctrica en lo que es hoy; desde la generación, transmisión, distribución, hasta la comercialización local final. Esto ha ocurrido de manera destacada desde la reforma de la industria del suministro de electricidad en Inglaterra y Gales en 1990.
Entre 1996 y 1999, la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC) tomó una serie de decisiones destinadas a abrir el mercado mayorista de energía de EE. UU. 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 fomentaría 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, cuyo objetivo era crear una red totalmente interconectada y un mercado energético nacional integrado, dieron lugar a la reestructuración de la industria eléctrica estadounidense. Ese proceso pronto sufrió dos reveses: la crisis energética de California de 2000 , y el escándalo y colapso de Enron . Aunque prosiguió la reestructuración de la industria, estos acontecimientos dejaron en claro que los mercados competitivos podían manipularse y, por lo tanto, debían diseñarse y monitorearse adecuadamente. Además, el apagón del noreste de 2003 destacó la necesidad de un doble enfoque en precios competitivos y estándares sólidos de confiabilidad. [21]
En algunos países funcionan mercados mayoristas de electricidad, en los que los generadores y minoristas comercializan la 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 se produjo cuando la National Grid del Reino Unido , la empresa eléctrica privada más grande del mundo, compró varias empresas eléctricas en Nueva Inglaterra por 3.200 millones de dólares. [22] Entre 1995 y 1997, siete de las 12 Compañías Eléctricas Regionales (REC) de Inglaterra y Gales fueron compradas por compañías energéticas estadounidenses. [23] A nivel nacional, las empresas locales de electricidad y gas han fusionado sus operaciones al ver las ventajas de la afiliación conjunta, especialmente con el costo reducido de la medición conjunta. Los avances tecnológicos se producirán en los competitivos mercados eléctricos mayoristas; entre los ejemplos que ya se utilizan se incluyen las pilas de combustible utilizadas en los vuelos espaciales ; turbinas de gas aeroderivadas utilizadas en aviones a reacción ; ingeniería solar y sistemas fotovoltaicos ; parques eólicos marinos; y los avances en las comunicaciones generados por el mundo digital, particularmente con el microprocesamiento que ayuda en el monitoreo y el despacho. [24]
Se espera que la electricidad experimente una demanda creciente en el futuro. La Revolución de la Información depende en gran medida de la energía eléctrica. Otras áreas de crecimiento incluyen nuevas tecnologías emergentes exclusivas de la electricidad, desarrollos en acondicionamiento del espacio, procesos industriales y transporte (por ejemplo, vehículos híbridos , locomotoras ). [24]
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