Industria de la energía eléctrica - Electric power industry

La energía eléctrica se transmite por líneas aéreas como estas y también por cables subterráneos de alta tensión.

La industria de la energía eléctrica cubre la generación , transmisión , distribución y venta de energía eléctrica al público en general y a la industria. La distribución comercial de energía eléctrica comenzó en 1882 cuando se produjo electricidad para iluminación eléctrica . En las décadas de 1880 y 1890, las crecientes preocupaciones económicas y de seguridad llevaron a la regulación de la industria. Lo que alguna vez fue una novedad costosa limitada a las áreas más densamente pobladas, la energía eléctrica confiable y económica se ha convertido en un aspecto esencial para el funcionamiento normal de todos los elementos de las economías desarrolladas.

A mediados del siglo XX, la electricidad se veía como un " monopolio natural ", sólo eficiente si un número limitado de organizaciones participaba en el mercado; en algunas áreas, las empresas integradas verticalmente proporcionan todas las etapas, desde la generación hasta la venta minorista, y solo la supervisión gubernamental regula la tasa de rendimiento y la estructura de costos.

Desde la década de 1990, muchas regiones han interrumpido la generación y distribución de energía eléctrica. Si bien estos mercados pueden manipularse abusivamente con el consiguiente impacto adverso en el precio y la confiabilidad para los consumidores, la producción de energía eléctrica generalmente competitiva conduce a mejoras valiosas en la eficiencia. Sin embargo, la transmisión y la distribución son problemas más difíciles, ya que el rendimiento de la inversión no es tan fácil de encontrar.

Historia

Subestación de Bolsward, Países Bajos
Líneas de transmisión en Rumanía de las cuales la más cercana es una torre de transposición de fase

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, cara. En 1831, Michael Faraday ideó una máquina que generaba electricidad a partir del movimiento rotatorio, pero la tecnología tardó casi 50 años en alcanzar una etapa comercialmente viable. En 1878, en los Estados Unidos , Thomas Edison desarrolló y vendió un reemplazo comercialmente viable para la iluminación y 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 en el 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 abrió la primera estación generadora de electricidad a vapor del mundo en Holborn Viaduct en Londres , donde había firmado un acuerdo con City Corporation por un período de tres meses para proporcionar alumbrado público. Con el tiempo, había suministrado luz eléctrica a varios consumidores locales. El método de suministro fue corriente continua (CC). Mientras que Godalming y el Esquema del viaducto de Holborn de 1882 cerraron después de unos años, el Esquema de Brighton continuó y el suministro estuvo disponible en 1887 durante las 24 horas del día.

Más tarde, en septiembre de 1882, Edison abrió la central eléctrica de Pearl Street en la ciudad de Nueva York y nuevamente fue un suministro de CC. Fue por esta razón que la generación estaba cerca o en las instalaciones del consumidor, ya que Edison no tenía ningún medio de conversión de 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 grosor del cable requerido. Desafortunadamente, también aumenta el peligro del 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 estaciones de energía estuvieran a una milla de los consumidores. Si bien esto podría funcionar en los centros de las ciudades, no podría suministrar energía económicamente a los suburbios.

Entre mediados y finales de la década de 1880 se produjo la introducción de sistemas de corriente alterna (CA) en Europa y la energía de CA de EE. UU. Tenía la ventaja de que los transformadores , instalados en las centrales eléctricas , podían usarse para aumentar el voltaje de los generadores y los transformadores en las subestaciones locales. podría reducir el voltaje para suministrar cargas. El aumento de 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 la 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 período llamado la guerra de las corrientes . El sistema de CC pudo reclamar una seguridad ligeramente mayor, pero esta diferencia no fue lo suficientemente grande como para superar las enormes ventajas técnicas y económicas de la corriente alterna que finalmente ganó.

Línea de alta tensión en Montreal , Quebec , Canadá

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, continuó la investigación sobre la aplicación de tiratrones y válvulas de arco de mercurio controladas por la red 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. 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), aumentando la gama de aplicaciones de electrónica de potencia.

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 potencia lograr niveles de rendimiento y densidad que no eran posibles con transistores bipolares. En 1969, Hitachi introdujo el primer MOSFET de potencia vertical , que más tarde se conocería como VMOS (MOSFET con ranura en V). El MOSFET de potencia se ha convertido desde entonces en el dispositivo de potencia más común en el mundo, debido a su baja potencia de accionamiento de compuerta, velocidad de conmutación rápida, fácil capacidad de conexión en paralelo avanzada, ancho de banda amplio , robustez, manejo fácil, polarización simple, facilidad de aplicación y facilidad de reparar.

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 al por menor de electricidad se realiza mediante corriente alterna.

Organización

La industria de la energía eléctrica se divide comúnmente en cuatro procesos. Estos son la 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 se considera un monopolio natural . Por lo general, la industria está fuertemente regulada , a menudo con controles de precios y con frecuencia es propiedad del gobierno y es operada por él . Sin embargo, la tendencia moderna ha sido una creciente desregulación en al menos los dos últimos procesos.

La naturaleza y el estado de la reforma del mercado de la electricidad a menudo determina si las empresas eléctricas pueden participar en solo algunos de estos procesos sin tener que ser dueñas de toda la infraestructura, o los ciudadanos eligen qué componentes de la infraestructura patrocinar. En países donde el suministro de electricidad está desregulado, los usuarios finales de la electricidad pueden optar por una electricidad verde más costosa .

Generacion

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

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

Todas las formas de generación de electricidad tienen aspectos positivos y negativos. La tecnología probablemente declarará eventualmente las formas más preferidas, pero en una economía de mercado , las opciones con menores costos generales generalmente se elegirán por encima de otras fuentes. Aún no está claro qué forma puede satisfacer mejor las demandas de energía necesarias o qué proceso puede resolver mejor la demanda de electricidad. Hay indicios de que la energía renovable se está convirtiendo rápidamente en la más viable en términos económicos. Una combinación diversa de fuentes de generación reduce los riesgos de picos de precios de la electricidad.

Transmisión de energía eléctrica

Líneas de transmisión de energía eléctrica trifásica de 500 kV en la presa Grand Coulee ; se muestran cuatro circuitos; dos circuitos adicionales están oscurecidos por árboles a la derecha; La totalidad de la capacidad de generación de 7079 MW de la presa es acomodada por estos seis circuitos.

La transmisión de energía eléctrica es el movimiento masivo de energía eléctrica desde un sitio de generación, como una planta de energía , a 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 generalmente se conoce como distribución de energía eléctrica . La red combinada de transmisión y distribución se conoce como la " red eléctrica " en América del Norte , o simplemente "la red". En el Reino Unido , India , Malasia y Nueva Zelanda , la red se conoce como 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 eléctrico de formas que han llevado a la separación del negocio de transmisión de electricidad del negocio de distribución.

Distribución de energía eléctrica

Un transformador de distribución montado en poste de 50 kVA

La distribución de energía eléctrica es la etapa final en la entrega de energía eléctrica ; lleva electricidad desde el sistema de transmisión a los consumidores individuales. Las subestaciones de distribución se conectan al sistema de transmisión y bajan la tensión de transmisión a media tensión entre 2  kV y 35 kV con el uso de transformadores . Las líneas de distribución primarias llevan esta energía de media tensión a los transformadores de distribución ubicados cerca de las instalaciones del cliente. Los transformadores de distribución vuelven a bajar la tensión a la tensión de utilización utilizada por la iluminación, los equipos industriales o los electrodomésticos. A menudo, varios clientes se abastecen desde un transformador a través de líneas de distribución secundarias . Los clientes comerciales y residenciales están conectados a las líneas de distribución secundarias a través de caídas de servicio . Los clientes que exigen una cantidad de energía mucho mayor pueden conectarse directamente al nivel de distribución principal o al nivel de subtransmisión .

Comercio minorista eléctrico

La venta al por menor de electricidad es la venta final de electricidad desde la generación hasta el consumidor final.

Industrias eléctricas mundiales

La organización del sector eléctrico de un país o región varía según el sistema económico del país. En algunos lugares, toda la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica es proporcionada por una organización controlada por el gobierno. Otras regiones tienen empresas de servicios públicos privadas o propiedad de inversores, empresas de propiedad municipal o municipal, empresas cooperativas 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. Aproximadamente 840 millones de personas (principalmente en África) no tenían acceso en 2017, frente a los 1.200 millones de 2010.

Reforma de mercado

El modelo de negocio detrás de la empresa eléctrica ha cambiado a lo largo de los años y ha jugado un papel vital en la configuración de la industria eléctrica en lo que es hoy; desde la generación, transmisión, distribución, hasta la venta final local. Esto ha ocurrido de manera prominente desde la reforma de la industria del suministro de electricidad en Inglaterra y Gales en 1990.

Estados Unidos

En 1996-1999, la Comisión Federal de Regulación de Energía (FERC) tomó una serie de decisiones que tenían como objetivo abrir el mercado de energía mayorista de EE. UU. A nuevos jugadores, con la esperanza de que estimular la competencia ahorraría a los consumidores entre $ 4 y $ 5 mil millones por año y fomentaría la innovación técnica. en la industria. Se tomaron medidas para brindar a todos los participantes del mercado acceso abierto a las líneas de transmisión interestatales existentes.

  • La orden núm. 888 ordenó a las empresas eléctricas integradas verticalmente que separaran funcionalmente sus negocios de transmisión, generación de energía y comercialización para evitar la negociación por cuenta propia.
  • La Orden No. 889 estableció un sistema para brindar a todos los participantes acceso oportuno a la información sobre la capacidad de transmisión disponible y los precios.
  • La FERC también respaldó el concepto de nombrar operadores de sistemas independientes (ISO) para administrar la red de energía eléctrica, una función que tradicionalmente era responsabilidad de las empresas de servicios eléctricos integradas verticalmente. El concepto de un operador de sistema independiente evolucionó hacia el de organizaciones regionales de transmisión (RTO). La intención de la FERC era que todas las empresas estadounidenses que poseen líneas de transmisión eléctrica interestatales pusieran esas instalaciones bajo el control de una RTO. En su Orden No. 2000 (Organizaciones Regionales de Transmisión) , emitida en 1999, FERC especificó las capacidades mínimas que debe poseer un RTO.

Estas decisiones, que estaban destinadas a crear una red completamente interconectada y un mercado eléctrico nacional integrado, dieron como resultado la reestructuración de la industria eléctrica de EE. UU. Ese proceso pronto se enfrentó a dos reveses: la crisis energética de California de 2000 y el escándalo y colapso de Enron . Si bien la reestructuración de la industria prosiguió, estos eventos dejaron en claro que los mercados competitivos podrían manipularse y, por lo tanto, deben diseñarse y monitorearse adecuadamente. Además, el apagón del noreste de 2003 destacó la necesidad de un enfoque dual en precios competitivos y fuertes estándares de confiabilidad.

Otros paises

En algunos países, los mercados de electricidad al por mayor operan, con generadores y minoristas que comercializan electricidad de manera similar a las acciones y las divisas . A medida que la desregulación continúa, las empresas de servicios públicos se ven obligadas a vender sus activos a medida que el mercado de la energía sigue en línea con el mercado del gas en el uso de los mercados de futuros y al contado y otros acuerdos financieros. Incluso se está produciendo una globalización con compras extranjeras. Una de esas compras fue cuando National Grid del Reino Unido , la empresa eléctrica privada más grande del mundo, compró varias empresas eléctricas en Nueva Inglaterra por $ 3.2 mil millones. Entre 1995 y 1997, siete de las 12 empresas eléctricas regionales (REC) de Inglaterra y Gales fueron compradas por empresas energéticas estadounidenses. A nivel nacional, las empresas locales de electricidad y gas han fusionado sus operaciones porque vieron las ventajas de la afiliación conjunta, especialmente con el costo reducido de la medición conjunta. Los avances tecnológicos se llevarán a cabo en los competitivos mercados eléctricos al por mayor. 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 comunicación generados por el mundo digital, particularmente con el microprocesamiento que ayuda en el monitoreo y despacho.

panorama

Se espera que la demanda de electricidad aumente en el futuro. La revolución de la información depende en gran medida de la energía eléctrica. Otras áreas de crecimiento incluyen nuevas tecnologías emergentes exclusivas de la electricidad, desarrollos en acondicionamiento de espacios, procesos industriales y transporte (por ejemplo , vehículos híbridos , locomotoras ).

Ver también

Referencias

Otras lecturas