Electrificación - Electrification

Electrificación de un ferrocarril

La electrificación es el proceso de generación de energía eléctrica y, en muchos contextos, la introducción de dicha energía mediante el cambio de una fuente de energía anterior.

El significado amplio del término, como en la historia de la tecnología , la historia económica y el desarrollo económico , generalmente se aplica a una región o economía nacional. En términos generales, la electrificación fue la construcción de los sistemas de generación de electricidad y distribución de energía eléctrica que ocurrieron en Gran Bretaña, los Estados Unidos y otros países ahora desarrollados desde mediados de la década de 1880 hasta alrededor de 1950 y todavía está en progreso en áreas rurales en algunos países en desarrollo . Esto incluyó la transición en la fabricación desde el eje de línea y la transmisión por correa utilizando motores de vapor y energía hidráulica a motores eléctricos .

La electrificación de sectores particulares de la economía se denomina con términos como electrificación industrial , electrificación doméstica , electrificación rural o electrificación ferroviaria . También puede aplicarse a procesos industriales cambiantes, como fundición, fusión, separación o refinación de carbón o calentamiento de coque, o procesos químicos a algún tipo de proceso eléctrico, como horno de arco eléctrico , inducción eléctrica o calentamiento por resistencia , o electrólisis o separación electrolítica.

La electrificación fue calificada como "el mayor logro de ingeniería del siglo XX" por la Academia Nacional de Ingeniería .

Historia de la electrificación

Los primeros usos comerciales de la electricidad fueron la galvanoplastia y el telégrafo .

Desarrollo de magnetos, dínamos y generadores

Disco de Faraday, el primer generador eléctrico. El imán en forma de herradura (A) creó un campo magnético a través del disco (D) . Cuando se giraba el disco, esto inducía una corriente eléctrica radialmente hacia afuera desde el centro hacia el borde. La corriente fluyó a través del contacto de resorte deslizante m , a través del circuito externo y de regreso al centro del disco a través del eje.

En los años 1831-1832, Michael Faraday descubrió el principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos. El principio, más tarde llamado ley de Faraday , es que se genera una fuerza electromotriz en un conductor eléctrico que está sujeto a un flujo magnético variable , como por ejemplo, un cable que se mueve a través de un campo magnético. También construyó el primer generador electromagnético, llamado disco de Faraday , un tipo de generador homopolar , que utiliza un disco de cobre que gira entre los polos de un imán de herradura . Produjo un pequeño voltaje de CC.

Alrededor de 1832, Hippolyte Pixii mejoró el magneto usando una herradura de alambre enrollado, con las bobinas adicionales de conductor generando más corriente, pero era CA. André-Marie Ampère sugirió un medio para convertir la corriente del magneto de Pixii a CC mediante un interruptor oscilante. Posteriormente se utilizaron conmutadores segmentados para producir corriente continua.

William Fothergill Cooke y Charles Wheatstone desarrollaron un telégrafo alrededor de 1838-40. En 1840, Wheatstone estaba usando un magneto que desarrolló para alimentar el telégrafo. Wheatstone y Cooke lograron una mejora importante en la generación eléctrica mediante el uso de un electroimán de batería en lugar de un imán permanente, que patentaron en 1845. La dínamo de campo magnético autoexcitado eliminó la batería para alimentar electroimanes. Este tipo de dínamo fue fabricado por varias personas en 1866.

El primer generador práctico, la máquina Gramme , fue fabricado por ZT Gramme, que vendió muchas de estas máquinas en la década de 1870. El ingeniero británico REB Crompton mejoró el generador para permitir una mejor refrigeración del aire e hizo otras mejoras mecánicas. El devanado compuesto, que proporcionó un voltaje más estable con carga, mejoró las características operativas de los generadores.

Las mejoras en la tecnología de generación eléctrica en el siglo XIX aumentaron enormemente su eficiencia y confiabilidad. Los primeros magnetos solo convirtieron un pequeño porcentaje de la energía mecánica en electricidad. A finales del siglo XIX, las eficiencias más altas superaron el 90%.

Luz electrica

Iluminación de arco

La demostración de Yablochkov de sus brillantes luces de arco en la Exposición de París de 1878 a lo largo de la Avenue de l'Opéra provocó una fuerte liquidación de las existencias de servicios de gas.

Sir Humphry Davy inventó la lámpara de arco de carbono en 1802 al descubrir que la electricidad podía producir un arco de luz 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 iniciaron haciendo contacto entre dos electrodos de carbono, que luego se separaron dentro de un espacio estrecho. Debido a que el carbono se quemó, la brecha tuvo que 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.

Las lámparas de arco de la época tenían una salida de luz muy intensa, en el rango de 4000 velas (candelas), y liberaban mucho calor, y eran un peligro de incendio, todo lo cual las hacía inapropiadas para iluminar hogares.

En la década de 1850, muchos de estos problemas se resolvieron con la lámpara de arco inventada por William Petrie y William Staite. La lámpara usaba un generador magnetoeléctrico y tenía un mecanismo de autorregulación para controlar el espacio entre las dos varillas de carbono. Su luz se utilizó para iluminar la National Gallery 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 los faros ingleses a mediados de la década de 1850, pero las limitaciones de energía impidieron que estos modelos fueran un éxito.

La primera lámpara de arco exitosa fue desarrollada por el ingeniero ruso Pavel Yablochkov y utilizó el generador Gramme . Su ventaja radicaba 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 Gramme lo promocionó en gran medida. La luz de arco se instaló a lo largo de media milla de la Avenue de l'Opéra , Place du Theatre Francais y alrededor de la Place de l'Opéra en 1878.

El ingeniero británico REB Crompton desarrolló un diseño más sofisticado en 1878 que proporcionó 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 preocupación era una de las primeras empresas de ingeniería eléctrica del mundo.

Bombillas incandescentes

Varias formas de bombillas incandescentes tuvieron numerosos inventores; sin embargo, las primeras bombillas más exitosas fueron las que usaban un filamento de carbono sellado en alto vacío. Estos fueron inventados por Joseph Swan en 1878 en Gran Bretaña y por Thomas Edison en 1879 en los Estados Unidos. La lámpara de Edison tuvo más éxito que la de Swan porque Edison usó un filamento más delgado, lo que le dio una mayor resistencia y, por lo tanto, condujo mucha menos corriente. Edison comenzó la producción comercial de bombillas de filamento de carbono en 1880. La lámpara de Swan comenzó la producción comercial en 1881.

La casa de Swan, en Low Fell , Gateshead, fue la primera del mundo en tener instaladas bombillas que funcionen. La Biblioteca Lit & Phil en Newcastle fue la primera sala pública iluminada con luz eléctrica, y el Teatro Savoy fue el primer edificio público del mundo iluminado completamente con electricidad.

Centrales eléctricas y sistemas aislados

Red eléctrica simple - América del Norte

Se cree que la primera estación central que proporciona energía pública es una en Godalming , Surrey, Reino Unido, 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 usar electricidad. . El sistema encendió 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.

La primera planta de suministro de distribución central a gran escala se inauguró en Holborn Viaduct en Londres en 1882. Equipada con 1000 bombillas incandescentes que reemplazaron la iluminación de gas más antigua, la estación iluminó Holborn Circus, incluidas las oficinas de la Oficina General de Correos y la famosa iglesia de City Temple. . El suministro fue una corriente continua a 110 V; debido a la pérdida de energía en los cables de cobre, esto ascendió a 100 V para el cliente.

En unas semanas, un comité parlamentario recomendó la aprobación de la histórica Ley de Iluminación Eléctrica de 1882, que permitía la concesión de licencias a personas, empresas o autoridades locales para suministrar electricidad para cualquier propósito 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 operar en septiembre de 1882. La estación tenía seis dínamos Edison de 200 caballos de fuerza, cada una impulsada por una máquina de vapor separada. Estaba ubicado 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 a 508 clientes 10.164 lámparas.

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 estaciones centrales en funcionamiento. El censo de 1902 enumeró 3.620 estaciones centrales. En 1925, la mitad de la energía la proporcionaban las estaciones centrales.

Factor de carga y sistemas aislados

Esquema de la red eléctrica en inglés

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 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 punto máximo. Como consecuencia, la mayoría de las primeras compañías eléctricas no brindaban servicio durante el día, y dos tercios no brindaban servicio durante el día en 1897.

La relación entre la carga promedio y la carga máxima de una estación central se denomina factor de carga. Para que las empresas eléctricas aumentaran la rentabilidad y bajaran las tarifas, era necesario incrementar el factor de carga. La forma en que esto se logró finalmente fue a través de la carga del motor. Los motores se utilizan más durante el día y muchos funcionan de forma continua. (Ver: Producción continua .) Los ferrocarriles eléctricos eran ideales para equilibrar la carga. Muchos ferrocarriles eléctricos generaban su propia energía y también vendían energía y operaban sistemas de distribución.

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 al motor. carga.

Antes de la distribución generalizada de energía desde las estaciones centrales, muchas fábricas, grandes hoteles, edificios de departamentos y oficinas tenían su propia generación de energía. A menudo, esto resultaba económicamente atractivo porque el vapor de escape se podía utilizar para calentar la construcción y los procesos industriales, </ref> que hoy se conoce como cogeneración o calor y energía combinados (CHP). La mayor parte de la energía autogenerada se volvió antieconómica a medida que cayeron los precios de la energía. Todavía a principios del siglo XX, los sistemas de energía aislados superaban en gran medida a las estaciones centrales. La cogeneración todavía se practica comúnmente en muchas industrias que utilizan grandes cantidades de vapor y energía, como pulpa y papel, productos químicos y refinación. El uso continuado de generadores eléctricos privados se denomina microgeneración .

Motores eléctricos de corriente continua

El primer motor eléctrico de corriente continua con conmutador capaz de hacer girar maquinaria fue inventado por el científico británico William Sturgeon en 1832. El avance crucial que representó sobre el 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.

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. Es fácil variar la velocidad con motores de CC, lo que los hizo adecuados para una serie de aplicaciones como ferrocarriles eléctricos, máquinas herramientas y otras aplicaciones industriales en las que era deseable el control de velocidad.

Corriente alterna

Aunque las primeras centrales suministraron corriente continua , la distribución de corriente alterna pronto se convirtió en la opción más favorecida. 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 se basa en el descubrimiento de Michael Faraday de 1830-31 de que un campo magnético cambiante puede inducir una corriente eléctrica en un circuito .

Trifásica campo magnético giratorio de un motor de corriente alterna . Cada uno de los tres polos está conectado a un cable independiente. Cada cable transporta corriente con 120 grados de separación en fase. Las flechas muestran los vectores de fuerza magnética resultantes. La corriente trifásica se utiliza en el comercio y la industria.

La primera persona en concebir un campo magnético giratorio fue Walter Baily, quien hizo una demostración práctica de su motor polifásico a batería con la ayuda de un conmutador el 28 de junio de 1879 a la Sociedad Física de Londres. 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 corrientes de CA de dos fases para producirlo. En 1886, el ingeniero inglés Elihu Thomson construyó un motor de CA ampliando el principio de inducción-repulsión y su vatímetro .

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 alimentación de CA, incluido un transformador temprano.

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 exhibieron la invención en Turín en 1884, donde fue adoptada 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.

Sebastian Ziani de Ferranti entró en este negocio en 1882 cuando abrió una tienda en Londres diseñando 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 transformador y generador de energía de CA en 1882. John Hopkinson , un físico británico , inventó el sistema de tres cables ( trifásico ) para la distribución de energía eléctrica, por lo que se le otorgó una patente en 1882.

El inventor italiano Galileo Ferraris inventó un motor de inducción de CA polifásico en 1885. La idea era que dos corrientes fuera de fase, 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 . Pudieron superar el problema de poner en marcha el motor de CA mediante el uso de un campo magnético giratorio producido por una corriente polifásica. 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. En 1895, GE y Westinghouse tenían motores de CA en el mercado. Con corriente monofásica, se puede usar un condensador o una bobina (creando inductancia) en parte del circuito dentro del motor para crear un campo magnético giratorio. Los motores de CA de varias velocidades que tienen polos cableados por separado han estado disponibles durante mucho tiempo, siendo los más comunes los de dos velocidades. La velocidad de estos motores se cambia al encender o apagar 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 fraccionada.

Estaciones de energía CA

La primera central eléctrica de CA fue construida por el ingeniero eléctrico inglés Sebastián 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 siendo pionero en el uso de corriente alterna de alto voltaje (10,000 V), generó 800 kilovatios y suministró el centro de Londres. Tras su finalización en 1891, fue la primera central eléctrica verdaderamente moderna, que suministró energía de CA de alto voltaje que luego se "redujo" con transformadores para uso del consumidor 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 aumento de voltaje de 20: 1 con reductor. En 1890 Westinghouse y Stanley construyeron un sistema para transmitir energía a varias millas de una mina en Colorado. Se tomó la decisión de utilizar CA para la transmisión de energía desde el Niagara Power Project hasta 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 programa. A pesar de las protestas del comisionado de Niagara, 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. La central hidroeléctrica entró en funcionamiento en 1895 y fue la más grande hasta esa fecha.

En la década de 1890, la CA monofásica y polifásica estaba experimentando una rápida introducción. En los EE. UU. En 1902, el 61% de la capacidad de generación era CA, aumentando al 95% en 1917. 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 que la CA se convirtiera en el estándar para los nuevos sistemas. .

Turbinas de vapor

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 motores de vapor alternativos , que funcionaban 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 en clasificaciones más altas que los motores alternativos y, en general, tenían una mayor eficiencia. La velocidad de las turbinas de vapor no fluctuaba cíclicamente durante cada revolución; viabilizar el funcionamiento en paralelo de los generadores de CA y mejorar 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, sin estar limitadas por la velocidad permitida de un pistón en un cilindro. Esto los hizo más compatibles con los generadores de CA con solo dos o cuatro polos; no se necesitaba una caja de cambios o un aumentador de velocidad con cinturón 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 clasificaciones muy grandes requeridas para el servicio de la estación central.

La turbina de vapor moderna fue inventada en 1884 por el británico Sir Charles Parsons , cuyo primer modelo estaba conectado a una dinamo que generaba 7,5 kW (10 CV) de electricidad. La invención de la turbina de vapor de Parson hizo posible una 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 y District Electric Lighting Company , establecida en 1894. Durante la vida de Parson, la capacidad de generación de una unidad se incrementó unas 10.000 veces. .

Una turbina de vapor Parsons de 1899 conectada directamente a una dínamo

Las primeras turbinas estadounidenses fueron dos unidades De Leval en Edison Co. en Nueva York en 1895. La primera turbina Parsons estadounidense estaba en Westinghouse Air Brake Co. cerca de Pittsburgh .

Las turbinas de vapor también tenían un costo de capital y ventajas operativas sobre los motores alternativos. El condensado de las máquinas de vapor estaba contaminado con aceite y no se podía reutilizar, mientras que el condensado de una turbina está limpio y normalmente se reutiliza. Las turbinas de vapor eran una fracción del tamaño y el peso de una máquina de vapor recíproca de clasificación comparable. Las turbinas de vapor pueden funcionar durante años casi sin desgaste. Las máquinas de vapor recíprocas 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 operar con vapor a mayor presión y temperatura. Un principio fundamental de la termodinámica es que cuanto mayor es la temperatura del vapor que entra en un motor, mayor es la eficiencia. La introducción de turbinas de vapor motivó una serie de mejoras en temperaturas y presiones. La mayor eficiencia de conversión resultante redujo los precios de la electricidad.

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.

Red eléctrica

Esta fotografía en blanco y negro muestra a trabajadores de la construcción levantando líneas eléctricas junto a las vías del ferrocarril de Toledo, Port Clinton, Lakeside Railroad en una zona rural.  Los trabajadores están usando un vagón de ferrocarril como su vehículo para transportar suministros y ellos mismos en la línea.  Fue tomada aproximadamente en 1920.
Trabajadores de la construcción levantando líneas eléctricas, 1920

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 Neptune Bank cerca de Newcastle upon Tyne en 1901, y en 1912 se había convertido en el sistema eléctrico integrado más grande de Europa. En 1905 trató de 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 una Comisión Parlamentaria para abordar el problema. . En 1916, Merz señaló que el Reino Unido podría usar su pequeño tamaño en su beneficio, creando una red de distribución densa para alimentar a sus industrias de manera eficiente. Sus hallazgos llevaron 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 (suministro) de electricidad más importante de 1926 condujo al establecimiento de la Red Nacional. La Junta Central de Electricidad estandarizó el suministro de electricidad del país y estableció la primera red de CA sincronizada, que funciona a 132 kilovoltios y 50 Hertz . Este comenzó a funcionar como un sistema nacional, 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 de Participación de Servicios Públicos reconoció a las empresas de servicios eléctricos como bienes públicos de importancia junto con las compañías de gas, agua y teléfono y, por lo tanto, se les dieron restricciones detalladas y supervisión regulatoria de sus operaciones.

Electrificación del hogar

La electrificación de los hogares en Europa y América del Norte comenzó a principios del siglo XX en las principales ciudades y en áreas 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 se electrificaron primero en Europa, y en los Estados Unidos , la Administración de Electricidad Rural , establecida en 1935, llevó la electrificación a las áreas rurales.

Costo histórico de la electricidad

La generación de energía eléctrica de la estación central proporcionó energía de manera más eficiente y a un costo menor que los generadores pequeños. El costo de capital y operativo por unidad de potencia también fue más barato con las estaciones centrales. El costo de la electricidad se redujo drásticamente en las primeras décadas del siglo XX debido a la introducción de turbinas de vapor y al factor de carga mejorado tras la introducción de los motores de CA. A medida que cayeron los precios de la electricidad, el uso aumentó drásticamente y las estaciones centrales se ampliaron a tamaños enormes, creando importantes economías de escala. Para el costo histórico, ver Ayres-Warr (2002) Fig.7.

Beneficios de la electrificación

Beneficios de la iluminación eléctrica

La iluminación eléctrica era muy deseable. La luz era mucho más brillante que las lámparas de aceite o gas, y no había hollín. Aunque la electricidad antigua era muy cara en comparación con la actual, era mucho más barata y más conveniente que la iluminación de petróleo o gas. La iluminación eléctrica era mucho más segura que el petróleo o el gas que algunas empresas pudieron pagar la electricidad con los ahorros del seguro.

Energía pre-eléctrica

"Una de las invenciones más importantes para una clase de trabajadores altamente calificados (ingenieros) sería una pequeña fuerza motriz, que puede variar desde la fuerza de medio hombre a la de dos caballos, que podría comenzar y cesar su acción en un momento de aviso, no requieren gasto de tiempo para su administración y tienen un costo modesto tanto en costo original como en gasto diario ". Charles Babbage, 1851

Trilladora en 1881.

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 aproximadamente 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 mientras que un viejo caballo ciego que podría desarrollar 1/2 caballo de fuerza cuesta $ 20 o menos. La maquinaria para usar caballos como energía cuesta $ 300 o menos.

Muchos requisitos de energía eran menores que los de un caballo. Las máquinas de taller, como los tornos para trabajar la madera, a menudo se accionaban con una manivela de 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 a partir de un eje de línea . A veces se usaban perros en máquinas como una cinta de correr, que se podía adaptar para batir mantequilla.

A finales del siglo XIX, los 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 de línea .

Los motores eléctricos eran varias veces más eficientes que las máquinas de vapor pequeñas porque la generación de la estación central era más eficiente que las máquinas de vapor pequeñas y porque los ejes de línea y las correas tenían altas pérdidas por fricción.

Los motores eléctricos eran más eficientes que la energía humana o animal. La eficiencia de conversión de la alimentación animal en trabajo es de entre el 4 y el 5% en comparación con más del 30% de la electricidad generada con carbón.

Impacto económico de la electrificación

La electrificación y el crecimiento económico están altamente correlacionados. En economía, se ha demostrado que la eficiencia de la generación eléctrica se correlaciona con el progreso tecnológico .

En los EE. UU., Desde 1870 hasta 1880, cada hora hombre se proporcionó con .55 hp. En 1950, cada hora hombre contaba con 5 caballos de fuerza, o un aumento anual del 2,8%, que descendió al 1,5% entre 1930 y 1950. El período de electrificación de fábricas y hogares de 1900 a 1940 fue de alta productividad y crecimiento económico.

La mayoría de los estudios de electrificación y redes eléctricas se centraron en los países industriales centrales de Europa y Estados Unidos. En otros lugares, la electricidad por cable se transportaba a menudo 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 India, Rao demostró que la política regional basada en la lingüística - no consideraciones tecnogeográficas - llevó a la creación de dos redes separadas; en la Zimbabwe colonial (Rhodesia), Chikowero demostró que la electrificación se basaba en la raza y servía a la comunidad de colonos blancos al tiempo que excluía a los africanos; y en Mandate Palestine, Shamir afirmó que las concesiones eléctricas británicas a una empresa de propiedad sionista profundizaban las disparidades económicas entre árabes y judíos.

Alcance actual de la electrificación

Mapa mundial que muestra el porcentaje de la población de cada país con acceso a la red eléctrica , a partir de 2017.
  80% –100%
  60% –80%
  40% –60%
  20% -40%
  0-20%

Si bien la electrificación de ciudades y hogares ha existido desde fines del siglo XIX, alrededor de 840 millones de personas (principalmente en África) no tenían acceso a la red eléctrica en 2017, frente a los 1.200 millones en 2010.

El progreso más reciente en electrificación tuvo lugar entre las décadas de 1950 y 1980. En los años setenta y ochenta se observaron grandes avances: del 49 por ciento de la población mundial en 1970 al 76 por ciento en 1990. Los avances recientes han sido más modestos: a principios de la década de 2010, del 81 al 83 por ciento de la población mundial tenía acceso a la electricidad.

Electrificación para energía sostenible

El transporte electrificado y el calor son partes clave de la inversión para la transición a las energías renovables

Dado que la energía limpia se genera principalmente en forma de electricidad, como energía renovable o energía nuclear , un 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.

Electrificación del transporte

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. Los vehículos de hidrógeno pueden ser una opción para vehículos más grandes que aún no han sido ampliamente electrificados, como los camiones de larga distancia. 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.

Electrificación de calefacción

Una gran parte de la población mundial no puede permitirse un enfriamiento suficiente para sus hogares. Además del aire acondicionado , que requiere electrificación y una demanda de energía adicional, se necesitará un diseño de edificios pasivos y una planificación urbana para garantizar que las necesidades de refrigeración se satisfagan de manera sostenible. De manera similar, muchos hogares en el mundo desarrollado y en desarrollo sufren de pobreza energética y no pueden calentar sus casas lo suficiente. Las prácticas de calefacción existentes a menudo son 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 los requisitos de calefacción de agua y espacio a nivel mundial, pero podrían proporcionar más del 90%. 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 extremos de suministro eléctrico pico de verano.

Transición de gas natural

Con el fin de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los defensores del medio ambiente proponen una transición completamente alejada del gas natural para cocinar y calentar, reemplazándolo con electricidad generada a partir de fuentes renovables. Algunas ciudades de los Estados Unidos han comenzado a prohibir las conexiones de gas para las casas nuevas, con leyes estatales aprobadas y en consideración para exigir la electrificación o prohibir los requisitos locales. El gobierno del Reino Unido está experimentando con la electrificación de la calefacción doméstica para cumplir con sus objetivos climáticos. El calentamiento por inducción y cerámica para estufas, así como aplicaciones industriales (por ejemplo, galletas de vapor) son ejemplos de tecnologías que se pueden utilizar para hacer la transición desde el gas natural.

Resiliencia energética

Sistema de energía híbrido

La electricidad es una forma de energía "pegajosa", ya que tiende a permanecer en el continente o isla donde se produce. También es de múltiples fuentes; si una fuente sufre escasez, la electricidad se puede producir a partir de otras fuentes, incluidas las renovables . Como resultado, a largo plazo es un medio de transmisión de energía relativamente resistente. 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 se pueden entregar y almacenar in situ. Sin embargo, eso puede mitigarse mediante el almacenamiento de energía de la red y la generación distribuida .

Gestión de fuentes de energía variables

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. La mayoría de las redes eléctricas se construyeron para fuentes de energía no intermitentes, como las centrales eléctricas de carbón. 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 adapte a la demanda. En 2019, estas fuentes generaron el 8,5% de la electricidad mundial, una proporción que ha crecido rápidamente.

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. La vinculación de diferentes regiones geográficas a través de líneas de transmisión de larga distancia permite cancelar aún más la variabilidad. La demanda de energía se puede cambiar en el tiempo a través de 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. La creación de capacidad adicional para la generación eólica y solar puede ayudar a garantizar que se produzca suficiente electricidad incluso con mal tiempo; durante las condiciones climáticas óptimas, es posible que haya que reducir la generación de energía . El desajuste final puede cubrirse mediante el uso de fuentes de energía despachables como la energía hidroeléctrica, la bioenergía o el gas natural.

Almacen de energia

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Construcción de tanques de sal para almacenar energía térmica

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. El método de almacenamiento más utilizado es la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo , que requiere ubicaciones con grandes diferencias de altura y acceso al agua. Las baterías , y específicamente las baterías de iones de litio , también se utilizan ampliamente. Contienen cobalto , que se extrae principalmente en el Congo , una región políticamente inestable. Más diversa de abastecimiento geográfica puede garantizar la estabilidad de la cadena de suministro y su impacto ambiental puede ser reducida por downcycling y reciclaje. Las baterías suelen almacenar electricidad durante períodos cortos; Se está investigando una tecnología con capacidad suficiente para durar temporadas. En algunos lugares se ha implementado el almacenamiento de agua por bombeo y la conversión de energía a gas con capacidad para un uso de varios meses.

A partir de 2018, el almacenamiento de energía térmica generalmente no es tan conveniente como la quema de combustibles fósiles. Los altos costos iniciales constituyen una barrera para la implementación. El almacenamiento de energía térmica estacional requiere una gran capacidad; se ha implementado en algunas regiones de latitudes altas para la calefacción doméstica.

Ver también

Referencias

Notas

Bibliografía

enlaces externos