Producción de energía eléctrica


La energía puede presentarse en formas muy variadas, como ya vimos, pero para nuestro estudio la mas interesante e importante es aquella que se manifiesta a través de los fenómenos eléctricos: la energía eléctrica. En esta oportunidad veremos de que maneras se puede producir la energía eléctrica.


Producción de electricidad


Existen numerosas formas de producir electricidad, algunas mas útiles que otras. Veámos cuales son_


Producción por frotamiento


Seguramente te ha sucedido que, después de caminar sobre una alfombra o de andar en auto o de jugar un tiempo con una pelota de basquet , tocas a otra persona o un objeto metálico y sientes un fuerte chispazo, una descarga eléctrica.
Esa descarga se debe a que cuando frotas ciertos materiales, aparece en ellos electricidad, que puede llegar a alcanzar valores muy altos y que recibe el nombre de “electrostática”.



Fig. 2.0. Electrostática.


La electricidad electrostática es difícil de controlar y almacenar, por lo que no es aprovechable. Si en cambio puede representar un riesgo en algunos casos, por ejemplo cuando hay transporte o manipulación de elementos inflamables.


Producción por reacción química


Algunas reacciones químicas producen electricidad. Es lo que sucede dentro de una batería o una pila. Por ejemplo, si se introducen dos electrodos, uno de Cobre y otro de Zinc en una solución de agua con ácido sulfúrico, se produce electricidad entre los dos electrodos. Esta producción se mantendrá hasta que se agote la reacción química, lo que conocemos como “descarga” de la batería.


Algunas reacciones químicas son reversibles. Esto quiere decir que, luego del proceso de descarga, podemos volver la batería a su estado inicial suministrándole electricidad desde el exterior. Esto es lo que conocemos como el proceso de carga de una batería.


Las baterías y pilas son muy útiles en aplicaciones como alimentación de equipos portátiles, automóviles, almacenamiento de electricidad en caso de emergencia, etc.



Fig. 2.1. Una batería y una pila


Producción por presión


Algunos materiales, como los cristales de cuarzo, cuando son golpeados o presionados producen electricidad. Este fenómeno se llama piezoelectricidad.


La electricidad generada de esta forma tiene valores muy pequeños y no sirve su consumo o almacenamiento, pero si se la utiliza en aplicaciones como micrófonos, mediciones de presión o encendedores.



Fig 2.2 Piezoelectricidada


Producción por acción de la luz


La luz, que es una forma de energía, puede ser convertida directamente a electricidad usando celdas fotovoltaicas. Estas celdas, también llamadas celdas solares, pueden producir una cantidad moderada de electricidad, sobre todo si hay buenas condiciones climáticas (mucho sol) y sirven como complemento en lugares apartados de la red de energía eléctrica.



Fig 2.3. Producción de energía eléctrica con un panel solar


Producción por efecto del calor


Si se unen dos metales de propiedades especiales, como el Cobre y el Constantán y se calienta el punto de unión, se produce electricidad por un fenómeno denominado “termoelectricidad”. La energía producida de esta forma es muy pequeña. Este efecto se aprovecha para la construcción de termocuplas, una especie de “termómetro” muy utilizado para medir temperaturas elevadas.



Fig. 2.4. Termoelectricidad


Producción por acción magnética


Cuando se mueve un conductor eléctrico en las cercanías de un imán, aparece energía eléctrica en el conductor. Lo mismo sucede si el conductor está quieto y se mueve el imán en su cercanía. Este fenómeno se conoce como inducción magnética. La inducción magnética es el principio de funcionamiento de los alternadores, construidos con bobinas de alambre de cobre que se hacen girar dentro del campo magnético fijo creado por imanes o electroimanes. Los alternadores se utilizan en los distintos tipos de centrales eléctricas para producir energía eléctrica en gran escala.



Fig. 2.5. Principio de funcionamiento del alternador


Centrales eléctricas


La energía eléctrica que utilizamos en nuestros hogares o que es empleada en la industria se genera en centrales eléctricas que, en la mayoría de los casos, es producida por alternadores movidos por distintos métodos.


Las centrales que generan la mayor parte de la energía son las denominadas “de base” y son del tipo termoeléctrica, hidroeléctrica y nucleoeléctrica. Además de estas, existen otras centrales que emplean energías alternativas como las eólicas, solares, geotérmicas, mareomotrices o biocombustibles.


Centrales termoeléctricas


Las centrales termoeléctricas o térmicas utilizan la energía contenida en el vapor de agua a presión. Una analogía sencilla consiste en usar una pava para generar vapor y luego mover una rueda de paletas enlazada a un generador. El chorro de vapor procedente de la pava mueve las paletas y éstas a su vez al generador. Para producir vapor las centrales térmicas queman distintos tipos de combustibles fósiles, como gasoil, fueloil, carbón o gas.


Estas centrales son relativamente baratas de construir, pero tienen la gran desventaja de quemar combustibles fósiles no renovables y generar dióxido de carbono que contribuye al efecto invernadero.



Fig. 2.6. Central termoeléctrica


Centrales hidroeléctricas


Convierten en energía eléctrica la energía potencial del agua almacenada en una represa o dique. Esto se realiza a través de un sistema de captación que conduce el agua a las turbinas. Al pasar por ellas a gran velocidad, el agua provoca un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores. Una vez utilizada el agua es devuelta río abajo.



Fig. 2.7. Central hidroeléctrica


Las ventajas de las centrales de este tipo son numerosas: No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, son limpias, pues no contaminan ni el aire ni el agua; a menudo pueden combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, etc; y tiene costos de mantenimiento y explotación son bajos.


Sin embargo, como desventajas podemos mencionar que su construcción lleva largo tiempo; la disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año y también que pueden afectar el clima.


Centrales nucleoeléctricas o nucleares


Se caracterizan por el empleo de combustible nuclear que mediante reacciones nucleares proporcionan calor que a su vez es empleado para la generación de vapor para producir el movimiento de alternadores que transforman el trabajo mecánico en energía eléctrica.


Entre sus ventajas podemos citar que producen mucha energía de forma continua y no generan emisiones de gases de efecto invernadero durante su funcionamiento.


Las desventajas mas importantes son que su combustible es limitado (aunque abundante), generan residuos radiactivos activos durante miles de años y pueden ocasionar graves catástrofes medioambientales en caso de accidente.


Energías renovables


Los combustibles fósiles que se queman en las centrales térmicas no son inagotables y además deterioran el medio ambiente. Las centrales hidroeléctricas usan un recurso renovable, pero también tienen su impacto ambiental. Las centrales nucleares usan un combustible que es muy abundante, pero que en algún momento se agotará, además de ser potencialmente peligrosas en caso de desastre y generar residuos de difícil manipulación.



Fig. 2.8. Central nucleoeléctrica


Las energías renovables son aquellas que producen electricidad a partir de recursos que no se agotan con el tiempo y además no producen residuos o impactos negativos sobre el medio ambiente.


Los métodos de aprovechar estas energías renovables para la producción de electricidad mas comunes son:


Generadores eólicos: También llamados aerogeneradores usan unas grandes aspas para convertir la energía del viento en electricidad usando un alternador.


Biomasa: Aprovechan la generación de calor, a través de la combustión, pirolisis o gasificación de residuos de origen vegetal o animal.


Generadores solares: En la actualidad se usan dos tipos, solar fotovoltaica y solar térmica. En el primer caso, la conversión a energía eléctrica es directa, aprovechando las propiedades de unos materiales especiales llamados semiconductores. En el segundo, la luz del sol se concentra para producir vapor y así mover una turbina, que a su vez acciona al alternador.


Geotérmica: Aprovechan el agua caliente o vapor que emerge naturalmente del suelo en algunas regiones.


Mareomotriz: Este método de generación aprovecha la gran diferencia de altura que existe entre la marea alta y la marea baja que se produce en algunas regiones.


Las energías renovables aún representan un porcentaje bajo en el total de producción de electricidad, porque producen poca potencia y a un costo elevado, pero se investiga continuamente para mejorar su eficiencia y abaratar sus costos de producción.


Las energías renovables aportan un 20% del total, si se incluye a las centrales hidroeléctricas, que constituyen la mayor parte de la generación dentro de este rubro (71,1%). Le siguen la generación eólica (17,5%) que es la que mas crece en la actualidad, la generación solar y por biomasa (5,3%), la geotérmica (0,8%) y la mareomotriz con un aporte insignificante. Es de esperar que estos porcentajes aumenten en los próximos años.



Fig. 2.9. Distribución del uso de distintas fuentes de energía


Producción y consumo de Energía eléctrica


Los seres humanos necesitan energía para poder vivir y para poder realizar las actividades que desempeñan. Sin embargo, este consumo de energía ha variado a lo largo de la historia de la humanidad.


Los primeros hombres que habitaron la Tierra sólo consumían la energía de los alimentos, que se procuraban a partir de la recolección de productos vegetales, la caza y la pesca.



Fig 2.10. Uso de energías renovables


A partir del descubrimiento del fuego, los grupos humanos empezaron además a usar la energía de la madera para calentarse, iluminarse, cocinar los alimentos, ayudarse en la fabricación de utensilios y dejar sus primeras marcas en las paredes de las cavernas. Al desplazarse en búsqueda de alimentos, los seres humanos comenzaron a utilizar animales de carga. A partir del desarrollo de tareas de cultivo, además de la energía de los animales, usaron la energía del agua y del viento para mover molinos.


Es decir, a medida que el ser humano buscó un mayor bienestar material, fue necesaria una creciente transformación de energías en su propio provecho. Poco a poco se fueron empleando herramientas y máquinas de todo tipo que ayudaran a producir los diversos productos que se fabricaban para la vida cotidiana; máquinas que consumían más y más energía.


Así llegamos a la actualidad, en que se consume mucha energía por habitante. Obviamente, no todas las personas consumen la misma cantidad de energía, pero si dividimos la energía total consumida en cada país por su cantidad de habitantes, obtenemos lo que se llama el "consumo promedio por habitante". Según sean sus países de origen, algunos seres humanos del siglo XXI gastan hasta 20 veces (y más) la energía empleada por una persona de la prehistoria.


Esto quiere decir que para vivir con la calidad de vida actual se requiere conseguir energía en grandes cantidades. Necesitamos energía para cocinar, para calentarnos en invierno, para refrescarnos en verano, para subir y bajar en los edifi cios de muchos pisos, para curar a los enfermos, para iluminarnos, para protegernos, para trasladarnos de un lado a otro, para producir útiles y maquinarias, para producir alimentos y para conservarlos, para comunicarnos, para divertirnos, para construir nuestras casas, caminos, túneles, puentes, para construir máquinas que transformen energías, etc.


Este incremento en las exigencias de energía ha producido un aumento en el consumo de los combustibles fósiles, que son contaminantes, entre otras causas, por la emisión de dióxido de Carbono, que produce el efecto invernadero.


Si bien no se avizora que sea posible el reemplazo sustancial de los combustibles fósiles en el corto plazo, ni en el mediano, existen hoy algunas líneas de acción que tienen el consenso internacional y que están encaminadas en la dirección correcta. Estas pueden agruparse en tres. A saber:


Reducir la emisión de CO2 al utilizar recursos fósiles: Este concepto implica el desarrollo de nuevas tecnologías energéticas que, si bien siguen utilizando recursos fósiles, lo hacen de manera más eficiente.



Fig. 2.11. Quema de carbón para generar electricidad.


Diversificar la matriz energética: Esto quiere decir que es importante incorporar más fuentes de energías renovables y de tecnologías maduras como la nuclear y la hidroeléctrica en gran escala.


Ahorrar energía y mejorar la Eficiencia Energética: Esto implica modificar las pautas de consumo para hacer un mejor uso de la energía eléctrica y utilizar equipos y aparatos que sean mas eficientes.


En suma, incorporar pautas de Ahorro y Eficiencia en la sociedad sería una manera de reducir apreciablemente las proyecciones de consumo energético, con los lógicos beneficios ambientales al generar menos emisiones.



Fig. 2.12. Evolución del consumo de energía a lo largo de la historia.


Video sobre producción de energía:


Diferentes formas de generar electricidad:



Energía solar:



Energía geotérmica:



Energía hidroeléctrica: