Generación de Electricidad

Generadores eléctricos y máquinas térmicas

Cuando cualquier tipo de energía, sea mecánica, térmica u otra, se convierte en electricidad, se habla de generación eléctrica. El proceso más corriente es convertir la energía inicial en energía mecánica y luego ésta en electricidad mediante una máquina llamada generador eléctrico. La energía inicial puede provenir de distintas fuentes naturales como el agua y el viento, los que son capaces de producir movimiento para generar la electricidad.

Los generadores eléctricos convierten la energía mecánica de un eje que gira en energía eléctrica. Si un conductor, por ejemplo un cable de cobre, se encuentra en un campo magnético variable, se genera una diferencia de potencial (voltaje); esto también se llama inducción electromagnética. El campo magnético variable se produce por la rotación de la parte central del generador, llamada rotor; la parte fija se llama estátor.

El voltaje o potencial eléctrico indica un nivel de energía; los electrones se mueven siempre desde un punto con potencial alto hacia uno con potencial bajo.

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También es frecuente convertir la fuente original de energía en calor (energía térmica) y luego ésta en energía mecánica, proceso que se realiza mediante una máquina térmica. Este es el caso, por ejemplo, de la energía química de los combustibles y la nuclear. También hay otros procesos más directos, como las celdas fotovoltaicas, que convierten energía solar en electricidad y las celdas de combustible, que convierten energía química en electricidad.

La máquina a vapor es la primera máquina térmica, y probablemente la más exitosa. Se hizo comercial gracias a Thomas Newcomen, un inventor que alrededor de 1712 empezó a usarlas en las minas de carbón de Inglaterra. Sin embargo, hoy la máquina a vapor ha sido casi completamente desplazada por otras mucho más eficientes y económicas.

Las máquinas térmicas convierten calor en energía mecánica, y esta última en electricidad mediante un generador. Para esta operación se utilizan diversos sistemas:

1. Turbina a vapor, también llamada ciclo Rankine. Esta turbina es sólo parte de un sistema más complejo, por lo que es preferible llamarlo planta o ciclo de generación. Está formada por gran número de paletas (álabes) unidas a un eje El vapor entra a gran velocidad, choca con los álabes y los hace girar. El eje de la turbina mueve un generador que produce la energía eléctrica. El vapor que sale va al condensador, donde se transforma en agua líquida.
2. Turbina a gas o ciclo Brayton, se parece a la de vapor porque ambas tienen álabes unidos al eje. Sin embargo, la de gas tiene un componente adicional, el compresor, también formado por álabes que están unidos al mismo eje de la turbina; en éste el aire del ambiente es aspirado y comprimido. A continuación se calienta en la cámara de combustión por la quema de un combustible, para finalmente pasar por la turbina propiamente tal. Los gases calientes mueven la turbina, la que hace girar el compresor y el generador eléctrico.
3. Motor diésel. Este tipo de motores es ampliamente utilizado en el transporte terrestre, no solo en vehículos mayores sino que también en automóviles. Es muy usado en plantas termoeléctricas de mediana potencia.
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   Los motores diésel utilizan un sistema de cuatro tiempos: admisión, compresión, inyección y encendido y escape. En el primer tiempo, el aire entra, luego se comprime con el empuje del émbolo del pistón hacia arriba, lo que eleva la temperatura del aire. En el tercer tiempo se inyecta el combustible, el cual con la alta temperatura y presión del aire produce la combustión; el combustible mezclado con el aire se quema rápidamente con lo cual el gas se expande y empuja el pistón hacia abajo, lo cual provoca el movimiento. Finalmente, se produce el escape de los gases y se inicia un nuevo ciclo.
4. Generador eléctrico de ciclo combinado. Consiste en una turbina a gas unida a una de vapor. El gas natural se enciende al ingresar y hace girar los álabes de la turbina a gas, generando gran energía. Los gases calientes que salen de la turbina a gas pasan por una caldera de recuperación, donde se genera vapor de alta presión, el que se expande en la turbina a vapor. Ambas turbinas generan electricidad. La turbina a vapor tiene un condensador tal como en el ciclo Rankine. La eficiencia de este ciclo es superior a la de cada ciclo separado.

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Celdas de combustible

Estas convierten directamente la energía química de un combustible en electricidad. Sus primeras aplicaciones fueron en programas espaciales. Actualmente el tipo de celda más común usa hidrógeno como combustible, generando energía eléctrica con eficiencias del orden del 50%, sin producir ningún contaminante; el único producto que descargan es agua pura. Muchos científicos y técnicos piensan que el combustible del futuro es el hidrógeno y que la mejor forma de usarlo es en este tipo de celdas.

El hidrógeno puede obtenerse a partir de agua, abundante y barata, utilizando electricidad generada por fuentes renovables no contaminantes, como energía hidráulica, del viento o solar; el gran inconveniente de las celdas de combustible es que todavía su costo es elevado.

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Estas celdas tienen un ánodo (electrodo negativo) a donde llega el combustible y cátodo (electrodo positivo) al cual llega el oxidante que normalmente es el aire del ambiente. Entre los dos electrodos hay una solución (electrolito) que permite el paso de iones, pero no de electrones. En el electrolito los iones positivos se mueven hacia el electrodo positivo, impulsados por el potencial (fuerza) químico a través del electrolito. Los electrones que gana el ánodo y pierde el cátodo generan el voltaje entre ambos electrodos, lo que permite la circulación de corriente por el aparato que consume la electricidad.

Máquina a vapor

Fue clave en el desarrollo del transporte por ferrocarril. Aunque eran muy ineficientes, fueron hasta el siglo XIX las únicas que podían mover los pesados vagones del tren.

En Chile, aun se conserva como recuerdo histórico la primera máquina a vapor que se utilizó en el ferrocarril entre Copiapó y Caldera, gracias al auge de las minas de plata de Chañarcillo. Se inauguró en 1851; fue el primer ferrocarril en Chile y de los primeros en América.