La electrificación es el proceso de energía eléctrica y, en muchos contextos, la introducción de dicha energía al cambiar de una fuente de energía anterior. El amplio significado 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 y distribución de energía eléctrica que se produjeron en Gran Bretaña, Estados Unidos y otros países ahora desarrollados desde mediados de la década de 1880 hasta alrededor de 1950 y todavía está en progreso en las zonas rurales de algunos países en desarrollo. Esto incluyó la transición en la fabricación del eje de la línea y la transmisión por correa utilizando máquinas de vapor y agua para motores eléctricos . [1] [2]
La electrificación de sectores particulares de la economía se llama por términos como electrificación de fábrica , electrificación doméstica , electrificación rural o electrificación ferroviaria . También puede aplicarse a las cambiantes procesos industriales, tales como la fundición, de fusión, la separación o del refinado a partir de carbón o calentamiento coque, o procesos químicos para algún tipo de proceso eléctrico, tales como horno eléctrico de arco , de inducción eléctrica o la resistencia de calentamiento, o electrólisis o de separación electrolítica.
La Electrificación fue llamada "el mayor logro de ingeniería del siglo XX" por la Academia Nacional de Ingeniería .
Historia de la electrificación [ editar ]
Desarrollo de magnetos, dinamos y generadores [ editar ]
En los años de 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 Faraday , un tipo de generador homopolar , utilizando 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 del conductor que generaban más corriente, pero era AC. André-Marie Ampère sugirió un medio para convertir la corriente del magneto de Pixii a DC usando un interruptor oscilante. Los conmutadores segmentados posteriores se utilizaron para producir corriente continua. [4]
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 hicieron una mejora importante en la generación eléctrica al usar un electroimán alimentado por batería en lugar de un imán permanente, que patentaron en 1845. [5] La dinamo de campo magnético autoexcitado eliminó la batería para alimentar electroimanes. Este tipo de dinamo fue realizado por varias personas en 1866.
El primer generador práctico, la máquina Gramme, fue fabricado por ZT Gramme, quien vendió muchas de estas máquinas en la década de 1870. El ingeniero británico REB Crompton mejoró el generador para permitir una mejor refrigeración por aire e hizo otras mejoras mecánicas. El devanado compuesto, que dio un voltaje más estable con la carga, mejoró las características operativas de los generadores. [6]
Las mejoras en la tecnología de generación eléctrica aumentaron la eficiencia y la fiabilidad en gran medida en el siglo XIX. Los primeros magnetos solo convirtieron un pequeño porcentaje de energía mecánica en electricidad. A fines del siglo XIX, las eficiencias más altas superaron el 90%.
Iluminación eléctrica [ editar ]
Iluminación de arco [ editar ]
Sir Humphry Davy inventó la lámpara de arco de carbono en 1802 al descubrir que la electricidad podría producir un arco de luz con electrodos de carbono. Sin embargo, no se usó 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. [7]
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 constituían un peligro de incendio, lo que las hacía inapropiadas para encender casas. [8]
En la década de 1850, muchos de estos problemas fueron resueltos por la lámpara de arco inventada por William Petrie y William Staite. La lámpara utilizaba un generador magnetoeléctrico y tenía un mecanismo autorregulador para controlar la brecha entre las dos barras 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 a este, alimentados por grandes magnetos, se instalaron por primera vez en faros ingleses a mediados de la década de 1850, pero las limitaciones de potencia impidieron que estos modelos tuvieran un éxito adecuado. [9]
La primera lámpara de arco exitosa fue desarrollada por el ingeniero ruso Pavel Yablochkov , y utilizó el generador Gramme . Su ventaja radica en el hecho de que no requiere el uso de un regulador mecánico como sus predecesores. Fue exhibido por primera vez en la Exposición de París de 1878 y fue fuertemente promovido por Gramme. [10] 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. [11]
El ingeniero británico REB Crompton desarrolló un diseño más sofisticado en 1878 que dio 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 firmas de ingeniería eléctrica en el mundo.
Bombillas incandescentes [ editar ]
Varias formas de bombillas incandescentes tuvieron numerosos inventores; sin embargo, las primeras bombillas más exitosas fueron aquellas que usaron un filamento de carbono sellado en un 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, dándole mayor resistencia y, por lo tanto, conduciendo mucha menos corriente. Edison comenzó la producción comercial de bombillas de filamento de carbono en 1880. La luz de Swan comenzó la producción comercial en 1881. [12]
La casa de Swan, en Low Fell , Gateshead, fue la primera del mundo en instalar bombillas de luz. La Biblioteca Lit & Phil en Newcastle , fue la primera sala pública iluminada por luz eléctrica, [13] [14] y el Teatro Savoy fue el primer edificio público del mundo iluminado completamente por electricidad. [15]
Centrales eléctricas centrales y sistemas aislados [ editar ]
Se cree que la primera estación central que proporciona energía pública es una en Godalming , Surrey, Reino Unido, otoño de 1881. El sistema fue propuesto después de que la ciudad no llegó a un acuerdo sobre la tarifa cobrada por la compañía de gas, por lo que el ayuntamiento decidió utilizar la electricidad. . El sistema encendió lámparas de arco en las calles principales y lámparas incandescentes en algunas calles laterales con energía hidroeléctrica. Para 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. [dieciséis]
La primera planta de suministro de distribución central a gran escala se abrió en el Viaducto de Holborn en Londres en 1882. [17] 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 el famoso Iglesia del templo de la ciudad . El suministro era una corriente continua a 110 V; Debido a la pérdida de potencia en los cables de cobre, esto ascendió a 100 V para el cliente.
En cuestión de 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 estación de energía central a gran escala en Estados Unidos fue la estación de la calle Pearl de Edison en Nueva York, que comenzó a funcionar en septiembre de 1882. La estación tenía seis dinamos Edison de 200 caballos de fuerza, cada uno impulsado por una máquina de vapor separada. Estaba ubicado en un distrito comercial y comercial y suministraba corriente continua de 110 voltios a 85 clientes con 400 lámparas. Para 1884, Pearl Street suministraba a 508 clientes 10,164 lámparas. [18]
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 Estados Unidos y Siemens en Alemania . Para 1890 había 1000 estaciones centrales en funcionamiento. [7] El censo de 1902 enumeró 3.620 estaciones centrales. Para 1925 la mitad del poder era provisto por las estaciones centrales. [19]
Factor de carga y sistemas aislados [ editar ]
Uno de los mayores problemas que enfrentaron las primeras compañías eléctricas fue la demanda variable por hora. 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 alcanzó su punto máximo. [20] Como consecuencia, la mayoría de las primeras compañías eléctricas no proporcionaron servicio durante el día, y dos tercios no proporcionaron servicio durante el día en 1897. [21]
La relación entre la carga promedio y la carga máxima de una estación central se llama factor de carga. [22] Para que las compañías eléctricas aumentaran la rentabilidad y bajaran las tasas, era necesario aumentar el factor de carga. La forma en que esto finalmente se logró fue a través de la carga del motor. [20] Los motores se usan más durante el día y muchos funcionan continuamente. (Ver: Producción continua .) Los ferrocarriles eléctricos de la calle eran ideales para el equilibrio de carga. Muchos ferrocarriles eléctricos generaban su propia energía y también vendían energía y operaban sistemas de distribución. [2]
El factor de carga ajustado 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. Para 1929, el factor de carga en todo el mundo era mayor al 50%, principalmente debido al motor carga. [23]
Antes de la distribución generalizada de energía desde las estaciones centrales, muchas fábricas, grandes hoteles, departamentos y edificios de oficinas tenían su propia generación de energía. A menudo, esto era económicamente atractivo porque el vapor de escape podía usarse para la construcción y el calor de procesos industriales, [24] que hoy se conoce como cogeneración o combinación de calor y energía (CHP). La mayor parte de la energía autogenerada se volvió antieconómica a medida que cayeron los precios. Ya a principios del siglo XX, los sistemas de energía aislados superaban en número a las estaciones centrales. [7] La cogeneración todavía se practica comúnmente en muchas industrias que usan grandes cantidades de vapor y energía, como pulpa y papel, productos químicos y refinación. El uso continuado de generadores eléctricos privados se llamamicrogeneración .
Motores eléctricos de corriente continua [ editar ]
El primer motor eléctrico de CC del conmutador capaz de girar maquinaria fue inventado por el científico británico William Sturgeon en 1832. [25] El avance crucial que esto 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. [26]
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 los cepillos. Sprague vendió su motor a través de Edison Co. [27] Es fácil variar la velocidad con los motores de CC, lo que los hizo adecuados para una serie de aplicaciones, como ferrocarriles eléctricos, máquinas herramientas y ciertas otras aplicaciones industriales donde el control de velocidad era deseable. [7]
Corriente alterna [ editar ]
Aunque las primeras centrales eléctricas 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 basó en el descubrimiento de Michael Faraday 1830–31 de que un campo magnético cambiante puede inducir una corriente eléctrica en un circuito . [28]
La primera persona en concebir un campo magnético giratorio fue Walter Baily, quien realizó una demostración práctica de su motor polifásico que funciona con baterías y fue ayudado por un conmutador el 28 de junio de 1879 a la Sociedad Física de Londres. [29] Casi idéntico al aparato de Baily, el ingeniero eléctrico francés Marcel Deprez en 1880 publicó un artículo que identificaba el principio del campo magnético giratorio y el de un sistema de corriente alterna de dos fases para producirlo. [30] En 1886, el ingeniero inglés Elihu Thomson construyó un motor de CA expandiendo el principio de inducción-repulsión y su vatímetro . [31]
Fue en la década de 1880 que 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 compañía Siemens, colaboró con el distinguido físico Lord Kelvin para ser pionero en la tecnología de energía de CA, incluido un transformador temprano. [32]
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. [ cita requerida ]
Sebastian Ziani de Ferranti entró en este negocio en 1882 cuando estableció una tienda en Londres diseñando varios dispositivos eléctricos. Ferranti creía en el éxito de la distribución 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 generador y transformador de energía de CA en 1882. [33] John Hopkinson , un físico británico , inventó el sistema de tres cables ( trifásico ) para la distribución de energía eléctrica, para lo cual se le concedió una patente en 1882. [34]
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, pudieran usarse para producir dos campos magnéticos que pudieran 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 . [35] Pudieron superar el problema de arrancar el motor de CA mediante el uso de un campo magnético giratorio producido por una corriente polifásica. [36] 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 los EE . UU. [37] En 1895, GE y Westinghouse tenían motores de CA en el mercado. [38] 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. [39] Los motores de CA de varias velocidades que tienen postes cableados por separado han estado disponibles desde hace mucho tiempo, el más común es el de dos velocidades. La velocidad de estos motores se cambia activando o desactivando conjuntos de polos, lo que se hizo con un arrancador de motor especial para motores más grandes, o un simple interruptor de velocidad múltiple para motores de potencia fraccionaria.
Centrales eléctricas de CA [ editar ]
La primera estación de energía de CA fue construida por el ingeniero eléctrico inglés Sebastian 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 boca de Deptford Creek, una vez utilizado por la Compañía de las Indias Orientales.. Construido en una escala sin precedentes y pionero en el uso de corriente alterna de alto voltaje (10,000 V), generó 800 kilovatios y suministró el centro de Londres. Cuando se completó en 1891, fue la primera central eléctrica verdaderamente moderna, que suministró energía de CA de alto voltaje que luego fue "reducida" con transformadores para uso del consumidor en cada calle. Este sistema básico sigue en uso 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 voltaje de aumento 20: 1 con reducción de voltaje. En 1890 Westinghouse y Stanley construyeron un sistema para transmitir energía varias millas a una mina en Colorado. Se tomó la decisión de usar CA para la transmisión de energía del Proyecto de Energía de Niagara a Buffalo, Nueva York. Las propuestas presentadas por los vendedores en 1890 incluían sistemas de CC y aire comprimido. Una combinación de DC y sistema de aire comprimido permaneció bajo consideración hasta tarde en el horario. A pesar de las protestas del comisionado de Niagara William Thomson(Lord Kelvin) se tomó la decisión de construir un sistema de CA, que había sido propuesto por Westinghouse y General Electric. En octubre de 1893, Westinghouse se adjudicó el contrato para proporcionar los primeros tres generadores bifásicos de 5,000 hp, 250 rpm, 25 Hz. [40] La central hidroeléctrica entró en funcionamiento en 1895 [41] , y fue la más grande hasta esa fecha [42] .
En la década de 1890, el AC monofásico y polifásico estaba experimentando una rápida introducción. [43] En los EE. UU . En 1902, el 61% de la capacidad de generación era CA, aumentando al 95% en 1917. [44] 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 CA se convirtió en el estándar para nuevos sistemas.
Turbinas de vapor [ editar ]
La eficiencia de los motores de vapor para convertir la energía térmica del combustible en trabajo mecánico fue un factor crítico en la operación económica de las estaciones generadoras centrales de vapor. Los primeros proyectos utilizaron máquinas de vapor recíprocas , que operaban 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 grandes que los motores alternativos, y generalmente tenían una mayor eficiencia. La velocidad de las turbinas de vapor no fluctuaba cíclicamente durante cada revolución; haciendo posible el funcionamiento paralelo de generadores de CA y mejorando la estabilidad de los convertidores rotativos para la producción de corriente continua para tracción y usos industriales. 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 generadores de CA con solo dos o cuatro polos; no se necesitaba una caja de cambios o un acelerador de velocidad entre el motor y el generador.
La moderna turbina de vapor 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. [45] La invención de la turbina de vapor de Parson hizo posible la electricidad barata y abundante. Las turbinas Parsons se introdujeron ampliamente en las estaciones centrales inglesas en 1894; La primera compañía de suministro eléctrico en el mundo en generar electricidad utilizando turbogeneradores fue la propia compañía de suministro de electricidad de Parsons, Newcastle, y la Compañía de Iluminación Eléctrica del Distrito , creada en 1894. [46]Durante la vida de Parson, la capacidad de generación de una unidad se incrementó en aproximadamente 10,000 veces. [47]
Las primeras turbinas estadounidenses fueron dos unidades De Leval en Edison Co. en Nueva York en 1895. La primera turbina estadounidense Parsons estaba en Westinghouse Air Brake Co., cerca de Pittsburgh . [48]
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 podía reutilizarse, 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 capacidad 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 más grandes que cualquier máquina de vapor que se haya fabricado, lo que proporciona importantes economías de escala .
Las turbinas de vapor podrían construirse 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 ingresa al motor, mayor es la eficiencia. La introducción de turbinas de vapor motivó una serie de mejoras en las temperaturas y presiones. La mayor eficiencia de conversión resultante redujo los precios de la electricidad. [49]
La densidad de potencia de las calderas se incrementó usando aire de combustión forzada y usando aire comprimido para alimentar carbón pulverizado. Además, el manejo del carbón fue mecanizado y automatizado. [50]
Red eléctrica [ editar ]
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 hizo cada vez más deseable a medida que la electrificación creció rápidamente en los primeros años del siglo XX.
Charles Merz , de la asociación de consultoría Merz & McLellan , construyó la estación de energía Neptune Bank cerca de Newcastle upon Tyne en 1901, [51] y en 1912 se había convertido en el sistema de energía integrado más grande de Europa. [52] En 1905 trató de influir en el Parlamento para unificar la variedad de voltajes y frecuencias en la industria de suministro de electricidad del país, pero no fue hasta la Primera Guerra Mundialque 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 utilizar su pequeño tamaño para su ventaja, creando una gruesa red de distribución 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 más significativa de electricidad (suministro) de 1926 condujo a la creación de la red nacional. [53] La Junta Central de Electricidad estandarizó el suministro de electricidad de la nación y estableció la primera red de CA sincronizada, que funciona a 132 kilovoltios y 50 hercios . Esto comenzó a funcionar como un sistema nacional, la Red Nacional , en 1938.
En los Estados Unidos se convirtió en un objetivo nacional después de la crisis de poder durante el verano de 1918 en medio de la Primera Guerra Mundial para consolidar el suministro. En 1934, la Ley de Empresas de Servicios Públicos reconoció a las empresas de servicios públicos 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. [54]
Electrificación del hogar [ editar ]
La electrificación de los hogares en Europa y América del Norte comenzó a principios del siglo XX en las principales ciudades y en áreas atendidas 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 Eléctrica Rural , establecida en 1935, trajo la electrificación a las áreas rurales. [55]
Costo histórico de la electricidad [ editar ]
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 capital y el costo operativo por unidad de potencia también fueron más baratos con las estaciones centrales. [1] El costo de la electricidad cayó dramáticamente en las primeras décadas del siglo XX debido a la introducción de turbinas de vapor y al factor de carga mejorado después de la introducción de motores de corriente alterna. A medida que los precios de la electricidad cayeron, el uso aumentó dramáticamente y las estaciones centrales se ampliaron a tamaños enormes, creando economías de escala significativas. [56] Para el costo histórico, ver Ayres-Warr (2002), Fig. 7. [57]
Beneficios de la electrificación [ editar ]
Beneficios de la iluminación eléctrica [ editar ]
La iluminación eléctrica era muy deseable. La luz era mucho más brillante que las lámparas de petróleo o gas, y no había hollín. Aunque la electricidad temprana 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 compañías pudieron pagar la electricidad con los ahorros del seguro. [2]
Energía preeléctrica [ editar ]
Para ser eficientes, las máquinas de vapor necesitaban varios cientos de caballos de fuerza. Los motores 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. [59] La maquinaria para usar caballos por energía cuesta $ 300 o menos. [60]
Muchos requisitos de potencia eran menores que los de un caballo. Las máquinas de taller, como los tornos para trabajar la madera, a menudo funcionaban con una manivela de uno o dos hombres. Las máquinas de coser domésticas funcionaban con un pedal de pie; sin embargo, las máquinas de coser de fábrica funcionaban con vapor desde un eje lineal . Los perros a veces se usaban en máquinas como una cinta de correr, que se podía adaptar para batir mantequilla. [61]
A finales del siglo XIX, los edificios eléctricos especialmente diseñados alquilaban espacio a pequeñas tiendas. Estos edificios suministraron energía a los inquilinos desde una máquina de vapor a través de ejes de línea . [61]
Los motores eléctricos fueron varias veces más eficientes que las máquinas de vapor pequeñas porque la generación de la estación central fue más eficiente que las máquinas de vapor pequeñas y porque los ejes de la línea y las correas tuvieron grandes pérdidas por fricción. [1] [61]
Los motores eléctricos eran más eficientes que la energía humana o animal. La eficiencia de conversión para la alimentación animal en el trabajo es de entre 4 y 5% en comparación con más del 30% para la electricidad generada con carbón. [62] [57]
Impacto económico de la electrificación [ editar ]
La electrificación y el crecimiento económico están altamente correlacionados. [63] En economía, se ha demostrado que la eficiencia de la generación eléctrica se correlaciona con el progreso tecnológico . [62] [63]
En los EE. UU. Desde 1870 hasta 1880, cada hora hombre recibió 0,55 CV. En 1950, a cada hora hombre se le proporcionaron 5 hp, o un aumento anual de 2.8%, disminuyendo a 1.5% de 1930-50. [64] 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 países industriales centrales de Europa y Estados Unidos. En otros lugares, la electricidad por cable a menudo se transportaba a través de los circuitos del gobierno colonial. Algunos historiadores y sociólogos consideraron la interacción de la política colonial y el desarrollo de redes eléctricas: en India, Rao [65] demostró que la política regional basada en la lingüística, no las consideraciones tecnogeográficas, condujeron a la creación de dos redes separadas; En Zimbabwe (Rhodesia) colonial, Chikowero [66] mostró que la electrificación se basaba en la raza y servía a la comunidad de colonos blancos, excluyendo a los africanos; y en Mandate Palestine, Shamir [67] [se necesita página ] Afirmó que las concesiones eléctricas británicas a una empresa de propiedad sionista profundizaron las disparidades económicas entre árabes y judíos.
Fuentes de energía para la generación de electricidad [ editar ]
La mayor parte de la electricidad es generada por centrales térmicas o plantas de vapor, la mayoría de las cuales son centrales de combustibles fósiles que queman carbón, gas natural, fuel oil o biocombustibles, como desechos de madera y licor negro de la producción de pasta química.
El sistema térmico más eficiente es el ciclo combinado en el que una turbina de combustión alimenta un generador utilizando los gases de combustión a alta temperatura y luego extrae los gases de combustión más fríos para generar vapor a baja presión para la generación del ciclo de vapor convencional.
Hidroelectricidad [ editar ]
La hidroelectricidad utiliza una turbina de agua para generar energía. En 1878 la primera combinación de energía hidroeléctrica del mundo fue desarrollado en Cragside en Northumberland , Inglaterra por William George Armstrong . Fue utilizado para alimentar una sola lámpara de arco en su galería de arte. [68] La antigua central eléctrica Schoelkopf No. 1 cerca de las Cataratas del Niágara en el lado estadounidense comenzó a producir electricidad en 1881. La primera central hidroeléctrica de Edison , la Vulcan Street Plant , comenzó a operar el 30 de septiembre de 1882, en Appleton, Wisconsin., con una producción de aproximadamente 12,5 kilovatios. [69] [70]
Aerogeneradores [ editar ]
La primera turbina eólica generadora de electricidad fue una máquina de carga de baterías instalada en julio de 1887 por el académico escocés James Blyth para iluminar su casa de vacaciones en Marykirk , Escocia. [71] Algunos meses después, el inventor estadounidense Charles F Brush construyó la primera turbina eólica de funcionamiento automático para la producción de electricidad en Cleveland, Ohio . [71] Los avances en las últimas décadas redujeron en gran medida el costo de la energía eólica, convirtiéndola en una de las energías alternativas más competitivas y competitiva con el gas natural de mayor precio (antes del gas de esquisto). El principal problema de la energía eólica es que es intermitente y, por lo tanto, necesita extensiones de red y almacenamiento de energía para ser una fuente de energía principal confiable.
Energía geotérmica [ editar ]
El Príncipe Piero Ginori Conti probó el primer generador de energía geotérmica el 4 de julio de 1904 en Larderello , Italia. Encendió con éxito cuatro bombillas. [72] Más tarde, en 1911, se construyó allí la primera central eléctrica geotérmica comercial del mundo. Italia fue el único productor industrial de electricidad geotérmica del mundo hasta 1958. La energía geotérmica requiere temperaturas subterráneas muy altas cerca de la superficie para generar vapor que se utiliza en una planta de vapor a baja temperatura. La energía geotérmica solo se usa en algunas áreas. Italia suministra toda la red ferroviaria electrificada con energía geotérmica.
Energía solar [ editar ]
Producción de electricidad a partir de energía solar, ya sea directamente a través de células fotovoltaicas o indirectamente, como la producción de vapor para impulsar un generador de turbina de vapor .
Alcance actual de la electrificación [ editar ]
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, en comparación con los 1.200 millones de 2010. [74]
El progreso más reciente en la electrificación tuvo lugar entre los años 1950 y 1980. Se observaron grandes ganancias en los años setenta y ochenta: del 49 por ciento de la población mundial en 1970 al 76 por ciento en 1990. [75] [76] Los logros 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. [77]
Resistencia energética [ editar ]
La electricidad es una forma de energía "pegajosa", ya que tiende a permanecer en el continente o la isla donde se produce. También es de múltiples fuentes; Si una fuente sufre una escasez, se puede producir electricidad a partir de otras fuentes, incluidas las fuentes renovables . Como resultado, a largo plazo es un medio relativamente resistente de transmisión de energía. [78] A corto plazo, debido a que la electricidad debe ser suministrada en el mismo momento en que se consume, es algo inestable, en comparación con los combustibles que se pueden entregar y almacenar en el sitio. Sin embargo, eso puede mitigarse mediante el almacenamiento de energía de la red y la generación distribuida .
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