Generación de energía eléctrica para niños
La generación de energía eléctrica es el proceso de transformar diferentes tipos de energía (como la química, el movimiento, el calor, la luz o la energía del núcleo de los átomos) en electricidad. Para producir electricidad a gran escala, se usan instalaciones especiales llamadas centrales eléctricas.
Estas centrales son el punto de partida de todo el sistema que lleva la electricidad a nuestros hogares y ciudades. Aunque todas funcionan con el mismo principio básico de un generador eléctrico, lo que las diferencia es cómo se ponen en marcha.
Desde que se descubrió cómo producir corriente alterna con los alternadores, se ha trabajado mucho para llevar la electricidad a casi todos los lugares del mundo. Se han construido grandes centrales eléctricas y redes complejas para transportar y distribuir la energía. Sin embargo, el acceso a la electricidad no es igual en todas partes. Los países con más desarrollo usan mucha electricidad, mientras que otros países aún tienen poco acceso a ella.
La cantidad de electricidad que necesita una ciudad o un país cambia a lo largo del día. Esto depende de varios factores, como el tipo de industrias que hay, el clima (si hace mucho frío o calor), los aparatos eléctricos que se usan más, la estación del año y la hora del día. La producción de electricidad debe ajustarse a esta demanda. Cuando se necesita más energía, se activan más generadores en la misma central o en otras centrales que están de reserva.
Las centrales se usan de diferentes maneras según el momento del día o del año. Algunas, como las nucleares y las eólicas, suelen funcionar todo el tiempo (carga base). Otras, como las termoeléctricas de combustibles fósiles, se usan cuando la demanda es media (carga de valle). Y las hidroeléctricas se activan rápidamente cuando la demanda es muy alta (carga de pico).
Dependiendo de la fuente de energía que usan, las centrales se clasifican en:
- Termoeléctricas: Usan calor de carbón, petróleo, gas, energía nuclear o el sol.
- Hidroeléctricas: Aprovechan la fuerza del agua de ríos o del mar (mareomotrices).
- Eólicas: Usan la fuerza del viento.
- Solares fotovoltaicas: Convierten la luz del sol directamente en electricidad.
La mayor parte de la electricidad mundial se genera en centrales termoeléctricas e hidroeléctricas. Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen un generador llamado alternador, que es movido por una turbina. La turbina es diferente según el tipo de energía que se use.
Muchos expertos creen que en el futuro habrá tecnologías más limpias, accesibles y renovables para generar energía localmente, lo que cambiará la forma en que operan las grandes empresas eléctricas.
Contenido
¿Cómo funcionan las centrales termoeléctricas?
Una central termoeléctrica produce electricidad a partir del calor. Este calor puede venir de quemar combustibles (como carbón, gas natural o petróleo), de la energía del núcleo de los átomos (nuclear), del sol o del calor que viene del interior de la Tierra.
Las centrales termoeléctricas tienen una caldera donde se quema el combustible para calentar agua en unos tubos. El agua se convierte en vapor a alta presión y temperatura. Este vapor mueve una turbina, que a su vez hace girar un alternador para generar electricidad. Después, el vapor se enfría en un condensador, usando agua fría de un río o de una torre de enfriamiento.
Centrales convencionales y de ciclo combinado
Las centrales térmicas clásicas queman carbón, petróleo o gas natural para producir electricidad. Son económicas y muy comunes, aunque su impacto en el medio ambiente es alto.
Las centrales de ciclo combinado son más eficientes porque usan dos ciclos de energía. Primero, queman gas natural con aire para mover una turbina de gas. Los gases calientes que salen de esta turbina (a unos 500 °C) se usan para calentar agua y producir vapor, que mueve una segunda turbina de vapor. Ambas turbinas impulsan un alternador. El vapor se enfría como en una central térmica normal. Estas centrales pueden usar diferentes combustibles y son más flexibles.
Las centrales que queman combustibles liberan dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera, que contribuye al cambio climático. También pueden emitir otros gases y partículas, dependiendo del combustible.
Centrales térmicas solares
Una central termosolar usa la energía del sol para calentar un líquido y producir electricidad. Para esto, se usan espejos que concentran los rayos del sol en un punto, donde el líquido se calienta a temperaturas muy altas (entre 300 °C y 1000 °C). Este líquido caliente se usa en un ciclo similar al de una central térmica clásica para mover una turbina y generar electricidad. Los espejos que siguen el sol se llaman heliostatos. El principal problema de estas centrales es que necesitan grandes extensiones de terreno.
Centrales geotérmicas
La energía geotérmica aprovecha el calor que viene del interior de la Tierra. Este calor calienta el agua subterránea, que sube a la superficie en forma de agua caliente o vapor (como en los géiseres). Hoy en día, se puede perforar la Tierra para extraer este calor y usarlo en centrales eléctricas, especialmente donde las temperaturas son muy altas a poca profundidad.
Centrales nucleares
Una central nuclear produce electricidad usando la energía que se libera al dividir los átomos de un combustible especial, como el uranio. Este proceso genera mucho calor, que se usa para producir vapor y mover una turbina, la cual hace girar un alternador para generar electricidad. Estas centrales tienen uno o más reactores nucleares. Las centrales nucleares producen residuos que deben ser manejados con mucha seguridad y pueden causar problemas si hay accidentes.
¿Cómo funcionan las centrales hidroeléctricas?
Una central hidroeléctrica genera electricidad aprovechando la fuerza del agua que está almacenada en una presa, a un nivel más alto que la central. El agua cae por una tubería hasta la sala de máquinas, donde mueve grandes turbinas hidráulicas. Estas turbinas hacen girar alternadores que producen electricidad. Después, el agua regresa a su cauce natural.
Las características importantes de una central hidroeléctrica son:
- La potencia: Depende de la altura de la caída del agua, la cantidad de agua que puede pasar por las turbinas y las características de la turbina y el generador.
- La energía garantizada: Es la cantidad de energía que puede producir en un tiempo determinado (por ejemplo, un año), y depende del volumen de agua en el embalse y de las lluvias.
La potencia de una central hidroeléctrica puede variar mucho, desde unos pocos megavatios (MW) hasta varios gigavatios (GW). Las que producen menos de 10 MW se llaman minicentrales. La central hidroeléctrica más grande del mundo es la Presa de las Tres Gargantas en China, con 22.500 MW.
A veces, estas centrales pueden tener un impacto en el medio ambiente porque necesitan construir grandes embalses que cambian el paisaje y el uso del agua. Sin embargo, las minicentrales de "filo de agua" son una alternativa que afecta menos el entorno, ya que solo desvían una parte del agua del río para las turbinas.
Centrales mareomotrices
Las centrales mareomotrices usan el movimiento de las mareas (cuando el agua sube y baja). Son útiles en zonas costeras con mareas muy grandes y donde se puede construir una presa para controlar la entrada y salida del agua en una bahía. Generan energía tanto cuando la bahía se llena como cuando se vacía.
También se está investigando cómo usar la energía de las olas del mar en las llamadas centrales undimotrices.
¿Cómo funcionan las centrales eólicas?
La energía eólica se obtiene del movimiento del aire, es decir, de la fuerza del viento. Los molinos de viento se han usado por siglos para moler grano o bombear agua. Hoy en día, se usan aerogeneradores (molinos de viento modernos) para producir electricidad, especialmente en lugares con mucho viento, como costas, montañas o islas.
El impacto ambiental de la energía eólica es relativamente bajo. Sin embargo, los aerogeneradores pueden cambiar el paisaje, y a veces las aves chocan con sus aspas. También necesitan grandes extensiones de terreno. Además, como la energía solar o la hidroeléctrica, la energía eólica depende del clima, lo que significa que no siempre está disponible.
¿Cómo funcionan las centrales fotovoltaicas?
La energía solar fotovoltaica produce electricidad directamente de la luz del sol usando paneles fotovoltaicos. Estos paneles están hechos de materiales especiales que, al recibir la luz del sol, generan una pequeña corriente eléctrica. Al conectar varios de estos paneles, se puede obtener suficiente electricidad para alimentar desde pequeños aparatos hasta una red eléctrica completa.
La energía solar fotovoltaica ha crecido mucho en los últimos años. Países como Alemania, Japón, China y Estados Unidos han instalado una gran cantidad de paneles solares. A finales de 2013, la energía fotovoltaica era la tercera fuente de energía renovable más importante a nivel mundial, después de la hidroeléctrica y la eólica. En algunas regiones, el costo de producir electricidad con paneles solares ya es similar al de las fuentes de energía tradicionales.
Los principales desafíos de esta energía son que necesita grandes extensiones de terreno y que depende del clima (no produce electricidad de noche o en días muy nublados). Por eso, se necesitan sistemas para almacenar la energía y usarla cuando se necesite.
Generación de energía a pequeña escala
Grupo electrógeno
Un grupo electrógeno es una máquina que produce electricidad usando un motor de combustión interna (como los de gasolina o diésel) para mover un generador. Se usa cuando no hay suficiente electricidad de la red principal o cuando hay un corte de luz. Son muy útiles en zonas rurales sin acceso a la red eléctrica o en lugares como hospitales y fábricas, para tener energía de emergencia.
Un grupo electrógeno tiene varias partes:
- Motor de combustión interna: Es el motor que hace funcionar el generador. Puede ser de gasolina o diésel.
- Sistema de refrigeración: Enfría el motor, usando agua, aceite o aire.
- Alternador: Produce la electricidad. Su tamaño depende de la cantidad de energía que debe generar.
- Depósito de combustible y base: El motor y el alternador están montados sobre una base de acero que incluye un depósito de combustible.
- Sistema de control: Permite controlar el funcionamiento del grupo y protegerlo de fallos.
- Interruptor automático de salida: Protege el alternador.
- Regulación del motor: Mantiene la velocidad del motor constante para que la electricidad generada tenga una frecuencia estable.
Pila eléctrica
Una pila eléctrica es un dispositivo que genera electricidad mediante una reacción química. Una vez que la reacción termina, la pila deja de funcionar y hay que reemplazarla. Tienen dos terminales, llamados polos: uno negativo (cátodo) y uno positivo (ánodo). Las pilas recargables se suelen llamar baterías.
La primera pila eléctrica fue inventada por Alessandro Volta en 1800. Aunque parecen simples, su funcionamiento es complejo y ha sido objeto de mucha investigación.
Las pilas funcionan por el contacto entre dos sustancias, con la ayuda de un líquido especial llamado electrolito. Si se necesita más corriente, se pueden conectar varias pilas en paralelo. La capacidad de una pila se mide en amperios-hora (A•h), que indica cuántos amperios puede suministrar en una hora.
Las pilas modernas son "pilas secas", que son las que usamos hoy en día. Vienen en diferentes tamaños y capacidades.
Es muy importante no tirar las pilas a la basura común, ya que contienen metales y químicos que pueden dañar el medio ambiente. Deben llevarse a centros de reciclaje especiales. Si la envoltura de una pila se daña, las sustancias químicas pueden liberarse y contaminar el suelo y el agua, afectando a los seres vivos. Por eso, las pilas son residuos peligrosos y deben ser manejadas con cuidado.
Las pilas se usan en muchos aparatos portátiles, como juguetes, linternas, relojes, teléfonos móviles, calculadoras, ordenadores portátiles, reproductores de música, radios y mandos a distancia.
Pilas de combustible
Una pila de combustible es un dispositivo que genera electricidad de forma continua, similar a una batería, pero se diferencia en que necesita un suministro constante de combustible (como hidrógeno) y oxígeno. A diferencia de las baterías, los materiales de los electrodos de una pila de combustible no cambian, lo que las hace más estables.
En las pilas de hidrógeno, se usa hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se puede obtener de la electrólisis del agua (usando electricidad) o de otros materiales. El hidrógeno se puede almacenar, lo que permitiría usar fuentes de energía que no son constantes, como la solar o la eólica. El hidrógeno gaseoso es muy inflamable, por lo que se están investigando formas seguras de almacenarlo.
Generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG)
Un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) es un generador simple que obtiene energía del calor liberado por la desintegración de ciertos elementos radiactivos. Este calor se convierte directamente en electricidad usando unos dispositivos llamados termopares.
Los RTG se usan en satélites, sondas espaciales no tripuladas e instalaciones remotas donde no hay otra fuente de electricidad o calor. Son muy útiles en lugares sin presencia humana y donde se necesita energía por mucho tiempo, ya que otras fuentes como las pilas de combustible o las baterías no serían prácticas o económicas.
Véase también
En inglés: Electricity generation Facts for Kids
