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Central de generación eléctrica

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La central eléctrica de Athlone en Ciudad del Cabo, Sudáfrica.
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Central hidroeléctrica en la presa de Gabčíkovo, Eslovaquia.
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Central hidroeléctrica en la presa de Glen Canyon, Page, Arizona.

Una central eléctrica, también denominada planta de energía, planta de generación eléctrica o estación de potencia, es una instalación industrial diseñada para la generación de energía eléctrica.

El núcleo de la mayoría de estas centrales lo constituyen uno o más generadores eléctricos. Estas máquinas giratorias transforman la energía mecánica en energía eléctrica mediante el movimiento relativo entre un conductor eléctrico y un campo magnético, lo cual induce una corriente eléctrica.

La fuente primaria de energía utilizada para accionar los generadores varía ampliamente. Históricamente, la mayoría de las centrales han operado mediante la combustión de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo o el gas natural. Otras emplean energía nuclear. En las últimas décadas, ha ganado prominencia la generación a partir de fuentes de energía renovables, como la energía hidroeléctrica, eólica, solar y undimotriz, entre otras.

Historia

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A principios de la década de 1870, el inventor belga Zénobe Gramme desarrolló un generador lo suficientemente potente para producir energía eléctrica a escala comercial, marcando un hito fundamental para la electrificación industrial.[1]

En 1878, el ingeniero inglés Lord William Armstrong diseñó y construyó la primera central hidroeléctrica del mundo en su residencia de Cragside, en Northumberland. El sistema utilizaba agua de los lagos de la propiedad para impulsar una turbina hidráulica. La electricidad generada se empleaba para iluminación, calefacción, agua caliente, un ascensor y diversos usos agrícolas, reduciendo la necesidad de mano de obra y mejorando la productividad de la finca.[2]

En el otoño de 1882, se inauguró en Godalming (Inglaterra) una de las primeras centrales eléctricas de servicio público. Su construcción fue impulsada por el desacuerdo entre el ayuntamiento y la compañía de gas local sobre las tarifas, lo que llevó a la municipalidad a optar por la electricidad. Aprovechaba la energía hidráulica del río Wey para el alumbrado público y doméstico. Sin embargo, el proyecto no fue comercialmente viable y la ciudad finalmente retomó el uso de gas.[3]

Ese mismo año, en Londres, entró en funcionamiento la primera central térmica de carbón para uso público: la Edison Electric Light Station, un proyecto de Thomas Edison gestionado por Edward Johnson. Una caldera Babcock & Wilcox alimentaba un motor de vapor de 125 caballos de fuerza que accionaba un generador de 27 toneladas. La electricidad se distribuía a través de los conductos del viaducto de Holborn, evitando excavar las calles —dominio de las compañías de gas—. Entre sus primeros clientes se encontraban el Templo de la City, el Old Bailey y la Oficina de Telégrafos de Correos, para cuya conexión Johnson tendió cables aéreos sobre la taberna Holborn Tavern y Newgate.[4]

También en 1882, Edison inauguró en Nueva York la Central de Pearl Street, destinada a proporcionar iluminación eléctrica al bajo Manhattan. La planta, que funcionó hasta ser destruida por un incendio en 1890, empleaba motores de vapor alternativos para mover generadores de corriente continua (CC). La distribución en CC limitaba el radio de servicio debido a la caída de tensión en los cables. En 1886, George Westinghouse comenzó a construir un sistema de corriente alterna (CA), que utilizaba transformadores para elevar el voltaje en la transmisión a larga distancia y reducirlo para su uso final, un modelo mucho más eficiente y económico que sentaría las bases del sistema moderno. La llamada Guerra de las corrientes se resolvió finalmente a favor de la CA, aunque algunos sistemas de CC persistieron hasta finales del XX.

Inicialmente, los sistemas de CA operaban a distintas frecuencias según su aplicación: altas para iluminación y bajas para tracción y motores pesados. La economía de la generación centralizada mejoró significativamente con la unificación de frecuencias, permitiendo que una misma central abasteciera demanda industrial diurna, sistemas de transporte en horas pico y alumbrado nocturno. Esto optimizaba el factor de carga y reducía el coste general. No obstante, muchas centrales seguían especializadas, recurriendo a convertidores rotativos para adaptar la corriente entre redes.

Durante las primeras décadas del XX, las centrales crecieron en tamaño y eficiencia gracias a mayores presiones de vapor y a la interconexión de múltiples plantas, lo que mejoró la fiabilidad y redujo costos. La transmisión de CA a alto voltaje permitió integrar energía hidroeléctrica procedente de lugares remotos. La introducción de la turbina de vapor hacia 1906 revolucionó el sector: liberó a los generadores de las limitaciones mecánicas de los motores alternativos y las correas de transmisión, permitiendo unidades de enorme potencia. Proyectos como el de Sebastian Ziani de Ferranti, que había planeado construir el mayor motor alternativo de vapor para una central, se abandonaron ante la superioridad de la turbina. La expansión de estos sistemas requirió tanto pericia ingenieril como visión financiera. Entre los pioneros de la generación centralizada destacan George Westinghouse y Samuel Insull en Estados Unidos, y Ferranti y Charles Hesterman Merz en el Reino Unido.

Centrales térmicas

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Rotor de una turbina de vapor moderna, utilizada en una central eléctrica.

En las centrales térmicas, la energía mecánica necesaria para mover los generadores es producida por un motor térmico. Este motor transforma la energía térmica, generalmente liberada en la combustión de un combustible o en una reacción nuclear, en energía de rotación. La mayoría de estas centrales operan mediante la generación de vapor que impulsa una turbina, por lo que también se las conoce como centrales de vapor.

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, no toda la energía térmica puede convertirse en trabajo útil. En consecuencia, una parte significativa del calor se disipa al medio ambiente como un subproducto inevitable. Si este calor residual se recupera y utiliza para procesos industriales, calefacción urbana o desalinización de agua, la central recibe el nombre de central de cogeneración o central de calor y energía combinada (CHP, por sus siglas en inglés). En regiones con redes de calefacción urbana extensas, existen instalaciones especializadas llamadas centrales térmicas o estaciones de calderas que generan únicamente calor

Eficiencia y factores que la determinan

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La eficiencia termodinámica de una central térmica está limitada principalmente por la temperatura máxima que puede alcanzar el fluido de trabajo (generalmente vapor de agua). Por lo tanto, para unas mismas condiciones de presión y temperatura del vapor, centrales que utilizan diferentes fuentes primarias —como carbón, energía nuclear o gas natural— tienen eficiencias teóricas similares. En la práctica, la eficiencia operativa está fuertemente influenciada por el régimen de funcionamiento: una central que opera de forma continua a su capacidad nominal (carga base) es más eficiente que una utilizada de manera intermitente para cubrir picos de demanda (carga máxima), ya que las turbinas de vapor alcanzan su máxima eficiencia en condiciones estables y de plena carga.

Mejora de la eficiencia: Ciclo combinado

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Una de las formas más efectivas de aumentar la eficiencia global de una central térmica es la implementación de un ciclo combinado. Esta tecnología integra dos ciclos termodinámicos distintos en una sola instalación. La configuración más común consiste en utilizar los gases de escape a alta temperatura de una turbina de gas (que funciona con gas natural o diésel) para generar vapor en una caldera de recuperación. Este vapor, a su vez, impulsa una turbina de vapor convencional. Al combinar un ciclo de alta temperatura (el de la turbina de gas, o ciclo "superior") con uno de menor temperatura (el de la turbina de vapor, o ciclo "inferior"), se aprovecha mejor la energía del combustible, logrando eficiencias totales muy superiores a las que pueden alcanzar por separado cualquiera de los dos ciclos.

Clasificación

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Planta de energía St. Clair , una gran estación generadora a carbón en Michigan , Estados Unidos.
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Central nuclear de Ikata , Japón.
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Central Geotérmica Nesjavellir , Islandia.

Por la fuente del calor

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Vista general del bloque modular de una central eléctrica. Las líneas discontinuas muestran adiciones especiales como ciclo combinado y cogeneración o almacenamiento opcional.

Las centrales eléctricas de combustibles fósiles pueden emplear dos tecnologías principales: la clásica turbina de vapor (donde el calor genera vapor que mueve la turbina) o, en el caso de las centrales de gas natural, una turbina de combustión (que funciona directamente con los gases de combustión).

En una central de carbón típica, el combustible se quema en una caldera para calentar agua y producir vapor a alta presión. Este vapor impulsa una turbina de vapor acoplada a un generador eléctrico, produciendo así electricidad. Los principales subproductos de esta combustión son cenizas, dióxido de azufre (SO₂), óxidos de nitrógeno (NOx) y dióxido de carbono (CO₂). Mediante diversos sistemas de tratamiento de gases, parte de estos contaminantes puede retirarse de la corriente de emisiones para reducir su impacto ambiental.

Otros tipos de centrales térmicas incluyen:

Por su motor primario

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Las tecnologías para convertir energía térmica en eléctrica se clasifican principalmente según el mecanismo que impulsa el generador:

  • Plantas de turbina de vapor: Aprovechan la presión dinámica generada por la expansión del vapor para hacer girar los álabes de una turbina, la cual está acoplada directamente a un generador eléctrico. Esta es la tecnología dominante en la generación termoeléctrica a gran escala, presente en centrales de carbón, nucleares, geotérmicas y muchas de gas. Se estima que aproximadamente el 90% de la electricidad de origen no hidroeléctrica en el mundo se produce mediante turbinas de vapor.[6]
  • Plantas de turbina de gas (de combustión): Utilizan directamente la presión y el flujo de los gases calientes resultantes de la combustión (generalmente de gas natural o diésel) para mover la turbina. Su principal ventaja es la capacidad de arranque rápido (en minutos), por lo que son ideales para cubrir picos de demanda o como respaldo, aunque su costo de operación es mayor que el de las centrales de carga base. Pueden ser unidades de tamaño relativamente pequeño y operar de forma remota. El primer sistema comercial de este tipo fue la central de Princetown en el Reino Unido, inaugurada en 1959.[7]
  • Plantas de ciclo combinado: Combinan una turbina de gas (ciclo Brayton) con una turbina de vapor (ciclo Rankine). Los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas se utilizan para generar vapor en una caldera de recuperación, el cual impulsa una segunda turbina. Esta configuración logra eficiencias mucho mayores (por encima del 60%) que cualquiera de los ciclos por separado, por lo que es la tecnología preferida para nuevas centrales de gas natural de carga base.
  • Tecnologías para combustibles específicos: Para aprovechar combustibles de oportunidad o de bajo poder calorífico —como biogás de vertedero, gas de digestor de depuradoras o gas asociado a la producción petrolera— se utilizan microturbinas, motores Stirling y motores alternativos adaptados. Estas soluciones son de menor escala y costo, permitiendo valorizar recursos energéticos que de otro modo se desperdiciarían.

Según su capacidad de despacho (programabilidad)

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Las centrales eléctricas pueden clasificarse según su capacidad para ajustar su generación a la demanda del sistema eléctrico. Esta característica, conocida como despachabilidad o programabilidad, determina su papel en la cobertura de la curva de carga.

Centrales programables

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Son aquellas que pueden activarse, desactivarse o modular su potencia de acuerdo con las necesidades del sistema. Se subdividen en tres categorías principales:

  • Centrales de carga base: Operan de forma continua (generalmente más de 6.000 horas anuales) para cubrir la parte constante y predecible de la demanda. Están optimizadas para un bajo costo variable de operación, pero suelen tener tiempos de arranque largos y poca flexibilidad. Ejemplos típicos son las grandes centrales nucleares, de carbón modernas o hidroeléctricas con embalse garantizado.
  • Centrales de punta (o pico): Se activan exclusivamente durante los periodos de máxima demanda, que pueden durar apenas unas horas al día. Aunque su costo operativo es más elevado, son esenciales para garantizar la seguridad del suministro. Su principal característica es la capacidad de arranque rápido (minutos). Incluyen turbinas de gas de ciclo simple, motores diésel y, en algunos casos, centrales hidroeléctricas de bombeo diseñadas específicamente para esta función.
  • Centrales de seguimiento de carga: Son intermedias en flexibilidad y costo. Pueden ajustar su producción para seguir las variaciones diarias y semanales de la demanda de manera más económica que las centrales de punta y con mayor agilidad que las de carga base. Muchas centrales de ciclo combinado de gas natural y algunas hidroeléctricas funcionan en este régimen.

Centrales no programables

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También conocidas como generación variable o no despachable, incluyen fuentes cuya producción depende de factores meteorológicos o ambientales y no puede ajustarse a voluntad. Su energía debe aprovecharse en el momento en que está disponible. Los principales ejemplos son:

Adicionalmente, los acuerdos contractuales de "toma o paga" con productores independientes o la energía importada mediante interconexiones internacionales suelen tratarse como no despachables, ya que el sistema debe aceptar su aportación independientemente de las necesidades puntuales de la red.

Torres de enfriamiento

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Torres de enfriamiento que muestran agua evaporada en la central eléctrica de Ratcliffe-on-Soar , Reino Unido
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Torre de enfriamiento húmedo de tiro natural " camuflado "

Todas las centrales térmicas generan calor residual como consecuencia inevitable del proceso de conversión termodinámica, según lo establecido por la segunda ley de la termodinámica. La cantidad de calor disipada al ambiente es siempre superior a la energía eléctrica útil producida. La eficiencia de conversión varía según la tecnología: las centrales de ciclo combinado de gas pueden superar el 65%, mientras que las centrales convencionales de carbón o fuelóleo suelen situarse entre el 30% y el 49%. Aunque este calor residual eleva localmente la temperatura atmosférica, su contribución al calentamiento global es insignificante en comparación con la de las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de la misma planta.

Sistemas de disipación del calor residual

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Para evacuar este calor, las centrales emplean principalmente dos tipos de sistemas de refrigeración:

Torres de refrigeración húmedas

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Utilizan la evaporación de una pequeña fracción del agua de circulación para enfriar el resto. Existen dos diseños principales:

  • Torres de tiro natural: Son las grandes estructuras hiperboloides características de muchas centrales nucleares y termoeléctricas de gran tamaño. Funcionan por convección natural, sin necesidad de ventiladores, y liberan el calor en forma de vapor de agua visible.
  • Torres de tiro mecánico (inducido o forzado): Emplean ventiladores para impulsar el aire a través de la corriente de agua. Son comunes en instalaciones de menor escala o donde el espacio es limitado, como refinerías, plantas petroquímicas, centrales de biomasa o de aprovechamiento energético de residuos. Suelen tener forma rectangular y contienen un relleno o empaquetamiento que maximiza el contacto aire-agua.[8][9]

Refrigeración en circuito cerrado (sin evaporación)

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En zonas con escasez hídrica o donde la captación de agua está regulada, se emplean sistemas que no consumen agua por evaporación:

  • Refrigeración por aire (radiadores): El calor se disipa directamente a la atmósfera mediante intercambiadores refrigerados por aire forzado con ventiladores.
  • Torres de refrigeración secas (dry cooling): Funcionan de manera similar, pero en configuraciones que ahorran espacio.

Estos sistemas presentan menor eficiencia termodinámica y un mayor consumo eléctrico auxiliar (para los ventiladores) en comparación con las torres húmedas, lo que reduce ligeramente la eficiencia neta de la central y aumenta sus costos operativos. Sin embargo, eliminan el consumo de agua y la niebla visible, siendo una solución necesaria en regiones áridas.

Refrigeración en circuito abierto (una vez)

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Algunas centrales, especialmente las ubicadas cerca de grandes cuerpos de agua, emplean sistemas de refrigeración en circuito abierto (o "de un solo paso"). En lugar de torres de enfriamiento, toman agua directamente de un río, lago u océano, la circulan por los condensadores para absorber el calor residual y la devuelven al medio ambiente a una temperatura más elevada.

Este sistema evita el costo de construcción y operación de torres de refrigeración y puede reducir el consumo eléctrico auxiliar. Sin embargo, tiene un impacto ambiental significativo:

  • Contaminación térmica: El aumento de temperatura del agua descargada puede alterar los ecosistemas acuáticos, afectando la reproducción y supervivencia de especies sensibles.
  • Mortalidad de fauna acuática: Los sistemas de toma de agua, aunque equipados con rejillas y sistemas de disuasión, inevitablemente succionan ("impingement") y dañan ("entrainment") millones de organismos acuáticos. Por ejemplo, se estima que el sistema de refrigeración de la Central Indian Point en Nueva York causa la muerte anual de más de mil millones de huevos y larvas de peces.[10][11]
  • Estrés por parada abrupta: Los organismos que se adaptan al agua cálida de la descarga pueden sufrir un shock térmico si la planta detiene su operación bruscamente en climas fríos.

Debido a estos impactos y a la creciente competencia por los recursos hídricos,[12] muchas centrales nuevas optan por circuitos cerrados o reciclan aguas grises (aguas residuales tratadas) en sus torres de refrigeración, como hacen las centrales Calpine Riverside y Calpine Fox en Wisconsin, o la Calpine Mankato en Minnesota.

Centrales de energía renovable

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Estas centrales generan electricidad a partir de fuentes naturales inagotables o de rápida regeneración.

Central hidroeléctrica

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Presa de las Tres Gargantas, Hubei, China

Utilizan la energía potencial del agua almacenada en un embalse o del flujo de un río. Al caer por una tubería forzada, el agua acciona una turbina hidráulica acoplada a un generador. La potencia obtenida depende de la altura del salto y del caudal de agua. Es la fuente renovable de electricidad más extendida, generada en 150 países. La región de Asia-Pacífico produjo el 32% de la hidroelectricidad mundial en 2010, siendo China el mayor productor, con 721 TWh anuales, cerca del 17% de su consumo doméstico.

Central solar

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Planta fotovoltaica Nellis, Nevada, EE. UU.

Existen dos tecnologías principales:

Central eólica

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Parque eólico en Texas, EE. UU.

Los aerogeneradores transforman la energía cinética del viento en electricidad mediante un rotor de palas conectado a un generador. Los diseños modernos predominantes son de tres palas y orientación contra el viento ("upwind"). La tendencia es hacia turbinas de mayor potencia (varios MW), que giran más lentamente, reduciendo el impacto visual y los riesgos para la avifauna. Los parques pueden estar en tierra ("onshore") o en el mar ("offshore"), donde los vientos son más constantes.

Energía marina

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Aprovecha la energía de los océanos mediante diversas tecnologías:

No debe confundirse con la energía eólica marina, que es energía eólica generada sobre el agua. El potencial global de la energía marina es enorme, dada la proximidad de los océanos a muchas poblaciones costeras.[13]

Energía por gradiente salino (ósmosis)

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También llamada energía osmótica, aprovecha la diferencia de presión entre agua dulce y salada. En el proceso de ósmosis retardada por presión (PRO), el agua dulce fluye naturalmente a través de una membrana semipermeable hacia una cámara con agua salada, aumentando la presión. Esta presión acciona una turbina. La empresa noruega Statkraft inauguró en 2009 el primer prototipo mundial en el fiordo de Oslo, estimando un potencial teórico en Noruega de hasta 25 TWh/año.

Central de biomasa

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Central de biomasa de Metz, Francia

Genera electricidad a partir de materia orgánica (residuos forestales, agrícolas, cultivos energéticos). La tecnología más común es la combustión directa para producir vapor que mueve una turbina. También existen procesos térmicos más avanzados como la gasificación (produciendo gas de síntesis) o la pirólisis (produciendo biocarbón o pellets), que permiten mayor eficiencia y menores emisiones que la quema a cielo abierto.

Centrales de almacenamiento de energía

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Permiten almacenar energía en períodos de baja demanda o alta generación renovable, y despacharla cuando se necesita. Incluyen:

Potencia típica de salida

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La capacidad de una central se mide en vatios, típicamente megavatios (MW, 10⁶ W) o gigavatios (GW, 10⁹ W). La escala varía enormemente según la tecnología. La capacidad nominal es la potencia máxima que una central puede producir de forma sostenida. Sin embargo, la generación real suele ser menor debido a:

  • Factores de capacidad: En fuentes intermitentes (eólica, solar), la generación media es una fracción de la capacidad instalada.
  • Despacho económico: Las centrales de mayor costo marginal (como las de gas para punta) solo operan cuando la demanda supera la oferta de fuentes más baratas (nuclear, carbón, renovables). Permanecen en reserva ("reserva operativa") o a mínima carga ("reserva rodante") gran parte del tiempo.

Operación y control

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Sala de control de una central eléctrica

El personal de operación tiene responsabilidades críticas:

  1. Seguridad y mantenimiento: Garantizan condiciones seguras para el trabajo del personal de mantenimiento y realizan inspecciones periódicas, registrando parámetros clave (temperaturas, presiones, vibraciones).
  2. Despacho y control: Arrancan y paran generadores según las órdenes del operador del sistema eléctrico, sincronizándolos con la frecuencia y tensión de la red sin perturbar la estabilidad del sistema.
  3. Solución de problemas: Requieren un conocimiento profundo de los sistemas eléctricos y mecánicos para diagnosticar y resolver fallos, maximizando la fiabilidad y disponibilidad de la planta.
  4. Respuesta a emergencias: Deben seguir procedimientos establecidos para actuar ante fallos del equipo, incendios, paradas forzadas o situaciones que pongan en riesgo la seguridad de la instalación o la red.

Véase también

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Referencias

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  1. Thompson, Silvanus Phillips (1888). Dynamo-electric Machinery: A Manual for Students of Electrotechnics. London: E. & F. N. Spon. p. 140.
  2. «Hydro-electricity restored to home» (en inglés británico). 27 de febrero de 2013. Consultado el 9 de marzo de 2019.
  3. McNeil, Ian (1996). An Encyclopaedia of the History of Technology ([New ed.]. edición). London: Routledge. p. 369. ISBN 978-0-415-14792-7.
  4. Jack Harris (14 de enero de 1982), «The electricity of Holborn», New Scientist, archivado desde el original el 4 de febrero de 2023, consultado el 9 de marzo de 2019.
  5. Información sobre plantas de energía nuclear, Agencia Internacional de Energía Atómica
  6. Wiser, Wendell H. (2000). Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6.
  7. «SWEB's Pocket Power Stations». Archivado desde el original el 4 de mayo de 2006. Consultado el 9 de marzo de 2019.
  8. J.C. Hensley (Editor) (2006). Cooling Tower Fundamentals (2nd edición). SPX Cooling Technologies.
  9. Beychok, Milton R. (1967). Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical Plants (4th edición). John Wiley and Sons. LCCN 67019834.
  10. McGeehan, Patrick (12 de mayo de 2015). «Fire Prompts Renewed Calls to Close the Indian Point Nuclear Plant». New York Times.
  11. Riverkeeper, Inc. v. U.S. EPA, 358 F.3d 174, 181 (2d Cir. 2004).
  12. Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (mayo de 2014). "Reglamentos finales para estructuras de toma de agua de refrigeración en instalaciones existentes".
  13. Carbon Trust, Future Marine Energy. Resultados del Desafío de energía marina: Competitividad de costos y crecimiento de la energía de las olas y las mareas, enero de 2006.

Enlaces externos

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