Introducción
La electricidad industrial ha sido fundamental para el avance tecnológico y el crecimiento económico, actuando como fuerza impulsora en la transformación de las sociedades modernas. Desde sus inicios, con la utilización de la energía hidroeléctrica y el desarrollo de generadores y redes de distribución, la electricidad ha evolucionado para convertirse en una fuente de poder esencial en casi todas las industrias.
La evolución de la electricidad industrial es una historia de innovación y progreso continuo. En este artículo disertaremos sobre sus orígenes, y cómo las primeras fuentes de electricidad industrial, desde la hidráulica hasta las primeras centrales térmicas, allanaron el camino para la sofisticada infraestructura eléctrica que hoy sostiene la producción industrial a escala global, destacando las fuentes que impulsaron la revolución industrial y dieron forma al mundo tal como lo conocemos hoy.
Historia de la electricidad
La generación de energía eléctrica ha experimentado una evolución marcada por innovaciones cruciales y contribuciones de diversos científicos a lo largo de los siglos. Uno de los primeros avances significativos fue la demostración de la conducción eléctrica por Stephen Gray, cuyo trabajo inspiró en 1740 la creación de los generadores de fricción de vidrio en Leiden, Holanda.
Este desarrollo fue fundamental para los experimentos posteriores de Benjamín Franklin y la invención de la batería por Alessandro Volta en 1800, que estableció una fuente continua de corriente eléctrica.
En 1808, Humphry Davy desarrolló la primera lámpara de arco eléctrico, una innovación que demostró el potencial de la electricidad para la iluminación. Apenas doce años después, en 1820, Hans Christian Ørsted descubrió la relación entre la electricidad y el magnetismo, un hallazgo que fue esencial para el desarrollo de los motores y generadores eléctricos.
Michael Faraday y Joseph Henry, en 1831, confirmaron que una corriente eléctrica podía generarse mediante el movimiento de un conductor en un campo magnético, sentando las bases de los generadores eléctricos modernos.
La década de 1830 también vio la invención del dinamo rudimentario por Hippolyte Pixii, cuya mejora por Antonio Pacinotti en 1860 permitió la generación continua de corriente continua (CC).
En 1867, Werner von Siemens, Charles Wheatstone y S.A. Varley desarrollaron de manera independiente el generador dinamoeléctrico auto-excitado, una innovación que garantizó un suministro más estable y eficiente de electricidad.
Zenobe Gramme perfeccionó este diseño en 1870, facilitando su uso para alimentar motores y promoviendo una mayor adopción de la energía eléctrica en diversas aplicaciones industriales.
A finales del siglo XIX, Charles F. Brush diseñó dinamos más confiables, mientras que Thomas Edison inventó la lámpara incandescente en 1879, proporcionando una fuente de iluminación más práctica y segura.
En 1882, Edison estableció la primera estación generadora central en Pearl Street, Nueva York, demostrando la viabilidad de la distribución de electricidad a gran escala y marcando el inicio de la era de la electrificación urbana.
Paralelamente, Nikola Tesla desarrolló sistemas de corriente alterna (CA) que permitieron la transmisión eficiente de electricidad a largas distancias, superando las limitaciones de la corriente continua y estableciendo las bases del suministro eléctrico moderno. Su trabajo facilitó la integración de diferentes fuentes de energía y la creación de redes eléctricas más robustas y flexibles.
La electricidad, fundamental para la civilización moderna, es mucho más que una simple conveniencia: representa un fenómeno físico complejo que sostiene el funcionamiento de nuestro mundo cada vez más tecnologizado. En su esencia, la electricidad se manifiesta a través de interacciones electromagnéticas entre partículas cargadas, principalmente electrones, dentro de materiales conductores.
Este fenómeno, gobernado por la ley de Coulomb y las ecuaciones de Maxwell, es explotado mediante diversos métodos para alimentar nuestra infraestructura, impulsar procesos industriales y posibilitar la era de la información.
Generación de electricidad
El flujo de carga eléctrica, conocido como corriente y medido en amperios, es el elemento vital de los sistemas eléctricos. Este flujo, ya sea en forma de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA), se controla y manipula en circuitos diseñados con precisión para realizar una amplia varieadad de funciones.
Desde las operaciones a escala nanométrica dentro de los circuitos integrados hasta las vastas redes de distribución eléctrica que se extienden por continentes, los principios del electromagnetismo son aplicados constantemente para lograr impresionantes avances en ingeniería.
Comprender la electricidad requiere un análisis profundo de la mecánica cuántica, la termodinámica y la ciencia de los materiales. Esto implica explorar fenómenos como la teoría de bandas en semiconductores, la superconductividad a bajas temperaturas y las complejidades de la movilidad electrónica en diferentes materiales.
A medida que avanzamos en el desarrollo de tecnologías más eficientes para la generación de electricidad y exploramos la computación cuántica, una comprensión sólida de los principios eléctricos sigue siendo esencial para la innovación y el progreso en el campo de la ingeniería eléctrica.
La era del vapor y sus limitaciones
La historia de la máquina de vapor es un viaje fascinante a través del ingenio y la perseverancia humanos. Es un relato que abarca siglos, entrelazando los hilos de la curiosidad científica, la necesidad industrial y la innovación tecnológica.
Imagínese, por un momento, las profundidades humeantes de un antiguo taller griego. Allí, a la luz parpadeante de una lámpara, un ingeniero filósofo llamado Herón de Alejandría fabrica un curioso dispositivo: una esfera hueca montada sobre un soporte, con tubos doblados que sobresalen de su centro.
Mientras vierte agua con cuidado en la esfera y enciende un fuego debajo de ella, los espectadores reunidos se quedan boquiabiertos de asombro. El vapor sale silbando de los tubos y la esfera comienza a girar, cada vez más rápido. Se trata de la eolípila, uno de los primeros dispositivos de vapor conocidos, en la siguiente imagen se puede observar este dispositivo, conocido como el primer motor de vapor.
Una eolipila es una maquina constituida por una cámara de aire, generalmente una esfera, con tubos curvos por donde se expulsa el vapor. La fuerza que resulta de esta acción logra que el mecanismo empiece a girar, aplicando la ley de acción y reacción.
Avanzamos casi dos milenios. El mundo ha cambiado drásticamente. En los túneles húmedos y oscuros de las minas de carbón de Inglaterra, los mineros luchan contra un enemigo implacable: el agua. A medida que excavan más profundamente en busca del oro negro que alimenta la naciente Revolución Industrial, se enfrentan a una batalla constante contra las inundaciones.
Es aquí, en estos laberintos subterráneos, donde comienza a surgir el verdadero potencial de la energía a vapor.
Entra en escena Thomas Savery, un ingeniero emprendedor con una visión. En 1698, presenta su “Amigo del minero”, una bomba impulsada por vapor diseñada para extraer agua de las minas. El invento de Savery es ingenioso, pero riesgoso, propenso a explosiones y de alcance limitado. Sin embargo, marca un paso crucial hacia adelante, que enciende la imaginación de otros inventores e ingenieros.
Entre ellos se encuentra Thomas Newcomen, un herrero y predicador laico bautista. Newcomen ve el potencial en el trabajo de Savery, pero también sus limitaciones. A lo largo de años de experimentación, desarrolla algo verdaderamente revolucionario: el motor atmosférico.
Imaginemos una enorme viga, en equilibrio como un balancín, con un pistón en un extremo y una varilla de bomba en el otro. A medida que el vapor llena el cilindro y luego se condensa, el pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo, impulsando la bomba con un movimiento rítmico, casi hipnótico. No es sólo una máquina; es un latido mecánico, que da vida al mundo industrial.
1750-1850).
Pero la historia no termina allí. A lo largo de las décadas siguientes, un desfile de mentes brillantes contribuye a la evolución de la máquina de vapor. James Watt, con su condensador independiente y su movimiento rotatorio. Richard Trevithick, que se atreve a utilizar vapor a alta presión. George Stephenson, que pone las máquinas de vapor sobre raíles y cambia el transporte para siempre.
Cada innovación se basa en la anterior, cada inventor se apoya en los hombros de los que vinieron antes. La máquina de vapor se vuelve más potente, más eficiente, más versátil. Pasa de las minas a las fábricas, de las fábricas a los ferrocarriles, de los ferrocarriles a los mares. Se convierte en la fuerza impulsora de una transformación tan profunda que todavía hoy sentimos sus efectos.
De la máquina de vapor al generador eléctrico
Un generador eléctrico es una máquina que transforma energía mecánica en energía eléctrica mediante el principio de inducción electromagnética descubierto por Michael Faraday en 1831. Faraday observó que el movimiento relativo entre un imán y una bobina de alambre genera una corriente eléctrica en este.
Dicho descubrimiento llevó al desarrollo de los generadores electromagnéticos modernos que utilizan electroimanes en lugar de imanes permanentes.
La mayor cantidad de la generación de electricidad en los Estados Unidos y a nivel mundial proviene de plantas que utilizan turbinas para accionar generadores eléctricos. Bajo este contexto, un generador accionado por una turbina transforma la energía mecánica del movimiento rotativo de un rotor en energía eléctrica.
Las turbinas de vapor, que representan aproximadamente el 42% de la generación eléctrica de los EE. UU. en 2022, son las más utilizadas a nivel mundial. En estas turbinas, el vapor se genera mediante la combustión de un combustible en una caldera, cuyo calor es transferido a un intercambiador para producir vapor que luego impulsa la turbina.
Sistemas eléctricos industriales
Un generador electromagnético: típico consta de un estator estacionario, formado por bobinas de alambre aisladas dispuestas en un cilindro, y un rotor central que lleva el electroimán. Al girar el rotor, una corriente eléctrica es inducida en cada bobina del estator. Estas corrientes individuales se combinan para formar una única corriente eléctrica total, que es la electricidad generada y transmitida a través de líneas eléctricas hacia los clientes.
Las turbinas de gas de combustión: Son muy similares en funcionamiento a los motores a reacción, queman combustibles líquidos o gaseosos para generar gases calientes que impulsan las aspas de la turbina. Operar de manera independiente o en combinación con turbinas de vapor en sistemas de ciclo combinado, donde los gases de combustión de una turbina alimentan una segunda turbina para generar más electricidad.
En los sistemas de ciclo combinado: Generalmente cada turbina suele poseer su propio generador, aunque también existen configuraciones de eje único donde ambas turbinas accionan un solo generador. Las centrales térmicas de ciclo combinado transforman la energía térmica del gas natural en electricidad mediante el trabajo conjunto de una turbina de gas y otra de vapor.
El proceso implica la puesta en marcha de dos ciclos consecutivos: el ciclo de Brayton, que corresponde a la turbina de gas convencional, y el ciclo de Rankine, que opera con la turbina de vapor. Siemenes con sus nueva tecnología de ciclo combinado Flex-Plant™ de Siemens, ha logrado proporcionar electricidad limpia, eficiente, fiable y con una alta eficiencia.
En el siguiente video se muestra el funcionamiento de esta tecnología innovadora de Siemenes.
Siemens’ Flex-Plants - Generación de energía de ciclo combinado: Tecnología Flex.
- Las plantas de cogeneración (CHP, por sus siglas en inglés): aprovechan el calor residual no convertido en electricidad en las turbinas de vapor, turbinas de combustión o generadores de motores de combustión interna, para generar calor adicional que se utiliza en procesos industriales.
Redes eléctricas inteligentes
Con la llegada del nuevo milenio, el concepto de Redes Eléctricas Inteligentes (REI) o smart grids ha revolucionado el panorama energético global. Estas redes integran los elementos tradicionales del sistema eléctrico—generación, transmisión, distribución y comercialización de la electricidad—con avanzados sistemas de comunicación, creando un entorno flexible y confiable.
La implementación de una REI requiere la integración de diversos sistemas informáticos en la red eléctrica convencional. Esto incluye sistemas que almacenan y analizan información geográfica y estadística, monitorean el estado de la red, y controlan equipos de campo. Además, se necesitan medidores inteligentes y sistemas de gestión de datos que faciliten la comunicación entre los medidores y las compañías eléctricas, así como la administración de la red en tiempo real.
Uno de los desafíos más significativos para las REI es su vulnerabilidad a los ciberataques. Al estar basadas en sistemas de comunicación, pueden ser susceptibles a sabotajes, lo que podría causar apagones u otras fallas graves. Sin embargo, los beneficios son igualmente significativos: mayor integración de energías renovables, reducción de gases de efecto invernadero, precios competitivos, y mejoras en la calidad y confiabilidad del servicio eléctrico, incluyendo la capacidad de auto-reparación de fallas y la automatización del mantenimiento.
Generación de electricidad de fuentes renovables
Las turbinas hidroeléctricas transforman la energía cinética del agua en movimiento, en electricidad al hacer girar las aspas de una turbina acoplada a un generador. De igual forma, las centrales de almacenamiento por bombeo, aunque emplean turbinas hidroeléctricas similares funcionan como sistemas de almacenaje de energía, mientras que las turbinas hidrocinéticas se utilizan en la generación de energía a partir de mareas y olas.
Las turbinas eólicas, que aprovechan la energía del viento para mover las aspas de un rotor conectado a un generador, son otra fuente importante de electricidad. Existen dos tipos principales de turbinas eólicas: las de eje horizontal, que son las más comunes, y las de eje vertical.
¿Cómo está impactando la inteligencia artificial a la eficiencia en la electricidad industrial?
La integración de la inteligencia artificial (IA) en el ámbito industrial ha llevado, a un notable incremento en la eficiencia energética, superando las limitaciones de los métodos tradicionales al introducir sistemas más avanzados y adaptativos.
Este impacto se manifiesta en diversas áreas clave, donde la IA no solo mejora la eficiencia operativa, sino que también optimiza la capacidad predictiva, ajusta el consumo energético y apoya los objetivos de sostenibilidad en las operaciones industriales.
Optimización de procesos en la electricidad industrial
En un entorno industrial, los procesos incluyen múltiples variables, como la velocidad de los motores, los caudales de las bombas y las mediciones de temperatura, que deben ser ajustadas constantemente para mantener la eficiencia óptima.
Aunque los operadores poseen experiencia y conocimiento, pueden no tener la capacidad de identificar patrones complejos o ineficiencias insipientes en estos procesos. Los sistemas de IA, sin embargo, pueden estar analizando continuamente los datos operativos, aprendiendo de los patrones y realizando ajustes automáticos para optimizar todos los parámetros.
Este enfoque garantiza que cada aspecto de la operación funcione en su nivel máximo de eficiencia energética, lo que no solo disminuye el consumo de electricidad, sino que también mejora la productividad general de la planta.
Conclusiones
La evolución de la electricidad industrial ha contribuido a la transformación de las sociedades modernas, permitiendo avances tecnológicos y económicos significativos. Desde sus humildes comienzos con la energía hidráulica hasta las complejas redes eléctricas actuales, esta evolución ha establecido la base para la infraestructura industrial global que sostiene la producción en masa y el desarrollo continuo.
La historia de la electricidad industrial no solo es un testimonio de la innovación, sino también una lección sobre cómo las fuentes de energía, como las primeras centrales térmicas, han moldeado el mundo moderno. Comprender esta evolución es crucial para valorar la importancia de la electricidad en la industria y su papel en el futuro tecnológico.
Referencias
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8871889/
- https://www.clearesult.com/insights/how-ai-can-enhance-ee-in-commercial-industrial-facilities
- https://www.nature.com/articles/s41467-024-50088-4
- https://www.iea.org/commentaries/why-ai-and-energy-are-the-new-power-couple
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0301420723002155
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