miniaturadeimagen|La central eléctrica de Athlone en Ciudad del Cabo, Sudáfrica. derecha|miniaturadeimagen|Central hidroeléctrica en la presa de Gabčíkovo, Eslovaquia.miniaturadeimagen|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 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.
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.
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.
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.
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 .
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 , 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 miniaturadeimagen| 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 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 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
derecha|miniaturadeimagen| Planta de energía St. Clair , una gran estación generadora a carbón en Michigan , Estados Unidos.miniaturadeimagen| Central nuclear de Ikata , Japón.miniaturadeimagen| Central Geotérmica Nesjavellir , Islandia. Por la fuente del calor miniaturadeimagen| 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:
Plantas de energía nuclearInformación sobre plantas de energía nuclear, Agencia Internacional de Energía Atómica: utilizan el calor generado por la fisión nuclear en el núcleo del reactor para producir vapor que acciona una turbina y un generador. En países como Estados Unidos, la energía nuclear representa alrededor del 20% de la generación eléctrica total. Plantas de energía geotérmica: aprovechan vapor o agua caliente extraídos de yacimientos subterráneos, cuyo calor proviene de la desintegración de elementos radiactivos en el interior de la Tierra y del gradiente térmico del subsuelo. Plantas de energía de biomasa: pueden ser alimentadas por diversos combustibles orgánicos, como residuos de caña de azúcar, residuos sólidos urbanos, metano capturado de vertederos o cualquier otra forma de biomasa renovable. Aprovechamiento de subproductos industriales: en acerías integradas, el gas de alto horno —un subproducto gaseoso de bajo poder calorífico— se emplea como combustible complementario. Asimismo, el calor residual de procesos industriales puede concentrarse y usarse para generar vapor y electricidad en turbinas asociadas. Plantas de energía solar térmica: utilizan espejos o colectores para concentrar la radiación solar, calentar un fluido (generalmente agua o sales fundidas) y generar vapor que mueve una turbina y un generador.
Por su motor primario
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.