LA ELECTRICIDAD

El nombre de este elemento esencial de la vida moderna, proviene de la palabra griega elektron, que significa «ámbar», porque esta resina fósil tiene la propiedad de que al frotarla se carga de electricidad estática. La magnetita, un mineral de hierro, procedente de Magnesia, ciudad de la Tesalia griega, tiene la propiedad de atraer al hierro. Ambos elementos son conocidos desde la más remota  antigüedad. Una leyenda sobre un episodio de la Odisea nos dice que Ulises fue atraído a la isla de las Sirenas porque era de magnetita y  atrajo el herraje de sus naves. Si non e vero, e ben trovato…

Sin embargo, que la electricidad y el magnetismo eran la misma cosa, no se supo hasta el siglo XIX. Fue James Clerk Maxwell quien dio con la explicación de los fenómenos llamados desde entonces electromagnéticos.

La electricidad es el flujo en el seno de ciertos materiales de los electrones de sus átomos. Para que esto suceda ha de ocurrir que en los extremos de un cable de material conductor, entendiendo por tal el que tiene electrones predispuestos a fluir, exista lo que se llama diferencia de potencial, tensión o voltaje. Algo parecido a lo que hace fluir el agua por una red o tubería, que sus terminales estén a distinta altura.

Otro personaje importante en esta historia es Michael Faraday. Físico y químico británico descubridor de la inducción electromagnética, el diamagnetismo y la electrolisis. Creador de la Jaula de Faraday, cuyo principio se utiliza en los aviones para evitar el peligroso efecto de los rayos que a veces los alcanza en vuelo. El principio del diamagnetismo (creación de un campo magnético que impide el contacto de dos elementos sometidos al mismo) es objeto de intensa investigación en diversas partes del mundo para el ferrocarril.

Aunque nos aparte algo del tema principal, vamos a detenernos un momento en el sistema de levitación magnética (MAGLEV) que tiene la ventaja de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte colectivo sobre ruedas  convencionales.

La ausencia de contacto físico entre el riel y el tren hace que la única fricción sea con el aire, y esta se reduce al mínimo por su forma aerodinámica. Los trenes maglev pueden viajar a muy altas velocidades, con un consumo de energía muy elevado para mantener y controlar la polaridad de los imanes y con un bajo nivel de ruido.

En Japón, la mayor velocidad obtenida hasta ahora fue de 603 km/h en la ruta Yamanashi (ruta experimental) el 21 de abril de 2015. Unos días antes llegó a alcanzar los 590 km/h, el 16 de abril. La máxima velocidad demostrada de un maglev real en operación comercial es la obtenida por el tren alemán Transrapid instalado en Shangai, China, que transporta pasajeros a lo largo de 30 km en tan solo 7 minutos y 20 segundos, consiguiendo normalmente una velocidad punta máxima de 431 km/h y una media de 250 km/h en el trayecto. Circula entre la ciudad y su aeropuerto y se construyó como el tramo inicial de un recorrido mayor.

La primera operación comercial del maglev fue del tipo «transporta personas». Abierto oficialmente en Birmingham, UK, operaba sobre una pista elevada monorriel en un recorrido de aproximadamente un kilómetro, entre el Aeropuerto internacional de Birmingham y su Estación de Ferrocarril. Viajaba a una velocidad de 42 km/h. El sistema fue cerrado temporalmente en 1995 para corregir problemas de diseño.

Con ocasión de un viaje que hice a esa ciudad, tuve la oportunidad de utilizarlo desde el Aeropuerto hasta el centro de la ciudad. Eran unos pequeños vagones para unas diez personas con espacio para los equipajes y su funcionamiento era automático. Al aproximarse a la primera unidad, se abrían las puertas. Al completarse el pasaje o en caso de no hacerlo, en un periodo de unos minutos, sonaba una señal acústica, se cerraban las puertas y empezaba a circular. Se detenía en todas las paradas programadas y tras una breve detención, de nuevo se ponía en funcionamiento. Me pareció una maravilla, pero después de 1995, creo que dejó de funcionar por este sistema, siendo sustituido por un sistema de tracción distinto que utiliza la misma infraestructura con menor consumo energético.

El maglev de Birmingham

En efecto, su principal inconveniente es el alto coste de las líneas, lo que ha limitado su uso comercial. Este alto coste se deriva de varios factores: el primero y principal es el altísimo coste de la infraestructura necesaria para la vía y el sistema eléctrico, y otro, no menos relevante, es el alto consumo energético. Debido a que en la fuerza electromagnética el principal factor limitante en cuanto al diseño y al consumo es el peso del tren, esta tecnología no es aplicable actualmente al transporte de mercancías, lo cual limita enormemente las posibilidades de rentabilizar el sistema. Hay algunos otros recorridos en estudio, principalmente en China y Japón. En Alemania se ha desechado de momento la construcción de líneas maglev para pasajeros a causa de su oneroso coste de construcción y mantenimiento.

Pero volviendo a nuestro objeto principal, entramos en la inducción electromagnética, principio que utilizó Edison para transformar la energía mecánica en eléctrica.  Un  circuito cerrado de hilos conductores, normalmente de cobre, obligado a moverse en el magnetismo creado por un imán u otra disposición de hilos del todo parecida a la anterior, genera corriente eléctrica. O, en sentido inverso, transformando la energía eléctrica en mecánica, como lo hacen todas las máquinas movidas por electricidad, pequeñas o grandes que a diario utilizamos. Es el principio en que se basan  todas las formas de generar electricidad, excepto la fotovoltaica.

¿Cómo generaba Edison la corriente eléctrica para alimentar las bombillas que había instalado por las ciudades? Quemaba carbón para calentar agua en una caldera hasta la ebullición; dirigía el vapor generado a los álabes de una turbina transformando así la energía térmica en mecánica de rotación, y ésta por inducción electromagnética, generaba  corriente eléctrica para su utilización.

Pero se topó con un problema importante. Como sabemos, al pasar una corriente eléctrica por un cable, debido al movimiento de átomos y moléculas en su interior, se genera calor. Si el calor generado se va  elevando tanto que necesita toda la corriente eléctrica, esta deja de fluir y solo se genera calor. Con la corriente continua, que usaba Edison, ocurría cuando había que llevar la corriente eléctrica a zonas distantes de la central: se producía calentamiento elevado en el cable y la electricidad dejaba de fluir. Y ello, aunque la central fuera muy potente. La alternativa era crear un número elevado centrales próximas a los centros de consumo. Como consumían carbón, había que almacenar y quemar grandes cantidades; necesitaban mucho espacio y producía enormes cantidades de humos. Todo ello las hacías muy onerosas e insalubres.

La solución llegó de un científico serbio llamado Nikola Tesla, en el que nos vamos a detener un momento. Para muchos es, el más grande inventor del siglo pasado. Gracias a él, la electricidad llega hoy a millones de hogares en todo el mundo. Y durante mucho tiempo ha sido injustamente olvidado. (En mis estudios de Perito Industrial, de los que conservo la mayor parte de los libros, no se cita para nada al Sr. Tesla)

Nikola Tesla, un joven serbio desconocido, nació en 1856 en Smilijan, en la actual Croacia, entonces parte el Imperio Austro-Húngaro. Tesla trabajaba en la sede parisina de la Continental Edison, la compañía del inventor norteamericano en Europa. Se presentó en la central enviado por Charles Batchelor, su jefe en Paris,  con una carta de recomendación. Edison lo incorporó de inmediato a su empresa, pero entre ambos no se produjo una gran sintonía. Se fue generando una animadversión entre ambos que al final acabó en conflicto abierto. Edison defendía un modelo de negocio eléctrico basado en la corriente continua. Tesla, en cambio, creía en un modelo basado en la corriente alterna. La pugna entre ambos pasó a la historia como «la guerra de las corrientes». Ganó Tesla con su modelo mucho más eficiente. La memoria histórica ha sido benévola con otros inventores (Edison, Hertz, Volta…), pero el mundo debe mucho a Nikola Tesla, cuya figura empieza a ser reivindicada en la actualidad.

Tesla descubrió las ventajas que presentaba que la intensidad y dirección de la corriente variaran cíclicamente. El signo de la diferencia del potencial entre los dos extremos de un conductor, en lugar de mantenerse constante, se va alternando. Lo que resulta es un vaivén de flujo eléctrico que tiene una ventaja fundamental. Lo que hace que la corriente eléctrica genere más o menos calor es la potencia, que depende del voltaje y de la intensidad. O sea del número de electrones que fluyen por unidad de tiempo y de la sección del cable conductor y se mide en amperios. Es por ello, que el grosor (sección) de los cables para el transporte de electricidad se elige en función de la intensidad que circula por ellos, ya que a mayor sección menor resistencia eléctrica y, por tanto, menos pérdidas de energía debido al calentamiento. Si se aumenta el voltaje, se puede disminuir la intensidad para una misma potencia. Por lo que, el alto voltaje, o lo que es lo mismo, la alta tensión, permite que el grosor de los cables no sea excesivo. El aparato que logra cambiar la tensión es el transformador. La corriente alterna se presta perfectamente a la transformación, pero no la corriente continua. La ventaja esencial de la corriente alterna es que su transporte se puede llevar a cabo con cables de mayor sección a fin reducir las pérdidas por calor.

La corriente alterna permite elevar su voltaje de manera que su distribución hasta los puntos de consumo se haga con el menor coste debido a que la mayor sección de los cables casi anula las  pérdidas por calentamiento. Cuando llega a los puntos de consumo, el voltaje puede ser reducido a los niveles necesarios para su uso doméstico o industrial.

Fue otro inventor, también industrial de apellido célebre, George Westinghouse (en algunos momentos socio de Edison), quien ideó la forma de distribuir y comercializar la corriente alterna. Si en el mapa de un país se trazara con detalle su red eléctrica, nos encontraríamos con una autentica maraña, similar al sistema vascular o nervioso del organismo humano. La diferencia estribaría en que mientras en el cuerpo humano solo hay una base para cada uno de los sistemas: el corazón para el vascular y el cerebro para el nervioso, en la red eléctrica hay un número elevado de centros de generación: las centrales eléctricas, que serán objeto del próximo artículo, y las estaciones de transformación.

La base del sistema son las centrales generadoras, muy cerca de las cuales están las grandes estaciones de transformación que elevan el voltaje original de la central en unas 10 veces para su transporte. La tensión puede elevarse hasta centenares de kilovoltios (1kV=1.000 voltios). Entonces inicia su viaje por la red hacia los centros de consumo a través de los grandes tendidos eléctricos cuyas torres, auténticas obras de ingeniería, nos son tan familiares en el paisaje.

Los siguientes nudos de la red son las subestaciones de transformación  donde el voltaje se reduce hasta los 100 kV, donde comienza ya el reparto de la electricidad. La red se sigue haciendo cada vez más tupida y llegando a nudos cada vez más pequeños: las estaciones transformadoras de distribución y los medianos, pequeños y minúsculos centros de transformación, ya a la tensión de utilización para los consumidores. El diseño de la red de distribución es una actividad compleja y altamente especializada debido a su impacto ambiental y los riegos que comporta.

Como la energía eléctrica es muy difícil de almacenar en cantidades grandes, la producción debe igualarse al consumo en todo momento. La gestión de ese equilibrio es muy compleja e interesante. Para tener una idea, se puede acceder a la página web de Red Eléctrica Española (www.ree.es) donde podemos ver en tiempo real la producción y el consumo, con los gráficos de demanda, la generación y el origen de esta en cada instante, por tipos de centrales generadoras.

A continuación se muestran en unas imágenes, la complejidad de una red de distribución eléctrica en una sociedad  “moderna”: como se puede comprobar, una auténtica “maraña”…

 

FUENTES.-

*Página web de la Agencia Internacional de la Energía Atómica.

*WIKIPEDIA, Para las imágenes y datos complementarios.

*Nucleares, ¿Por qué no?. Profesor Manuel Lozano Leyva.

*El ecologista Nuclear. Profesor Juan José Gómez Cadenas.

Estos dos libros, son muy interesantes y documentados como corresponde a dos catedráticos en Física con muy amplia experiencia en el tema.

*Biografías y Vidas. Página web con datos biográficos de los personajes que se citan en el texto.

*Revista Newsweek. Entrevista con el Sr. Lovelock y diversos artículos y noticias sobre temas de energías.