1.1. Aspectos básicos de la electricidad

Definición de energía. En física, la energía se define como la capacidad de un cuerpo o sustancia para realizar un trabajo. Atendiendo a aspectos tecnológicos y económicos, la energía se refiere a un recurso natural que adecuadamente manipulado y transformado es capaz de realizar un trabajo, es decir, a su transformación se le puede dar un uso industrial y tener, por tanto, un sentido económico.

La energía como tal, ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. No obstante, el hecho de que las transformaciones empleadas no sean reversibles hace que la energía se degrade y que, a la postre, no sea posible extraer más trabajo del recurso natural del que se parte inicialmente. Toda trasformación del recurso natural para producir trabajo tiene un impacto, mayor o menor, sobre el medio ambiente. La cantidad disponible de recursos naturales susceptibles de realizar trabajo es lo que se conoce como “recursos energéticos”.

La electricidad es una forma de energía basada en que la materia posee cargas eléctricas positivas y negativas. Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo, se ejercen entre ellas fuerzas electrostáticas. Cuando las cargas están en movimiento relativo, se establece una corriente eléctrica (la electricidad ya no es estática) y se crean además campos magnéticos.

Los parámetros básicos que permiten cuantificar esta forma de energía son: la tensión o voltaje (que se mide en voltios, V), la corriente o intensidad eléctrica (que se mide en amperios, A), la potencia eléctrica (que se mide en vatios, W) y la energía eléctrica producida/consumida (que se mide en vatios-hora, Wh). A partir de estas unidades de medida básicas, se definen sus múltiplos, que son más utilizados en la práctica: kilovoltios (kV), kiloamperios (kA), kilovatios (kW), gigavatios (GW), gigavatios-hora (GWh), etc.

Y, como características básicas de la electricidad, se puede citar que es limpia en el lugar de consumo, no huele, no se detecta por la vista y no se aprecia por el oído. Además, la energía eléctrica se puede obtener fácilmente de diferentes tipos de energías primarias (combustibles fósiles, nuclear, biomasa, agua, viento, sol, etc.) (ver Tecnologías y costes de generación eléctrica) a partir de un proceso de transformación y, posteriormente, transportarla desde los lugares de generación hasta los centros de consumo a través de líneas eléctricas y cables subterráneos (ver Actividades reguladas en el sector eléctrico).

La electricidad, ya sea estática o no, da lugar a la aparición de diferentes fenómenos, que pueden manifestarse en forma de arcos eléctricos (p.e. los rayos) o como fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos, emisión de señales, etc. Es decir, la electricidad se puede utilizar para generar movimiento, calor o frío, luz, así como poner en marcha dispositivos electrónicos, sistemas de telecomunicaciones, sistemas de procesamiento de información, etc. Todas estas aplicaciones, utilizadas en la industria, el sector terciario, los hogares, hospitales, medios de transporte, etc. funcionan como consecuencia de la circulación de una corriente eléctrica.

Por lo tanto, se puede decir que la electrificación iniciada en el siglo XIX no sólo fue un proceso técnico, sino un verdadero cambio social de implicaciones extraordinarias, por lo que, además de ser un servicio, es una necesidad básica para poder realizar una gran cantidad de actividades en el mundo actual (ver Energía y Sociedad).

No hay más que analizar las consecuencias de una interrupción de energía eléctrica para observar con precisión la dependencia de nuestra sociedad de esta forma de energía: las fábricas tendrían que parar sus procesos productivos; no funcionarían los teléfonos, ordenadores, internet, semáforos, bombas de agua potable, refrigeradoras, equipos médicos, calderas de gas, etc.

Sin embargo, también hay que tener en cuenta que la energía eléctrica no se puede almacenar económicamente en grandes cantidades (obligando a generarla al mismo ritmo que se consume en cada instante) y necesita que exista una continuidad eléctrica para su existencia. Esta continuidad es lo que define el circuito eléctrico y, si se interrumpe dicha continuidad, la circulación de la corriente eléctrica se interrumpe. Estas dos características hacen que la disponibilidad de esta energía, necesaria en nuestra sociedad, se consiga en base a un sistema muy complejo que integra un número muy elevado de componentes, abarcando: fuentes de generación de electricidad con diferentes energías primarias, transformación, líneas eléctricas de transporte y distribución, maquinas eléctricas, sistemas de protección, control y gestión, circuitos eléctricos dentro de las viviendas, comercios e industrias, etc., todos ellos interconectados entre sí, conformando lo que se ha denominado como “el Sistema Eléctrico” o también “la máquina más grande jamás construida por el hombre”.

Finalmente, resaltar que los índices de consumo eléctrico representan uno de los elementos más relevantes del desarrollo industrial de un país, siendo significativo su paralelismo con los índices de crecimiento del PIB (ver Contribución del sector eléctrico y gasista a la sociedad). Pero también es una señal del desarrollo social de un país. El grado de consumo eléctrico per cápita y, sobre todo, el nivel de electrificación de un país son señales claras del nivel de bienestar. También, es significativo que algunos países en claro crecimiento económico hayan liberalizado y privatizado su sector eléctrico en busca de capital privado e internacional (ver El proceso de liberalización y separación de actividades reguladas). El objetivo es poder afrontar las cuantiosas inversiones que los crecimientos de consumo eléctrico exigen, conscientes de que la falta de abastecimiento eléctrico supone una importantísima traba al desarrollo económico y social del país.

Figura 1‑1. Esquema básico del Sistema Eléctrico.
Fuente: Red Eléctrica de España (REE).

Dada la amplitud del concepto de Sistema Eléctrico, a continuación se presenta una breve descripción de cada una de las etapas que forman parte de dicho sistema que se pueden ver gráficamente en la Figura 1‑1:

• Centrales eléctricas generadoras: la energía eléctrica se obtiene a partir de diferentes tipos de energías primarias (carbón, gas, agua, viento, sol, combustible nuclear, etc.), mediante un proceso de transformación que da lugar a diferentes tipos de plantas productoras, tales como las centrales hidroeléctricas, térmicas, nucleares, eólicas, solares, etc. Cada tecnología cuenta con ventajas y desventajas. Por ejemplo, las energías renovables son energías que ayudan a proteger el medio ambiente sin emitir gases de efecto invernadero, pero tienen un carácter intermitente (como consecuencia de las características de las fuentes primarias) y son poco flexibles. Por su parte, las centrales de ciclo combinado pueden aportar soluciones rápidas en estas situaciones, pero emiten CO2. Las centrales nucleares aportan gran seguridad de suministro y se utilizan como centrales de base, aunque exigen un nivel de seguridad mucho más elevado que otros tipos de centrales (ver Tecnologías y costes de generación eléctrica). Las restricciones impuestas fundamentalmente por la disponibilidad física de la energía primaria, junto con otras consideraciones económicas, ambientales y sociales han llevado a la ubicación de las centrales de producción en puntos muchas veces alejados de los grandes centros de consumo. Este hecho, junto con la imposibilidad de almacenar la energía eléctrica en cantidades apreciables, ha dado lugar a la necesidad de disponer de una red que interconecte los centros de producción con los centros de consumo.
• Estaciones transformadoras elevadoras: se ubican a la salida de las centrales generadoras y su misión es elevar la tensión de salida de dichas centrales, a un valor de tensión adecuado para el transporte de la energía eléctrica a alta tensión.
• Redes de transporte: son las líneas aéreas que unen las estaciones transformadoras elevadoras de las centrales eléctricas con las subestaciones transformadoras reductoras. Es decir, son las encargadas de realizar el transporte de energía a larga distancia y alta tensión (en España entre 220 y 400 kV). El desarrollo de la conectividad de las redes de transporte, tanto en el interior de los países como en las interconexiones entre los mismos, ha permitido el planteamiento de mercados eléctricos de dimensión regional o internacional.
  Hace años, el crecimiento de este sistema de transporte era más o menos paralelo a la generación y la demanda, sin embargo, en la actualidad esta aserción ya no se cumple. En países industrializados la construcción de nuevas líneas eléctricas es un proceso complejo y largo. Los requisitos medioambientales han hecho más difícil y cara la construcción de nuevas líneas y la obtención de los permisos necesarios se demora un tiempo indefinido e incierto. Por lo tanto, las redes de transporte deben desarrollarse a lo largo de los años y no planificarse de forma definitiva para quedar invariables en el futuro. El problema de determinar dónde se sitúa la estación generadora y la distancia de transporte, es un problema técnico y económico.
  En España, Red Eléctrica de España (REE) es la compañía encargada de gestionar la red de transporte, desde que entrara en vigor la Ley 17/2007, que le otorgó la condición de transportista único de la electricidad. La actividad del transporte es una actividad regulada, ejercida en régimen de monopolio y con una retribución establecida en base a objetivos. En el año 2016 en España existían 21.620 km de redes de 400kV y 19.496 km de redes de 220kV, de cuya gestión y mantenimiento se encarga REE.
• Subestaciones transformadoras reductoras. Cumplen tres funciones principales: son los centros de interconexión de todas las líneas entre sí, son los centros de transformación desde donde se alimentan las líneas de distribución que llegan hasta el consumo y son los centros en donde se instalan los elementos de protección y maniobra del sistema. El equipo eléctrico más representativo es el trasformador, encargado de reducir los valores de tensión a unos valores aptos para el reparto de la energía eléctrica en las cercanías de las grandes áreas de consumo.
• Redes de distribución: son las líneas eléctricas de aproximación a los grandes centros de consumo (ciudades o instalaciones industriales de cierta importancia). En la mayoría de las ocasiones, estas redes suelen ser aéreas, aunque una vez que llegan a los núcleos urbanos, se utilizan líneas subterráneas. Esta red tiene una extensión varios miles de veces mayor que la red de transporte y, en España, los rangos de tensión abarcan valores desde 13.8 hasta 132 kV. También se trata de una actividad regulada, aunque en este caso son las empresas eléctricas las que invierten en esta actividad. Con la liberalización del mercado, se ha impedido que las empresas distribuidoras sean las mismas empresas que las encargadas de la comercialización (ver Actividades reguladas y actividades en libre competencia).
• Centros de transformación: transforman los valores de media tensión de la red de distribución a valores aptos para el consumo en baja tensión. Este consumo puede ser extremadamente variable dependiendo de la hora del día, del día de la semana, época del año, país, etc. Los centros de transformación son propiedad de la compañía eléctrica distribuidora, aunque si el cliente se conecta en media tensión, dicho centro de transformación suele ser de su propiedad. Los valores de salida de estos centros suelen ser de 400/230 V.

La necesidad de generar y enviar la energía eléctrica a través de una red eléctrica lleva asociado que parte de esa energía se pierda en el proceso. En el caso de las líneas de transporte y distribución, la cantidad de energía eléctrica que se pierde depende de múltiples factores como son su extensión, ubicación de la generación y de la demanda, operación de la red eléctrica, características técnicas de los equipos, etc. Aunque cada sistema eléctrico es diferente, en los sistemas eléctricos de los países desarrollados las pérdidas se deben fundamentalmente a razones técnicas y representan aproximadamente un 7-9% del total de la energía demandada. A este nivel de pérdidas hay que sumarle otro valor de pérdidas del entorno del 45%, mínimo, en las centrales generadoras. Esta cantidad de energía que se pierde tiene un impacto económico y medioambiental elevado, ya que es necesario producir esa energía previamente, consumiendo otra energía primaria.

Considerando aspectos técnicos, este sistema eléctrico tiene que ser capaz de dar suministro de energía eléctrica a todos los consumidores, sin que se produzcan interrupciones en el suministro, de tal forma, que si ocurre algún fallo en alguna parte del sistema, la interrupción del suministro de energía eléctrica a cada consumidor dure lo menos posible y no afecte al resto del sistema.

Por otra parte, la tensión de alimentación que llega a los consumidores debe mantenerse dentro de los márgenes estipulados por la legislación vigente, sea cual sea la carga demandada, para evitar malfuncionamiento o deterioro de los equipos de dichos consumidores. Diseñar un sistema perfecto según estos criterios, sería prohibitivo desde un punto de vista económico, por lo que se recurre a una red mallada en la etapa de transporte, que permite alimentar a las subestaciones desde dos o más puntos diferentes de la red, y a redes radiales o en anillo en la etapa de distribución. Otra diferencia entre el transporte y la distribución radica en los niveles de tensión empleados.

Por lo tanto, es necesario realizar un diseño que conduzca a pérdidas bajas en cada una de sus etapas (generación, transporte, distribución y consumo), pero manteniendo unos niveles máximos de seguridad y continuidad de suministro.

Esta estructura de los sistemas eléctricos, mantenida prácticamente sin alterar desde mediados del siglo pasado, se encuentra en la actualidad inmersa en un proceso de cambio provocado por la introducción en un grado creciente de pequeñas centrales de generación ubicadas cerca del consumo, la generación distribuida, que se conecta directamente a la red de distribución y próxima al consumo. Así, año a año y de manera creciente, la producción de electricidad mediante instalaciones de generación distribuida está complementando/sustituyendo a la producida en las grandes centrales de generación. Sin embargo, con independencia de donde y por qué medios se produzca la electricidad, siempre será necesaria una red eléctrica que conecte los centros de producción con los de consumo.