Edificios 2030: edificios energéticamente flexibles, caso real

Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Inteligentes

Autor

• Álvaro Sánchez Miralles, CEO, Stemy Energy

Resumen

Los edificios en Europa son aproximadamente el 40% del consumo energético, producen un 36% de las emisiones de CO2. Para paliar esto, la CE está desarrollando directivas como “Energy Performance of Buildings Directive”, que promueve la eficiencia energética en edificios. En este contexto, se ha creado Stemy Energy, una solución que maximiza la energía de edificios, mientras que da flexibilidad energética a la red eléctrica. Se ha probado en 5 regiones de España en edificios residenciales con ahorros del 30% y con reducción de emisiones de casi el 40%. La solución controla clima, persianas, luces, baterías, renovables, puntos de recarga, agua caliente, usando una inteligencia que tiene en cuenta los mercados eléctricos, la meteorología, las preferencias y hábitos del usuario final, el comportamiento del edificio, y la red eléctrica local (pruebas reales con Endesa 24×7).

Palabras clave

Eficiencia Energética, Edificio Inteligente, Gestión Energética Inteligente, Flexibilidad Energética, Renovables, Inteligencia Artificial

Introducción y motivación

Los edificios en Europa son aproximadamente el 40% de todo el consumo energético, producen un 36% de las emisiones de CO2. Para ayudar en la paliación del cambio climático, la comisión europea (CE), ha lanzado la “EUROPE 2020 STRATEGY”, cuyo objetivo es reducir el consumo energético en un 20% y reducir las emisiones un 20%. El 30 de noviembre de 2016, la Comisión propuso un paquete de medidas para que la Unión Europea se competitiva mientras la transición energética limpia está cambiando los mercados de energía global. Estas propuestas, que representan una revisión de la política energética europea global, son conocidas como el “Winter Package”. Las propuestas de la Comisión se basan en tres pilares: “putting energy efficiency first” [1], lograr un liderazgo global en energías renovables y dar un trato justo a los clientes. Con este paquete, la Comisión quiere que Europa lidere la transición energética, no solamente adaptándose a ella, sino también modernizando la economía Europea y generando puestos de trabajo y riqueza para todos los ciudadanos Europeos.

Este paquete incluye una propuesta para actualizar la directiva de edificios “Energy Performance of Buildings Directive” [2]. Una de las medidas resaltadas en la nueva propuesta de Directiva consiste en promover el uso de las tecnologías de la información y la automatización de edificios para asegurar que los edificios operan de forma eficiente

Actualmente, tanto la calefacción como el enfriamiento, y el agua caliente se estima que forman el 50% de la energía consumida en los edificios. Medidas de eficiencia energética pueden reducir las emisiones hasta dos gigatones (Gt) y evitar 710 millones de toneladas de petróleo equivalente (Mtoe) de energía para el año 2050. La mayor parte de las tecnologías en las que se basa esta eficiencia energética son comerciales a día de hoy, como son la solar térmica, cogeneración, bombas de calor y almacenamiento térmico.

Por tanto, el sector de los edificios se considera como un objetivo clave donde poner los esfuerzos de la eficiencia energética. Esto es especialmente relevante debido al hecho de que, como parte del mencionado paquete, la CE está revisando los objetivos 2030. Una prueba de ello es que el parlamento europeo propuso y aprobó a finales de 2017 objetivos más ambiciosos para el año 2030, donde las energías renovables deberían suministrar a un 35% de todo el consumo, lo que supone un 70% para el sector de la electricidad.

Además, Europa hace responsables a las grandes compañías para cumplir con los objetivos 2030, recomendándolas que deben hacer programas de eficiencia energética [3]. Es posible que lo que ahora son recomendaciones en un futuro sean obligaciones. En particular, la EED [4] indica que las empresas distribuidoras y los comercializadores de energía tienen que lograr un 1.5% de ahorros en energía por año, a través de la implementación de medidas de eficiencia energética. Por tanto, urge la necesidad de diseñar y transformar la manera en la que los edificios consumen energía para cumplir con los objetivos 2030. A este concepto se le denomina “Edificios 2030”. En este documento no se van a tratar los aspectos constructivos deseables de un edificio 2030, si no que se va a explicar cómo poder conseguir llegar a edificios 2030 utilizando las construcciones existentes sin realizar ningún tipo de intervención constructiva. Tanto la rehabilitación de edificios, como una nueva forma de construir los nuevos, también es deseable y ayudaría a conseguir más fácilmente los objetivos europeos, pero no se tratará en este documento.

Las aportaciones que se hacen en este documento son: planteamiento de una solución basada en sistemas inteligentes que permite reducir las emisiones de carbono y reducir la factura de forma significativa, análisis de donde están las mayores fuentes de ahorro en energía de un edificio y análisis de como un edificio puede ayudar al sistema eléctrico español a partir de la disponibilidad de cada uno de los recursos que se encuentran en los edificios.

Este documento se estructura de la siguiente manera. En primer lugar, se explica la solución de eficiencia energética que se propone para lograr edificios 2030. Posteriormente se describe un piloto llevado a cabo. Finalmente, se explican los resultados obtenidos y las conclusiones del mismo.

Solución de eficiencia energética para conseguir edificios 2030

La eficiencia energética se basa en tres pilares. Lo primero es la reducción de la demanda de energía. Una vez que esta reducida, lo segundo es situar en el tiempo a la demanda en el momento adecuado para las redes. Finalmente, se debe cubrir dicha demanda con la máxima generación renovable a ser posible cerca del consumo.

La reducción de la demanda de energía se puede realizar a través de mejoras constructivas o instalando un sistema inteligente que permita aprovechar al máximo lo que se tiene. En este documento no se debaten las mejoras constructivas. Sin embargo, éstas son las que harán que el sistema inteligente de energía tenga mejores rendimientos. Por ejemplo, si una casa está bien aislada, el sistema inteligente sacará partido de la inercia de la misma para reducir la factura eléctrica.

Según se comenta en la sección 3.4 del informe [5], ver figura siguiente, el futuro de la eficiencia energética en edificios se basa en una inteligencia en la nube que usa sensores IoT que permiten percibir lo que pasa dentro de cada edificio, la electrificación de la demanda cuyo mayor protagonista son las bombas de calor para calentar el agua y el habitáculo, la instalación de generación renovable híbrida, y la involucración del usuario final. El uso eficiente de todos los recursos energéticos, incluido el vehículo eléctrico, lo garantiza una inteligencia que permite no sólo optimizar cada edificio y la factura del cliente, si no también sacar el máximo provecho y dar servicio en los mercados energía a través de la agregación de los mismos. No consiste en hacer nuevas inversiones en recursos distribuidos, baterías, etc, si no en aprovechar al máximo lo que ya se tiene en los edificios desplegando tecnologías de la información baratas y fácilmente amortizables. Solo así se podrá conseguir un mundo más sostenible.

Como se comentaba la bomba de calor es una tecnología que va a jugar un papel clave en la climatización de los edificios del futuro. Se encarga de transformar energía eléctrica en térmica, pero aprovechando la energía de la tierra (geotermia), del aire (aerotermia) o del agua. Gracias a esto último, el rendimiento del proceso (COP: Coefficient of performance) es muy elevado, llegando a obtener con facilidad 4 veces más de energía térmica por unidad de energía eléctrica (COP = 4). Actualmente las bombas de calor pueden llegar a COP cercano a 6 y se estima en el futuro pueda llegar a 10. Por tanto, es y será la tecnología más barata para climatizar y además si se combina con un consumo eléctrico renovable, se puede conseguir climatizar un edificio sin generar emisiones de carbono.

Es importante conocer un poco de mercados de energía para terminar de entender esta solución y saber cómo un edificio puede ayudar al sistema eléctrico español. Existen mercados de energía donde Red Eléctrica Española (REE) acude a solicitar servicios de ayuda para mantener la demanda igual a la generación, ya que de otra manera el sistema se colapsaría. Por tanto, cuando la demanda sube, porque por ejemplo nos ponemos a cocinar, tiene que haber un generador en algún lugar del país que aumente su generación para poder entregar la energía necesaria para poder cocinar. REE por tanto le pide a un generador que incremente la generación. Esto es sencillo cuando tratamos de generadores de gas o carbón. Pues bien, REE va a ir abriendo estos mercados desde diciembre de 2019 hasta 2021 paulatinamente a la demanda. Esto quiere decir, que cuando REE pida aumentar la generación, lo que puede suceder es que alguien decida dejar de consumir, por ejemplo, apagando un aire acondicionado. De esa manera se puede compensar la energía adicional necesaria por cocinar, con la energía que queda libre por apagar el aire acondicionado. A este concepto se le llama flexibilidad energética de un edificio, que es la capacidad que tiene a variar su consumo cuando el sistema eléctrico español lo necesita. Como un edificio no puede ir solo a mercado, sino que en mercado hay que ir con volúmenes de energía significativos con determinadas garantías, surge el concepto de agregador de demanda, que es el agente que agrupa muchos edificios 2030 y los lleva todos juntos a mercado.

En este contexto se crea Stemy Energy [6], donde creemos que, si se les permite, los clientes optarán por optimizar su consumo de energía para reducir las emisiones de carbono en el planeta, particularmente si eso significa grandes ahorros en sus facturas de energía. Stemy Energy se creó con la misión de optimizar la infraestructura energética existente de cada cliente.

Nuestro equipo de expertos en energía ha pasado años desarrollando un algoritmo de big data y con autoaprendizaje que puede controlar el gasto de energía a nivel de edificio o como un agregador de edificios. Nuestro algoritmo se llama SPLODER, que significa ‘smart planning and operation of distributed energy resources’. SPLODER optimiza el Gasto de Capital (CAPEX) y el Gasto Operacional (OPEX) de los recursos energéticos distribuidos; aprendiendo del comportamiento del cliente, niveles de comodidad, rendimiento del edificio y mercados de energía. Además, participa en mercados que proporcionan flexibilidad a los DSO y TSO. La solución es totalmente autónoma y abierta, ya que clientes y terceros pueden personalizarla, presentando nuevas interfaces, dispositivos y algoritmos ad-hoc.

Este tipo de edificios tiene que ir dotado con alguno de los siguientes sistemas:

Monitorización del consumo del edificio (obligatorio): La base para poder hacer eficiencia energética es monitorizar el consumo del edificio. Para ello se instala un sistema para monitorizar el consumo general del edifico y el consumo particular de determinados circuitos del cuadro de protecciones del edifico.

• Control del clima: El futuro apunta a una electrificación de la demanda. Para hacer esto es necesario sustituir cualquier caldera de gas o carbón por el mecanismo más eficiente de generar calor y frío con electricidad que es la bomba de calor. Otra alternativa más cara para electrificar la demanda es el uso de radiadores y calderas eléctricas. Es necesario instalar equipos de control de los equipos que gestionan el clima. Gracias a este control además se puede ofrecer confort al usuario del edificio.
• Control del agua caliente: De la misma manera que el clima, es necesario electrificarlo para poder cumplir con los objetivos de emisiones en 2030. Un factor muy relevante para la eficiencia energética del edifico es incluir la capacidad de almacenar agua caliente, que bien se puede usar para clima o para otros usos. Las bombas de calor aire-agua ya tienen esta posibilidad tanto para clima como para agua caliente. Otra alternativa más cara para calentar agua caliente es el uso de termos. De nuevo, hace falta tener un dispositivo que controle los equipos que gestionan el calentamiento del agua.
• Control de renovables y baterías. Este tipo de recursos vienen controlados por un inversor que permite acoplarlos a la red eléctrica del edificio. Por tanto, es necesario ser capaz de controlar el inversor para poder gestionar cuando se carga y descarga una batería, o saber cuál es la producción solar o eólica.
• Control de persianas: Las persianas son un recurso que permite realizar muchos ahorros en aquellas ventanas orientadas al sur, simplemente evitando o facilitando la entrada de radiación solar al edificio. Para ello algunas persianas tienes que estar automatizadas con un dispositivo de control que permita subirlas y bajarlas de forma automática. Con este control además se pueden ofrecer servicios de confort de iluminación y seguridad.
• Control de iluminación: Las luces son una parte importante del consumo energético de un edifico. Una gestión eficiente de las mismas puede producir ahorros sin comprometer el confort. Se pueden instalar equipos control de iluminación que permitan graduar la iluminación en función de las necesidades. Además, permite crear ambiente y por tanto dar confort al usuario.

Pruebas piloto de edificios 2030

Se han hecho pruebas en 20 edificios en 5 regiones de España con distinto clima. Estos edificios son muy variados, con distintos tipos de climatización, maneras de obtener agua caliente, algunos con fotovoltaica y otro con baterías. Con esta diversidad se pueden obtener conclusiones muy ricas y de experiencia de usuario, que ayuden a montar modelos de negocio rentables en el corto plazo. En este documento solo se va a describir un piloto, y se van a comentar los resultados del mismo.

Se trata de una vivienda unifamiliar, que tiene los siguientes sistemas: luces Philips hue, persianas automáticas Somfy, inversor ABB para el control de una batería de 2kWh y paneles solares de 3kwp, control de radiadores con Smart plug (Stemy), control de temperatura con termostato virtual (Stemy) y control de bomba de calor con equipos Intesis.

Resultados

Desde de un año de funcionamiento, se han conseguido un 28% de ahorro en la factura eléctrica, de los cuales un 10% aproximadamente no se deben a la solución instalada, si no a haber instalado paneles solares, que reducen el consumo de la red. El resto, 18% se deben a la actuación del sistema inteligente. Los ahorros se desglosan en la siguiente figura, según si una casa tiene persianas automatizadas o no. Como se puede ver, los mayores ahorros vienen dados por la reducción de la demanda, que eso es debido al ajuste del confort del usuario final. Cuanto más tolerante al confort sea el usuario final más ahorros se consiguen. El ahorro en “Peak shaving” se debe a una reducción de la potencia contratada por la reducción de picos de consumo. Es significativo el ahorro por “heating & cooling” que se debe a la realización de precalentamientos o enfriamientos de la casa para aprovechar oportunidades en mercado. Por el agua caliente se consigue un 13% del ahorro, calentando el agua con un termo en los momentos mejores de mercado. Finalmente, el ahorro “Get the most of renewables” se debe a un aumento de la producción solar, moviendo demanda hacia los momentos que hay mucho sol, evitando vertidos, y a un manejo inteligente de la batería aprovechando oportunidades de mercado.

Por último, se muestra en la siguiente figura la disponibilidad de los distintos servicios en la casa, que se deben tener en cuenta a la hora de ir a mercados de flexibilidad. Los elementos más disponibles y, por tanto, más adecuados son las baterías y el control de la climatización. Sin embargo, tener baterías supone un coste de inversión más elevado y puede no llegar a compensar.

Agradecimientos

Quiero agradecer a la Universidad Ponticia Comillas y especialmente al Instituto de Investigación Tecnológica por el apoyo recibido en estos demostradores, sin ellos no habría sido posible. Por último, gracias a ENDESA por su colaboración en la financiación de los pilotos y el apoyo incondicional durante estos dos últimos años.

Conclusiones

Se ha presentado y demostrado un sistema que permite que edificios actuales ayuden a conseguir los objetivos 2030, mientras produce ahorros de hasta casi un 30% en la factura de electricidad. Stemy maximiza la eficiencia energética de un edificio mientras se optimiza la flexibilidad energética en los mercados.

Stemy es la simplicidad en sí mismo. Es autónomo, basado en la nube, con autoaprendizaje y totalmente compatible con todas las regulaciones de energía. Actuando como un broker energético privado para los usuarios finales.

• Es independiente del hardware y funcionará con lo ya instalado en el hogar.
• Reduce la huella de CO2.
• Es rentable, fácil de configurar y escalable fácilmente.
• Se ha demostrado en varios edificios en 5 regiones de España.

Referencias

• Energy efficiency first.
• Energy Performance of Buildings directive.
• European directive 2014/91/EU.
• Energy Efficiency Directive (EED).
• Utility of the future report.
• Stemy Energy.