Comunicación presentada al IV Congreso de Edificios Inteligentes
Autores
Juan A. Avellaner Lacal, Consultor energético, EYDESA
Jesús Fernández Alonso, Consultor tecnológico, EYDESA
Resumen
La eficiencia sobre el consumo de energía en los edificios es uno de los principales objetivos que se demandan desde la sociedad. Ésta debe ser vista desde todos los puntos de vista: usuarios finales, distribuidoras, tecnólogos y especialmente cubrir el ámbito legislativo y regulatorio. Y, todo ello, al objeto de contribuir al cumplimiento de los objetivos de sostenibilidad: recursos e impactos limitados. La eficiencia tiene que ver con los diseños, la construcción, usos e infraestructuras energéticas de suministro y autoconsumo. Se propone un modelo energético de suministro más centralizado, cercano a la ciudad o al distrito, que integre las MTD en eficiencia y en renovables, inteligente, esto es, gestionado por una red digital potente. Las TIC ayudan directamente a gestionar y optimizar los consumos. Los edificios se integran en unidades urbanísticas y esos objetivos pueden ser compartidos en ecosistemas más extensos. Así, los nuevos, y en muchos casos los viejos desarrollos urbanísticos deben asumir compromisos equivalentes y, por ello, desde su origen, deben ofrecer soluciones comunitarias integradoras en las que se incluyan tanto las inversiones como los futuros gastos de O+M centralizadas; y todo ello, imbricada por una red digital de gestionabilidad. Las soluciones centralizadas, permiten, la integración eficiente de generación energética híbrida (fósil y renovable); pero, exigen espacios físicos y proyectos inteligentes. Una red de alta eficiencia energética puede superar el 50% de ahorros y lograrlo con grados de diversificación también superiores al 50% de diversificación, con una reducción de emisiones de GEI por encima del 70 %. Estas centrales energéticas y sus redes energético-digitales deben contribuir a alcanzar los objetivos de COP-23, las Directivas y Leyes españolas. Los cambios de modelo deben movilizarse desde una legislación avanzada (energética, edificatoria y urbanística), con una regulación estricta (cumplimiento de los ECCN, movilidad y emisiones), y un avance sociológico decidido en el que la política local es clave.
Palabras clave
Redes Energético-digitales, Eficiencia Energética, Energias Renovables, Gestionabilidad, Sostenibilidad
Introducción
El uso de la energía, factor esencial del desarrollo económico de las naciones, en forma de calor o trabajo, es sin embargo la causante del 76% de las emisiones de GEI (Gases de Efecto Invernadero; el CO2 contribuye con el 80% a ese efecto). Dentro de las Ciudades los edificios son elementos esenciales en el consumo de energía, pues en ellos se usan el 40% de la energía final. La energía es clave para las ciudades por los bienes y servicios que aporta; consumen casi 2/3 de la energía primaria y son responsables del 70% de las emisiones totales de GEI. Y, dentro de éste consumo, los edificios contabilizan el 40% de la energía final, emitiendo el 36% de los GEI. De la referencia [1] se han sacado ideas para este encuadre general.
En socorro del cumplimiento de objetivos medioambientales que se impone a nivel mundial, COP-23, la innovación es el principal instrumento a esgrimir. En ahorro y eficiencia energética las MTD (Mejores Tecnologías Disponibles) permiten introducir modernidad en los equipos, en la gestión, todo ello para superar las barreras al cambio, lo que obliga a sustituir equipos y sistemas por los nuevos desarrollos y no esperar a la obsolescencia económica. Por ello, la innovación debe aplicarse de forma inmediata y continua lo que obliga a soportar inversiones propias y asumir las pérdidas de la retira de equipos del ciclo anterior.
Y, entre las innovaciones que han producido un cambio en la sociedad está la digitalización de señales (sensorización de amplio espectro, órdenes, datos, imágenes, sonido) y su transmisión a altas velocidades. La sociedad de la información en la que vivimos se apoya, en gran parte en infraestructuras fijas, extensas que abarcan tantos kilómetros como las redes eléctricas; y comparten con ellas modelos de gestión e inversión parecidos. Las redes digitales transportan información, permiten la interconectividad, análisis de datos y operabilidad casi inmediata entre los sistemas energéticos (contadores, distribución, etc.), con la tendencia a integrar en una arquitectura todos los servicios, utilizando una única red conmutada por paquetes. El paralelismo entre las redes energéticas y las digitales es inmediato, como las de operación y mantenimiento, la hibridación de servicios, y a las que se les pide alta fiabilidad, disponibilidad y capacidad de transmisión. Por cierto, estos cambios en lo digital han llevado más de 20 años.
En este caso, la premura del tiempo, que toca a su fin, requiere velocidad en el cambio pues dentro de 15-20 años se podrá disponer de nuevas innovaciones que hoy se están fraguando. Esta comunicación propone una línea, entre otras muchas, que afecta a la ciudad, a la calidad del aire interno y a las emisiones de GEI. Esas ciudades, en general con un desarrollo compacto en edificios y denso en población, en la que se acumula la historia de desarrollos urbanísticos complejos lejos de los ratios de eficiencia actuales; se convierten en una de las llaves en la lucha contra el CC. La ciudad compacta es más eficiente que los desarrollos urbanísticos más dispersos, por mayores unidades de suministro que aumentan la eficiencia (rendimiento, control, regulación) reducción de pérdidas por transporte, y economías de escala en los equipos.
En ese contexto, los ciudadanos, por un lado, demandan calidad del aire, esto es nivel de concentración de contaminantes: sustancias sólidas, líquidas o gaseosas en las capas más bajas de la atmósfera que pueden tener efectos nocivos para la salud humana y el medio ambiente en su conjunto; y a las ciudades, por otro, se le pide una contribución efectiva de lucha contra el CC que producen las emisiones de GEI, derivadas principalmente por el uso de la energía. Se trata, por tanto, de cambiar el modelo, pues un crecimiento basado en energía con los ratios actuales no permitiría alcanzar los límites impuestos por el Cambio climático. Un trabajo muy del lado energético puede verse en [2], del cual se han tomado algunas ideas.
Las TIC ha permitido que el manejo de los datos facilitados por la sensorización pueda ser extensa y masiva con lo que la gestionabilidad de diferentes sistemas y subsistemas esta facilitada. P.ej.: contadores inteligentes para electricidad; contadores de consumo térmico; espacios en aparcamientos; llenado de contenedores; circulación y semáforos inteligentes; iluminación, etc. Pero sin duda, los más directos sobre los ciudadanos: los sensores de contaminantes que ayudan a los gestores a la toma de decisiones.
Las ciudades hoy, de forma sintética, se abastecen de energía desde el exterior a su propio entorno y transforma ese mix de energía para diferentes fines; especialmente en forma de calor y trabajo. El mix urbano está compuesto de productos fósiles con alto contenido de carbono que por combustión liberan energía, parte de la cual se aprovecha, pero emiten cantidades proporcionales de calor y CO2, además de NOx, PM, CO y otros. Es decir, la ciudad es un sumidero de energía, con una eficiencia baja, y un emisor de contaminantes masivo en su propio entorno.
A modo de resumen, se recoge en la Fig.1 los cuatro pilares del reto de política medioambiental en las ciudades, extraídas del informe que elabora el GTI-RED (Grupo Trabajo Interdisciplinar Red Energía Digital). En suma, a la ciudad se le pide corresponsabilidad con los objetivos medioambientales impuestos por toda la sociedad y este tipo de proyectos son un ejemplo demostrativo del camino, experiencias importantísimas en el contexto actual al permitir introducir una gran cantidad de innovaciones tecnológicas y de modelos comerciales, financieros, etc. La ciudad de esta forma se convierte en el eje de la Transición.
Redes de suministro a las ciudades
Actualmente las redes de suministro a las ciudades, de forma sintetizada en la fig. 2, aportan: diversos servicios (administrativos, sanitarios, seguridad, etc.); los demandados a través de las redes digitales (incluye las analógicas); las energéticas, objeto de esta comunicación; el circuito del agua y de los residuos; entre otros. Es decir, insistiendo en el térmico ecosistema, son los suministros esenciales para la actividad biológica, económica y social de los ciudadanos.
Los niveles de inteligencia entre las redes son compartidos; la digitalización de las redes energéticas o la integración de ambas redes va aportar un salto cualitativo en la búsqueda de la eficiencia que afecta directamente a la calidad del aire y al ratio de emisión de GEI por el uso de la energía.
La integración del sistema de servicios de energía distribuida en las ciudades puede permitir una aceleración en la penetración de fuentes de energía distribuidas y fuentes renovables periurbanas, aumentar la resiliencia y la seguridad de la energía urbana y nacional sistemas.
Pero además, las ciudades son el núcleo central de otra actividad a descarbonizar: el transporte, donde una de las líneas de trabajo es la movilidad eléctrica, para lo cual la red eléctrica de carga debe ser lo suficientemente densa que facilite esa movilidad global. La parte eléctrica de la red energética potenciaría esa extensión, apoyada para la gestionabilidad de la misma con la red digital que le acompaña.
El modelo Redi
El modelo REDI (Red Energética y Digital Inteligente) que se propone consiste en la centralización de la generación y su transformación de energía intermedias a la energía final que va a ser calor y electricidad. La dimensión de esta central dependerá de diferentes factores; el principal será el grado de compacidad del urbanismo, pues en el caso de que éste sea disperso la rentabilidad del despliegue marcará aquella. Este tipo de modelo tiene, al menos, tres ventajas frente a otros tipos de esquemas: la mejora substancial de la eficiencia del sistema por el efecto economía de escala y una mejora substancial de la gestionabilidad, entre ellas al introducir almacenamientos tanto térmicos como eléctricos; y la facilidad de integrar energía de diferente origen buscando la óptima penetración de renovables o la hibridación que aporta seguridad.
La gestionabilidad es uno de los puntos fuertes del modelo, la cual permite utilizar de manera masiva las TIC en todos los niveles: generación-transformación-distribución-uso final; y que aporta al modelo fiabilidad, eficiencia y reducción de emisiones por medio de diferentes análisis de datos: estudio de patrones, predictibidad, etc. Esta mejora de la gestionabilidad por tanto permite una mejora de los ratios de costes con beneficios directos sobre la calidad del aire o la contribución muy importante en el ámbito local a las demandas sobre reducción de emisiones de GEI.
En la Fig. 3 la integración que se propone, base del modelo REDI se recoge en la gráfica de la AIE [3] donde se destaca la integración de polienergías y red digital para aprovechar sinergias y optimizar subsistemas y se recoge la estructura por capas o niveles. En relación a las ventajas que tiene el modelo REDI, se recogen en la fig. 4 las más destacables y que se ha ido señalando a lo largo de la comunicación.
El tamaño de las ciudades españolas, según INE, que podrían acogerse a este modelo propuesto sería de 367 ciudades con población entre 20.000 y 200.000; sin olvidar las 919 restantes en el tramo 20.000 a 5.000; esto es, más de un millar de ciudades podrían adoptar un plan para el cambio de modelo como el propuesto.
Para una ciudad media, alrededor de 150.000 habitantes, con un casco muy compacto y unos servicios centralizados, los resultados obtenidos por el mencionado GTI-RED se recogen en la Tabla I.
Conclusiones
En el ámbito de la innovación la digitalización integral de las redes energéticas es el núcleo de la transición, por encima de las necesidades de control y regulación, para poder monitorear y analizar el funcionamiento real en térmicos de eficiencia, justo precio, emisiones, etc. Esta digitalización permite además dar un servicio adicional a la demanda de los usuarios (velocidad, volumen de datos, seguridad cibernética, etc.). El desarrollo integrado de redes energéticas y digitales proporcionará nuevos niveles de seguridad, capacidad y servicio permitiendo lograr con eficacia los mandatos medioambientales.
En el ámbito de la política local responsables de las políticas deberían disponer de instrumentos regulatorios, normativos y códigos edificatorios suficientes para asumir el mandato de descarbonizar las ciudades, asumiendo con plena competencia las áreas del urbanismo, el parque de edificios y las infraestructuras actuales y planificando, igualmente, el desarrollo futuro entre los que se encuentra no solamente el urbanismo, los edificios sino las infraestructuras de suministro energético y la red inteligente que le acompaña. Entre muchas de las decisiones a adoptar, el modelo actual en los países medioambientalmente avanzados pasa por la planificación de espacios para el desarrollo integral y, entre aquellas, las redes de distrito o los espacios energéticos necesarios para garantizar aquella descarbonización obligada por razones de salud y sostenibilidad (Fig. 5).
Las políticas fiscales, dentro de su ámbito de competencias, deben impulsar a que estos modelos MTD se implanten a la máxima velocidad, especialmente, para las acciones nuevas. Nuevos instrumentos de incentivación (programa PACE [4]) que busquen la implicación de las ciudades a través de una financió público-privada en términos colaborativos o similares son los activadores de este tipo de iniciativas y deberían de servir de estímulo para encontrar esos caminos de las políticas avanzadas e inteligentes que necesita el país.
Sin embargo, la ambición y efectividad de estos enfoques de políticas es función de la capacidad humana, legislativa y financiera de la administración municipal, que a menudo carece de esa capacidad incluso en áreas tradicionalmente dentro de su dominio, como el uso de la tierra o la planificación del transporte. Las redes energético-digitales demandan importantes infraestructuras, grandes volúmenes de financiación, con periodos de amortización diferenciado al de equipos, y desde lo público y privado debe entenderse el problema y facilitarse el acceso a las fuentes nacionales e internacionales en condiciones asumibles. Esto significa que es esencial activar nuevos esquemas de financiación, público-local y de incentivos, especialmente en el área urbana que soporta importantes limitaciones y barreras para implantar o acelerar los procesos de reducción de impactos.
Referencias
- Smart Cities.IDAE.2012
- Energía y Ciudades. Club Español de la Energía. 2017
- https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/EnergyTechnologyPerspectives2016_ExecutiveSummary_EnglishVersion.pdf (7 abril 2018)
- https://www.energy.gov/eere/slsc/property-assessed-clean-energy-programs (7 abril 2018)