Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Manuel Villa Arrieta, PhD Student, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
- Andreas Sumper, Profesor y Jefe de proyectos, Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA-UPC) – Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Resumen
En el contexto de la transición energética, las tecnologías de generación y almacenamiento local de energía del desarrollo Ciudad Inteligente conllevan a la autosuficiencia energética de los centros urbanos, hasta convertirlos en ciudades de consumo energético casi nulo (Ciudades Energía Casi Nula, CECN). En este marco, esta comunicación presenta como propuesta el cálculo de los Costes Óptimo y Global –indicadores económicos de la Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) de la Unión Europea- adaptados al conjunto de Barcelona como CECN, para calcular los costes de la inversión en medidas de eficiencia energética y sistemas fotovoltaicos por parte de Consumidores para convertirse en Prosumidores, y la inversión en sistemas fotovoltaicos dentro de la ciudad por parte de Productores de energía. Los datos de generación de energía eléctrica de la ciudad se han tomado del Mapa de recursos d’energia renovable del Ajuntament de Barcelona. A partir de varias hipótesis, entre ellas las de escenarios de inversión de Consumidores y Productores, los resultados indican que estas dos entidades podrían participar en el cubrimiento de la demanda de energía eléctrica de la ciudad con el objetivo de disminuir el consumo de energía primaria de origen fósil y sus costes asociados.
Palabras clave
Barcelona, Ciudad Inteligente, Ciudad Energía Casi Nula, Prosumidor
Introducción
La transición energética –proceso indispensable para evitar el incremento de la temperatura del planeta por encima de los 2º Celcius a finales de este siglo- implica a nivel de ciudades la disminución de su consumo de recursos energéticos externos de origen fósil. En este sentido, las ciudades son responsables de un alto porcentaje de las emisiones de gases de efecto invernadero; dentro de las cuales, como en el caso de Barcelona, los edificios representan una alta proporción (Barcelona A de. Balanç de l’energia 2014). Esta transición y este objetivo, junto a otros relacionados con la sostenibilidad y la prosperidad de las urbes, pueden ser alcanzados con la implementación de las tecnologías del concepto Ciudad Inteligente para de forma paralela prestar efectivamente los servicios demandados por la ciudadanía. Entre los cuales, la continuidad del suministro de energía eléctrica pasa por el incremento de la Generación Distribuida (GD).
La autosuficiencia energética en la escala de edificios es evaluada bajo el concepto Edificios Energía Casi Nula (EECN). En el cual, los Consumidores de energía invierten en medidas de eficiencia energética (MEE) y sistemas de generación local (fotovoltaicos y minieólicos principalmente) para disminuir su consumo de energía primaria (externa y mayoritariamente de origen fósil); en donde en función de condiciones técnicas, regulatorias y de mercado, sus excedentes de energía pueden ser exportados a las redes de distribución, permitiendo a los Consumidores pasar a ser Prosumidores y recibir ingresos económicos para disminuir sus costes. En la escala de las ciudades, como focos de consumo energético, el concepto de evaluación utilizado es Ciudades Energía Casi Nula (CECN). En el cual, Consumidores, Prosumidores y Productores de energía ─empresas generadoras y/o comercializadoras de energía- interactúan para cubrir la demanda energética de la ciudad aprovechando los recursos energéticos renovables locales. El avance de la GD por lo tanto, para alcanzar el objetivo CECN, implica la inversión en sistemas de generación y almacenamiento de energía en las ciudades por parte de Productores y el incremento de los EECN.
El objetivo del trabajo presentado en esta comunicación es ofrecer una aproximación al cálculo de los costes que pueda tener el cubrimiento de la demanda de energía eléctrica por parte de Consumidores y Productores en la ciudad de Barcelona. Esta ciudad ha venido apostando por su crecimiento y desarrollo bajo el concepto de Ciudad Inteligente, con planes específicos para alcanzar su autosuficiencia energética (Ajuntament de Barcelona. Barcelona Energía n.d. [accessed March 21, 2018]).
Los resultados aquí aportados ayudarán a entender el proceso de autosuficiencia energética de las ciudades desde la evaluación del valor actual neto de los costes que implica la inversión, por parte de Consumidores y Productores, de la tecnología necesaria para reducir el consumo de energía de origen fósil y contribuir a la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero.
Materiales y métodos
Para calcular y presentar los costes de la autosuficiencia del consumo de energía eléctrica de Barcelona se han utilizado los indicadores Coste Global (CG) y Coste Óptimo (CO) del procedimiento de cálculo económico de la Directiva de eficiencia energética en edificios de la Unión Europea (EPBD por sus siglas en inglés), adaptados a la escala de ciudad en la Economic Assessment Tool of Energy Projects (EATEP) propuesta en (Villa-Arrieta M, Sumper A. A model for an economic evaluation of energy systems using TRNSYS. Appl Energy 2018; 215:765–77. doi:10.1016/j. apenergy. 2018.02.045). Siguiendo los lineamientos de cálculo de la EATEP para obtener estos dos indicadores en una CECN, se ha construido un modelo en el programa TRaNsient System Simulation Tool (TRNSYS) basado en el planteamiento de que la ciudad cubre la energía eléctrica consumida por los edificios domésticos y no domésticos con recursos energéticos locales y externos, asumiendo que los primeros son de origen renovable trasformados por sistemas de generación fotovoltaica.
En la EATEP el CG es el valor actual de los costes anuales incurridos durante el periodo de evaluación económica de la inversión hecha en MEE y sistemas de autoconsumo por parte de Consumidores para ser Prosumidores, y en sistemas de generación por parte de Productores. En donde el CG se divide en cuatro grupos de costes globales: el Coste Medioambiental (CMG), el Coste Energético (CEG), el Coste de Operación y Mantenimiento (CRG) y el Coste de Inversión (CIG). El primero y el segundo de estos costes son calculados a partir de la energía externa consumida por las CECN, y el tercero y cuarto a partir de la inversión y el mantenimiento, entre Consumidores y Productores, en Paquetes tecnológicos compuestos por Componentes: MEE y tecnológicas de generación de energía.
Balance energético del modelo de evaluación CECN
El balance energético del modelo responde a las ecuaciones (1), (2) y (3), en donde la energía eléctrica consumida por la CECN es igual a la energía eléctrica consumida de origen local generada por Consumidores y Productores, y de origen externo generada por Productores. Asumiendo, que la energía local es energía renovable generada dentro del área de locación de Barcelona, y la externa de origen fósil es generada en una central de ciclo combinado fuera de sus fronteras urbanas.
La Figura 1-A presenta el esquema conceptual del modelo CECN evaluado y la Figura 1-B su construcción en TRNSYS, en donde el Type EATEP_EEP corresponde a la herramienta para calcular el CG de los Consumidores, el Type EATEP_EGP para calcular este indicador en los Productores y el Type EATEP_EEP-2 para calcularlo en el contexto de la ciudad como la suma de los CG anteriores.
Hipótesis y diseño de los paquetes tecnológicos evaluados
El cálculo del Coste Óptimo de la CECN en el caso de estudio Barcelona se realizó con la evaluación de siete Paquetes, cada uno correspondiente a una hipótesis de inversión por parte de Consumidores y Productores de energía. La configuración de estos Paquetes se realizó a partir de la disponibilidad de los datos de la capacidad de generación de energía eléctrica en la ciudad, obtenidos del Mapa de recursos d’energia renovable del Ajuntament de Barcelona (Barcelona Energia A de B. ¿Cuánta energía puedes generar?. Barcelona Energia. Ayuntamiento de Barcelona 2016. [fecha de acceso, 20 de marzo de 2018]) y de la descripción para profesionales que se hace de esta plataforma en (Medi Ambient i Serveis Urbans – Ecologia Urbana del Ajuntament de Barcelona. Mapa de recursos d’ energia renovable de Barcelona 2016:1–16) (ambas fuentes denominadas Mapa de aquí en adelante). Este Mapa clasifica las azoteas de los edificios de la ciudad según su aprovechamiento energético (solar fotovoltaico, solar térmico o minieólico), ofreciendo información sobre la capacidad de generación de energía de la ciudad, entre otros datos. La clasificación se divide en grupos de superficies idóneas “Muy buena”, “Buena”, “Moderada”, “Baja” y “Limitada” de las azoteas >20m2, >50m2, >100m2, >250m2, >500m2. La Figura 2 presenta la distribución de los resultados de este Mapa. Para el alcance de este trabajo se han utilizado los datos del rendimiento del aprovechamiento energético fotovoltaico de los grupos “Muy buena” y “Buena”, que corresponden a superficies con insolación continua del 95-100% y del 80-94% respectivamente. La Tabla I presenta estos datos en cada uno de los Paquetes configurados.
Hipótesis asumidas para la evaluación de los escenarios de inversión
A continuación, se presentan las hipótesis asumidas para la evaluación de los Paquetes como escenarios de inversión.
- Para las MEE, aplicables solo a la evaluación de los Consumidores, se definió un coste de inversión de 202,1 €/m2 para alcanzar un 15% de reducción del consumo de energía eléctrica. Este dato fue calculado a partir de i) el valor en el año 2016 de las MEE (cubierta exterior, aislamiento TH 38 8+1, aislamiento de ventanas 4/12/4, puerta exterior, puerta de servicio, contraventana, cubierta de techo, lana mineral de 200 mm, revestimiento de yeso, y aislamiento del suelo) presentadas en la Norma española UNE-EN 15459 (Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR). Norma española UNE-EN 15459. Eficiencia energética de los edificios. Eficiencia energética de los edificios. Procedimiento de evaluación económica de los sistemas energéticos de los edificios); y ii) una superficie útil de 84m2 (Departament d’Estadística. Ajuntament de Barcelona. Precios medios de venta de las viviendas de obra nueva y superficie media útil. 2015-2017 [fecha de acceso, 20 de marzo de 2018]) de espacio habitable en cada edificio con un promedio de 5 plantas.
- El coste de mantenimiento de las MEE fue definido como de un 3% del coste de inversión.
- El coste medio inicial de inversión definido para los sistemas fotovoltaicos fue de 330,76 €/m2 de superficie útil; calculado a partir de la información presentada en el Mapa: módulos de 270 W de 2m2 y energía generada calculada como un valor medio 1.250 kWh/kWp·año.
- Los costes anuales de mantenimiento de estos sistemas fueron definidos como de valor medio para cada superficie útil, así: 225€ para las superficies >20m2, 400€ para las de >50m2, 625€ para las de >100m2, 775€ para las de >250m2 y 900€ para las de >500m2.
- Se utilizó un valor del 0,5% del coste de inicial de inversión de 200 €/kW de potencia de generación para el cálculo de los costes anuales de mantenimiento de los sistemas de generación eléctrica a partir de gas natural (GN) de los Productores.
- Las tasas de evolución utilizadas fueron del 2% para cada uno de los términos –energía (variable) y potencia (fijo)- del precio de la energía eléctrica, el precio del GN, el precio del CO2, el coste de los Componentes y el coste de mantenimiento; y del -0,001% para el factor de conversión a energía primaria del GN y del -0,3% para el factor de emisión de CO2 para esta fuente de energía.
- Para calcular los costes medioambientales se utilizaron las emisiones de CO2 que se generan en la generación de energía eléctrica a partir de GN cuyo valor final es cargado a las cuentas de los Productores.
Datos de configuración de los Paquetes en la EATEP
Además de los costes iniciales de inversión y mantenimiento de los Componentes, la herramienta de cálculo utilizada requiere de datos definidos como Parámetros e Inputs en TRNSYS. La Tabla II los presenta.
Resultados y discusión
El Coste Óptimo del procedimiento de cálculo económico de la EPBD, en su versión adaptada para la evaluación de CECN y aplicada en este trabajo, se interpreta como el menor CG, o valor actual neto de la suma de los costes medioambientales, energéticos, de operación y de inversión de un Paquete de MEE y tecnologías de autoconsumo energético que permite reducir el consumo de energía primaria de una ciudad durante un periodo de años de evaluación económica. Como se grafica en la Figura 3, el Paquete 7 es el que presenta el mejor resultado en este indicador. Frente al caso de referencia, Paquete 1, en el que ni Consumidores ni Productores invierten en MEE y sistemas de autoconsumo energético, el Paquete 7 se evaluó como el hipotético caso en el que solo los Consumidores invierten en estas tecnologías. A la vez que sus costes de inversión y operación global están en la línea de estos resultados en los demás Paquetes, su menor Coste Global es debido a que presenta el menor Coste Energético Global (17,58% de su Coste Global. Ver Tabla III) como fruto del mayor consumo de energía primaria renovable. De forma general, frente al caso de referencia, todas combinaciones de inversión entre Consumidores y Productores evaluadas presentan, debido al aprovechamiento de la capacidad de generación de energía eléctrica fotovoltaica en las azoteas de la ciudad, una reducción del consumo de energía primaria.
En todas las hipótesis evaluadas el Coste de Operación Global de los Productores representa el mayor peso dentro del Coste Global. Este coste indica el mantenimiento anual de los sistemas de generación de energía, que en el caso de los Paquetes 1 y 7 solo carga los correspondientes al sistema de generación externo de la ciudad -ciclo combinado-, mientras que los demás Paquetes cargan además los correspondientes a los sistemas fotovoltaicos de la generación local. Finalmente, con el segundo mejor resultado en el Coste Óptimo, muy cercano al del Paquete 7 –bajo Coste Global y alto porcentaje de reducción del consumo de energía primaria (52,47% frente al Paquete 1. Ver Tabla III)-, el Paquete 2 destaca por la viabilidad de su hipótesis respecto a la participación de Consumidores y Productores en la autosuficiencia energética de la ciudad: en ésta los Consumidores invierten en las azoteas de los edificios con superficies menores a los 500 m2, normalmente con mayor distribución en la ciudad, y los Productores en las superficies mayores a esta cifra, amplias áreas en las que por economías de escala en los costes de mantenimiento estas empresas pueden ver una oportunidad de negocio.
Conclusiones
El aprovechamiento de los recursos energéticos renovables locales por medio de la autosuficiencia energética permite reducir el consumo de recursos energéticos fósiles y por ende, la emisión de gases de efecto invernadero. A nivel de ciudad, y como efecto del avance tecnológico del concepto Ciudad Inteligente, el autoconsumo energético de las urbes se presenta como una ampliación de la escala de aplicación de los edificios de consumo energético casi nulo.
Como se demuestra en este trabajo en el caso de estudio de Barcelona, desde el punto de vista del cálculo del Coste Óptimo de evaluación de alternativas de inversión en medidas de eficiencia energética y tecnologías de generación de energía de origen renovable, esta ciudad tiene una alta capacidad para alcanzar un nivel de consumo energético casi nulo, en el que en su sistema energético puedan interactuar Consumidores y Productores de energía invirtiendo en sistemas de generación fotovoltaica en las azoteas de sus edificios. Las hipótesis evaluadas dan una aproximación a la distribución que en función de acuerdos comerciales del alquilar ─no evaluados en este trabajo- de las azoteas de la ciudad, se puedan hacer entre Consumidores y Productores. En este sentido, los beneficios de la inversión en sistemas de generación distribuida, especialmente los fotovoltaicos, por parte de estos grupos de entidades, abarcan aspectos económicos como la reducción de los costes energéticos, y aspectos medioambientales al reducir la emisión de gases de efecto invernadero, así como la dependencia de las ciudades a los recursos energéticos externos a ellas.Finalmente, por sus resultados, esta comunicación alienta a los representantes de las administraciones de las ciudades a continuar o incrementar los planes de promoción a la inversión en sistemas de autoconsumo energético.
Agradecimientos
El autor, quien se desempeña como analista de proyectos e investigación de la Fundación para la Sostenibilidad Energética y Ambiental (FUNSEAM), agradece a esta fundación, y en especial a su Director General, el Dr. Joan Batalla, todo el aporte brindado al conjunto de la investigación de la cual se desprende el trabajo presentado aquí.