Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes
Autores
- Manel Sanmartí Cardona, Responsable Área Ingenieria Eléctrica, Institut de Recerca en Energía de Catalunya (IREC)
- Cristina Corchero, Responsable Grupo Analítica de Sistemas Energéticos, (IREC)
- Alaia Sola, Investigadora Smart Cities, (IREC)
Resumen
Como grandes consumidoras de energía, las ciudades ofrecen significativos márgenes de ahorro de consumo energético en relación con la implementación de medidas de eficiencia energética. En este contexto, el proyecto Growsmarter tiene como objetivo la demostración de soluciones inteligentes en las ciudades de Barcelona, Colonia y Estocolmo con la contribución del sector público y privado. El proyecto evaluará técnica y económicamente las soluciones con el objetivo de maximizar su escalabilidad y replicación en otras ciudades. En este artículo se presentan las lecciones aprendidas de la implementación de medidas de rehabilitación energética en edificios y gestión inteligente de energía como herramientas para la reducción del consumo energético en ciudades.
Palabras clave
Smart City, Eficiencia Energética, Rehabilitación, HEMS, Energías Renovables, H2020
Introducción
Aproximadamente el 70% de la población mundial vivirá en áreas urbanas en el 2050, según las predicciones de la ONU [1]. Esto significa que muy probablemente las ciudades serán uno de los grupos de consumidores de energía más grandes del mundo y, por lo tanto, potencialmente uno de los mayores emisores de gases de efecto invernadero. Para hacer frente a este pronóstico tan desafiante, los gobiernos municipales en todo el mundo están desarrollando ambiciosos programas para la reducción de emisiones a largo plazo. Esto implica un cambio en el modelo energético de las ciudades hacia uno más sostenible, lo cual es una de las principales características detrás del concepto de “Smart city” o “Ciudad Inteligente”. En toda Europa, las ciudades están adoptando programas de desarrollo inteligente y sostenible. Con el fin de promover este desarrollo, la Comisión Europea inició en 2012 la Asociación Europea para la Innovación sobre Ciudades y Comunidades Inteligentes (SCC EIP) [2], que une a ciudades europeas, líderes de la industria, y representantes de la sociedad civil para hacer más inteligentes las áreas urbanas. Además, hay diversos programas e instrumentos de financiación europeos que apoyan la transición hacia las Ciudades Inteligentes, como son los programas Horizon 2020 y COSME [3]. En este contexto, la Unión Europea demuestra que está promoviendo la demostración del impacto técnico y económico de diversas soluciones con el objetivo de contribuir al desarrollo inteligente y sostenible de las ciudades.
Este artículo presenta las lecciones aprendidas durante la implementación de 23 medidas “Smart city” en 3 ciudades europeas, en este caso soluciones enfocadas al desarrollo de distritos de bajo consumo y promovidas dentro del proyecto competitivo europeo GrowSmarter, bajo el financiamiento de Horizon 2020 [4]. Las experiencias adquiridas se presentan categorizadas por tipo de solución, con el fin de formular recomendaciones para fomentar su escalabilidad e implementación en otras ciudades.
El proyecto Growsmarter
Las ciudades de Barcelona, Colonia y Estocolmo, junto con un grupo diverso de socios del sector público y privado, lideran desde 2015 el proyecto GrowSmarter [5] financiado por el programa Horizon 2020 con fondos de la Unión Europea de Competitividad e Innovación. Horizon 2020 es un programa diseñado para apoyar actividades de I+D+i y se dirige a investigadores, empresas, centros tecnológicos y entidades públicas. Además, existe dentro de los objetivos transversales de Horizon 2020 una convocatoria específica llamada “Ciudades Inteligentes y Sostenibles” [6] (SCC1 por sus siglas en inglés), la cual tiene por objetivo la promoción de proyectos de referencia o “Proyectos Faro”. El objetivo principal de este tipo de proyectos es unir a las ciudades, industria y ciudadanía para demostrar soluciones y modelos de negocio que sean escalables y replicables. Estas soluciones deben comportar beneficios medibles en términos de eficiencia energética y de recursos, así como la creación de nuevos mercados y nuevos puestos de trabajo.
GrowSmarter tiene el objetivo de implementar y demostrar la viabilidad de “12 soluciones Smart city” en los campos de la energía, la infraestructura y el transporte (cada uno de ellos integrando un Paquete de trabajo del proyecto), para facilitar su replicación en otras ciudades europeas y su escalabilidad en general. En otras palabras, GrowSmarter tiene como objetivo actuar como un escaparate para la reproducción de innovaciones técnicas y prácticas, como fase previa a su lanzamiento al mercado. Los objetivos principales del proyecto son:
- Mejorar la calidad de vida de los ciudadanos europeos mejorando la movilidad, la vivienda y la calidad de la infraestructura urbana a la vez que se mejora la economía de los ciudadanos disminuyendo los costes energéticos y creando nuevos empleos (en el nivel de demostración).
- Reducir el impacto ambiental mediante la reducción de las necesidades energéticas y un mayor uso de las energías renovables.
- Favorecer un desarrollo económico sostenible en las ciudades europeas demostrando y preparando un amplio despliegue de soluciones inteligentes.
Las “Ciudades faro” o “Lighthouse cities” (Barcelona, Colonia y Estocolmo) desarrollan y prueban soluciones innovadoras integradas a gran escala (al menos a nivel de distrito/barrio) como fase introductoria del lanzamiento a mercado de dichas soluciones. Además, el proyecto cuenta con la participación de 5 «Ciudades seguidoras» o “Follower cities” (Cork, Graz, Malta, Oporto y Suceava) que trabajan en estrecha colaboración con las Ciudades faro para aprender de sus experiencias y replicar las soluciones promovidas, adaptándolas al contexto local específico. Finalmente, el proyecto prevé la participación de “Ciudades de recogida” o “Take-up cities”, las cuales se unen al proyecto de forma voluntaria debido a su interés en adoptar alguna de las soluciones y modelos de negocio demostrados en GrowSmarter para que sean aptas para su ciudad.
Soluciones inteligentes para distritos de bajo consumo energético
Habiendo sido identificada como uno de los instrumentos para mejorar la calidad de vida de los ciudadanos, la eficiencia energética se ha convertido en una de las «características» de las ciudades inteligentes. El objetivo principal del paquete de trabajo de energía de GrowSmarter llamado “Distritos de bajo consumo energético” es el despliegue de medidas de eficiencia energética para reducir el impacto medioambiental del parque de edificios existente en las ciudades.
En total, se han rehabilitado 123 000 m2 en las tres Ciudades faro, incluyendo edificios públicos y privados, así como edificios terciarios y residenciales. Así mismo, el proyecto promueve el despliegue de sistemas de gestión de energía en el hogar como herramienta para crear conciencia sobre la eficiencia energética y el ahorro de energía entre los ciudadanos y ciudadanas. Finalmente, se ha fomentado la generación local de energía mediante la producción local de electricidad renovable y la gestión inteligente del consumo y generación de energía, así como la conexión de edificios a las redes de distrito de calefacción y refrigeración.
Solución 1: Rehabilitación energética de edificios
El primer grupo de soluciones demuestra el impacto en el consumo energético de los edificios mediante la combinación en la mejora de la envolvente térmica de un edificio (mejora del aislamiento térmico de paredes, suelos, áticos y/o tejados) y otras medidas de eficiencia energética tales como el cambio a ventanas de baja transmitancia térmica, la recuperación de calor de la ventilación y el tratamiento de aguas residuales, la disminución de las infiltraciones de aire, y la substitución de equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). La combinación de estas medidas pretende reducir drásticamente la demanda neta de energía de los edificios.
Solución 2: Herramientas inteligentes para influenciar el comportamiento de los usuarios
Este grupo de soluciones o sistemas de gestión de energía en el hogar (HEMS por sus siglas en inglés) demuestra varias formas de informar a los usuarios de los edificios sobre cómo optimizar su comportamiento para lograr la máxima eficiencia energética y reducir su factura y consumo energético. La base de esta solución inteligente es la recopilación de los datos de consumo energético de los consumidores individuales, el correspondiente análisis y generación de recomendaciones a los usuarios mediante una aplicación (App) dedicada.
Solución 3: Integración de generación de energía local y gestión inteligente
Con este grupo de soluciones se pretende demostrar los beneficios de una gestión inteligente de la demanda energética de edificios junto con la producción local de energía renovable a pequeña escala (unidades de generación in-situ) o la producción de energía a nivel de distrito (redes urbanas de calefacción y refrigeración). Esta gestión se realiza integrando productores y consumidores, así como combinando la generación in-situ de electricidad con la calefacción, la refrigeración, y la capacidad de almacenamiento de la producción excedente. Este grupo de soluciones demuestra también el menor impacto medioambiental de las redes de distrito de calor y frío en comparación con el uso de fuentes energéticas convencionales para calefacción y refrigeración individual.
Lecciones aprendidas del proyecto Growsmarter
Dentro del alcance de GrowSmarter, se han rehabilitado más de 100 000 m2 de suelo residencial y más de 20 000 m2 de suelo terciario, se han desplegado sistemas de gestión de energía en el hogar, se han realizado conexiones de edificios a redes de distrito, y se han instalado sistemas de generación de energía renovable con sistemas de gestión inteligente en las 3 Ciudades faro. Esta sección presenta las principales lecciones aprendidas y barreras superadas durante los 3 años de implementación de las soluciones inteligentes en las 3 ciudades de GrowSmarter, así como las recomendaciones para su potencial replicabilidad en otras ciudades.
Rehabilitación energética
La casuística en cada una de las 3 Ciudades faro es diferente en cuanto a normativa municipal, el impacto en los ahorros energéticos y los tipos de modelo de negocio tras un proyecto de rehabilitación energética. Sin embargo, en general, las auditorías energéticas durante la etapa de diseño se han mostrado como fundamentales para ajustar las soluciones técnicas a cada edificio en concreto. Es aconsejable evaluar las posibles fuentes de energía en los edificios/instalaciones circundantes ya que se pueden encontrar soluciones de integración de calor residual. En el caso de Estocolmo, tal evaluación permitió recuperar calor residual de un Centro de Procesamiento de Datos para calentar un edificio terciario rehabilitado por el Ayuntamiento de dicha ciudad.
Por un lado, en el caso de la rehabilitación de edificios clasificados como históricos, debe tenerse en cuenta que las fases de planificación y diseño pueden prolongarse más de lo esperado. En estos casos, la solución técnica final debe acordarse con la Administración Pública y puede implicar soluciones tecnológicas innovadoras no previstas inicialmente. Es común que aparezcan restricciones como, por ejemplo, la imposibilidad de añadir aislamiento en la fachada externa debido a la normativa municipal u otras limitaciones estéticas y patrimoniales. Por otro lado, se ha observado que la rehabilitación energética del sector residencial resulta más factible en edificios donde la mayoría de las viviendas pertenecen a un único propietario. Esto facilita el proceso para llegar a un acuerdo y poder proceder a la implementación y coordinación con los inquilinos. Por el contrario, se requiere un esfuerzo adicional en términos de coordinación con todos los vecinos en el caso de que haya muchos propietarios en el mismo edificio. Las campañas de información profesionalizadas se han mostrado muy útiles para facilitar la aceptación y motivar a los vecinos a ser participativos. En el caso de GrowSmarter, el hecho de considerar la rehabilitación energética junto con una renovación integral del edificio ha favorecido la viabilidad económica de algunos de los casos, ya que muchos costes pueden ser compartidos entre los dos tipos de intervenciones. Esta observación es más imperante en rehabilitaciones que afectan el consumo de calefacción y que son implementadas en climas templados como el mediterráneo, dónde los ahorros económicos debido a la disminución del consumo energético son más bajos que en climas continentales. Respecto a la rehabilitación de edificios residenciales en Barcelona, la combinación de las subvenciones municipales para la rehabilitación energética de edificios con los servicios proporcionados por una Empresa de Servicios Energéticos (ESE) mediante una Asociación Público-Privada ha demostrado también beneficiar la escalabilidad de este tipo de proyectos en edificios de propiedad privada. Por el contratio, en Estocolmo muchos edificios residenciales son propiedad de asociaciones de viviendas, por lo que es fundamental determinar quién financia la inversión y quién se beneficia económicamente de ésta. En este caso, el propietario del edificio logra apartamentos con estándares más altos, mientras que los inquilinos se benefician de los ahorros energéticos y un mejor confort.
Herramientas inteligentes para influenciar el comportamiento de los usuarios
La implementación de plataformas de visualización del consumo energético en GrowSmarter ha demostrado que el desarrollo de este tipo de herramientas toma un tiempo considerable, por lo que debe tenerse en cuenta en términos de planificación. Por lo que se refiere al tratamiento de los datos, es fundamental definir desde el principio el proceso de tratamiento de los datos recopilados, a fin de evitar potenciales problemas de confidencialidad y privacidad de los datos. Las leyes de protección de datos en cada país pueden impedir el despliegue o condicionar significativamente este tipo de medida. Por ejemplo, de acuerdo con la legislación alemana, en Colonia no es posible instalar contadores eléctricos inteligentes no certificados, y se requiere el consentimiento del inquilino para instalar un contador secundario. Este hecho condiciona significativamente la capacidad escalabilidad y replicación de esta medida. Por otro lado, la comunicación de grandes cantidades de datos es un desafío técnico crítico para la implementación de este tipo de sistemas. Es aconsejable definir todos los detalles sobre la integración de datos antes de la implementación para evitar costes adicionales inesperados. El hardware ya está en el mercado, pero se debe tener en cuenta que el mercado para la recolección automática de datos es un mercado bastante fragmentado, y muchas compañías intentan bloquear las plataformas IoT a sus productos específicos. De la misma manera, el «formato» de comunicación de datos está bastante fragmentado y en rápido desarrollo, por lo que se recomienda usar una plataforma IoT abierta que pueda recibir diferentes tipos de señales y utilizar protocolos y estandares abiertos.
Respecto a los potenciales grupos de usuarios de dichas herramientas, se ha observado que pueden ser limitados, ya que el uso de estas plataformas requiere inquilinos con un conocimiento mínimo en tecnologías (teléfonos smartphone, Apps, etc.). Al mismo tiempo, es posible que los usuarios potenciales no vean las ventajas de estas herramientas desde un principio. En este caso, se recomienda hacer campañas de información para informar sobre el ahorro de energía y de dinero que pueden proporcionar dichos sistemas. Las herramientas de gamificación son muy útiles para que estas medidas tengan éxito en la captación de nuevos clientes. Para determinar el margen de beneficio gracias al uso de plataformas de visualización de consumo eléctrico, las condiciones del mercado eléctrico nacional juegan un papel clave. Los usuarios capturan el beneficio económico si pueden elegir tarifas eléctricas específicas que permitan optimizar el consumo de electricidad de acuerdo con el precio de la electricidad en cada período.
Integración de generación de energía local y gestión inteligente
En el caso de la demostración de las medidas de gestión inteligente de la generación in-situ de energía eléctrica mediante unidades generadoras con almacenamiento, es importante considerar la nivelación de cargas (o “peak-shaving”) en la optimización energética, ya que en un futuro cercano ésta inducirá a una mejora en el funcionamiento general de las instalaciones debido al desarrollo de las redes eléctricas en las ciudades. El principal condicionante en el despliegue de instalaciones de generación local de electricidad de origen renovable en GrowSmarter ha sido la regulación nacional sobre el autoconsumo de electricidad y los mercados eléctricos en general. Para que esta medida se pueda autofinanciar, los ahorros de energía obtenidos por los usuarios del edificio dónde hay la instalación pueden no ser suficientes, por lo que la posibilidad de vender el exceso de energía generada a la red es un factor clave. Se ha observado como la capacidad de replicación de este tipo de medidas varía significativamente de Estocolmo y Colonia a Barcelona, debido a la restrictiva normativa española vigente y la imposibilidad de obtener una remuneración por la venta a la red de electricidad renovable generada in-situ.
De forma distinta, la oportunidad de replicación de la conexión de edificios a redes urbanas de calor y/o frío ha demostrado ser totalmente dependiente del contexto en la ciudad para este tipo de infraestructura. Estocolmo presenta un contexto muy diferente para esta medida, ya que la tecnología está consolidada en los países más fríos. En climas mediterráneos como el de Barcelona, la tecnología de redes urbanas no está muy extendida, por lo que presenta en algunos casos una opción costosa frente a otros sistemas de calefacción y refrigeración convencionales. En muchos casos, en ciudades con climas templados se deben realizar exhaustivos estudios económicos previos para justificar la inversión requerida para esta solución.
Conclusiones
Este artículo proporciona a los lectores información sobre las lecciones aprendidas durante la implementación de varias soluciones inteligentes enfocadas a la reducción del impacto del consumo energético en distritos de las Ciudades faro de GrowSmarter, considerando las diferencias debidas a la idiosincrasia de cada ciudad. Con esta información, se pretende dar herramientas a otras ciudades y contextos para la replicación de dichas soluciones. Los hallazgos descritos en este artículo incluyen la identificación de desafíos y oportunidades relacionadas con las etapas de desarrollo e implementación de las tecnologías, la recopilación, el uso y la propiedad de los datos, y los procesos, leyes y regulaciones administrativas (dentro de los países y en términos de variación entre países).
El despliegue de programas de rehabilitación energética de edificios demanda una profunda aceptación del usuario, un diseño técnico complejo, fases de implementación con muchos socios industriales, y un modelo de negocio bien definido por tipo de construcción. En edificios residenciales, la propiedad múltiple puede ser una barrera para la toma de decisiones, por lo que las campañas de información pueden ser muy útiles para motivar a los vecinos/propietarios a ser participativos. Los modelos de negocio dependen en gran medida del uso y la propiedad del edificio: en algunos casos, la combinación de la rehabilitación energética con una renovación estructural más compleja o una adaptación del edificio puede mejorar la viabilidad del proyecto. Las asociaciones público-privadas y/o la colaboración estrecha entre los sectores público y privado pueden jugar un papel clave para la promoción de la rehabilitación energética en el sector residencial. Por lo que se refiere a los sistemas de gestión de energía en el hogar como herramienta para crear conciencia sobre la eficiencia energética y el ahorro de energía entre los ciudadanos, su capacidad de replicación se basa principalmente en el desarrollo de la tecnología, la gestión y privacidad de los datos obtenidos, y la aceptación del usuario. Se recomienda encarecidamente abordar los potenciales conflictos sobre la privacidad de datos en la fase de definición del proyecto. Para integrar en edificios la generación de electricidad renovable in-situ con sistemas inteligentes de gestión energética, una legislación nacional favorable es crucial para definir un modelo de negocio factible. Finalmente, la conexión de los edificios a redes urbanas de calor y frío depende en gran medida de la infraestructura existente de la ciudad, que a su vez puede estar asociada al clima local. En las ciudades donde esta tecnología no está ampliamente consolidada, se deben realizar exhaustivos estudios económicos previos para justificar la inversión requerida para esta solución. A día de hoy, el trabajo continúa dentro del proyecto GrowSmarter con la evaluación técnica y económica de todas las medidas descritas en este artículo. Definitivamente, los resultados de la fase de evaluación proporcionarán más información sobre éstas y complementarán el conocimiento adquirido hasta ahora.
Agradecimientos
El trabajo presentado en este artículo ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención no. 646456 (GrowSmarter) así como del proyecto GEIDI (ref. TIN2016-78473-C3-3-R) financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad. La responsabilidad exclusiva del contenido de este artículo recae en los proyectos GrowSmarter y GEIDI y de ninguna manera refleja los puntos de vista de la Unión Europea ni del Ministerio de Economía y Competitividad.
Referencias
- [1] Nations, U., 2014, World Urbanization Prospects: The 2014 Revision, Highlights, Department of Economic and Social Affairs, Population Division, United Nations.