Comunicación presentada al VI Congreso Ciudades Inteligentes
Autores
- Tania Sepúlveda Cuesta, Energy & Utilities Business Manager, everis
- Francisco Ruiz Barrientos, Energy & Utilities Business Director, everis
- Carolina Román Calvo, Senior Business Consultant, everis
- Roger Pasola Dolader, Business Analyst, i-deals
Resumen
El cambio de mentalidad en la sociedad y la inminente necesidad de reducir los alarmantes niveles de contaminación, han llevado a una transformación de las ciudades, tal y como las conocemos hoy en día, hacia las Smart Cities del futuro. Para ello es fundamental el uso de diferentes tecnologías, como el IoT o las TICs. Mediante un estudio de los distritos energéticos inteligentes, se analizan sus principales objetivos en base a tres ejes (social, medioambiental y económico), las palancas para desarrollarlos y sus dimensiones tecnológicas (Generación Distribuida, Movilidad Sostenible, Economía Circular, etc.) con el fin de prever su evolución en el horizonte temporal de los próximos 30 años. Se comparte en esta comunicación una visión sobre la evolución de los distritos energéticos inteligentes en base a las mencionadas dimensiones y en tres horizontes temporales concretos: 2030, 2040 y 2050, considerando para ello los avances tecnológicos, la viabilidad económica y los potenciales cambios regulatorios.
Palabras clave
Distrito Energético Inteligente, Dimensión Tecnológica, Economía, Medioambiente, Sostenibilidad, Evolución
Para entender el contexto
En las últimas décadas, se observa un cambio sustancial en la sociedad, en la manera de ver y entender el mundo. El cambio climático, la preocupación por el medio ambiente, la escasez de recursos o la inestabilidad política y económica hacen que las opiniones que argumentaban que el crecimiento a cualquier coste es aceptable cambien sustancialmente y que ahora se cuestione la manera hasta ahora habitual de hacer las cosas. Este cambio se ha visto reflejado en la sociedad y en el panorama político, donde no paran de surgir acontecimientos que marcan el rumbo de la sociedad hacia una nueva dirección más socialmente responsable.
Actualmente, las ciudades consumen más del 75% de la producción mundial de energía, generando por encima del 80% de las emisiones de CO2 (Lazaroiu & Roscia, 2012), y se estima que la población urbana llegue a un 68% en el año 2050. El uso de aplicaciones tecnológicas basadas en la recopilación y la gestión de datos se vuelven esenciales, siendo un factor clave para la transformación necesaria de las ciudades hacia las Smart Cities del futuro. La tecnología se convierte así en un gran aliado para paliar los problemas existentes en la sociedad, desde el abastecimiento energético, hasta la contaminación o la seguridad.
Dicha tecnología se materializa en el Internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés) y las TICs (Tecnologías de la Información y la Comunicación).
El IoT, entendido como una red de objetos físicos (vehículos, máquinas o electrodomésticos) que se ayuda de sensores y APIs (Application Programming Interfaces, por sus siglas en inglés) para intercambiar datos por internet, se basa en la nube, donde recibe y gestiona datos en tiempo real ayudando a mejorar la calidad de vida y la toma de decisiones, mediante la gestión eficiente de los recursos existentes y el desarrollo de modelos sostenibles. Para su correcto funcionamiento, es necesario que el ciudadano permita que sus datos estén disponibles para ser analizados en tiempo real, permitiendo el desarrollo de soluciones y avances sostenibles. Un caso que ejemplifica esto es Madrid, donde se ha formado el Centro Integrado de Seguridad y Emergencias (CISEM), que coordina los cuerpos de policía o el Samur consiguiendo respuestas en un tiempo inferior a 8 minutos.
Las TICs, basadas en herramientas relacionadas con la transmisión, el procesamiento y el almacenamiento de datos en tiempo real y en factores clave para el diseño, la implementación y la puesta en marcha de los territorios inteligentes y sostenibles, fomentan la movilidad, la agricultura, el medio ambiente, la seguridad, la educación, la salud, las oportunidades de empleo y los negocios en las ciudades (Allam & Dhunny, 2019); todos ellos factores clave en el desarrollo de las mismas. Así, herramientas como el Cloud Computing o el Big Data son de gran utilidad porque permiten almacenar y analizar una gran cantidad de datos en tiempo real. Un ejemplo serían las aplicaciones móviles que, gracias a los sensores inteligentes, permiten buscar aparcamiento o saber los niveles de polen en el aire, entre otras muchas utilidades. El uso de las apps por parte de los ciudadanos favorece su interacción con la ciudad, haciendo posible su gestión de una forma diferente, más eficiente y transparente, que mejora a su vez el bienestar personal.
El uso de este tipo de tecnologías posibilita que las ciudades sean capaces de crear y ofrecer nuevos servicios en base a la información con la que cuentan. Acceder a los datos de los ciudadanos ofreciéndoles un mayor cuidado y mejor trato y automatizar los procesos de control remoto de las operaciones, permite optimizar tareas como la iluminación pública, los sistemas de riego o la recogida de residuos, repercutiendo de manera directa en la ciudad y sus habitantes.
Distritos energéticos inteligentes, ¿qué papel juegan?
Concebidos como zonas no sólo inteligentes sino también sostenibles, estos distritos basan sus objetivos sobre tres ejes principales: sociedad, medioambiente y economía; y se apoyan en una serie de dimensiones tecnológicas que generan un alto impacto en su desarrollo. En la actualidad encontramos algunos proyectos que persiguen este fin, como el Proyecto GrowSmarter, interesante por fomentar la generación, consumo y gestión local de la energía.
Dimensiones tecnológicas asociadas a los distritos energéticos inteligentes y visión everis sobre su evolución temporal 2030-2050
Como se ha mencionado, los llamados distritos energéticos inteligentes se apoyan en una serie de dimensiones tecnológicas, para las que se han definido unos objetivos hasta el año 2050, y las cuales se categorizan en cuatro grandes grupos:
Generación Distribuida (DER): Despliegue de sistemas renovables que proporcionan energía limpia y flexibilidad al distrito y permiten su autoabastecimiento mediante diferentes fuentes de energía que permiten obtener, a la vez, beneficios económicos y ambientales.
Horizonte 2030 | Instalación de placas fotovoltaicas en todos los edificios nuevos (el consumidor de energía pasa a convertirse en productor o prosumidor), empleo de baterías para almacenar el excedente de energía producido para el autoconsumo y uso en momentos de menor generación, y análisis de viabilidad para conectar los vehículos a la red (V2G, por sus siglas en inglés) con el objetivo de cargarlos o aportar su energía sobrante en caso de ser necesario.
Horizonte 2040 | Generación de energía para el autoconsumo y vertido de los excedentes a la red para así compartirlos con el resto de usuarios o utilizarlos en momentos de alta demanda, almacenamiento en baterías del excedente de energía vertido a la red para poder usarlo cuando sea necesario, aumento del uso del V2G (Vehicle To Grid, por sus siglas en inglés), también para conectarlo a los hogares (V2H, por sus siglas en inglés) y, por último, fomento de la agregación de prosumidores locales.
Horizonte 2050 | Renovación de los paneles solares, instalándolos en todos los edificios, integración de redes por zonas para conseguir distritos energéticos sostenibles, ofrecimiento de un sistema de baterías de segunda mano para garantizar la viabilidad energética creando centrales eléctricas virtuales y consumidores locales energéticos, haciendo que la energía sea más barata al ser producida por los propios ciudadanos, evitando así costes de transporte o tasas.
Servicios de Flexibilidad: Optimización del consumo de energía de los usuarios finales tendientes a patrones de consumo dinámicos, integrando respuestas automatizadas impulsadas por el mercado, gracias al uso de tecnologías como las TICs.
Horizonte 2030 | Aumento de los sistemas de gestión energética (EMS, por sus siglas en inglés) para supervisar, controlar y optimizar la generación local de energía, instalación de aparatos programables para una mejor generación de energía y un mayor conocimiento del ciudadano del servicio obtenido, así como gestión remota de los aparatos programables para una mayor eficiencia y un menor consumo.
Horizonte 2040 | Integración completa de los EMS entre los ciudadanos para gestionar la energía según las necesidades de los consumidores y establecer dispositivos inteligentes que automaticen estas tareas, establecimiento de sistemas de control remoto en los hogares para la calefacción, el aire acondicionado y la iluminación.
Horizonte 2050 | Automatización de la respuesta de la demanda conforme a las condiciones de consumo especificadas, haciendo que los ciudadanos reduzcan su consumo de energía si la oferta energética disminuye, y ser capaces de trasladarlo al mercado energético para que la demanda de los distritos se autorregule.
Redes inteligentes: Gestión dinámica de la red con alta capacidad de penetración renovable. Fundamentales para un uso eficiente del DER, haciendo que los consumidores puedan ser a su vez productores (prosumidores).
Horizonte 2030 | Establecimiento de pequeños mercados locales de generación distribuida donde producir y compartir la energía para empezar con el autoabastecimiento, realización de pruebas de las nuevas funcionalidades que tendrán los Operadores de la Red de Distribución (DSO, por sus siglas en inglés) en las micro redes como la gestión de la demanda, el almacenamiento de energía o el desarrollo de infraestructuras para cargar vehículos. Y, por último, monitorización de la red para saber cuándo se producen picos de demanda o de generación de energía y así realizar una correcta gestión de los recursos.
Horizonte 2040 | Integración de los sistemas de gestión de recursos energéticos distribuidos (DERMS, por sus siglas en inglés) para analizar el estado del DER o monitorizar sus funciones, crear comunidades locales energéticas estableciendo unos objetivos de beneficios energéticos, económicos y ambientales con intercambio de energía punto a punto y monitorizar los DERs de para poder controlar su coste, la calidad o determinar donde existen excesos de consumo y así realizar inversiones en esos puntos.
Horizonte 2050 | Coordinación de la relación entre el gestor de sistema y transportista (TSO) y las empresas distribuidoras (DSO) para aportar beneficios al consumidor final, haciendo por ejemplo una plataforma automatizada para la entrega flexible en tiempo real entre DERs. Además, las redes pasan a estar interconectadas, formando así las macro redes.
Movilidad sostenible: Transición a la movilidad intermodal como servicio, incremento de la adopción de cadenas cinemáticas limpias (Eléctrica/Hidrógeno) y descongestión del tráfico, consiguiendo una mejora en la seguridad y en la calidad de vida de los ciudadanos.
Horizonte 2030 | Aumento del uso de vehículos compartidos reduciendo así el uso de particulares, desarrollo e integración de plataformas que indiquen al ciudadano los diferentes medios de transporte disponibles (transporte público, coche compartido, etc.) para desplazarse entre dos puntos, inicio de la transición hacia vehículos híbridos o eléctricos, prueba de soluciones V2G para la carga de coches eléctricos y, por último, comienzo de la instalación de puntos de carga en espacios públicos.
Horizonte 2040 | Uso de vehículos eléctricos compartidos frente al privado para descongestionar el tráfico, plataforma de transporte completamente operativa para los ciudadanos, uso del hidrógeno como combustible alternativo para los vehículos, un mayor uso de V2G y V2H para el aprovechamiento de las redes bidireccionales con los vehículos y, por último, disposición de varias zonas públicas de carga de vehículos eléctricos.
Horizonte 2050 | Fomento de las plataformas de car-sharing como medio principal de transporte público, en detrimento de los particulares, uso preferente de vehículos eléctricos para que predominen frente a los no eléctricos y, por último, disposición de amplias zonas de carga dotadas de una infraestructura avanzada.
Hidrógeno como vector energético: Modernización de las redes de distribución para aumentar la capacidad de hidrógeno que permita el acoplamiento entre sectores (gas y electricidad), utilizando hidrógeno renovable como forma de almacenamiento de energía.
Horizonte 2030 | Aumento de la producción limpia de hidrógeno usando energía renovable en este proceso, ya que su obtención va ligada a una gran cantidad de energía y realización de cambios en las infraestructuras y los vehículos para adaptarlos al hidrógeno y que sean capaces de utilizarlo como fuente de energía o combustible.
Horizonte 2040 | Adaptación de los gasoductos para que sean capaces de distribuir también hidrógeno, lo cual implica un gasto de energía mayor que el del transporte de gas natural debido al gran volumen que ocupa.
Horizonte 2050 | Acoplamiento paulatino del hidrógeno por sectores, puesto que tiene un vínculo significativo con los sectores de la electricidad, la industria y el transporte, y proporciona nuevas ventajas energéticas y más eficientes.
Sistemas térmicos: Control de la temperatura en los distritos basándose en fuentes de energías limpias y renovables y un correcto aislamiento de los edificios.
Horizonte 2030 | Producción de energía de dos fuentes diferentes como son el calor y electricidad (CHP por sus siglas en inglés) y, de manera adicional, controlar la temperatura de los hogares mediante herramientas, como el aislamiento, que reduzcan el consumo de energía contaminante.
Horizonte 2040 | Aumento del uso del calor residual procedente, principalmente, del sector industrial y de la incineración de residuos, para transmitirlo a los hogares obteniendo un calor de origen ecológico, poder utilizar remotamente tanto los sistemas de calefacción como los de refrigeración de los hogares y, por último, mantenimiento predictivo para prevenir averías en el sistema de suministro.
Horizonte 2050 | Generación de calor de manera completamente renovable mediante la quema de residuos, el cual se aprovecha gracias a las bombas de calor eléctricas, logrando la climatización geotérmica, y predicción de la demanda para adaptar la generación de calor a sus necesidades.
Servicios al ciudadano: Servicios impulsados por la tecnología para maximizar la eficiencia e involucrar a los ciudadanos para que proporcionen mejores experiencias dentro del distrito, proporcionándoles una ganancia en calidad de vida.
Horizonte 2030 | Iluminación, tanto de edificios como de zonas públicas, de manera inteligente mediante el uso de, por ejemplo, sensores de movimiento. Ofrecimiento de mayores niveles de seguridad mediante la participación ciudadana gracias a aplicaciones que permitan alertar de incidencias y, por último, establecimiento de soluciones específicas y a medida según los niveles de contaminación atmosférica.
Horizonte 2040 | Iluminación inteligente a nivel de distrito, para reducir el uso de energía en el alumbrado público, facilitar a los conductores el estacionamiento de vehículos mediante sensores que detecten las plazas libres, control del tráfico mediante su monitorización con cámaras de circuito cerrado de TV y establecimiento de tecnologías para controlar el tráfico y la seguridad en tiempo real.
Horizonte 2050 | Uso de la Inteligencia Artificial y el Machine Learning para lograr una gestión del tráfico y de la seguridad de manera automatizada y solucionar los problemas de calidad del aire de manera automática a nivel distrito gracias a softwares que detecten anomalías en la calidad del aire.
Eficiencia energética: Construcción de edificios sostenibles con tendencia a la emisión neta cero y modificación de los antiguos, adaptándolos a las nuevas tecnologías mediante el uso de maquinaria cero emisiones.
Horizonte 2030 | Adaptación de los edificios para reducir su consumo limitándolo prácticamente a cero, utilización de un sistema de bombeo para aprovechar el calor terrestre y controlar la temperatura de los hogares, además del uso mayoritario de electrodomésticos cuyo consumo energético sea muy reducido (electrodomésticos A+).
Horizonte 2040 | Desarrollo de nuevas formas de construcción de edificios sin emitir gases perjudiciales, el uso del biohormigón para la creación de nuevos edificios, haciéndolos más resistentes y mejores conservadores térmicos, y desarrollo de electrodomésticos nuevos que sean inteligentes y respetuosos con el medio ambiente.
Horizonte 2050 | Modificación, con maquinaria cero emisiones, de los edificios ya existentes, añadiéndoles innovaciones tecnológicas que reduzcan sus emisiones, creación de nuevos edificios con placas solares integradas y con materiales ecológicos que proporcionen aislante para evitar el uso de energía en los sistemas de calefacción o refrigeración, y renovación de electrodomésticos por otros que integren nuevas soluciones como el poder operar con ellos a distancia y, además, sean cero emisiones.
Economía circular: Optimización de la gestión de residuos en términos de logística y el uso de residuos para la producción de energías renovables, desarrollando economías circulares.
Horizonte 2030 | Prueba del biogás como fuente de energía mediante la quema de residuos evitando así el problema de qué hacer con ellos, prueba del uso del compost como combustible mediante los residuos, principalmente de origen ganadero, y establecimiento, mediante los datos, de rutas de recogidas de basura más eficientes implantando sensores de llenado en los contenedores.
Horizonte 2040 | Utilización del biogás y el compost como fuente de energía, y monitorización del nivel de llenado de los contenedores integrando en ellos soluciones de transformación de los residuos en energía mediante el biogás o el compost.
Horizonte 2050 | Separación y recogida automática de los diferentes tipos de residuos para su posterior producción de energía al transformarlos en biogás o en compost, utilizándolos para la generación de calefacción urbana.
Gestión inteligente del agua: Redes de distribución mejoradas que integren soluciones de IoT para supervisar y controlar el estado de la red y garantizar la calidad del agua.
Horizonte 2030 | Control de la calidad del agua mediante la recogida de datos de la potabilización, con aviso automático en caso de error, y análisis de la cantidad de agua que fluye por las tuberías para detectar posibles averías o fugas en el sistema de transporte.
Horizonte 2040 | Distribución del agua de manera inteligente midiendo la presión con sensores y analizando cuándo se producen momentos de alta demanda del agua.
Horizonte 2050 | Uso del agua de lluvia como recurso, mediante sistemas de recogida y potabilización de esta agua en los hogares.
Conclusiones
Tomando como base el análisis compartido sobre la evolución de las diferentes palancas tecnológicas y, en consecuencia, el desarrollo de los distritos energéticos inteligentes y los objetivos que se deben alcanzar, se plantea una visión en la que las nuevas tecnologías tienen un claro papel en la concesión de un entorno sostenible, contribuyendo a la reducción de los niveles de contaminación, no sólo de manera directa actuando como herramientas de recopilación/gestión de datos, sino facilitando nuevas formas de convivencia, trabajo y desplazamiento, que desembocan indirectamente en esos mismos objetivos. La colaboración tanto de ciudadanos como de empresas e instituciones es clave para facilitar la toma de decisiones inteligentes, obteniendo así una mejora en la calidad de vida traducida en un beneficio económico y social común.