Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Oleksandr Novykh, Estudiante de doctorado, Departamento de Informática y Sistemas, Escuela Superior de Ingeniería y Tecnología, Universidad de La Laguna (ULL)
- Juan Albino Méndez Pérez, Profesor Titular, Departamento de Informática y Sistemas, Escuela Superior de Ingeniería y Tecnología, Universidad de La Laguna (ULL)
- Benjamín González-Díaz, Profesor Contratado, Departamento de Informática y Sistemas, Escuela Superior de Ingeniería y Tecnología, Universidad de La Laguna (ULL)
- Igor Sviridenko, Profesor Asociado, Departamento de Instalaciones de Energía de Embarcaciones y Estructuras Marinas, Instituto Marítimo, Universidad Estatal de Sebastopol
Resumen
El concepto mismo de ciudades inteligentes proporciona, antes que nada, un uso racional y efectivo de todos los recursos necesarios para la vida de las ciudades. En primer lugar, esto se refiere al suministro de energía. Las ciudades modernas son consumidores de una gran cantidad de diferentes tipos de energía. La distribución de energía se proporciona a través de redes de energía urbana, que son estructuras de ingeniería complejas e incluyen una gran cantidad de elementos. El principal problema de los sistemas energéticos urbanos es que la necesidad de energía cambia constantemente en el tiempo y cambia principalmente en un salto. La generación de energía con fuentes renovables, que recientemente se ha utilizado ampliamente en las ciudades, también presenta fluctuaciones significativas en el tiempo. Una situación similar en las redes de energía urbana, por un lado, conduce a grandes pérdidas de energía y, por otro lado, requiere una supervisión constante y una gestión operativa de todos los elementos. Se pueden lograr fluctuaciones suaves de la carga en las redes de energía mediante la amplia aplicación de la tecnología de almacenamiento de energía en todas las etapas de la distribución de energía. Esto asegurará el funcionamiento estable de las redes de energía urbana con indicadores de máxima eficiencia y maximizará el potencial de las fuentes de energía renovables. Al mismo tiempo, se puede lograr la máxima eficiencia utilizando dispositivos económicos y confiables para acumular diversos tipos de energía.
Palabras clave
Ciudades Inteligentes, Consumidores Inteligentes, Redes de Energía Urbana, Almacenamiento de Energía
Introducción
El término «ciudad inteligente» apareció hace relativamente poco tiempo y aún no tiene una definición clara. Originalmente, se utilizó el término «ciudad digital», que preveía el uso extensivo de las tecnologías de la información y la comunicación en la gestión urbana. Sin embargo, en esta etapa solo se crearon bases de datos de información de todos los servicios de la ciudad. La información recopilada es la clave para aumentar la eficiencia del uso de todos los recursos de infraestructura urbana necesarios, mejorar la comodidad de la vida en las ciudades y reducir las pérdidas. Después de resolver la primera tarea puramente informativa, surgió naturalmente la pregunta de automatizar los procesos de gestión de la economía de la ciudad. Muchos problemas de la ciudad requieren una solución rápida, que se puede hacer utilizando ciertos algoritmos, incluido el uso de métodos de inteligencia artificial. La transición de la simple recopilación y sistematización de la información a los sistemas de gestión urbana automatizados provocó la aparición del término «ciudad inteligente».
Uno de los elementos clave de las ciudades inteligentes es la gestión de las redes de energía urbana. Las redes de energía urbana son estructuras de ingeniería bastante complejas, que incluyen una gran cantidad de elementos diferentes. El suministro de energía confiable de las ciudades es la principal condición para el funcionamiento normal de todos los servicios de la ciudad. Las más pequeñas interrupciones en las redes de energía simplemente paralizan la vida normal en la ciudad.
En España, se realizó un gran trabajo para crear sistemas de información automatizados para el suministro de energía. Toda la información sobre el trabajo de las redes de energía es fija e incluso puede rastrearse en tiempo real a través de Internet. Sobre la base de la información recopilada, se realiza un análisis en profundidad y se emiten boletines mensualmente. Sin embargo, desafortunadamente, la gestión activa del consumo de energía en las ciudades aún se encuentra en un nivel muy bajo. Solo hay elementos menores. Por ejemplo, el alumbrado público en las ciudades se enciende y apaga automáticamente, dependiendo del nivel de luz natural. La iluminación en áreas comunes se enciende solo si es necesario y se apaga automáticamente después de unos minutos. Sin embargo, una gran cantidad de consumidores de energía, especialmente en el sector residencial, todavía no están dispuestos a una gestión activa. Funcionan de forma independiente, lo que crea problemas muy grandes para las redes de energía.
El propósito de este trabajo es formular posibles formas de gestión activa de ciertos tipos de usuarios finales de energía, lo que mejorará significativamente la eficiencia de las redes de energía urbana y reducirá las pérdidas de energía. La creación de un gran número de «consumidores inteligentes» que puedan acumular energía les permitirá pasar a una gestión activa del consumo de energía en las ciudades y optimizar su funcionamiento.
Problemas de suministro de energía en las ciudades
El principal problema de las redes modernas de energía urbana es un cambio constante en el nivel de consumo de energía por parte de los usuarios finales a lo largo del tiempo. Creado en España, el sistema de control automático del consumo de energía eléctrica le permite controlar en tiempo real todas las fluctuaciones en la carga. El análisis de esta información permite pronosticar los datos de fluctuaciones en la carga en la red eléctrica y controlar el proceso de encendido y apagado de los generadores. Esto permite optimizar el funcionamiento de los generadores de energía eléctrica, pero con un cierto margen de error. Como se puede ver en el gráfico de la Fig. 1, la desviación de la carga real del pronóstico es de aproximadamente 10 – 15%.
El problema es que los consumidores finales de energía eléctrica son incontrolables y se incluyen al azar según sea necesario. El segundo problema de las redes de energía urbana es el aumento cada vez mayor en las pequeñas centrales eléctricas privadas que utilizan fuentes de energía renovables, especialmente las plantas de energía solar. Los paneles fotovoltaicos se han vuelto muy asequibles para la población y esto lleva a su uso masivo en entornos urbanos. Sin embargo, para las redes de energía urbana esto crea problemas significativos.
En 2013, los investigadores estadounidenses predijeron un crecimiento en el número de pequeñas centrales eléctricas privadas que utilizan energía solar. Luego se les hizo la suposición de que a medida que el número de plantas de energía solar privadas se llevará a cabo al mismo tiempo, una fuerte caída de la carga en la red eléctrica en el medio del día y por la noche – un fuerte aumento de la demanda de electricidad. Dichos saltos en la carga en la red eléctrica tienen un efecto muy negativo en la eficiencia de las redes eléctricas. Con el tiempo, este pronóstico fue totalmente confirmado. En 2016 él se registró un fuerte aumento de la carga en la red eléctrica por más de un factor de 2, de 12 GW a 25 GW menos de tres horas. En 2017, hubo una caída en la carga en la red eléctrica por debajo del pronóstico.
La operación más eficiente de todo el sistema de energía es posible solo cuando la carga se estabiliza en la red durante todo el tiempo. Tal modo de operación puede garantizarse solo en el caso de un amplio uso de diversas tecnologías de almacenamiento de energía.
Análisis de consumidores de energía en el hogar
El sector de la vivienda en las ciudades consume bastantes tipos diferentes de energía para crear condiciones de vida cómodas. Al mismo tiempo, la gestión del consumo de energía en el sector de la vivienda se mantiene en un nivel muy bajo y es más caótica. Es el sector de la vivienda el que crea fluctuaciones significativas en la carga en la red eléctrica.
Las estadísticas sobre el consumo de electricidad en el sector de la vivienda de las Islas Canarias se presentan en la Fig. 3. Especialmente es necesario tener en cuenta cuatro grupos de consumidores domésticos de energía eléctrica: aire acondicionado, calefacción de agua, calefacción y refrigeradores. En total, todos estos consumidores representan el 31% del consumo total de energía en el sector de la vivienda. Son estos grupos de consumidores los que presentan el mayor interés en esta investigación.
Tecnologías de almacenamiento de energía
La solución de los problemas anteriores, tanto la energía tradicional como la renovable, permite el método de almacenamiento de energía. Actualmente, casi todos los centros científicos mundiales del sector energético están trabajando intensamente para crear diversos dispositivos de almacenamiento de energía. Para esto, se usa una amplia variedad de tecnologías. Sin embargo, aún no se han creado dispositivos de almacenamiento de energía bastante efectivos y baratos.
La gran mayoría de los proyectos implementados en la actualidad utilizan la tecnología de bombeo de energía hidroeléctrica. En segundo lugar está la tecnología que usa aire comprimido.
Hasta la fecha, todas estas tecnologías son bastante costosas y solo se utilizan para acumular energía derivada de fuentes renovables. Hay dos escenarios fundamentalmente diferentes para usar la tecnología de almacenamiento de energía. En el primer caso, la energía se almacena en nodos centralizados que funcionan junto con grandes generadores de energía eléctrica. En este caso, resolvemos una sola tarea: la optimización del trabajo de los generadores de energía eléctrica. Esto es ciertamente un gran paso adelante, pero al mismo tiempo, las fluctuaciones de carga en la red eléctrica seguirán siendo las mismas.
En el segundo caso, todos los consumidores de energía están equipados con acumuladores de energía. Solo en este caso es posible proceder a una gestión activa del consumo de energía y optimizar todo el sistema energético de la ciudad en su conjunto. Al mismo tiempo, para la acumulación de energía se puede utilizar una variedad de tecnologías.
Hasta ahora, el desarrollo de esta dirección es en mayor medida de acuerdo con el primer escenario. En todo el mundo, hay una construcción bastante activa de grandes centrales de acumulación que utilizan una variedad de tecnologías. El segundo escenario aún no ha recibido un gran desarrollo debido al alto costo de las baterías. La opción ideal es el desarrollo paralelo de estos dos escenarios de desarrollo, cuando las tecnologías de almacenamiento de energía se utilizarán en todos los niveles de los sistemas de energía. Solo en este caso será posible lograr una alta eficiencia energética y el uso máximo de fuentes de energía renovables. En este caso, es aconsejable utilizar acumuladores de energía tanto a corto como a largo plazo.
Sistemas automatizados de control para consumidores de electricidad en redes de energía urbana
Como ya se mencionó anteriormente, una red de energía ideal de una ciudad inteligente solo se puede crear si todos los principales consumidores están equipados con acumuladores de energía. Al mismo tiempo, todos estos acumuladores de energía eléctrica deben tener control desde un único sistema automatizado. La red eléctrica de una ciudad inteligente, controlada por un solo sistema automatizado, recargará alternativamente las baterías de acuerdo con el cronograma y según sea necesario. En la red de energía, se aplicará el principio de Internet. Entonces, por ejemplo, cada apartamento en una ciudad inteligente tendrá una batería recargable, que a su vez estará conectada a un único sistema automatizado a través de Internet. La implementación de dicho proyecto creará una red de energía ideal de una ciudad inteligente con parámetros de máxima eficiencia. Además, esto maximizará el uso de fuentes de energía renovables. Técnicamente, tal proyecto se puede implementar hoy, pero económicamente no es práctico. Desafortunadamente, las baterías en el mercado hoy son muy caras. Además, con cada ciclo de carga y descarga de la batería, tendremos una pérdida de energía de 5-10%.
Sin embargo, hay un número de consumidores domésticos e industriales que pueden acumular varios tipos de energía sin costos significativos y sin pérdidas. Para tales consumidores, es posible llevar prácticamente todas las máquinas de refrigeración, acondicionadores, calentadores de agua y equipos de calefacción. Tal equipo es muy utilizado hoy en día en todas las casas, apartamentos, tiendas, etc. Todos estos consumidores pueden acumular energía térmica o fría con pequeñas mejoras.
Damos el ejemplo más simple. Los refrigeradores domésticos están presentes en todas las viviendas hoy en día. El consumo de energía de un refrigerador doméstico moderno es de 0.5 a 1 kWh por día. En cada ciudad se usan constantemente cientos de miles de tales refrigeradores. El consumo total de energía, como se mostró anteriormente, es al menos el 14% del consumo total de electricidad en el sector residencial de las ciudades. Si cada refrigerador equipado con un pequeño enfriamiento de la batería que se llevará a no más del 5 – 10% del volumen interno del refrigerador puede mantener la temperatura requerida durante varias horas sin consumo de energía eléctrica. Para la realización de este proyecto requerirá un total de tres elementos: un acumulador de frío (presente en la actualidad en muchos mercados y tienen un costo muy bajo), un temporizador o un sensor de temperatura para monitorizar el nivel de frío de carga de la batería y la salida inteligente que es capaz de conectarse a Internet. Los costos totales de la retroadaptación de un refrigerador no excederán de 20 a 100 euros, dependiendo del grado de automatización. La mayoría de estos costos son el costo de una «salida inteligente», que puede servir simultáneamente a varios consumidores inteligentes. Al mismo tiempo, no se requiere ningún cambio en el diseño de la unidad de refrigeración.
El funcionamiento del sistema automatizado será el siguiente. En caso de sobrecarga en una red eléctrica de ciudad inteligente, un sistema de control automatizado ordena un viaje a todos los consumidores inteligentes o a un grupo de ellos que han cargado acumuladores de frío. Por lo tanto, la carga en la red eléctrica se reducirá. Una vez que la batería fría está completamente descargada, el consumidor inteligente se encenderá automáticamente con el temporizador o el comando del sensor de temperatura. El proceso inverso ocurrirá automáticamente. En el caso de un exceso de electricidad en la red o en presencia de electricidad de una fuente renovable, la unidad de refrigeración se encenderá y funcionará hasta que el acumulador de frío esté completamente cargado.
Del mismo modo, acondicionadores de aire, calentadores de agua y otros aparatos de calefacción se pueden adaptar. La diferencia solo estará en la temperatura de funcionamiento del almacenamiento en frío o la energía térmica.
Desde un punto de vista económico, la implementación de dicho proyecto permitirá un efecto económico significativo. Entonces, por ejemplo, 100 mil unidades de refrigeración, equipadas con acumuladores de frío, permitirán acumular un mínimo de 50 MWh de energía eléctrica por día. Al mismo tiempo, los costos totales de esto no excederán de 5 a 10 millones de euros. La construcción de la misma planta de almacenamiento por bombeo de la misma capacidad tendrá un costo de 5-7 veces más caro. Además, se debe enfatizar particularmente que el almacenamiento de energía térmica o el almacenamiento en frío usando una transición de fase tienen un número ilimitado de ciclos de carga y descarga y no tienen ninguna pérdida de energía. Entonces pueden trabajar bastante tiempo y son muy efectivos.Se pueden lograr resultados similares mediante el uso de acumuladores de energía neumohidráulicos. También se pueden usar como un grupo separado de consumidores inteligentes.
También se debe tener en cuenta que la implementación de dicho proyecto mejorará significativamente la eficiencia de las redes de energía de la red inteligente. La gestión activa de los consumidores inteligentes permitirá suavizar las fluctuaciones de la carga en las redes eléctricas y garantizar una regulación fluida de la carga en la red eléctrica de las ciudades inteligentes. Además, esto permitirá expandir el uso de fuentes de energía renovables en áreas urbanas.
Conclusiones
Para garantizar la operación estable y eficiente de las redes de energía urbana en las ciudades inteligentes, y para maximizar el potencial de las fuentes de energía renovables, es necesario maximizar el uso de la tecnología de almacenamiento de energía en todas las etapas de la distribución de energía. Con este fin, se están construyendo estaciones de acumulación de energía en todo el mundo utilizando una amplia variedad de tecnologías. El único impedimento para el desarrollo de esta dirección es el alto costo de la construcción y el equipo, así como grandes pérdidas de energía durante cada ciclo de carga y descarga. Al mismo tiempo, existe una gran cantidad de consumidores de energía industrial y doméstica que tienen la capacidad técnica de acumular varios tipos de energía. Con un refinamiento menor de estos consumidores, pueden convertirse en «consumidores inteligentes» que pueden acumular energía de acuerdo con un programa determinado. Esto resolverá a la vez dos problemas de las redes de energía de la ciudad: asegurar la acumulación de energía en las inmediaciones del usuario final, y el segundo, y más importante, proporcionar la posibilidad de una gestión de carga activa en la red eléctrica. Al mismo tiempo, como se mostró en este documento, la finalización de estos consumidores no requiere grandes inversiones de capital ni grandes construcciones. La implementación de dicho proyecto puede ocurrir gradualmente con la amplia participación de la población de la ciudad.
Referencias
- Visiona Hierro. Red Eléctrica de España
- Price H., El futuro de la CSP: Energía Solar Dispatchable
- Anuario Energético de Canarias 2015. Consejería de Economía, Industria, Comercio y Conocimiento. Gobierno de Canarias.
- VTT Webinars – Technology insights with an impact. Strategic insights on electrical and mechanical energy storage. VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.