Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Cristina Gallego, Dra. Arquitecta LEED AP, LKS Ingeniería
- Dmitry Ivanov, Ingeniero mecánico, Experto en simulación energética, ENGEX
- Fátima Plaza, Arquitecta LEED AP, Asesora Breeam ES, LKS Ingeniería
- Olatz Pombo, Dra. Arquitecta, LKS Ingeniería
Resumen
La gestión eficiente de la energía es uno de los grandes retos de las ciudades inteligentes y sostenibles. En este sentido, la certificación LEED promueve el uso de sistemas que permiten la interoperabilidad entre la red y el edificio mediante estrategias como el almacenamiento energético, y la adaptabilidad de los parámetros operacionales del edificio en función de consignas externas de suministro. El objetivo de esta propuesta es evaluar la contribución de estas tecnologías en la rehabilitación de un edificio de oficinas en el Distrito 22@ de Barcelona. La reducción de consumos y costes de energía obtenida pone en evidencia el papel de las estrategias de respuesta de la demanda a la hora de mejorar la gestión energética en nuestras ciudades.
Palabras clave
Respuesta de la Demanda, Tarifación Dinámica, LEED, Interoperabilidad Edificios-red
Introducción
La gestión eficiente de la energía y el uso de renovables es uno de los grandes retos que marcará el futuro de las ciudades inteligentes y sostenibles. En los entornos urbanos se experimenta un aumento de la generación distribuida de la energía y la incorporación de nuevos consumidores y prosumidores, que requiere avanzar sistemas de gestión de fuentes de energía de generación distribuida y un flujo bidireccional.
Según el Informe realizado por el Instituto Europeo de la Edificación BPIE (De Groote, 2017) sobre la prelación de los diferentes países europeos para la implementación de soluciones de ciudades y edificios inteligentes, España se encuentra entre los países que han adoptado medidas de manera reservada, con un marco normativo cerrado a soluciones de respuesta de la demanda. Además, según el Libro Blanco de Smart Cities (Enerlis et al., 2012), no sólo nos enfrentamos a un problema de falta de adecuación normativa, sino que es necesaria una modernización de las redes eléctricas, y la instalación de equipos de consumo y contadores inteligentes en el parque edificado, como primer paso para facilitar la implantación de sistemas de transporte y distribución de la energía más eficiente y flexible.
En este sentido, la certificación ambiental de edificios LEED en su versión v4, apuesta por la promoción de soluciones para una gestión eficiente de la energía, e incorpora requisitos en materia de monitorización energética avanzada y aprovechamiento de programas de respuesta de la demanda y de tarifación dinámica.
Ante este panorama sería interesante evaluar la contribución de la gestión inteligente continua de la energía promovida por LEED a la hora de adaptar la demanda a la disponibilidad de la red y promover un uso más eficiente de la energía, en especial en proyectos de rehabilitación energética de edificios.
Según los estudios del parque inmobiliario europeo actual, alrededor del 75% de los edificios son ineficientes desde el punto de vista energético. A raíz del acuerdo de París, la Comisión Europea ha definido ya los objetivos para 2030 y trabaja en la actualización de las Directivas Europeas de Eficiencia Energética (EED), de Eficiencia Energética de los Edificios (EPDB), y de Energías Renovables (REC). En este ámbito se apuesta por la rehabilitación rentable de edificios existentes mediante estrategias dirigidas a maximizar la eficiencia energética, aumentar la producción de energías renovables in-situ, incorporar la capacidad de adaptación de la demanda del parque edificado, descarbonizar la energía de calefacción y refrigeración para edificios, mejorar el control de los usuarios a través de contadores inteligentes y sistemas de gestión centralizados, conseguir un edificio inteligente integrado en un distrito interconectado, e impulsar el uso de vehículos eléctricos.
Teniendo en cuenta estas recomendaciones, se evalúa el potencial de ahorro energético y la viabilidad de implementación de un programa de respuesta de la demanda en el Proyecto LEED 22WORKS, un proyecto de rehabilitación integral de oficinas en el Distrito 22@ de Barcelona. Actualmente se encuentra en proceso de certificación LEED BD+C: Core and Shell (LEED Almogavers 185), e incorpora procedimientos de Commissioning Avanzado (LEED EAc1), sistemas de medición avanzada de energía (LEED EAc3), y producción de energía renovable (LEED EAc5).
Proyecto
El proyecto 22WORKS consiste en la rehabilitación integral de un edificio existente, localizado en la antigua zona industrial de Poblenou, en el distrito 22@ de Barcelona. Este distrito es uno de los 22 ejemplos incluidos en el informe The Smart City Playbook (‘El libro de la Ciudad Inteligente’) publicado por Nokia y que recoge las mejores prácticas en materia de smart cities llevadas a cabo en ciudades de todo el mundo, líderes en estrategia inteligente.
Este proyecto de regeneración urbana se presenta como un Smart City District, que busca convertirse en un polo de innovación urbana, económica y social, con la mejora del entorno y de la movilidad, y la modernización de los edificios e infraestructuras existentes como factores centrales de la actuación. El Plan incorpora la adecuación de zonas verdes y espacios públicos, la recuperación de patrimonio industrial, nuevas redes inteligentes de energía y comunicación, un sistema de calefacción y refrigeración centralizada (Districlima), una red de recogida neumática selectiva de residuos, y galerías subterráneas registrables de las redes urbanas del distrito.
El edificio 22WORKS se diseña como una rehabilitación integral con criterios de sostenibilidad, que se beneficia de los servicios e infraestructuras del distrito, e incorpora además en el diseño estrategias de interoperabilidad entre el edificio y las redes inteligentes con las que se ha dotado el distrito.
En cuanto al programa, 22WORKS cuenta con planta baja, donde se ubican los accesos, unas salas de reuniones, un pequeño aparcamiento y un local con un uso por definir y tres plantas superiores destinadas a uso oficinas, con una superficie total de 7700 m2.
El edificio está siendo evaluado y ha obtenido la PreCertificación LEED Platinum en fase de diseño, el máximo nivel posible de calificación.
Metodología
Con el objetivo de evaluar los beneficios de la rehabilitación de edificios existentes hacia edificios inteligentes integrados en distritos interconectados, se analizan las ventajas que ofrece la aplicación de los requisitos de la certificación LEED v4 relativos a las categorías de energía y atmósfera y, en concreto, la participación activa en redes de distribución inteligente de la energía y en sistemas de flexibilidad en la demanda, mediante soluciones innovadoras de medición, monitorización y gestión energética, tomando la rehabilitación del edificio 22WORKS como caso de estudio.
Se trata de una rehabilitación integral en la que se plantea la mejora de la envolvente térmica del edificio, la conexión a la red de calefacción y refrigeración de distrito existente (Districlima), la instalación de un sistema de gestión centralizada del edificio que monitoriza y controla el funcionamiento de las instalaciones (iluminación, climatización, ventilación y agua caliente sanitaria), así como la producción de energía renovable in situ mediante paneles fotovoltaicos, con una superficie de captación de 338 m2.
Los ahorros de estas medidas se estudian en términos de costes económicos, de acuerdo a la exigencia de LEED, comparando el edificio objeto con el edificio existente de referencia, definido según Apéndice G del Estándar ASHRAE 90.1-2010. Para ello, se emplea el software de simulación energética IES VE. La programación de la ocupación considerada es de lunes a viernes, de 9:00 a 19:00 y las temperaturas de consigna establecidas para las oficinas y zonas de recepción son de 21ºC en invierno y 26ºC en verano.
Además, y dado que el edificio dispone de un sistema de gestión de la energía del edificio, se estudia la viabilidad de implantar un programa de Respuesta de la Demanda que, según la exigencia de LEED, debe permitir la reducción de un 10% en su demanda de potencia pico en respuesta a una consigna exterior. Al no disponer de datos sobre cuándo se producirían los eventos de respuesta de la demanda, se adopta el escenario más desfavorable, identificando los periodos pico en la semana típica de invierno y de verano.
En función del tipo de Programa de Respuesta de la Demanda, se requiere la reducción directa de la demanda del edificio o el cambio a un suministro alternativo, mediante la producción o almacenamiento de energía in situ. Por ello, en el presente caso de estudio se evalúa la contribución al cumplimiento del crédito mediante tres tipos de estrategias:
- Modificación de la temperatura de consigna de climatización, analizando la reducción de la demanda de climatización asociada a la modificación de los parámetros de confort en ± 2ºC.
- Satisfacción de la demanda mediante la producción de energía renovable in situ.
- Instalación de baterías de litio para el almacenamiento de energía eléctrica, permitiendo la carga de las baterías en periodo tarifario “valle”, durante la noche, y su entrega al edificio en los momentos de demanda pico del edificio.
Resultados
De acuerdo a los resultados de la simulación energética, el proyecto de rehabilitación propuesto consigue una reducción del coste energético del 48,21% respecto al edificio de referencia. En este apartado se va a evaluar el potencial de ahorro añadido debido a la adhesión a un programa de Respuesta de la Demanda. Para ello, se analizan las tres estrategias definidas en el apartado anterior. Con el fin de identificar la demanda de electricidad que deben satisfacer estas medidas, se ha estudiado la demanda horaria en un día típico de verano y un día típico de invierno. La Figura 2, muestra el consumo eléctrico acumulado del edificio, diferenciado por los principales usos.
De acuerdo a las gráficas anteriores, las demandas eléctricas pico de verano e invierno son de 124 kW y 132kW respectivamente. El cumplimiento del requisito de LEED exige satisfacer el 10% de la demanda pico anual, que en este caso se da en invierno. Por tanto, las estrategias planteadas deben satisfacer una demanda pico de 13,2 kW. Superponiendo los horarios tarifarios, se observa que la demanda pico en verano se da en periodo tarifario punta, mientras que en invierno se da en periodo tarifario llano, considerando una estructura tarifaria correspondiente a un suministro en baja tensión con potencias contratadas superiores a 15 kW (3.0A).
Modificación de las temperaturas de consigna
La modificación de las temperaturas de consigna durante los periodos de tarificación punta puede suponer un importante ahorro energético. En este edificio el sistema de climatización es muy eficiente, dado que se utiliza un sistema de distrito. La figura 2 revela que la mayor carga es debido a la iluminación y los equipos. Por ello, los ahorros que se pueden obtener de la aplicación de esta medida son muy pequeños y no permiten cumplir el requisito de LEED.
Producción de energía renovable in situ
La gran superficie de captación fotovoltaica situada en la cubierta del edificio genera una aportación anual de 28,27 MWh, que equivale al 4,9% del costo total de energía del edificio del proyecto de rehabilitación propuesto. Según los resultados de la simulación energética (Figura 3), la demanda pico en verano se reduce un 13% gracias al uso de la energía renovable producida in situ como fuente alternativa a la red. Sin embargo, en invierno la demanda pico se da a las 8:30 de la mañana, cuando todavía no hay producción fotovoltaica. Por tanto, esta estrategia permite reducir la demanda pico de verano, pero no la de invierno.
Almacenamiento de energía mediante baterías
Para cubrir la demanda pico correspondiente al momento de carga máxima en invienro, 132 kW, se dimensiona un conjunto de baterías de litio capaces de satisfacer un 10% de dicha demanda. Además, las baterías permiten el almacenamiento de la energía fotovoltaica producida in situ, siendo posible su carga de manera gratuita. Para el cálculo propuesto se considera la opción de carga en periodo valle de las baterías, sin tener en cuenta la contribución de la energía fotovoltaica. Como ejemplo, se toman lan batería LG Chen RESU9.8, 6.5 y 3.3, para los que se calcula el número de baterías necesarias y el coste de las mismas. Se elige finalmente el modelo LG Chem RESU3.3, debido a su menor periodo de amortización. El edificio contaría con cinco unidades, con una capacidad de almacenamiento total de 16,5 kWh, y una potencia pico de 15 kW. Esta solución supondría una inversión de 15.000 € con un ahorro anual de 645 €, resultando un periodo de amortización de 23 años. Según el fabricante, la vida útil de estas baterías es de 20 años, por lo que esta inversión no se llegaría a amortizar.
La figura 4 muestra cómo se reduce la demanda de electricidad debido a la producción fotovoltaica in situ y el uso de baterías de litio que se cargan durante el periodo valle.
Para demostrar el cumplimiento de LEED, la implementación de las posibles estrategias de reducción de la demanda deberá ser comandada por un gestor energético, en base a la información recibida por contadores inteligentes de energía con doble vía de comunicación. Además, se deberá realizar un Test de Prueba de reducción de demanda pico bajo consigna externa, gestionado de manera automática por el BMS (Building Management System). Este test formará parte del proceso de Puesta en Servicio de las instalaciones del edificio.
En caso de llamada del Gestor del Programa de Demand Response, que se inicia en momentos de estrés del sistema de producción o distribución de la red, o bien mediante una consigna exterior automática en función de los precios de la energía, se desencadenaría el proceso de Reducción de Demanda, entrando en acción las dos estrategias descritas. La participación en este tipo de programas a nivel europeo y global tiene unos beneficios directos de ingresos por kW de potencia pico reducido además de generar un mayor control sobre la gestión energética del edificio.
Discusión y Conclusiones
Las soluciones de respuesta a la demanda y tarifación dinámica, en combinación con la producción de energía renovable y almacenamiento de energía, permiten reducir la demanda pico y tener un mayor control de los consumidores a la hora de ajustar su patrón de consumo en función de variaciones de precios provocada por la demanda máxima o incentivos y, en consecuencia, reducir el consumo y coste de energía.
Los sistemas de almacenamiento de energía todavía resultan costosos y tienen unos periodos de amortización muy largos. Por ello, es importante buscar otras estrategias que permitan la reducción de la demanda eléctrica durante los momentos pico. Según los resultados presentados, los equipos suponen hasta un 43% de la demanda eléctrica total. Dado el uso de oficinas, los equipos con baterías como ordenadores, tendrán una importante repercusión en dicha demanda. Una medida que se podría implantar es que el BMS del edificio desconectara automáticamente estos equipos durante los periodos pico, de manera que fueran las baterías de los mismos las que permitieran continuar su funcionamiento sin suponer ninguna perturbación para los usuarios. Esto permitiría una importante reducción de la demanda.
Respecto a la variación de las temperaturas de consigna de climatización, si bien en este proyecto no tenía apenas afección, es una estrategia que debería tenerse en cuenta, ya que realizado en los momentos pico, no alteraría las condiciones de confort de los usuarios y sí ayudaría a la consecución del objetivo de reducción de LEED.
En este tipo de programas de respuesta a la demanda, es imprescindible tener un sistema centralizado de gestión de la energía, que permita concienciarse y controlar el consumo para reducir los costes, controlar y gestionar el estado de la instalación para garantizar la continuidad del servicio y analizar los datos para mejorar los procesos. Según la revisión de proyectos de referencia desarrollados hasta ese momento, la información a los clientes sobre patrones de consumo conlleva una mayor aceptación de inciativas de respuesta a la demanda. Por ejemplo, el proyecto GAD liderado por Iberdrola Distribución, dirigido a optimizar el consumo de energía eléctrica y satisfacer las necesidades del consumidor y estándares de calidad, ha revelado que la introducción de tarifas horarias ayuda a incentivar a los consumidores a reducir su consumo, alcanzando ahorros de hasta un 15%.
Referencias
- Enerlis, Ernst and Young, Ferrovial and Madrid Network, 2012, Libro Blanco Smart Cities.
- De Groote, M. & Fabbri, M., 2017, Smart Buildings in a Decarbonised Energy System. 10 principles to deliver real benefits for Europe’s Citizens. Buildings Performance Institute Europe.
- De Groote, M., Volt, J., & Bean, F., 2017, Is Europe ready for the Smart building Revolution? Mapping Smart-Readiness and innovative case studies. Buildings Performance Institute Europe.
- Smart Grid projects in Europe: Lessons learned and current developments, JRC, 2012.