Comunicación presentada al VI Congreso Ciudades Inteligentes
Autores
- Juan Pedrero, TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)
- Nekane Hermoso, TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)
- Lara Mabe, TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)
- Irantzu Urkola, TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)
- Sergio Aparicio, EUROHELP Consulting, Amatech Group
Resumen
ENERKAD es una herramienta que permite el diagnóstico energético de un área de estudio a partir de información cartográfica básica, además de definir y comparar escenarios de transición energética y monitorizar la implementación de intervenciones energéticas estratégicas tales como sistemas renovables, rehabilitaciones pasivas o nuevos equipos de generación más eficientes. ENERKAD lleva a cabo este análisis a escala edificio y con cálculos horarios.
Esta herramienta se ha validado en más de 20 ciudades europeas. En este artículo se detalla el funcionamiento de la herramienta y sus principales características técnicas y a continuación se presenta el caso de estudio de Irún en el que se ha utilizado ENERKAD para el análisis del potencial de renovables del Municipio.
Palabras clave
Modelización, Planificación, Energía, Ciudad, SIG, Descarbonización, Renovables, Fotovoltaica
Introducción
Motivada por la ambición de mitigación del cambio climático y una mayor concienciación social acerca del impacto ambiental y económico del uso de la energía, la planificación energética se presenta actualmente como un elemento clave en los entornos urbanos. Para poder realizar un diagnóstico energético adecuado y una correcta evaluación de las medidas de eficiencia energética e integración de energías renovables, ha surgido la necesidad de herramientas de cálculo especialmente desarrolladas con este propósito.
Enerkad (Tecnalia & Eurohelp, s. f.) es una herramienta de cálculo en formato de plugin para QGIS que realiza una evaluación energética y ambiental de entornos urbanos, basada en la cartografía básica, información catastral y climática del área en estudio. A partir de esta información Enerkad calcula la demanda, el consumo de energía anual y sus emisiones de CO2 asociadas, a nivel horario y a escala de edificio para un distrito o ciudad, permitiendo el análisis y la comparación de los escenarios actuales y futuros basados en la aplicación de diferentes estrategias. Los resultados obtenidos son georreferenciados permitiendo su explotación en Qgis y la visualización en formato 3D en la web, facilitando así su interpretación y difusión.
En este contexto, el presente trabajo pretende demostrar las capacidades de esta herramienta en un caso de estudio real en la ciudad de Irún. Una ciudad consciente y comprometida con la sostenibilidad medioambiental y que cuenta con importantes objetivos de reducción del consumo energético y de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Este caso de estudio pretende aportar a la ciudad de Irún una caracterización exhaustiva de la realidad actual en materia energética, y un estudio del potencial de despliegue de fuentes de generación de energía renovable, centrado en la energía solar fotovoltaica. El contenido de este artículo es una síntesis y reducción a lo esencial del proyecto original, que también incluye el análisis de potencial de otras fuentes renovables como la biomasa y la geotermia. Para más información se puede consultar el informe final del proyecto (Ayuntamiento de Irún & Tecnalia, 2019).
Metodología
En este apartado se introduce el proceso interno de cálculo de la herramienta, así como del trabajo realizado en el contexto del proyecto de Irún. Dado que son dos funcionalidades complementarias, pero independientes, se explica el estudio de caracterización energética y el de cuantificación de potencial solar de manera separada. Es importante destacar que la caracterización energética se realiza únicamente sobre el sector residencial y terciario
Caracterización energética
La información georreferenciada necesaria para realizar la simulación energética es extraída del catastro municipal e incluida en un archivo GIS, en el que se incluyen los datos básicos necesarios: la geometría, la altura, el uso y año de construcción del edificio. Además, para obtener resultados más precisos, se ha incluido información específica obtenida a de los certificados energéticos y otras fuentes de datos municipales, como el sistema energético de los edificios.
Los cálculos de perfiles de demanda energética están basados en el método de los grados-día y consideran las diferentes características de cada edificio, como el uso, el año de construcción, influencia de edificios adyacentes y geometría. De esta manera, se cuantifican y almacenan los resultados georreferenciados de la demanda de energía térmica (calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria) y eléctrica (iluminación y electrodomésticos) de cada edificio de la zona estudiada, lo que permitirá calcular el consumo de energía, las emisiones de CO2 y el coste de la energía consumida en distintos formatos.
Una de las representaciones de los resultados es un modelo 3D interactivo de la ciudad, en el que cada uno de los edificios contiene los parámetros introducidos y calculados: uso, año de construcción, demanda energética, consumo energético, emisiones de CO2, etc. De esta manera es posible analizar los resultados de una manera más intuitiva y contribuye a una mejor difusión de estos.
Además, este enfoque permite la evaluación tanto del año base como de posibles escenarios futuros. La hipótesis de referencia representa la situación actual de la zona en estudio y servirá de marco de referencia para evaluar las estrategias aplicadas en las hipótesis alternativas.
- Mediante este software es posible generar escenarios futuros aplicando de tres tipos de estrategias diferentes:
- Aplicación de estrategias pasivas (renovación de los elementos de la envoltura del edificio)
- Reemplazo de los sistemas de generación energética de los edificios por tecnologías más eficientes.
- Implementación de sistemas de energía renovable: Biomasa, solar térmica, fotovoltaica y geotermia.
- Una descripción más profunda de la metodología de análisis de la demanda de energía se presenta en las siguientes publicaciones científicas (Arrizabalaga et al., 2019; Oregi et al., 2018).
Cuantificación del potencial renovable
El análisis del potencial renovable en la ciudad de Irún se ha focalizado en la energía solar fotovoltaica. De este modo, se pretende cuantificar el potencial de integración de paneles fotovoltaicos en las superficies de los tejados de los edificios del municipio de Irún, teniendo en cuenta la orografía, el marco urbano y la sombra resultante de los elementos constructivos y naturales.
Para la realización del análisis del potencial solar se genera un mapa de radiación solar a partir de la capa LiDAR del municipio, mediante el plugin de UMEP (Lindberg et al., s. f.) para QGIS(Open Source Geospatial Foundation Project, 2018). En este mapa, se obtiene la radiación solar anual por m2 para cualquier punto del municipio.
En el mapa de radiación solar se recogen todos los niveles de radiación. Las zonas seleccionadas para estudiar la producción potencial de energía fotovoltaica tendrán que cumplir varios requisitos y filtros, como formar parte de la cubierta del edificio y superar un umbral de irradiación específico que garantice un retorno de la inversión adecuado. Para calcular las superficies en las que se podría instalar la FV con un rendimiento económico mínimo (por ejemplo, un período de retorno máximo de la inversión), se han establecido umbrales mínimos de irradiancia.
El rendimiento económico o rentabilidad de las instalaciones fotovoltaicas y su relación con las diferentes normativas se ha calculado considerando que el consumidor estará conectado a la red eléctrica, y suponiendo que la tarifa de término de potencia no variará al instalar los módulos fotovoltaicos. Por lo tanto, todos los ahorros económicos cuantificados corresponden al término energético de la factura de electricidad. Además, el aspecto legislativo ha sido considerado y se han propuesto 3 escenarios normativos, solamente autoconsumo, “net metering” y máximo teórico instalable. Para la producción real de electricidad se ha utilizado el método de cálculo presentado en la norma EN 15316-4-6:2007 y la especificación de las condiciones técnicas de las instalaciones conectadas a la red.
Una vez determinadas la irradiación media de las cubiertas de los edificios de Irún y la viabilidad económica de las instalaciones solares en función de la irradiación de la superficie, la superficie total potencialmente aprovechable para instalaciones solares se conoce como resultado del cruce de la información del mapa de radiación solar de Irún y el umbral mínimo de radiación exigible a la instalación, así como la posibilidad de verter o no energía a la red. En otras palabras, la selección del payback exigible a la instalación solar determina la superficie total de cubiertas aprovechable que cumplen con el umbral mínimo de radiación solar.
Es posible encontrar una explicación más detallada de esta metodología y los datos empleados, en el siguiente artículo (Pedrero et al., 2019).
Resultados obtenidos
Tal y como se ha descrito en apartados anteriores los resultados principales de este estudio son dos: la caracterización energética actual y el potencial máximo de integración de energías renovables centrado en el máximo potencial de integración de fotovoltaica en cubierta.
Caracterización energética
La mayor parte de la demanda energética de los edificios, y también de los edificios de uso residencial, es energía térmica (climatización, que incluye calefacción y refrigeración, y ACS, principalmente) y más de la mitad de esta demanda térmica se satisface tanto mediante la “quema” de combustibles de origen fósil (en su gran mayoría gas natural), como electricidad.
En base a la información de partida que caracteriza el parque de edificios de Irún, y mediante la herramienta Enerkad, se obtienen las estimaciones de la demanda de energía para diferentes aplicaciones o finalidades en los edificios y el consumo de energía final en los mismos. En la figura 2 se muestra la demanda de calefacción por m2 para los edificios de la ciudad de Irún. En la figura 3 es posible observar, la demanda de energía térmica supone un 78,9% de la demanda total de los edificios, incluyendo la calefacción, la refrigeración y el agua caliente sanitaria (ACS). Los equipos y sistemas de calefacción y ACS alimentados mediante gas natural predominan en el municipio tanto en edificios residenciales como en terciarios (el 76.8% de edificios disponen de equipos de gas natural), lo que se traduce en el importante consumo de gas natural que se plasma en la figura 4.
El consumo energético de los edificios de Irún, analizado y descrito, tiene unos efectos o impactos a nivel económico y medioambientales en la ciudad. A partir de estos datos de demanda y consumo calculados, se han obtenido los resultados de impactos económicos y medioambientales derivados del consumo energético de Irún mostrados en la Tabla I:
Una vez analizados los resultados de la caracterización energética, se puede observar que el aporte renovable en la ciudad es mínimo. El consumo de biomasa en la ciudad representa únicamente un 0,32% del consumo total de energía para calefacción y ACS. Respecto a la producción solar fotovoltaica y térmica, a pesar de que existe un número reducido de instalaciones, no se cuenta con un registro de instalaciones ni con la información georreferenciada necesaria para su modelado, por lo que se han excluido de la caracterización energética.
Estos datos relativos a las instalaciones de producción de energía de origen renovable muestran un gran potencial de mejora, ya que actualmente el aprovechamiento de los recursos renovables representa un porcentaje muy reducido del total de la demanda energética. En el próximo apartado se presenta el procedimiento de cuantificación del potencial renovable en la ciudad, mediante un caso de estudio centrado en el potencial fotovoltaico.
Cuantificación del potencial renovable
Tal y como se ha explicado en el apartado metodológico, el análisis económico realizado para el autoconsumo residencial en la ciudad de Irún asocia los siguientes umbrales de radiación al retorno económico de las instalaciones. En la figura 4 se muestra un ejemplo de los resultados obtenidos en Qgis y la relación entre el umbral de radiación mínimo exigido y la disponibilidad de superficie en cubierta.
Así, teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto, en la tabla II se muestran los resultados de superficie total de cubierta para el caso de irradiación mayor a 1.100 kWh/m2, que garantiza un retorno de la instalación inferior a 10 años y la superficie final disponible en cubierta para la instalación de paneles fotovoltaicos en los tres casos normativos propuestos:
Así mismo se ha calculado la contribución energética que supondría la instalación de dicha superficie sobre el consumo eléctrico total de la ciudad.
Discusión y conclusiones
A partir del diagnóstico energético y el estudio de máximo potencial de integración de solar fotovoltaica es posible extraer ciertas conclusiones:
- La herramienta de planificación energética Enerkad permite realizar una caracterización energética de la ciudad edificio a edificio, considerando sus particularidades e integrando fuentes de información comúnmente disponibles como el catastro o los certificados energéticos. Esta caracterización aporta fundamento científico a la planificación de intervenciones como la rehabilitación del parque de edificios de la ciudad y permite realizar estimaciones realistas del impacto esperado, mediante la generación de escenarios alternativos.
- El estudio de integración de máximo potencial de energía solar otorga una visión realista de la capacidad máxima instalable de instalaciones fotovoltaicas en cubierta bajo diferentes marcos legislativos. Esto permite, por un lado a los legisladores, estimar el impacto de las políticas a implementar, y por otro lado al inversor privado una perspectiva de la rentabilidad de la instalación y una optimización del tamaño de esta. En el caso concreto de Irún, la generación de energía con instalaciones solares en cubiertas resulta de un gran potencial. Los paneles solares instalados en las cubiertas de los edificios de Irún, sin limitar su extensión a un retorno de la inversión aceptable y siguiendo el modelo de balance neto anual, pueden llegar abastecer con energía solar aproximadamente el 48% del consumo de energía eléctrica demandada por el parque de edificios de la ciudad. Si se optase por el modelo de autoconsumo limitando la potencia instalada de modo que no se inyectara electricidad a la red, se limitaría también el potencial de abastecimiento de la demanda eléctrica siendo capaz de abastecer hasta un 24% de la demanda de electricidad bajo las mismas condiciones económicas.
Agradecimientos
El trabajo descrito en este artículo está parcialmente financiado por el proyecto PLANHEAT, Grant Agreement Número 723757, 2016-2019, como parte de la convocatoria H2020-EE-2016-RIA-IA. Este estudio también fue apoyado por «Irungo Udala – Ayuntamiento de Irún» que colaboró en la obtención de datos y la financiación.
Referencias
- Arrizabalaga, E., Muñoz, I., Hermoso, N., Urcola, I., Izkara, J. L., Prieto, I., … Mabe, L. (2019). Methodology for the Advanced Integrated Urban Energy Planning. Proceedings, 20(1), 17.
- Ayuntamiento de Irún, & Tecnalia. (2019). Estudio Energético de Irun: Potencial de energías renovables.
- Lindberg, F., Grimmond, S., Krave, N., Jarvi, L., Ward, H., Onomura, S., … Wallenberg, N. (s. f.). Urban Multi-scale Environmental Predictor (UMEP).
- Open Source Geospatial Foundation Project. (2018). QGIS Geographic Information System.
- Oregi, X., Hermoso, N., Prieto, I., Izkara, J. L., Mabe, L., & Sismanidis, P. (2018). Automatised and georeferenced energy assessment of an Antwerp district based on cadastral data. Energy and Buildings, 173, 176-194.
- Pedrero, J., Hermoso, N., Hernández, P., Muñoz, I., Arrizabalaga, E., Mabe, L., … Izkara, J. L. (2019). Assessment of urban-scale potential for solar PV generation and consumption. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 323, 012066.
- Tecnalia, & Eurohelp. (s. f.). Enerkad. Recuperado 19 de mayo de 2020.