REnnovates: flexibilidad en distritos energía cero

Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes:

Autores

• Félix Larrinaga, Alain Pérez, Jon Martínez de Mendivil, Ander Goikoetxea & Javier Cuenca, Investigadores, Mondragon Unibertsitatea
• Imanol Aguirre, Javier Rodríguez & Asier Azpiazu, Arquitectos/Investigadores, LKS

Resumen

Enmarcado en el proyecto REnnovates financiado por el programa H2020 de la Comisión Europea (REnnovates number 680603), esta comunicación presenta un concepto de rehabilitación de parques de vivienda energéticamente ineficientes y con dificultades de financiar una intervención que mejora la eficiencia energética y reduce emisiones CO2. El concepto interviene tanto en la rehabilitación integral de la envolvente de un edificio, como en la instalación e integración de un módulo energético industrializado, monitorizado y con sistemas de control. Además, la iniciativa promueve medidas de eficiencia energética de distrito considerando la utilización de renovables y baterías. El proyecto plantea la replicabilidad del sistema en 3 situaciones geográficas europeas con diferentes características ambientales, culturales y legislativas: Países Bajos, Polonia y España dentro de un proyecto. Esta comunicación presenta el concepto REnnovates, la arquitectura tecnológica para su implementación, los protocolos de interoperabilidad y las particularidades del demostrador español.

Palabras clave

Distritos Energía Cero, Rehabilitación, Eficiencia Energética, Interoperabilidad

Introducción

REnnovates es un proyecto financiado por la Comisión Europea en el Programa H2020 cuya misión es contribuir a la sociedad mediante la reducción del impacto ambiental causado por el consumo energético (doméstico) y optimizar el uso efectivo de la energía renovable. Se trata de un proyecto de Innovación del topic “Enfoque Integral para la Rehabilitación de Edificios Residenciales” EeB-08-2015, el cual pretende impulsar estrategias potenciadoras para el uso de renovables y fomentar la rehabilitación energética mediante modelos de negocio atractivos y viables para los residentes.

La idea principal del proyecto consiste en proponer un concepto de rehabilitación para la gran cantidad de edificios antiguos existentes en el parque de viviendas. Estos edificios no son energéticamente eficientes y no cumplen con los estándares de confort modernos. De hecho, están en el final de su ciclo de vida. Los edificios tienen necesidad de ser renovados o demolidos / reemplazados por nuevos edificios. Esta última opción es muy cara, requiere de mucho tiempo, y tiene un impacto social considerable. Se trata por tanto de reconvertir el stock de edificaciones obsoletas y energéticamente ineficientes que es una es una de las apuestas firmes de la Comisión Europea.

REnnovates es un concepto holístico de renovación que utiliza servicios inteligentes y desarrolla comunidades centradas en el uso inteligente de la energía, lo que resulta en viviendas y distritos neutros energéticamente (Zero Net Energy en inglés). Se fundamenta en la experiencia previa del caso holandés que consiste en rehabilitar viviendas sociales tanto en el exterior (fachada, cubierta, solera y carpinterías) como el interior (cocinas, baños y sistemas de ventilación y calefacción) utilizando sistemas prefabricados, minimizando el tiempo y coste de la instalación, así como evitando el realojamiento de los habitantes. El aporte energético se centra en un módulo energético que consta de aerotermia, sistemas de agua caliente sanitaria (ACS), climatización y ventilación, generación fotovoltaica y sistemas de monitorización y control que mejoran el rendimiento y reducen el consumo eléctrico.

El principal objetivo en el proyecto es mejorar la eficiencia energética no solo a nivel de edificio sino explorar las posibilidades a nivel de distrito controlando la oferta y la demanda de energía mediante el uso de las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC) y el almacenamiento con baterías. Para ello se ha construido una plataforma en la nube que permite la agregación y análisis de datos y la aplicación de algoritmos de optimización que comunicarán escenarios energéticos optimizados que luego serán ejecutados a nivel de edificio y/o distrito. Clave para el concepto REnnovates son la escalabilidad y la replicabilidad de las soluciones. Así el proyecto contempla rehabilitar utilizando el concepto alrededor de 200 viviendas en Holanda y plantea la replicabilidad del sistema en otras zonas climáticas en localizaciones con diferentes características sociales, culturales y legislativas: Países Bajos, Polonia y España. Quizás la principal meta del concepto REnnovates sea explorar las principales oportunidades de modelo de negocio para hacer la inversión en la renovación viable e interesante para los distintos stakeholders.

Concepto REnnovates

El proyecto REnnovates tiene como objetivos 1) mejorar la eficiencia energética de los edificios residenciales convirtiéndolos en edificios de energía cero (EEC), 2) revalorizar la vivienda mejorando las instalaciones, aspecto y rendimiento energético, 3) optimizando la gestión de las energías renovables y 4) diseñar modelos de financiación atractivos que permitan un modelo de negocio viable para el usuario y rentable para los agentes implicados. Para ello se ha diseñado un método de aplicación de intervenciones basado en las nuevas tecnologías de 4 pasos (ver Fig.1):

• La rehabilitación de la envolvente, incluyendo fachadas, cubiertas, soleras y carpinterías con el objetivo de proveer de aislamiento térmico y por tanto reducir la demanda del edificio (ahorro energético). Para el cálculo y el diseño de la envolvente se utilizan herramientas BIM (Building Information Modelling). El diseño de la envolvente incorpora paneles fotovoltaicos para la generación eléctrica que se utiliza para el abastecimiento energético de la vivienda.
• Instalación de un módulo energético. El módulo energético integra los sistemas de climatización/ventilación y agua caliente sanitaria (ACS) utilizando un sistema de aerotermia (bomba de calor) y un sistema de comunicaciones y control que recoge datos de los distintos medidores y sensores, y permite la gestión de la bomba de calor. El módulo se conecta a los conversores fotovoltaicos y al medidor inteligente permitiendo la gestión de la producción fotovoltaica para autoconsumo o vertido a red. Adicionalmente el módulo puede incluir almacenamiento de energía en baterías. El sistema de comunicación conecta el módulo de energía con la plataforma (nube REnnovates) a través de un gateway.
• Aplicación de medidas de control a nivel edificio para optimizar el rendimiento del módulo y el aprovechamiento de la generación fotovoltaica. Principalmente basadas en el autoconsumo de la energía producida por las placas y la utilización de los depósitos de ACS y calefacción del módulo como “almacenes” térmicos (función del coste energético).
• Aplicación de medidas de control a nivel distrito para aumentar la flexibilidad de la gestión de la energía eléctrica, combinando la producción y consumos de diferentes viviendas de un vecindario. La aportación de energía renovable producida por las placas fotovoltaicas produce un aumento de coste de infraestructura al distribuidor de energía (DSO). La contribución fotovoltaica genera altibajos de picos de energía que repercute en la calidad y carga de la red.  Para solucionarlo se utilizan baterías de distrito que puedan almacenar, repartir y proporcionar energía para usos comunales. Herramientas TIC proporcionadas por la plataforma permitirán aplicar soluciones inteligentes de gestión y control energético a nivel de distrito. Además, se establecen acuerdos de oferta y demanda energética (DR del inglés Demand Response) con el distribuidor energético (DSO).

Con el objetivo de abaratar las intervenciones se pretende estandarizar al máximo las soluciones propuestas. Así tanto las soluciones de exterior como de interior consisten en sistemas de fácil y rápida implementación, en muchos casos prefabricados e instalables en modo “plug-and-play”. Otro aspecto clave es la provisión de una plataforma que permita el análisis y la gestión inteligente de la energía. La plataforma se encarga de recoger las medidas de los hogares, ejecutar estrategias de optimización y comunicar las mismas a los dispositivos desplegados en los hogares/distritos (módulos energéticos, baterías y depósitos para el almacenaje de energía). La plataforma tecnológica es objeto de estudio en la siguiente sección.

Arquitectura tecnológica

El sistema de monitorización y control consta de dos elementos principales; 1) El sistema de monitorización/control en el módulo energético (hogares) y 2) una plataforma en la nube. El primero está compuesto por sensores y gateways. Los gateways o controladores son sistemas empotrados instalados en los diferentes módulos. Su función es doble: 1) Recolectar las medidas de los dispositivos en los edificios y enviarlas a la plataforma REnnovates y 2) Ejecutar estrategias de control que son enviadas desde la plataforma. El gateway recopila información de los dispositivos y sensores, y los conecta mediante un protocolo estándar. El gateway también puede conectarse al medidor inteligente de la casa. El gateway se conecta a Internet a través de un módulo 3G o Ethernet e intercambia datos con la plataforma en la nube.  La plataforma en la nube permite la supervisión y el control inteligente de la energía no sólo por casa individual, sino también a nivel de distrito. En la plataforma se gestiona la agregación y el análisis de datos. Los algoritmos comunicarán escenarios optimizados para los flujos de energía que se pueden ejecutar en el módulo de energía. Por ejemplo, aumentando o disminuyendo la consigna de temperatura para la calefacción o dando instrucciones a la bomba de calor para que comience a calentar el depósito de agua sanitaria. La plataforma (Figura 2) consta de 5 funciones principales:

• Frontend: Proporciona una serie de APIs para los algoritmos e interfaces web que quieran consumir los datos disponibles en la plataforma. Permite acceder a medidas de dispositivos organizados en grupos, usuarios o sedes (localizaciones). Los algoritmos de optimización pueden acceder a los datos de la plataforma usando las distintas APIs.
• Control de dispositivos: Controla los módulos de energía en las diferentes casas. Se encarga de la comunicación con los gateways. Esto incluye recoger las mediciones y enviar las consignas de control a los controladores. La plataforma y los módulos de energía se comunican a través de un sistema de publicación-subscripción basado en el protocolo Advanced Message Queuing Protocol (AMQP). Los datos se mapean en documentos JSON que son intercambiados mediante mensajes.  También es responsable de almacenar y gestionar los datos de medición en el clúster de almacenamiento.
• Interfaz de mercado: Negocia la flexibilidad energética entre los hogares y el distribuidor de energía DSO usando estándares abiertos. USEF se ha elegido como estándar para el proyecto debido a su uso en el contexto europeo.
• Clúster de almacenamiento: Contiene el modelo de datos y el contenido de datos que se utiliza para proporcionar información a las diversas APIs y algoritmos. El clúster de almacenamiento consiste en bases de datos SQL y NOSQL, replicadas sobre múltiples sistemas para garantizar fiabilidad y rendimiento.
• Gestor de eventos y de alarmas: El gestor realiza múltiples tareas. Por un lado, funciona como agregador de datos para visualización. También se encarga de analizar datos para detectar anomalías monitorizando datos entrantes, detectando fallos, valores fuera de límites, etc. Otra de sus funciones consiste en monitorizar la disponibilidad del gateway. Finalmente, considerando las actividades anteriores, el gestor generará eventos y alarmas (almacenadas en BD o enviadas por correo).

Interoperability

La comunicación mediante protocolos estándar permite la interoperabilidad de datos, el entendimiento entre dispositivos heterogéneos y la negociación de los parámetros de oferta y demanda energética. El reto principal consiste en conectar dispositivos heterogéneos y edificios en red, adaptar los algoritmos y soluciones tecnológicas a los datos obtenidos e incorporar baterías con el objetivo de optimizar los flujos energéticos a nivel de distrito.  REnnovates utiliza USEF (USEF, 2018) para la negociación de la flexibilidad energética entre la plataforma y el DSO. El Marco Universal de Energía Inteligente (USEF) es un estándar internacional que asegura que las tecnologías y proyectos energéticos inteligentes sean conectables al menor costo. USEF describe el mercado de la flexibilidad, ofreciendo la descripción del framework, especificaciones, diseños y guías de implementación. Al basarse en un estándar común de interoperabilidad, las implementaciones se aceleran, la conectividad está garantizada y las soluciones se pueden escalar rápidamente.  La iniciativa EEBus (EEBus, 2018) es una iniciativa en el ámbito de la Internet de las cosas. Con un enfoque de estandarización entre dominios, EEBus permite que las tecnologías de distintos dispositivos sean independientes e interoperables. EEBus tiene su origen en el sector de las energías inteligentes y renovables. Nacida en el marco de un programa de investigación («E-energy») financiado por el gobierno alemán, se trata de una iniciativa global que reúne a los principales actores de las industrias de la energía, las telecomunicaciones y la electrónica. EEBus se centra en el mercado de la conectividad para los sectores de la energía, la domótica, edificios inteligentes, dispositivos conectados (aparatos domésticos, calefacción y aire acondicionado), etc.

Demostrador español

El consorcio español, formado por empresas del Grupo Mondragón tiene como misión replicar y adaptar el concepto REnnovates a las condiciones del mercado español, proponer un modelo de negocio para las soluciones y realizar demostradores propios a las características del entorno que permitan verificar y contrastar los resultados.  Los objetivos específicos del demostrador español son; 1) Identificar y evaluar los posibles modelos de negocio del concepto REnnovates en España teniendo en cuenta la legislación española, 2) Diseñar, construir e integrar un módulo energético válido para el demostrador considerando la  tipología de las construcciones españolas, 3) Implementar, poner en marcha y validar las intervenciones propuestas en las 4 fases del concepto REnnovates en el demostrador español y 4) Analizar y validar la figura del comercializador/ agregador energético en el escenario energético español.

La primera medida ha consistido en analizar las características del contexto/mercado español en lo referente a la rehabilitación y las mejoras de eficiencia energética. En el análisis se han detectado factores que limitan la aplicación del concepto REnnovates. Por un lado, los habitantes de las viviendas son propietarios y no consideran prioritario invertir sus recursos en la rehabilitación de la vivienda. La tipología repetitiva de edificios (viviendas unifamiliares) del modelo holandés donde aplicar masivamente el concepto de rehabilitación de fachada no se da en el mercado español. La casuística de tipología de edificio, la relación y espacio del entorno y la propiedad privada no ayudan a una aplicación directa del modelo.  Por otro lado, la normativa energética ha sido restrictiva e inestable sobre el autoabastecimiento fotovoltaico, limitando la potencia instalada de generación a 10kW. En el último periodo se han derogado artículos claves de la ley del impuesto al sol RD 900/2015, por lo que se analizarán las interpretaciones y nuevas oportunidades que pueda generar un aporte de energía renovable. Los resultados del análisis del modelo de negocio español están disponibles en (MON-LKS-MU, 2016).

El segundo paso ha consistido en adaptar el módulo de energía al mercado español y construirlo. Mientras que en los Países Bajos los módulos de energía gestionan la energía para viviendas individuales, en España se ha identificado que la gestión de la energía debe ser compartida entre varios pisos y el proyecto debe proporcionar un módulo de energía centralizado y propio de la comunidad. El nuevo concepto abre la puerta a una serie de ventajas y oportunidades que deben explorarse. Por una parte, el hecho de compartir un sistema único entre varias viviendas reduce el coste del módulo de energía por vivienda y disminuye el coste de los servicios de mantenimiento. Además, un sistema renovable centralizado donde los paneles solares pertenezcan a la comunidad también mejoraría la eficiencia del módulo ya que la superficie solar disponible es mayor en comparación con los paneles disponibles por vivienda individual. En un sistema de calefacción centralizado, el depósito de agua se puede utilizar como acumulador de energía térmica. Esto podrá aumentar la cantidad de energía solar aprovechada con una inversión menor.

Para validar las conclusiones resultantes del análisis y probar el módulo energético centralizado es necesario seleccionar el lugar más apropiado y elegir las intervenciones a realizar. Esto es, implementar un demostrador en un escenario real y evaluar el funcionamiento del módulo energético centralizado. Se ha seleccionado un bloque conformado por dos viviendas y dos locales sociales propiedad del ayuntamiento de Oñati (Guipúzcoa). Entre los factores considerados en la selección se ha tenido en cuenta que el edificio es un bloque por debajo de 4 plantas, se construyó antes de entrar en vigor la norma CT-79 (NBE-CT-79, 1979) y que carece de instalación de calefacción (mayor potencial de ahorro energético y mejora del confort). Las principales intervenciones previstas actualmente en el edificio son las siguientes:

• Fachada: La rehabilitación de la envolvente no puede realizarse con sistemas prefabricados por su difícil replicabilidad. Se opta por combinar sistemas de aislamiento térmico exterior (SATE) como solución general para las partes principales con sistemas de fachada ventilada y acabados metálicos en zonas específicas.
• Módulo de Energía Centralizada: diseñado para dar servicio a más de una vivienda. El módulo centralizado tiene como objetivo responder a una tipología de bloque de vivienda, mejorando el rendimiento y optimizando los elementos y espacio requeridos. El concepto de módulo de energía será implementado como una solución centralizada para todos los apartamentos (sistema más complejo que el módulo holandés).
• Calefacción y ACS: Instalación de calefacción y agua caliente sanitaria conectada al módulo de energía.
• FV: Sistema fotovoltaico centralizado que se conecta al módulo de energía.
• Encargar y validar la solución de acuerdo con la legislación española y los indicadores (KPI) identificados en el proyecto. Se sensorizarán y monitorizarán los parámetros necesarios para el correcto funcionamiento del módulo y poder así validar y cuantificar también los ahorros estimados en las simulaciones. La misma plataforma inteligente utilizada en el modelo holandés se utilizará en el demostrador de Oñati.

La única intervención del modelo holandés no implementada en el demostrador de Oñati es la optimización de distrito al no disponer de un número de edificios con disponibilidad de renovables en la misma zona. Alineado con la estrategia de investigar las posibilidades de optimización energética a nivel de distrito se ha propuesto otro demostrador de distrito, el demostrador de Abadiano. Este demostrador estudia la capacidad y flexibilidad energética de una serie de instalaciones de renovables existentes en el ayuntamiento (varias instalaciones de fotovoltaica). La flexibilidad se investigará instalando sensores que recogerán datos de producción y consumo energético de esas instalaciones y los enviarán a la plataforma inteligente. Se simularán varios escenarios con el objeto de medir: el excedente de energía producido susceptible de ser comercializado en el mercado energético, situaciones de oferta-demanda energética considerando el precio de la energía en cada instante y el impacto de la gestión energética mediante baterías. Todo ello con el objetivo de validar la figura del agregador/comercializador energético en el estado (con la regulación actual y considerando marcos más favorables). El agregador se encargaría de monitorizar las sedes como instalaciones productoras e intervendría en el mercado energético como un comercializador energético. Para ello se han instalado sensores y sistemas embebidos en cada sede que permiten recoger información de las sedes productoras. Todas las sedes en la municipalidad se conectan a un gateway (como el de los hogares). Este gateway conecta la municipalidad con la plataforma de REnnovates utilizando los mismos protocolos de comunicación e interoperabilidad (EEBus, AMQP).

Conclusiones

El proyecto no está finalizado. En este momento se están implementando las intervenciones en los demostradores españoles. No obstante, se han conseguido algunos resultados de los que se pueden extraer las siguientes conclusiones:

El análisis de mercado se ha completado y se ha observado que existen dificultades para la adaptación completa del concepto REnnovates al contexto español. Principalmente debidas a la tipología de viviendas, la propiedad privada de las mismas y una normativa exigente en lo relativo al autoconsumo. La derogación de los artículos del RD 900/2015 abren oportunidades para nuevas interpretaciones que puedan potenciar el modelo local de autoconsumo.

El módulo de energía centralizado se ha construido. El módulo centralizado abarata el coste inicial y de mantenimiento al ser compartido, pero necesita ser validado y aprobado en pruebas de campo junto con el resto de intervenciones. Se compararán el estado final a aquel previo a la rehabilitación energética y a la optimización mediante el control inteligente. Los indicadores clave son 1) demanda y consumo del edificio, 2) producción y aprovechamiento fotovoltaico, 3) parámetros de confort de temperatura ambiente y agua caliente sanitaria y 4) valor de la vivienda y la prolongación de la vida útil del edificio

Los desarrollos tecnológicos también se han implementado demostrando la potencialidad de los estándares en lo relativo a interoperabilidad entre dispositivos y sistemas. Queda pendiente ampliar esa interoperabilidad a otros dominios y aplicaciones energéticas utilizando soluciones semánticas que permitan a las mismas máquinas conocer no solo la información relevante a los sistemas sino de contexto. En este ámbito se ha tomado la iniciativa de integrar ontologías del ámbito de la energía en una ontología extendida (Cuenca 2017).

Agradecimientos

Este trabajo de investigación ha sido financiado por la Comisión Europea, a través del programa Horizon 2020 dentro del topic “Enfoque Integral para la Rehabilitación de Edificios Residenciales” EeB-08-2015, bajo el proyecto de investigación REnnovates (Flexibility Activated Zero Energy Districts), cuyo Grant Agreement es el nº: 680603.

Referencias

• REnnovates Project, 2018.
• EEBus Project, 2018.
• USEF Project, 2018.
• MON-LKS-MU, “D1.2 Business models to support the REnnovates concept in Spain”, 2016
• NBE-CT-79, RD 2429/79, de 6 de julio, por el que se aprueba la Norma Básica de la Edificación “NBE-CT-79”, sobre Condiciones Térmicas en los edificios. 1979.
• Cuenca J., Larrinaga F. and Curry E., “A Unified Semantic Ontology for Energy Management Applications”, 2nd International Workshop on Ontology Modularity, Contextuality, and Evolution (WOMoCoE 2017). Vienna.