Comunicación presentada al II Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Francisco Javier Díez Trinidad, Investigador, IK4-Tekniker
- Christian Baraja, Gestor de proyectos I+D, Acciona Infraestructuras
- Alvaro Garcia, Investigador, IK4-Tekniker
- Joseba Iturregui, Técnico mantenimiento, Bilbao Exhibition Centre
- Bittor Laraudogoitia, Director técnico, Bilbao Exhibition Centre
Resumen
El proyecto EPIC-HUB desarrolla el concepto de ‘hub de energía’ aplicado a grandes infraestructuras a nivel de vecindario. Dentro del proyecto se aborda tanto la metodología como el desarrollo de una arquitectura y servicios software que permitan gestionar un hub de energía compuesto de diferentes instalaciones. El proyecto se está aplicando en tres pilotos: un puerto, un aeropuerto y un recinto ferial. En esta comunicación, se expone el trabajo realizado en el recinto ferial Bilbao Exhibition Centre. Partiendo de la base metodológica se expone cómo ha sido el proceso comenzando por el análisis del modelo energético del BEC y las fuentes de datos disponibles. Se han definido tres escenarios donde aplicar las herramientas que se desarrollan en el proyecto. Se explica cómo se ha completado la infraestructura de adquisición de datos. Finalmente se exponen los resultados actuales del proyecto.
Introducción
El objetivo de EPIC-HUB es el desarrollo de una nueva metodología, una arquitectura extendida y servicios capaces de proporcionar mejores rendimientos energéticos en infraestructuras vecinas. Mediante la combinación de potentes capacidades de optimización energética basada en el concepto ‘hub de energía’ junto con la perfecta integración de sistemas TIC existentes y nuevos, EPIC-HUB contribuirá a alcanzar el objetivo global de vecindario con energía positiva. Es decir, vecindarios en los que la demanda anual de energía es inferior a la oferta de energía a partir de fuentes locales de energía renovable.
EPIC-HUB cubre todos los aspectos relacionados directa o indirectamente con la gestión energética basada en la mejora de la eficiencia energética, control y apoyo a las decisiones a nivel de vecindario. Además define una solución middleware totalmente interoperable capaz de proporcionar una visión integrada de la infraestructura y fácilmente utilizable por todos los actores involucrados (p.ej. los gestores de energía y servicios públicos).
Al explotar el concepto ‘hub de energía’, el middleware de EPIC-HUB se centrará en la optimización del uso de la energía a nivel de infraestructuras vecinas. EPIC-HUB definirá una plataforma de información que va a mejorar la eficiencia y reducirá el coste de la energía gracias a la optimización del intercambio de la misma, teniendo en cuenta fuentes de energías renovables.
La solución EPIC-HUB se demuestra a través de la implementación en diferentes demostradores como son el puerto de Génova (Italia), el Aeropuerto de Belgrado (Serbia) y Bilbao Exhibition Centre (España). Este artículo se centrará en el trabajo realizado en el recinto ferial Bilbao Exhibition Centre.
Descripción General Proyecto
El proyecto EPIC-HUB combina el concepto ‘hub de energía’ (Geidl et. al, 2007) con el desarrollo de una solución middleware totalmente interoperable. Este enfoque permitirá a los gestores de instalaciones hacer frente a retos como la mejora de la eficiencia energética, la auto-generación de energía a partir de fuentes renovables, la reducción de emisiones de CO2, el aprovechamiento del exceso de energía generada y la mejora de la gestión del almacenamiento energético no utilizado y/o no compartido, a menudo disponibles a nivel de vecindario.
EPIC-HUB explota plenamente el modelo ‘hub de energía’, es decir, los acoplamientos y las interacciones entre los diferentes portadores de energía de entrada se identifican y se optimizan de tal manera que se satisfaga la demanda de electricidad, calefacción y/o refrigeración en la salida. Tal enfoque permitirá:
- Integrar el análisis y gestión de los diferentes portadores energéticos.
- Optimizar los flujos de energía en forma agregada.
- Simular y planificar el comportamiento del flujo de energía para habilitar la planificación del consumo a nivel de vecindario.
El middleware de EPIC-HUB pretende definir una solución tecnológica para diferentes tipos de demandas de los mercados. De hecho, EPIC-HUB se centra en la integración y la interoperabilidad de sistemas TIC solventando problemas relacionados con posibles diferencias en los formatos de datos que entren al sistema, protocolos de comunicación, etc.
A través del modelo ‘hub de energía’, el middleware de EPIC-HUB permite el desarrollo de servicios dedicados para la integración de recursos multi-dominio y multi-energía en un vecindario. De esta manera el middleware ofrece las siguientes posibilidades:
- Servicios de planificación y gestión energética.
- Plataforma electrónica para gestionar las fuentes de energía locales.
- Servicio basado en la nube que permite un análisis en tiempo real de los datos de consumo.
Piloto BEC
El Bilbao Exhibition Centre, que será referido de aquí en adelante por su siglas; BEC, es uno de los tres recintos feriales más grandes de España. Sus instalaciones están ubicadas en el barrio de Ansio de la localidad vizcaína de Barakaldo. Las instalaciones y servicios fueron inaugurados en abril de 2004. Cuenta con una superficie expositiva de 150.000 m2 distribuida en 6 pabellones sin columnas. La zona de convenciones cuenta con 18.000 m2 repartidos en varios niveles. Es un espacio multiusos que cuenta con los más avanzados sistemas de comunicación. Además de los pabellones de exposición, las instalaciones cuentan con un pabellón VIP, 6.500 m² dedicados a oficinas, un gran atrio de acceso, un aparcamiento subterráneo con capacidad para 4.000 vehículos y un recinto multiusos (Bizkaia Arena) capaz de albergar cualquier espectáculo multitudinario.
Dentro del proyecto EPIC-HUB se van a implementar tres medidas de optimización de la energía en el BEC con el objetivo común de mejorar la gestión del consumo energético tanto a nivel local como a nivel de vecindario. Estas tres medidas son:
- Mejora de las estrategias de precalentamiento antes de la celebración de un evento en la zona de congresos.
- Minimización de energía importada desde la red externa al BEC.
- Mejora de la eficiencia del uso de las luminarias de los pabellones, atrio y oficinas.
Metodología
La metodología utilizada está basada en IPMVP (International Performance Measurement and Verification) (EVO, 2012) que también está siendo elaborada como norma ISO/FDIS 17741 ‘General technical rules for measurement, calculation and verification of energy savings of projects’ (FDIS, 2015).
Es muy importante la elaboración del plan de monitorización al inicio del proyecto, dado que si se realiza en etapas posteriores, se disminuye en gran medida la cantidad de datos final y lo que es más importante, la cantidad de escenarios diferentes.Para saber qué datos hay disponibles, el primer paso consiste en analizar qué fuentes de datos existen. Las fuentes de datos consideradas para el BEC fueron las siguientes: Mikroa BMS (Building Management System), Metasys SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), Sistema gestor de eventos, Euskalmet, documentación técnica de instalaciones, facturas electricidad, facturas gas y especificaciones instrumentos de medida.
Con el primer análisis de datos realizado, se planteó qué acciones eran posibles para la mejora de la eficiencia energética. Dado que la capacidad de inversión de BEC durante el proyecto ha sido muy limitada, este análisis se centró en la mejora de la operativa de las instalaciones actuales.
Este proceso comenzó por la comunicación de los procesos que se venían ejecutando actualmente en BEC, apoyados en la experiencia de años de gestión. Esta información junto con los datos disponibles, fueron utilizados por socios expertos de EPIC-HUB en diferentes campos tecnológicos como Honeywell, Eidgenosessische Technische Hochschule (ETH) de Zurich, Panoramic Power, Acciona Infraestructuras e IK4-Tekniker para la definición de los ECMs (Energy Conservation Measurements) definidos en la metodología IPMVP.
Dos de los factores clave a la hora de elegir qué ECMs se definían en el piloto fueron los datos disponibles y la posibilidad de obtenerlos. Para la adquisición de datos, los trabajos se clasificaron en dos tipos: Integración de datos existentes e instalación de nuevos sensores.
Para la integración de datos existentes se ha utilizado el protocolo estándar OPC (Ole for Process Control). En algunos casos ha sido necesario encapsuladores que permitan adaptar la comunicación mediante un protocolo propietario a OPC.
Se han instalado tres tipos de sensores dependiendo de los datos que se querían obtener. Los sensores inalámbricos de Panoramic Power ofrecen funciones de contadores de energía eléctrica. Los datos adquiridos por estos sensores son enviados a la plataforma en la nube de Panoramic Power que se integra con el middleware desarrollado por THALES (socio del proyecto). Para la medida de la iluminación se han instalado sensores de IK4-Tekniker y de Acciona. Ambos tipos de sensores proveen también temperatura y humedad por lo que además pueden ofrecer medidas del grado de confort. IK4-Tekniker ha cubierto una planta de oficinas y un pabellón. Acciona ha cubierto la parte del atrio. Los sensores de Acciona se complementan con contadores de electricidad que permiten obtener los consumos desglosados de cada circuito eléctrico asociado a la iluminación del atrio.
Los sensores de Acciona e IK4-Tekniker envían los datos al Gateway desarrollado en el contexto del proyecto por IK4-Tekniker. Este componente puede ser desplegado tanto en las instalaciones del BEC como de forma externa. Esta instalación ha permitido probar la flexibilidad del concepto EPIC-HUB en general y del Gateway desarrollado por IK4-Tekniker en particular, gracias a su variedad de protocolos de comunicación y formas de despliegue que se pueden ver en la siguiente figura:
El protocolo estándar IPMVP establece un periodo de referencia y un periodo de reporte. Ambos periodos se pretende que sean simétricos, es decir, que las medidas de consumo bajo estudio comprendan el mismo periodo de tiempo para que sean comparables. El periodo de referencia representa el tiempo necesario para evaluar los consumos de energía de cada zona antes de aplicar las medidas de optimización de gestión energética desarrolladas durante el proyecto. Por otro lado, el periodo de reporte evalúa los mismos consumos de energía que el periodo de referencia pero esta vez aplicando las medidas de ahorro desarrolladas durante el proyecto.
Resultados y discusión
Las acciones que se están realizando para cada ECM son las siguientes:
- Mejora de las estrategias de precalentamiento antes de la celebración de un evento en la zona de congresos. Tras la primera etapa en que BEC, IK4-Tekniker y Acciona han obtenido los datos de base y puesto en marcha la infraestructura de monitorización adecuada, se ha conseguido integrar estos datos en la plataforma middleware. Honeywell basándose en algoritmos de aprendizaje automático, está desarrollando el módulo encargado de obtener el perfil de tiempo optimizado para conseguir la temperatura deseada en el área de congresos. Este módulo forma parte del middleware de la plataforma EPIC-HUB y se ha hecho una demostración de las capacidades de predicción utilizando datos procedentes de calorímetros, eventos de caracterización en BEC, consumo de gas, temperatura interior y exterior, generación de energía fotovoltaica, irradiación solar, sensores/medidores.
- Minimización de energía importada desde la red externa al BEC. Esta ECM se desarrolla a nivel de simulación mediante la ayuda de modelos matemáticos desarrollados durante el proyecto basados en la herramienta Matlab. ETH lidera este punto y utilizando datos generales de producción y consumo, modela el comportamiento de los flujos de energía existentes (Geild & Anderson, 2007). Se han obtenido resultados preliminares que indican cuándo y cómo utilizar los activos de energía disponibles en el horizonte temporal considerado, con el fin de minimizar la función de coste de energía presente en el modelo EPIC-HUB.
- Mejora de la eficiencia del uso de las luminarias del pabellón 2, atrio y oficinas. Acciona, BEC e IK4-Tekniker a partir de los valores de iluminancia, han estado evaluando los datos procedentes de los sensores instalados para tal objetivo instalados en el atrio, el pabellón 2 y oficinas. Para comparar el consumo de electricidad de cada zona entre el período de referencia y el periodo de reporte, en primer lugar, se han establecido los niveles mínimos de iluminación aceptables para cada zona en base al real decreto RD486/1997, teniendo en cuenta el trabajo realizado en cada área. Una vez que estos niveles mínimos se han acordado, se han desarrollado las estrategias de operación que se están aplicando. Se trata no sólo de encender y apagar en función del nivel de iluminación, sino también de generar escenarios de iluminación que se adapten a cada tipo de evento. El tipo de evento es tenido en cuenta en cada zona al aplicar la estrategia.
En el ECM 1 la validación de los resultados no se podrá realizar hasta el fin del proyecto en Abril de 2016. En el segundo ECM no puede haber validación de los resultados debido a la imposibilidad de abordar inversiones actualmente por una parte y a la legislación que no permite el intercambio de energía entre infraestructuras sino son empresas dedicadas y registradas como distribuidoras de energía. En el tercer ECM ya se están obteniendo algunos resultados satisfactorios dado que gracias a la monitorización del consumo de iluminación se pueden ver consumos menores en los meses de reporte que en los meses de periodo de referencia.
El resultado más notable alcanzado en la fecha de redacción de la presente comunicación es la integración exitosa de los sistemas de adquisición de datos en planta con el middleware. Gracias a la utilización de tecnologías abiertas e interoperables se ha conseguido integrar diferentes sistemas TIC y sensores utilizando diversos tipos de despliegue.
Queda pendiente de validar la capacidad de respuesta de las aplicaciones desplegadas a las funcionalidades de los gestores de las instalaciones. Este trabajo se realizará en los próximos meses.
Conclusiones
El proyecto EPIC-HUB ha abordado el intercambio de energía entre infraestructuras vecinas para conseguir un mejor aprovechamiento de las capacidades de cada infraestructura así como la generación de energía de fuentes renovables. Para alcanzar este objetivo es necesario realizar una gestión óptima de la demanda que permita adaptar el consumo a la generación y viceversa.
Para gestionar la demanda adecuadamente, es necesario en primer lugar modelar correctamente los flujos de energía desde su generación a su consumo, pasando por el transporte y transformación. El propio proceso de modelado gracias a este análisis profundo de la gestión de energía puede mostrar soluciones de mejora de la eficiencia energética a nivel local.
Una vez realizado este modelado, son necesarias herramientas informáticas que permitan tener la visión global del vecindario. Dada la gran diversidad de soluciones TIC existentes, la integración de los sistemas en planta es una tarea muy compleja que frecuentemente sólo se soluciona mediante la utilización de sistemas propietarios. En este proyecto se ha demostrado que las tecnologías abiertas pueden permitir la interoperabilidad de diferentes sistemas TICs. La integración exige un esfuerzo considerable para su desarrollo, implementación y despliegue pero los beneficios a largo plazo son importantes gracias a las posibilidades de mejora continua que ofrecen.
En el momento actual, a falta de que la regulación lo permita, se ha evaluado la posibilidad técnica de gestión de la demanda a nivel de vecindario y de las teóricas mejoras alcanzables. El reto actual es la utilización y validación de esta solución a nivel interno de empresa. Para ello, se pueden definir diferentes subsistemas o sedes como vecinos, y por lo tanto la propia empresa puede considerarse como un vecindario.
Agradecimientos
Agradecimientos a la Union Europea por su financiación del proyecto dentro del VII programa marco.
Referencias
- Efficiency Valuation Organization. International Performance Measurement and Verification Protocol-Concepts and Options for Determining Energy and Water Savings volume 1. 2012
- ESI Energy Performance Tracking Team. Monitoring. Targeting and Reporting reference Guide, revision 3. 2012.
- ISO/FDIS 17741. General technical rules for measurement, calculation and verification of energy savings of projects (20 enero 2016)
- M. Geidl and G. Andersson, 2007, Optimal Power Flow of Multiple Energy Carriers, IEEE Transactions on Power Systems, 22(1), Zurich
- Martin Geidl, Gaudenz Koeppel, Patrick Favre-Perrod, Bernd Klöckl, Göran Andersson, Klaus Fröhlich, 2007. The Energy Hub – A Powerful Concept for Future Energy Systems. Third Annual Carnegie Mellon Conference on the Electricity Industry, Pittsburgh (20 enero 2016)
- REAL DECRETO 486/1997, de 14 de abril, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo. BOE nº 97 23/04/1997