Energía urbana. Optimizada.
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Fig. 2 Líneas de Pareto (líneas ausentes) de la ciudad de Chur para los años 2018, 2035 y 2050. Las líneas de corte muestran los niveles de inseguridad más bajos en la elaboración de las soluciones óptimas. Los puntos grises reflejan el nivel de rendimiento de todas las soluciones no óptimas para 2018. El Punto de Pareto 1 representa la solución óptima en costes (combinación de tecnologías) para 2018. El Punto de Pareto 2 muestra la solución óptima con mínimas emisiones de CO2. Resulta interesante que en el año 2035 la solución óptima con emisiones mínimas de CO2 (Punto de Pareto 3) con costes similares a los de la solución óptima de 2018 (Punto de Pareto 1) pueda ser alcanzada. La ciudad está dispuesta a que su plan de energía en los próximos 15 años sea neutral desde el punto de vista de los costes (pero no desde el punto de vista de la inversión), con el fin de alcanzar el objetivo de no emitir emisiones de CO2. Este interesante resultado se refiere, entre otras cosas, al aumento de la eficiencia energética (reducción del consumo de energía) y a la reducción de los costes tecnológicos.
Para alcanzar el objetivo climático de "cero emisiones de gases de efecto invernadero" en el año 2050 [1], debe darse prioridad a la mejora del sistema energético. Si los actuales productores de energía se alimentan de energía libre de CO2, es necesario que las empresas produzcan y mantengan una actitud ecológica. Una transformación de este tipo es la creación de nuevas fuentes de energía como el sol, el viento, la geotermia, el sol, etc. [2]. Estas fuentes de energía son de origen natural y se encuentran en zonas urbanas y rurales. Si son protegidos, se convierten en sistemas energéticos centrales1, que se encuentran en zonas urbanas densas y se expanden, por ejemplo, en redes térmicas [3].
Un sistema energético descentralizado en un entorno urbano es la combinación de varias instalaciones en un barrio o área, que utilizan energías renovables (solar, biomasa, geotermia, etc.) y diferentes tecnologías de producción y distribución (fotovoltaica, calefacción, calefacción de gas, etc.). Con un único sistema local, la potencia energética y el ahorro pueden ser muy eficaces, pero también muy eficientes. La gestión de la energía en el medio ambiente es una parte del sistema. Una de las ventajas más importantes de los sistemas energéticos descentralizados frente a los tradicionales y organizados a nivel central es que la energía se gestiona en el lugar donde se produce, donde también se produce. Los transportes se reducen al mínimo, lo que permite una combinación eficaz de las distintas tecnologías energéticas y de seguridad. Las inversiones en estos sistemas son ahora muy elevadas. Sin embargo, no es posible que sus costes de explotación, gracias a los futuros beneficios de la energía y a la utilización de nuevas células energéticas, con costes nulos, se reduzcan de forma masiva.
La investigación y el desarrollo a nivel internacional se han centrado mucho en los sistemas energéticos descentralizados. Un tema de actualidad es identificar, cuantificar y aprovechar el potencial de la flexibilidad para la red eléctrica. ¿Cómo se puede gestionar la producción de energía y el suministro de la misma para facilitar la creación de una red y, al mismo tiempo, lograr una integración masiva de las fuentes de energía fluidas, como la solar y la eólica? El gran potencial de flexibilidad se puede lograr si los sectores energéticos relevantes son la electricidad, la energía y el transporte, la movilidad y la industria. Si se combinan sistemas como la energía renovable o las opciones de almacenamiento -electroquímico del petróleo (Power-to-X)- con energías gaseosas (gas natural) o líquidas (etanol/metanol), las posibilidades que ofrece el desarrollo de la tecnología son muy amplias.
Si la inyección de combustible puede aprovechar los efectos sinérgicos, es necesario utilizar las tecnologías empleadas. En cualquier caso, los recursos energéticos, como el petróleo, el gas o el agua, deben ser utilizados. La combinación óptima de tecnologías para un barrio específico o una ciudad se basa en una infraestructura que puede transportar diferentes tipos de energía. El análisis y la gestión global de esta infraestructura se entiende como un concepto de red: la unión de redes individuales y aisladas con redes integradas, que permiten el aprovechamiento de la energía disponible.
La actual gestión de la electricidad, el gas y el agua debe suministrar y suministrar energía de forma segura y segura. Los sistemas energéticos del futuro deben organizar la producción y el suministro de energía no sólo de forma segura y económica, sino también de forma ecológica, flexible y social. De este modo, se ha logrado la integración, tanto técnica como económica, de la energía.
El requisito técnico consiste en encontrar una solución óptima para un entorno urbano concreto a partir de una serie de posibilidades tecnológicas que se han ido desarrollando a través de la innovación. Es posible realizar cientos o incluso miles de combinaciones para crear un sistema energético centralizado. Sin embargo, la energía que se necesita a causa de los cambios sanitarios, climáticos y de consumo no es fácil de predecir. La segunda necesidad es el compromiso económico. Los modelos de negocio más modernos para el suministro de electricidad, gas y agua no pueden ser fácilmente utilizados y se deben adaptar a sistemas energéticos descentralizados. Los costes de inversión y de explotación no se verán afectados por los resultados de las inversiones no trazadas o por las ganancias obtenidas. La innovación de los modelos de negocio debe ser paralela al desarrollo de los nuevos sistemas energéticos. También aquí: Un enfoque integral ofrece muchas posibilidades de generar estrategias de desarrollo.
Otro problema pendiente en Suiza es la ampliación del mercado y, en particular, las nuevas normas de regulación y la ampliación del mercado. El Bundesrat ha decidido que el objetivo de esta iniciativa es facilitar la innovación en el sector de la energía, mejorar la eficiencia energética y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Un primer paso en este sentido se dio en 2018. Gracias a la expansión de las asociaciones de energía, en las que la energía solar se produce y se produce por sí misma, han surgido nuevos y atractivos modelos de negocio para los sistemas energéticos descentralizados.
Si en los próximos años se produce una mayor expansión de los mercados energéticos y el aumento de la producción de energía, los sistemas energéticos descentralizados serán cada vez más importantes. Para las empresas suizas, este desarrollo ofrece nuevas posibilidades, ya que se han desarrollado soluciones, tanto técnicas como económicas, para la aplicación de los sistemas energéticos. Por ello, también las ciudades y los municipios desempeñarán un papel importante en la aplicación, si se amplía su capacidad de gestión de la energía de forma masiva. Todos los grupos de interés deben participar en las nuevas oportunidades.
1 En el caso de los sistemas energéticos descentralizados, existen diferentes opciones (no se trata de una ayuda exclusiva): Multi-Energiesysteme, lokale Energiesysteme, oder im Englischen: Energy Hubs, distributed Energysystems. Los autores utilizan el término "dezentrales Energiesystem" para referirse a sistemas e infraestructuras técnicas en el ámbito de un barrio, una zona o una ciudad.
¿Qué hacemos con la nueva Komplexität? Las aplicaciones complejas requieren instrumentos que satisfagan las necesidades de los usuarios. Con el desarrollo de modelos matemáticos que permiten simular y optimizar sistemas físicos de gran envergadura, hoy es posible estudiar sistemas energéticos complejos y realizar pruebas de fondo. La complejidad es posible gracias a un proceso de solución sencillo.
Una comparación: Desde hace 20 años, es un trabajo de gran envergadura planificar e instalar una instalación fotovoltaica y maximizar el rendimiento de la misma. Sólo los expertos más experimentados podían resolver esta compleja tarea y debían llevar a cabo, con un gran esfuerzo, las técnicas necesarias para optimizar los componentes y conseguir un sistema más eficaz y rentable. Hoy en día, esta compleja tarea se ha convertido en algo sencillo, sobre todo gracias a unos instrumentos de planificación más versátiles y fáciles de usar, a unos componentes más estandarizados y a un controlador adaptable. Un proceso de desarrollo similar se aplicará también al sistema energético centralizado.
La recopilación de datos en el ámbito urbano es muy amplia. Con datos satelitales y fotografías se pueden crear modelos digitales en 3D de ciudades, distritos y barrios. Los datos GIS muestran las infraestructuras más importantes y permiten visualizar distintos parámetros en el edificio, pero también en el exterior. Los perfiles de movimiento anónimos de los ciudadanos de las ciudades permiten a Google realizar una tarea específica, mientras que los perfiles de uso estadísticamente relevantes de restaurantes, ciudades o pueblos pueden ser elaborados. Estos son sólo algunos ejemplos de cómo la "Base de Datos de Ciudades" puede generar una necesidad de sistemas energéticos. Una nueva plataforma para el uso de estos datos, la informática urbana, se desarrolla rápidamente. La informática utiliza elementos de la ciencia de la información para resolver problemas a través de los datos. Se trata de la aplicación del tratamiento de la información y la ingeniería de los sistemas de información. Para ello, también se han utilizado nuevos conceptos, como la protección de datos en línea y el intercambio de datos semánticos (por ejemplo, Linked Data2 [4, 5]). Gracias a la mayor capacidad de lectura de los ordenadores privados, se han desarrollado algoritmos de aprendizaje automático (Machine Learning3) que permiten analizar grandes volúmenes de datos [6].
Los desarrollos en el ámbito de la informática urbana permiten crear instrumentos de gran eficacia para la planificación y el funcionamiento de sistemas complejos, como los sistemas energéticos centrales. Los planificadores de energía, que hasta ahora habían elaborado sus planes con tablas de Excel poco elaboradas y con mucho esfuerzo, pueden planificar ahora, con el uso de instrumentos de planificación únicos y con muy poco esfuerzo, planes completos y optimizados para sus clientes. Los planificadores obtienen, en lugar de una gestión de datos más rápida, más tiempo para un trabajo creativo. Estos instrumentos se pueden utilizar como herramientas, por ejemplo, la herramienta no se limita al trabajador, sino que le ayuda a realizar su trabajo.
El uso de sistemas energéticos descentralizados también plantea nuevas exigencias. Para poder aprovechar las sinergias entre las infraestructuras que interactúan entre sí, como el petróleo, el gas y el agua, es necesaria una buena automatización. Los distintos tipos de datos sobre la capacidad, la energía y los sistemas de control de la producción deben ser óptimos en lo que respecta a los costes de producción y a las emisiones de CO2. También, si y con qué nivel de rendimiento, los sistemas de gestión de la energía, como por ejemplo, los sistemas de calefacción y refrigeración. Wärme-Kraft-Kopplungen, debe planificar la automatización sobre las aplicaciones posibles. Para ello, es necesario disponer de datos de medición amplios y de algoritmos eficaces. Gracias al desarrollo del Internet de las cosas (IoT), es posible obtener datos de medición vertebrados en los sectores y las ciudades de forma gratuita e integrarlos en la automatización (NCCR Control). Los algoritmos de planificación desarrollados anteriormente se adaptan a las necesidades de la empresa. El modelo digital de las instalaciones permite regular y controlar el sistema de energía centralizado de forma eficaz y completa (véase el control predictivo de modelos [7]).
2 Linked Data es el paradigma de la web semántica, una nueva generación de la World Wide Web que pretende dar un sentido a los datos. Así como la Web tradicional ofrece documentos que se pueden leer, la Web de Datos Vinculados ofrece datos que se pueden procesar a través de Software.
3 El aprendizaje de las matemáticas es un área de la inteligencia científica y se centra en el proceso de aprendizaje automático de los algoritmos informáticos a través de la experiencia (el uso de grandes volúmenes de datos).
La complejidad está garantizada gracias a la digitalización. Es posible planificar, construir y ofrecer sistemas (energéticos) completos. El objetivo es una nueva habilidad para el uso de sistemas únicos.
En los últimos diez años se han desarrollado y comercializado diversas innovaciones en el ámbito del diseño de sistemas energéticos centrales, el IoT y los algoritmos (por ejemplo, en Suiza y en otros países):
Software-Plantilla para nuevos modelos de negocio basados en datos
Desarrollo de la zona con el objetivo de evitar las emisiones de CO2 en la empresa
Optimiza la conexión con el sistema solar y convierte el edificio en una fábrica.
Datos históricos sobre el parque de atracciones de Suiza
CO2 einfangen, abscheiden and speichern bzw. wiederverwerten von Kohlenstoff
Producción de productos químicos a partir de la energía solar
Gestión automática de la energía de las instalaciones energéticas
Estos proyectos y actividades marcan el camino para aprovechar los conocimientos de hoy y facilitar la transformación de los sistemas energéticos. En la Empa y la ETH, así como en el marco del SCCER-FEEBD (Box), se han desarrollado en los últimos siete años algoritmos que permiten planificar y gestionar sistemas energéticos descentralizados. A partir de diferentes datos, se han creado modelos digitales de las cuencas hidrográficas suizas. Con estos modelos se pueden simular las redes de energía y optimizar los sistemas energéticos. Si un óptimo se basa en la combinación de diferentes factores, como por ejemplo, los niveles de vida y los niveles de consumo. Los costes de la vida y las emisiones de CO2.
El inmenso espacio de trabajo para los sistemas energéticos posibles en un barrio, se puede encontrar hoy en día a través de instrumentos de simulación y optimización muy útiles, para poder identificar las soluciones óptimas. El frente de Pareto muestra todas las soluciones óptimas para el barrio que se está estudiando. El planificador de energía puede encontrar, con la ayuda del frente de Pareto, la solución adecuada para sus clientes, con la seguridad de que la solución elegida es la óptima (Fig. 2).
En la ciudad de Chur se elaboró un modelo digital para su barrio (Fig. 3) y se elaboraron los mapas de pareto para 2035 y 2050. Cada solución representa un concepto de energía diferente. Gracias a este enfoque de paridad, la solución de IBC Energie Wasser Chur puede cumplir su objetivo de 2040 de reducir las emisiones de CO2 a cero con un coste mínimo. Por otra parte, se puede evaluar la magnitud de las emisiones de CO2 cuando se adquieren otras fuentes de energía, por ejemplo, mediante subvenciones (véase el análisis de impacto). El desarrollo tecnológico de las infraestructuras necesarias se ha hecho patente y se ha conseguido una mayor seguridad de planificación. O, en palabras del director general del IBC, Martin Derungs: "Con estos instrumentos de planificación podemos llevar a cabo nuestra compleja tarea de planificación energética a nivel mundial de forma elegante y sencilla".
Los actuales instrumentos de planificación de los sistemas energéticos centrales, que abarcan las infraestructuras de petróleo, gas y agua, así como la movilidad eléctrica, sólo pueden utilizarse con la ayuda de personal altamente cualificado. Por este motivo, su aplicación en proyectos individuales de transporte se ve afectada. Para poder utilizar brevemente instrumentos individuales, es necesario un acceso más sencillo y una aplicación más fácil. La empresa derivada de la Empa, Urban Energy System Lab, se ha hecho cargo de este proyecto de desarrollo. La empresa Urban Sympheny AG, con sede en el campus de Empa (s. Box), pondrá en marcha este verano una plataforma "Software as a Service" (SaaS) para que los planificadores energéticos puedan aplicar los algoritmos desarrollados en la investigación. De este modo, los planificadores de energía pueden modelar, simular y optimizar sus proyectos de sistemas energéticos centrales. Las soluciones se pueden encontrar con la plataforma SaaS de forma más fácil, rápida y sencilla que con una herramienta de Excel. La planificación de la energía, teniendo en cuenta el cálculo de los costes, es gratuita y de fácil aplicación.
También para la construcción y el funcionamiento de los conceptos energéticos centrales es muy importante. El recinto de demostración del campus de Empa en Dübendorf permite probar nuevos conceptos, sistemas y componentes. El Centro de Energía (ehub) permite la experimentación con flujos de energía en el recinto y conecta la zona de ocio (NEST) con la zona de movilidad y el demostrador de movilidad, donde se pueden utilizar conceptos de energía renovables y productos alimenticios (Fig. 4). De este modo, se pueden desarrollar nuevos conceptos en los ámbitos de la construcción, la energía y la movilidad, así como desarrollarlos y desarrollarlos científicamente, además de establecer normas.
El Digital Hub (dhub) se ha creado a partir de esta plataforma de investigación y demostración. Este centro reúne los demostradores físicos existentes en el ámbito digital -y amplía la gama de productos- con el sensor de energía y movilidad. El resultado es un instrumento para la validación, la demostración y el desarrollo posterior de soluciones digitales con el objetivo de mejorar el desarrollo de modelos de negocio y el control de las marcas.
Los sistemas energéticos descentralizados se basan en el concepto de la tecnología de punta. Permiten maximizar el uso de la energía en el ámbito local. No se trata de sistemas autónomos. Más bien se trata de sistemas energéticos descentralizados, que se integran en sistemas regionales de gran envergadura. En todos los ámbitos (local, regional, nacional y europeo), los sistemas energéticos de la UE tienen sus propias funciones, que son las más eficientes, eficaces y económicas. El sistema de gestión de la energía proporciona así una gran resistencia.
1) BAFU (2020): Totalrevision des CO2-Gesetzes für die Zeit nach 2020 und Verknüpfung des Emissionshandels der Schweiz und der EU (in Vernehmlassung),
2) BFE (2018): Energiestrategie 2050, Monitoring-
Bericht 2018, Langfassung,
www.energiemonitoring.ch, pp. 17-19
3) Sulzer, M. et al. (2019): Konzepte für die nächste Generation von technischen Regulierungen im Bereich Gebäude und Energie. Energiewende und Technische Regulierung EnTeR - Schlussbericht Phase 1. Dübendorf; Zürich: Empa; ETH Zürich
4) Filip Radulovic, F. et al. (2015): Directrices para la generación y publicación de Linked Data: Un ejemplo en el consumo de energía de los edificios. Automation in Construction, volumen 57, páginas 178-187,
5) Orlandi, F. et al. (2019): Interlinking Heterogeneous Data for Smart Energy Systems. Proc. International Conference on Smart Energy Systems and Technologies (SEST).
6) Zekić-Sušac, M.; Mitrović, S.; Has, A. (2020): Sistema basado en el aprendizaje automático para la gestión de la eficiencia energética del sector público como enfoque hacia las ciudades inteligentes. Revista internacional de gestión de la información, 102074,
7) Bünning, F. et al. (2020): Demostración experimental del control predictivo de datos para la optimización energética y el confort térmico en edificios. Energía y Edificios 211, 10979
