Comunicación presentada al VII Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
Carlos Prades Gil-Instituto Universitario Ingeniería Energética – Cátedra Transición Energética Urbana, Universitat Politècnica València
Enrique Fuster Palop-Instituto Universitario Ingeniería Energética – Cátedra Transición Energética Urbana, Universitat Politècnica València
Ximo Masip Sanchis-Instituto Universitario Ingeniería Energética – Cátedra Transición Energética Urbana, Universitat Politècnica València
Joan Dídac Viana Fons-Instituto Universitario Ingeniería Energética – Cátedra Transición Energética Urbana, Universitat Politècnica València
Resumen
El parque inmobiliario juega un rol esencial para hacer frente al cambio climático dado su gran potencial de ahorro de emisiones. Las estrategias urbanas colectivas son una solución esencial para la consecución de dicho objetivo. Se presenta así IMPACT-E, la herramienta para materializar la transición energética en los núcleos urbanos, que permite evaluar el estado actual de las ciudades y analizar las posibles medidas de ahorro y mejora a varios niveles de agregación. Como caso demostrativo, se presenta en este estudio un caso aplicado para el barrio de Algirós de València sobre comunidades energéticas.
Palabras clave
Transición Energética, Energía Renovable, Prosumidores, Comunidad Energética, Near Zero Energy Districts.
Introducción
La estrategia de la UE frente al cambio climático marca los objetivos para la mitigación de los efectos negativos provocados por el mismo. Entre ellos se encuentra una reducción del 40% de emisiones de gases de efecto invernadero en el sector residencial, un aumento de la energía renovable en 32% y un aumento de la eficiencia energética del 32.5% para 2030 (European Commission, “Going climate-neutral by 2050,” p. 20, 2019). Estos objetivos se incrementan para 2050 con una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero por sectores, siendo del 90% para el caso del sector residencial (European Commission, “The roadmap for transforming the EU into a competitive, low-carbon economy by 2050,” pp. 1–4, 2011). Se pretende alcanzar esta reducción de emisiones del sector residencial para 2050 a través del concepto de Edificio de Energía Casi Nula (EECN), la rehabilitación energética, la sustitución de combustibles fósiles y la introducción de energías renovables.
El sector de la construcción es actualmente responsable del 40% del consumo de energía, generando el 36% de las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas (D. Mulvaney, “Green New Deal,” Sol. Power, pp. 47–65, 2019) y siendo un sector con un gran potencial de mejora. Además, casi el 75% del parque de viviendas europeo es ineficiente, con un 35% de edificios por encima de los 50 años y una tasa de rehabilitación energética por debajo del 1.2% (“Energy performance of buildings directive – European Comision.” [Accessed: 07-Aug-2020]). Por tanto, es muy necesaria una intervención sobre el sector residencial con medidas para reducir el consumo energético y sus emisiones asociadas para cumplir con la estrategia de la UE para 2030 y 2050. Al mismo tiempo, las ciudades albergan al 75% de la población mundial pese a abarcar sólo el 2% de la superficie mundial. Por esta razón las ciudades son la clave para conseguir los objetivos fijados por la UE. Además, cabe destacar que la inversión en eficiencia energética y rehabilitación estimula la economía, especialmente en el sector de la construcción, que genera el 9% de PIB en Europa y genera 18 millones de puestos de trabajo. Este hecho beneficia especialmente a las PYMEs, que contribuyen a más del 70% de las actuaciones sobre los edificios (P. Vaze, L. Mok, and Z. Malik, “A green, fair and resilient recovery: the role of energy efficiency and domestic renewables home retrofits.”).
Habiendo identificado que el sector residencial es clave para la mitigación de los efectos del cambio climático y que el gran cambio reside sobre la actuación en las ciudades, dado que albergan los grandes consumos mundiales, es estrictamente necesaria la planificación energética para acometer una transición energética urbana justa y de calidad en las ciudades. Con este objetivo se desarrolla la herramienta IMPACT-E, que se describe en el siguiente apartado. Mediante el uso de una parte de esta herramienta se realiza el análisis presentado en este trabajo.
El proyecto – Impact-E una herramienta para la planificación energética como camino para la transición energética urbana de las ciudades
IMPACT-E es una herramienta web (Software as a Service) con tecnología GIS (Sistema de Información Geográfica), como se muestra en la Figura 1, para facilitar la transición energética de las ciudades a través de la planificación. Las políticas nacionales y regionales para alcanzar los objetivos de desarrollo sostenible (fijados por la UE) marcan los sectores de actuación, los presupuestos destinados a cada uno y los resultados y objetivos esperados en el PACES (Ajuntament de València, “Plan de Acción para el Clima y la Energía Sostenible de la ciudad de València,” 2018). Pero estos informes no concretan donde y como aplicar los esfuerzos y como debe ser la actuación. La decisión de donde y como focalizar las ayudas y materializar los presupuestos cae en gran medida sobre los técnicos y planificadores de los municipios. Esta tarea tiene una serie de dificultades referentes a la información.
Como punto de partida, se tiene una gran cantidad de información en bruto, generalmente difícil de tratar, lo cual dificulta y ralentiza el proceso de decisión. Además, puede encontrarse dispersa y con ordenaciones variadas, siendo complicado la síntesis para comprender el global. Finalmente puede darse el caso de que los técnicos no tengan formación suficiente para entender y ordenar toda la información necesaria, imposibilitando la correcta toma de decisiones. Por ello, y con este problema identificado, se presenta una herramienta que tiene como objetivo sintetizar y englobar toda la información en un visor web. Cuenta con dos versiones, una sencilla y libre para la ciudadanía, donde podrán consultar la información sobre su entorno urbano y viviendas, además de una versión mucho más completa para los planificadores, una versión guiada y con recomendaciones para planificar la transición energética urbana.
La herramienta IMPACT-E permite evaluar, cuantificar y priorizar múltiples acciones de eficiencia energética a varios niveles o escalas de la ciudad, desde evaluar una vivienda y/o edificio hasta evaluar la ciudad al completo pasando por el análisis barrio a barrio o distrito a distrito. Las acciones que la herramienta permite evaluar son:
- Análisis micro-climático de la ciudad y de nivel de vegetación,
- Estado actual del stock de viviendas de la ciudad y mejoras de eficiencia energética sobre los edificios,
- Consumo de climatización y de producción de agua caliente sanitaria actual del stock de viviendas y mejoras de eficiencia energética e
- Integración de energías renovables.
En este trabajo de investigación se presenta un caso de aplicación de la herramienta sobre la ciudad de València considerando la acción de integración de renovables, en concreto energía solar fotovoltaica y comunidades de energía.
Caso de estudio
La parte de la herramienta de integración de energías renovables, en concreto, energía solar fotovoltaica, toma como partida un modelo para la estimación del potencial solar fotovoltaico que ha sido desarrollado dentro del marco de trabajo de la Cátedra de Transición Energética Urbana de la UPV. Dicho modelo es capaz de estimar la producción fotovoltaica que generaría el campo de paneles instalado en el edificio objeto de estudio, mediante un modelo de radiación isotrópico considerando las sombras de los edificios adyacentes mediante información catastral y LiDAR, así como las ecuaciones definidas en el pliego de condiciones técnicas de instalaciones conectadas a red. La energía generada se casa con la curva de demanda eléctrica estimada del edificio y el balance económico se estima de acuerdo con la modalidad de autoconsumo con excedentes acogida a compensación establecida en el RD 244/2019 (BOE, “BOE.es – Documento BOE-A-2019-5089,” Real Decreto 244/2019, de 5 de abril, por el que se regulan las condiciones administrativas, técnicas y económicas del autoconsumo de energía eléctrica, 2019) y la Guía de tramitación del autoconsumo del IDAE (IDAE, “Guía profesional de tramitación del autoconsumo,” 2019).
Asimismo, automáticamente se dimensiona y se obtiene los costes de inversión la instalación fotovoltaica mediante ratios e información catastral. Cabe señalar que los costes por unidad de potencia instalada decrecen conforme se incrementa la superficie disponible o potencia a instalar, tal y como refleja la tabla I. El modelo incluye una estimación de las emisiones evitadas que considera, por un lado, las emisiones generadas debidas a la fabricación y transporte de paneles y, por otro, las emisiones ahorradas por no consumir energía de la red. Todos los cálculos de la simulación se realizan a nivel horario a lo largo de toda la vida útil de la instalación, establecida por defecto en 25 años.
Los valores de las variables de entrada asumidos para los resultados mostrados pueden ser consultados en (E. Fuster, C. Prades-Gil, X. Masip, J. Viana-Fons, and J. Paya-Herrero, “Evaluation of the solar photovoltaic generation potential of a district in the city of Valencia.,” SDEWES 2020).
Resultados
En este apartado se muestran diferentes facetas de la herramienta para una rápida evaluación y diagnóstico sobre en qué edificios y/o zonas de la ciudad fomentar la implementación de instalaciones fotovoltaicas garantizando una mínima viabilidad económica. Primero se muestra la estimación del potencial solar fotovoltaico de la ciudad al completo y distrito a distrito, posteriormente se muestra un análisis de un barrio concreto con la evaluación de las comunidades energéticas con mayor potencial teniendo en cuenta diferentes criterios y finalmente se muestra el potencial de las comunidades energéticas de vecinos.
Aplicación del modelo sobre muestra de edificios de la ciudad
Se ha simulado con la herramienta una muestra aleatoria simple de 1000 edificios pertenecientes al núcleo urbano de la ciudad de Valencia, tal y como se muestra en la figura I, donde además se ha identificado el periodo de retorno de las instalaciones fotovoltaicas en sus cubiertas.
El periodo de retorno económico medio es de 11,5 años, quedando el 50% de los edificios por debajo de 11 años. Los distritos más antiguos, como es el casco histórico presentan los peores resultados de rentabilidad debido a un mayor nivel de sombras dada la irregularidad de alturas entre edificios y el escaso espacio libre de cubiertas, que encarece los costes de instalación. A su vez, el periodo de retorno ambiental promedio se sitúa en 2 años, indicando el elevado ahorro de emisiones por no consumir energía de red durante su vida útil, por lo que se podría incentivar la instalación de autoconsumo mediante subvenciones para promover la sostenibilidad ambiental. Cabe destacar, que generalmente esta tipología de edificios en viviendas en bloque no suele generar grandes excedentes, constituyendo estos en promedio un 4% de la producción fotovoltaica anual.
La tabla II muestra los resultados energéticos agregados para la muestra de 1.000 edificios analizada, donde se aprecia que aproximadamente un 13% del actual consumo eléctrico de estos edificios podría ser reemplazado por generación fotovoltaica, cantidad nada despreciable considerando que la ciudad cuenta con más de 25.500 edificios.
Aplicación del modelo en todos los edificios de un barrio
Se presenta un caso de estudio desarrollado con la herramienta, donde es posible identificar, entre otras variables, la viabilidad económica y la energía producida de las posibles instalaciones en cubierta en un conjunto de edificios en el barrio de Illa Perduda correspondiente al distrito de Algirós, Valencia. La consideración de parámetros económicos permite realizar análisis más avanzados que una evaluación exclusiva del recurso solar disponible, tal y como queda reflejado en la figura III, donde no siempre una mayor producción garantiza una mayor recuperación de la inversión, de este modo es posible orientar la inversión no sólo bajo criterios energéticos sino también económicos.
En consecuencia, se emplea la herramienta para la conceptualización y diseño de dicho distrito en uno de energía casi nula (NZED) que queda enmarcado dentro de las áreas de investigación de la Cátedra de Transición Energética de la Universitat Politècnica de València. En base a los resultados obtenidos se concluye que los edificios que proporcionan las mejores rentabilidades son aquellos con amplias superficies (para reducir costes por economía de escala), grandes consumos (para garantizar grandes ahorros en la factura) y escasas sombras en cubierta (para maximizar la producción).
Aplicación del modelo para la planificación de comunidades energéticas
En base a los resultados obtenidos se ha observado que los edificios más beneficiados son aquellos con grandes consumos y amplias superficies de cubiertas, ya que presentan menores costes unitarios por economía de escala. Las comunidades energéticas, consistentes en la agrupación de consumidores en torno a única instalación fotovoltaica, busca conseguir dicho efecto. En el siguiente caso de estudio, mostrado en la figura IV, se han simulado las posibles instalaciones de dos edificios residenciales, uno de ellos con viviendas en bloque y varios comercios (A) y el otro, una vivienda unifamiliar (B), además de una instalación conjunta (A+B).
En la tabla II podemos ver los resultados de las plantas generadoras que se podrían instalar tanto en el edifico A como en el B. Se observa que la instalación del edificio B casi duplica el periodo de retorno de la del edificio A, por lo que será prácticamente imposible que esta vivienda (B) instale y use energía fotovoltaica. Pero se estudia un 3er caso donde los edificios A y B comparten instalación (la instalación montada en el edificio A) y se obtiene que el periodo de retorno se reduzca en este caso en 1 año. Así, se consigue que los dos edificios se beneficien del autoconsumo fotovoltaico y además se reduzca el periodo de retorno de la inversión. El hecho de que se reduzca el periodo de retorno es que, a mayor demanda eléctrica (unir consumos de A y B), se aumenta el porcentaje de energía autoconsumida, siendo mucho más rentable que la energía vertida a red.
Conclusiones
El presente trabajo introduce la herramienta IMPACT-E. Una herramienta para facilitar una transición energética urbana justa y de calidad a través de la planificación energética de las ciudades. El trabajo incluye un caso de aplicación mediante el uso de dicha herramienta para la introducción de energías renovables en el sector residencial de la ciudad de València.
Los resultados agregados mostrados por la amplia muestra de edificios simulada proporcionan una idea de la cantidad de energía nada despreciable que se podría generar in situ en la ciudad de València. No obstante, quedan grandes barreras que superar, especialmente en la evaluación del parque edificatorio y en la concienciación social. La herramienta constituye un primer paso para los planificadores para facilitar la puesta en marcha de la transición energética en ciudades, identificando no sólo las actuaciones con mayor impacto (económico, de ahorro de emisiones o social) si no también las áreas de la ciudad en las que dirigir las actuaciones.
Como se ha observado en los resultados de la comunidad energética evaluada, un enfoque comunitario o por conjunto de edificios o distritos resulta más conveniente para favorecer la rentabilidad y el alcance real de los distritos de energía casi nula. Son las mismas conclusiones obtenidas en el estudio (X. Masip, C. Prades-Gil, E. Navarro-Peris, and J. M. Corberán., “Evaluation of the potential energy savings of a centralized booster heat pump in front of conventional alternatives,” SDEWES 2020) para la actuación en el sistema de producción de agua caliente sanitaria, el enfoque comunitario tendrá una importancia enorme en la transición energética urbana.
Agradecimientos
Este trabajo está enmarcado dentro de la Cátedra de Transición Energética Urbana, financiada por la fundación Las Naves del Ayuntamiento de València, dentro del Instituto Universitario de Ingeniería Energética de la Universitat Politècnica de València.