Gestión de edificios energéticamente inteligentes – GE2I

Comunicación presentada al I Congreso Edificios Inteligentes:

Autores

• Andrés Lluna Arriaga, Instituto Tecnológico de la Energía – ITE
• Ignacio Benítez Sánchez, Instituto Tecnológico de la Energía – ITE
• Carlos Blasco Llopis, Instituto Tecnológico de la Energía – ITE
• Alfredo Quijano López, Instituto Tecnológico de la Energía – ITE

Resumen

El presente artículo presenta la línea de trabajo del proyecto Sistema avanzado de Gestión de Recursos en Redes Inteligentes Distribuidas (S-GRID), cuyo objetivo es diseñar un sistema global unificado de gestión inteligente de Microrredes en el que puedan gobernarse de manera óptima, junto con el entorno eléctrico que los rodea e integrado en las redes eléctricas, Edificios Energéticamente Inteligentes. El área en el que se enmarca este objetivo dentro del proyecto es Control del Balance Energético de un edificio como nodo activo. El objetivo del funcionamiento de un edificio como un nodo activo es el de optimizar su coste energético mediante la aplicación de una plataforma automatizada y de control inteligente que permite:

1. Disminuir los consumos de las instalaciones y la conversión de cargas convencionales en cargas gestionables (Gestión de la Demanda).
2. Hacer un uso viable de las energías renovables deslocalizadas y sistemas de almacenamiento.
3. Integrar los edificios de manera controlada en el concepto de Smart Grids como Nodos Activos de la red eléctrica.

Introducción a GE2I

La Gestión de Edificios Energéticamente Inteligentes es una línea de investigación en el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE) en la que se pretende que las instalaciones de consumo y recursos de generación distribuida integrados en los edificios sean gobernados de manera global óptima por medio de sistemas automatizados de control inteligente. Además se busca que cooperen con el entorno eléctrico que los rodea, dentro del concepto de las Smart Grids, formando edificios y áreas energéticamente positivas o cercanas a cero (CE Prensa Digital, 2012). El reto mencionado es especialmente importante debido a que el sector de la edificación representa el 40% del consumo energético total de la Unión Europea (MICINN, 2009), por ello la mejora de su rendimiento energético y medioambiental influye significativamente en los objetivos del contexto político europeo “20/20/20”.

El presente trabajo se enmarca dentro de esta línea de trabajo, con el objetivo de conseguir edificios energéticamente inteligentes y sostenibles haciéndolos Edificios de Balance Energético Cero o Net Zero Energy Buildings (CABA, 2011), y logrando su integración en Microrredes por medio de la investigación y desarrollo de sistemas de control automatizado.

Edificios como Nodos Activos de la Smart Grid formando Microrredes

Un edificio inteligente como Nodo Activo con GE2I pretende la gestión óptima de los sistemas generadores y consumidores para conseguir el balance energético cero unido a las condiciones económicas de operación más favorables. Sus objetivos son:

1. Reducir al máximo el consumo energético del edificio: disminuir los consumos de las instalaciones y usos mediante medidas automatizadas de mejora energética y conversión de cargas convencionales en cargas gestionables, gestión de la demanda.
2. Generar suficiente energía limpia y controlarla (tanto generación como almacenamiento) en el propio edificio para cubrir la demanda energética en su totalidad y reducir la dependencia con la red de suministro. Haciendo un uso viable y mejorado capacitando la integración adecuada y coordinada de los mismos.
3. Gestionar adecuadamente el conjunto de instalaciones y recursos generación-almacenamiento del edificio para poder alcanzar un equilibrio energético tal que permita conseguir un balance energético y de emisiones cero.

1. Permitir que el edificio energéticamente optimizado funcione como un Nodo Activo dentro de una Microrred de la Red Eléctrica Inteligente. En este sentido, una Microrred abarca una porción del sistema eléctrico de distribución localizado aguas abajo de la subestación eléctrica. Incluye variedad de recursos distribuidos (generación y almacenamiento) y diferentes tipos de consumos eléctricos y/o térmicos. Abarcan clientes muy variados como son viviendas residenciales, edificios terciarios e incluso parques industriales, por tanto es indispensable que los edificios incluidos pasen a ser cargas de edificios inteligentes, se dispondrá de un conocimiento del comportamiento de dichas cargas, realizando de este modo una gestión que optimice el funcionamiento de todo el sistema eléctrico, evitando picos y minimizando costes energéticos.

Proyecto S-GRID

Para realizar un integración de los edificios inteligentes como nodos activos dentro de una Microrred, nace el proyecto Sistema avanzado de Gestión de Recursos en Redes Inteligentes Distribuidas (S-GRID) cuyo objetivo principal es desarrollar un sistema para la gestión de los recursos de una Microrred local con presencia de generación DER y consumos gestionables en distintos niveles de actuación, utilizando como base principal el concepto de la VPP (Virtual Power Plant).

Para ello se definen diversas capas de control y gestión jerarquizadas que permitan operar los recursos distribuidos de la microgrid en base a criterios de estabilidad y fiabilidad de la red; optimización del despacho de energía y maximización del beneficio económico proporcionado por el intercambio de flujos de energía con la red principal. En la figura 1 se muestra la arquitectura del sistema desarrollado:

Con esta arquitectura se consigue una relación y armonía entre todos los recursos de la Microrred incluidos los recursos del edificio inteligente que gestiona sus propios recursos.

Balance energético en edificios inteligentes

La Directiva 2010/21/UE fija como objetivo para finales de 2020 que todos los edificios de nueva construcción sean edificios de consumo de energía casi nulo, y que después de 2018 también lo sean los edificios nuevos de uso público (CE Directiva, 2010). De forma general, se puede considerar que un Edificio Balance Energético Cero pretende la optimización de la demanda energética del edificio hasta conseguir que ésta se pueda satisfacer por el propio edificio, alcanzándose por tanto un balance neto neutro entre generación y demanda (Belausteguigoitia et. al, 2010).

En la plataforma GE2I el elemento principal para conseguir el balance mencionado y una viable integración en la red eléctrica es el Controlador de Balance Energético Global, CBEG, cuya arquitectura se muestra en la figura 3:

Las principales funcionalidades de CBEG son las siguientes:

• Detección e integración automática de controladores distribuidos que gobiernan la disminución de consumos, el óptimo funcionamiento de los recursos de generación – almacenamiento y los sistemas de monitorización.
• Automatización y tratamiento de almacenamiento de datos de cada uno de los controladores mencionados. Se aplican técnicas de minería de datos para extraer información relevante del sistema global y por variable individual.
• Monitorización de flujos energéticos que permite la visualización de la información relativa a consumo, generación y almacenamiento, así como la relación de estos con parámetros ambientales como variables meteorológicas y emisiones de CO2. De esta funcionalidad se destacan los módulos de:
  • Predicción de curvas de generación y consumos que permitirá realizar una gestión óptima de los recursos en función de las condiciones futuras.
  • Estimación de eficiencia de los sistemas consumidores. Como puede ser el módulo del sistema de clima que calcula la demanda térmica ideal del edificio y se compara con la medida energética del sistema, obteniendo de este modo una referencia de eficiencia.
  • Estimación de la degradación en sistemas generadores. Como puede ser el módulo que obtiene la degradación en los paneles fotovoltaicos del edificio y se estima la pérdida de generación a futuro y sus necesarias actuaciones de mantenimiento.
• Fomento del usuario consciente y gestores energéticos proactivos.
• Gestión automática de mejora energética: el sistema permite minimizar el consumo de cada instalación y gestión de la demanda de cargas controlables.
• Gestión automática de generación y almacenamiento: el sistema permite gestionar de manera óptima la coexistencia de una planificación de disminución de consumos de los recursos de los edificios con una correcta política de uso de la producción de energía renovable (Lluna et. al, 2010).
• Controlador de Balance Energético permitiendo la optimización de la situación energética global, así como el ajuste del funcionamiento a las diferentes modalidades de balance y/o a la venta de energía. Así mismo, permite al edificio actuar y ser visualizado como un Nodo Activo dentro de la red.

Planta piloto experimental ITE

El sistema será diseñado, desarrollado y testeado en el propio edificio de ITE utilizando los equipos e instalaciones disponibles, entre los que se incluye el propio edificio (con instalaciones y recursos de generación y almacenamiento) y una Microrred real con cargas controlables, fuentes de energía renovable y sistemas de almacenamiento. De este modo se consigue comprobar los beneficios generados en función del control que se realice. La figura 3 muestra los recursos disponibles en la Microrred del ITE.

Conclusiones y próximos pasos

En la fase actual del proyecto ‘S-GRID’ respecto a la consecución de sistemas de control para edificios inteligentes en la línea de lograr edificios y áreas de balance energético cero o positivo se ha alcanzado el estado de diseñar y desarrollar la arquitectura y estructura del controlador CBEG que permitirá mejorar el coste energético de edificios integrados en Microrredes como Nodos Activos.

Los próximos pasos a seguir son completar las funcionalidades del controlador CBEG con una estrategia de control global que permita implementar un control centralizado y que además coopere activamente con los diversos controladores distribuidos disponibles en un edificio siguiendo un modelo descentralizado de Sistema Multiagente que en cada momento discierna entre la idoneidad de dejar el control central o primar la independencia y autonomía de gestión de cada entidad involucrada en la gestión.

Agradecimientos

Los autores agradecen la contribución de las instituciones IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial) y la Comisión Europea (a través de los Fondos para el Desarrollo de las Regiones Europeas – FEDER) por hacer posible el desarrollo del presente proyecto. Proyecto enmarcado en el programa de desarrollo estratégico dentro de la convocatoria de Institutos Tecnológicos de la red IMPIVA.

Referencias

Belausteguigoitia, J., Laurenz, J. & Gómez, A., 2010, El Reto de los Edificio ZERO: el siguiente paso de la arquitectura sostenible, SB10mad, Madrid.

CABA Research Program, 2011, Smart Grid Impact on Intelligent Buildings 2011, Continental Automated Buildings Association.

CE Directiva, 2010, Directiva 2010/31/UE parlamento europeo 19 de mayo de 2010 relativa a eficiencia energética de los edificios (refundición), Comisión Europea.

CE Prensa Digital, 2012, Smart ICT for energy efficiency, Comisión Europea.

Lluna, A., et. al, 2010, Towards Zero Energy Balance in Tertiary Buildings, Control Methodologies and Technology for Energy Efficiency – IFAC Conference, CMTEE 2010, Energy Technological Institute.

Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), 2009, Documento de visión de la Eficiencia Energética en España, Plataforma Tecnológica Española de Eficiencia Energética, PTE-EE.