La ciudad al poder: la ciudad inteligente organiza la energía
por Dirk Baranek | 19.06.2019
El concepto de ciudad inteligente significa, entre otras cosas, un sistema de producción y uso de energía estrechamente interconectado. Las ciudades deben avanzar en esta dirección para influir positivamente en su huella de carbono. Porque hasta ahora, las ciudades han sido principalmente lugares de consumo de energía. Esto cambiará.
Por qué tiene sentido la ciudad inteligente?
Tiene sentido económico si la generación de energía y su uso tienen una conexión local. Si la electricidad se genera donde vive la gente, se ahorran enormes recursos. Sobre todo, alivia la carga del sistema de transmisión y hace superflua la ampliación de la red con polémicas líneas eléctricas. Por ello, es conveniente que las ciudades piensen en cómo pueden generar energía utilizable en sus terrenos.
Como las turbinas eólicas están prohibidas cerca de los asentamientos y la energía hidroeléctrica sólo está disponible de forma limitada, los esfuerzos se concentran en dos tecnologías: la fotovoltaica y la cogeneración de calor y electricidad. La ciudad inteligente genera la electricidad que consume in situ. Las ciudades con millones de habitantes organizan millones de generadores de electricidad que abastecen a la ciudad con plantas grandes y pequeñas. El almacenamiento de electricidad con estrategias de carga y descarga optimizadas y lossistemas inteligentesde supervisión solar son partes fundamentales del sistema para que esta ciudad inteligente funcione.
Combinación de calor y electricidad: casi capaz de carga base
Las ciudades del hemisferio norte tienen una desventaja en cuanto al suministro de energía en comparación con las del sur: tienen que utilizar energía para la calefacción. Claro, muchos aires acondicionados funcionan para eso en el Sur, pero se necesitan cantidades mucho mayores de energía para calentar los edificios. Estas capacidades seguirán siendo suministradas en gran medida por los combustibles fósiles en las próximas décadas. Por lo tanto, es aún más importante utilizarlos de forma eficiente. Este es el núcleo de la cogeneración: cuando se necesita energía de calefacción, los sistemas generan simultáneamente calor y electricidad, logrando así rendimientos de casi el 100%.
Las centrales de cogeneración y los sistemas de calefacción con pilas de combustible utilizan gas natural o biogás y, al calentar el agua, generan electricidad con el calor del proceso. Estos calefactores son una buena fuente de electricidad en otoño e invierno. Producen casi sin descanso, lo que hace que esta electricidad se pueda cargar en la base. Cientos de miles de pequeñas centrales eléctricas de alta eficiencia con un rendimiento del 95 % en lugar de unas pocas grandes centrales eléctricas a las puertas de la ciudad con un rendimiento máximo del 45 %: estas son las alternativas.
Por ello, la ciudad inteligente está dispuesta a promover sistemas de calefacción que generen calor y electricidad. Al menos hasta que se elimine por completo el uso de combustibles fósiles.
Fotovoltaica: las ciudades inteligentes tienen espacio suficiente
La generación de electricidad a partir de la energía fotovoltaica se encuentra ahora en un nivel de coste-beneficio muy bueno. Tan buenas, de hecho, que estas plantas pueden funcionar de forma económicamente viable incluso en circunstancias climáticamente bastante desfavorables, por no hablar de la necesidad de su uso en la política climática. El reto para las ciudades a la hora de instalar capacidades de generación solar radica en el espacio que necesitan. La energía fotovoltaica requiere espacio. Esto desanima a algunos contemporáneos que no se acostumbran a la visibilidad pública de las centrales eléctricas. Para tranquilizarlos, se puede afirmar: No se necesita tanto espacio como podría temerse.
He aquí algunas cifras para orientarse:
- Un metro cuadrado de sistema fotovoltaico genera unos 200 kWh de electricidad al año.
- Una ciudad de 600.000 habitantes como Stuttgart necesita unos 840 millones de kWh de electricidad al año.
- Si la mitad de la electricidad de Stuttgart se generara con energía fotovoltaica, se necesitaría una superficie de 2,1 millones de metros cuadrados.
- A modo de comparación: en Stuttgart hay una superficie de casi 38 millones de metros cuadrados de edificios. Otros 30 millones de metros cuadrados se destinan a zonas de tránsito.
Conclusión: Sí, la energía fotovoltaica necesita espacio, pero desde luego no a una escala que las ciudades no puedan asumir. Se trata más bien de activar zonas de las ciudades que tengan sentido económico y en las que la fotovoltaica encaje orgánicamente en el espacio urbano.
FV en los tejados antiguos y nuevos de la ciudad
Los módulos fotovoltaicos se encontrarán en todos los tejados de una ciudad inteligente si tiene sentido generar electricidad en ellos: casas particulares, edificios industriales y comerciales, edificios públicos como escuelas, pabellones deportivos e instalaciones administrativas, depósitos, etc. La ciudad inteligente se esfuerza por aprovechar al máximo el potencial disponible para la generación de electricidad.
Y la ciudad inteligente será inventiva para encontrar el potencial. Habrá FV en las paradas de autobús, en las zonas de tráfico recién cubiertas, como los aparcamientos o las plantas superiores de los aparcamientos de varias plantas.
Las nuevas posibilidades técnicas, como la incorporación de la energía fotovoltaica directamente en las tejas, harán que pronto se genere electricidad en todos los tejados de la ciudad y en muchos lugares de los espacios públicos.
Utilizando la vertical
Los edificios de gran altura generarán electricidad con sus fachadas de cristal. Existen varios enfoques técnicos para generar electricidad con revestimientos de altura. Las células solares semitransparentes de los cristales de las ventanas, por ejemplo, utilizan sólo una parte del espectro luminoso para generar energía y transmiten la otra parte en forma de luz atenuada o coloreada.
Todos estos enfoques tienen una desventaja: la producción de estos módulos de vidrio no es ni de lejos tan alta como la de los módulos fotovoltaicos normales. Las gafas especiales apenas generan más del 10 %. Sin embargo, las superficies verticales de los edificios de gran altura son muchas veces mayores que las superficies horizontales de los tejados construidos.
Otro campo de acción de la energía fotovoltaica son las barandillas, que en las ciudades no sólo se encuentran en los balcones de las casas. Puentes, parapetos de terrazas, etc: Los proveedores son ingeniosos y desarrollan elementos absolutamente a prueba de accidentes que generan electricidad.
Las masas lo hacen
La consecuencia de estas múltiples aplicaciones posibles de la energía fotovoltaica es que muchos, muchos sistemas pequeños y muy pequeños generarán electricidad y la verterán en la red. Cuando el sol brilla con fuerza, se produce mucha electricidad; cuando el sol brilla poco o nada, menos. Por lo tanto, la ciudad solar depende en gran medida del clima para la generación de electricidad.
El uso de la electricidad solar generada, en cambio, no lo es; siempre tiene lugar, haga el tiempo que haga. Los sistemas de almacenamiento se utilizan para cerrar esta brecha, es decir, la diferencia de tiempo entre la generación y el uso de la electricidad.
Los sistemas de almacenamiento de electricidad son necesarios en la ciudad inteligente
El sol no siempre brilla. Los módulos fotovoltaicos generan electricidad incluso cuando el cielo está nublado, pero por la noche no contribuyen en absoluto al suministro de energía. Para asegurar el consumo en esos momentos, la ciudad inteligente contará con numerosas unidades de almacenamiento de electricidad. Si todas ellas serán baterías de iones de litio, de las que ya se ponen en funcionamiento decenas de miles cada año, es una cuestión abierta. Científicos e ingenieros de todo el mundo están trabajando en conceptos para acercar el problema del almacenamiento a una solución de la forma más conservadora de recursos y económicamente sensata posible: sal calentada, producción de hidrógeno (power-to-gas), almacenamiento de energía en capas, almacenamiento de aire comprimido y mucho más.
El futuro mostrará qué sistemas pueden integrarse con sentido en los espacios urbanos. Sin embargo, el hecho de que haya baterías en todos los sótanos de los edificios es un escenario realista, al menos en un futuro próximo.
Caso especial de movilidad
Las ciudades gastan una cantidad considerable de sus recursos en las necesidades de movilidad de sus habitantes. La ciudad inteligente del futuro tendrá un sólido sistema de transporte público electrificado. El transporte individual con coches privados se retrasará aún más.
Sin embargo, la posesión de coches electrónicos privados también ofrece oportunidades. Porque los coches eléctricos de la próxima generación, y sólo ellos tienen futuro en las ciudades de todos modos, cumplirán dos funciones: Generan electricidad y la almacenan. La superficie de un coche es limitada, pero lo suficientemente grande como para instalar módulos fotovoltaicos en el techo y los laterales. Estos son, por supuesto, seguros para el tráfico. Sin embargo, lo más interesante para el ecosistema energético de una ciudad son las baterías que almacenan la energía para la propulsión de los coches eléctricos. Se cargan preferentemente cuando brilla el sol.
Pero las baterías también podrían liberar la electricidad que no necesitan los coches cuando se necesita urgentemente en la red eléctrica. Estos dos escenarios pueden hacerse realidad con los coches eléctricos si los usuarios se comportan de forma adecuada.
Esto es posible si se recompensa un comportamiento adaptado a las fluctuaciones del mercado energético. Cuando el sol brilla, hay abundancia de electricidad. El precio de la electricidad baja. Una buena motivación para que los conductores de coches eléctricos enchufen su vehículo para cargarlo ahora. Cuando el precio de la electricidad sube porque está oscuro y las centrales no producen lo suficiente, existe un incentivo financiero para poner a disposición de la red la electricidad que no se necesita en ese momento. Los coches eléctricos son básicamente baterías motorizadas que estabilizan el sistema energético de la ciudad inteligente.
Los habitantes de las ciudades utilizan la energía de forma flexible
Al igual que con los coches eléctricos, es deseable que los habitantes de las ciudades adapten su uso de la energía a la situación del sistema energético. El principio es claro: extraer electricidad cuando hay mucha, y viceversa.
Por ejemplo, poner la lavadora al mediodía, cuando el sol está en su punto álgido y la abundancia de electricidad en el sistema hace que los precios se desplomen. Por otro lado, el consumo de electricidad en mitad de la noche será más caro. Hay que refinanciar los costosos sistemas de baterías con los que se suministra la electricidad por la noche.
Así, los sistemas de incentivos financieros, que se manejan digitalmente y funcionan en tiempo real en el mercado de la electricidad actualizado diariamente, garantizan un comportamiento adaptado.
La red eléctrica es digital
La ciudad inteligente cuenta con un sistema energético transparente y controlado digitalmente. Se necesita una amplia tecnología de la información para configurar todos los generadores, todos los consumidores, todas las capacidades de almacenamiento y la influencia de la meteorología en un sistema significativo y coordinado. La supervisión y el control de los sistemas solares desempeñan un papel destacado en este sentido.
Los datos en tiempo real se comparan con las series de datos históricos para elaborar previsiones fiables. A partir de ahí, los proveedores de energía obtendrán señales de mercado en el futuro para influir en el comportamiento de los usuarios.
La ciudad inteligente no funcionará sin las tecnologías de la información, porque el mercado de la electricidad, que hasta ahora ha sido bastante estático con tarifas eternamente válidas, se convertirá ahora en un organismo de mercado mucho más dinámico en el que participan casi todos los habitantes de la ciudad. La informática es fundamental para ello. Los datos del mercado son la base para ello.