¿Son las Smart Cities la solución a la crisis medioambiental?

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Escrito por Gregory Miller

¿Por qué son necesarias las Smart Cities?

En 2050, unos 9 mil millones de personas poblarán la Tierra, de los cuales un 67% vivirán en áreas urbanas.

Resulta preocupante, desde el punto de vista de la sostenibilidad, que las áreas urbanas generen huellas ecológicas enormes y que la urbanización necesaria para albergar a la cada vez más numerosa población urbana requiere abundantes recursos. De hecho, el sector de la construcción, debido a su dependencia de materiales que requieren altas cantidades de energía como el hormigón y el acero, representa el 40% del consumo mundial de energías primaria y es el responsable de un 36% del total de las emisiones de CO2. 

La huella ecológica de las ciudades es, por tanto, enorme, además de un problema medioambiental cada vez mayor. Para contrarrestar el problema, gracias al poder de la tecnología, para el año 2021 el sector de la construcción inteligente tendrá un valor de 24.730 millones de USD. La tecnología no solo es capaz de cambiar el paisaje urbano sino también nuestra forma de interactuar con el mismo. En el futuro, se espera que la tecnología cambie el «comportamiento» de las ciudades. Esto, en términos de sostenibilidad, es la clave de las Smart Cities. En un futuro, escuelas, hospitales, museos, coches, granjas, etc. serán gestionadas en remoto mediante un sistema que maximice la eficiencia.

Entonces, ¿las Smart Cities son la solución? 

  Muchos consideran las tecnologías smart como la pieza clave en la transición hacia una economía baja en carbono y la solución a muchos de nuestros problemas medioambientales, como la ineficiencia energética, atascos, escasez alimenticia y crecimiento de la población urbana. El corazón de todo esto es el Internet of Things (IoT) y la posibilidad de conectarlo todo.

El IoT está relacionado con la conectividad a internet y se considera revolucionario precisamente porque implica conectar a un nivel inimaginable hasta ahora. Permite conectar no solo máquinas, sino también objetos, personas e incluso organismos vivos. Esto significa que casi todo podría volverse smart, desde los procesos de fabricación hasta el cultivo de alimentos. Además, la conectividad no depende del tamaño, ya que los sensores son tan pequeños que resultan invisibles a simple vista, lo que podría eliminar los límites de acceso a internet en cuanto a escalabilidad y alcance.

A pesar de su potencial, la tecnología smart no está lo suficientemente desarrollada en las ciudades, por lo que los datos sobre la efectividad de los planes relacionados con el aumento de la eficiencia son limitados. Sin embargo, en Singapur, el programa Smart Nation, que consiste en tecnologías para reducir el consumo de energía, ha empezado a monitorizar a los consumidores y a recopilar datos tanto en edificios domésticos como de empresas. La Junta de Vivienda y Desarrollo (Housing and Development Board, HBD) afirma que estas tecnologías, incluyendo ventiladores inteligentes, energía solar y luces inteligentes que reciclan agua generarán un ahorro energético en torno al 40% (en cuanto a iluminación). Las casas también tendrán sensores y detectores de movimiento digitales y, en un estudio conjunto de la HBD y la Autoridad del Mercado Energético de Singapur (Energy Market Authority, EMA) muestra una reducción del consumo energético del 20% tras la implementación del Sistema de Gestión Energética del Hogar (Home Energy Management System, HEMS).

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HEMS: Home Energy Management System

La tecnología smart ya se usa en muchas ciudades del mundo como Singapur, Ámsterdam o Barcelona. En Ámsterdam, por ejemplo, un grupo local tiene ya casi 7000 miembros y organiza eventos, proyectos como City-zen, visitas a colegios, etc. City-zen es una iniciativa de Ámsterdam y Grenoble y el nuevo proyecto urbano de energía, que incluye proyectos como restauraciones residenciales, calefacción y aire acondicionado, monitoreo y redes inteligentes. Con 20 soluciones innovadoras, planean ahorrar 35.000 toneladas de CO2 al año. Estos son algunos ejemplos de las tecnologías smart que utilizarán: 

  • El Almacenamiento termoeléctrico inteligente (Smart Electric Thermal Storage, SETS) se utiliza para sustituir a los calefactores tradicionales de almacenamiento nocturno en 1250 hogares en Irlanda, Alemania y Letonia. El SETS puede estar diseñado para una instalación de micro red y puede ser la tecnología que sustituya los calentadores eléctricos estándar que se usan acutalmente en 14 millones de hogares en la UE. Los SETS ofrecen: 
    • Un aumento de la eficiencia del 20% comparado con los calefactores de almacenamiento nocturno.
    • Un aumento de la comodidad, un mayor control sobre la temperatura y menos pérdidas de calor. 
  • VivaCité tool (una interfaz de monitoreo de varios tipos de energía) parte del Programa Mistral en Grenoble, el cual incorpora la conectividad a las micro redes en  la restauración de 3 torres construidas en 1967. Los habitantes co-construirán sus propios indicadores de bienestar y disfrutarán de la ventilación de recupración de calor controlada. El ahorro de energía establecido asciende a 64 kWhEP/año.m2 (-50%).

Calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) smart

La calefacción, ventilación y aire acondicionado (heating, ventilation and air conditioning, HVAC) forman el grueso de las necesidades energéticas de un edificio y, sobre todo en los edificios industriales, el funcionamiento del HVAC tiene un impacto importante en la eficiencia energética del edificio. Se dice que, en la actualidad, todos los edificios desperdician al menos un 10% de su energía. La optimización de los equipos de HVAC es, por tanto, una prioridad en cuanto a sostenibilidad, y se puede conseguir aplicando métodos como la programación dinámica y optimización de algoritmos genéticos para maximizar el confort térmico y minimizar costes. En un estudio acerca de la relación coste eficacia de este planteamiento, se evaluaron el uso de energía fotovoltaica así como el almacenamiento controlando las mediciones de la temperatura interior en los modos de HVAC bajo, medio y alto. La adaptación a la demanda se utilizó junto con un modelo de evolución lineal de temperatura, desarrollado mediante la correlación de antiguos valores de temperatura, apagando y encendiendo el equipo de HVAC. El estudio demostró que se podían reducir los costes respecto a un termostato estándar en dos planes de precios distintos.

La adaptación a la demanda también puede utilizar un modelo de control de marco predictivo para determinar perfiles óptimos de control de sistemas HVAC. Este enfoque, que también ha sido estudiado en condiciones controladas, utiliza una configuración no lineal de red neuronal autoregresiva que modela el comportamiento térmico de una zona de construcción, simulando estrategias de control HVAC en línea con la señal de adaptación a la demanda. El enfoque en cuestión consideró la generación de energía y los sistemas de almacenamiento in situ con instalación nocturna, limitación de demanda y estrategias de control de pre-refrigeración HVAC y llamó al problema de control óptimo como problema no lineal entero mixto (mixed-integer non-linear problem, MINLP). Entonces, se pudieron predecir con fiabilidad los niveles por zona de temperatura y consumo energético, lo que se tradujo en ahorro de costes: 14.25% to 15.26% debido a un control óptimo que limitaba la demanda (sin generación de energía y almacenamiento) y 30.95% por un control óptimo (combinado con generación de energía y almacenamiento).

Las Smart Cities se sustentan en la premisa de que la conexión total de todos los elementos es beneficiosa, la idea de que cuanto más smart sea todo, más sostenible, en cuanto a eficiencia energética, será la ciudad y más felices serán los residentes (trabajadores, visitantes). La adaptación a la demanda es un ejemplo, cambia la forma de consumir energía de los edificios aceptando el paradigma de la conectividad de la Smart City. El consumo de energía se puede controlar en remoto gracias al intercambio de datos en tiempo real, lo que permite reducir las cargas máximas (extendiendo la demanda), una mejor integración de fuentes renovables de energía impredecibles y un almacenamiento y distribución de exceso de energía mejorado e inteligente a través de redes inteligentes. La adaptación de la demanda utiliza tecnología como contadores inteligentes y permite el consumo inteligente de energía, como por ejemplo, maximizando el consumo durante la hora de máxima producción de renovables. Es interesante observar, sin embargo, que esto no se produce necesariamente al reducir el consumo de energía per se. En cambio, los sistemas optimizados se podrían describir como los elementos que optimizan cómo y dónde se produce la energía y cómo se consume o almacena.

Torres inteligentes

Los edificios inteligentes pueden construirse de la nada o reformarse. La Torre Europa de Madrid es un ejemplo de este tipo de edificios. Tras una reforma reciente, ahora es uno de los edificios altos más inteligentes del mundo. Su centro de control analiza datos de todas las áreas de cada piso y monitorea los niveles de ocupación en tiempo real. Esto le permite optimizar no solo la calefacción y el aire acondicionado, sino también la limpieza y el mantenimiento. También controla los 14 ascensores y toda la iluminación, lo que resuelta en aumentos importantes de la eficiencia, reconocido por el Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano (Council of Tall Buildings and Urban Habitat, CTBUH), que otorgó a Torre Europa el premio a la mejor renovación de un edificio alto de 2019. 

Los rascacielos inteligentes como la Torre Europa son edificios icónicos que dan forma a la identidad de países enteros. Sin embargo, estos pueden llegar a consumir gran cantidad de recursos. Para cumplir los objetivos de sostenibilidad, su construcción y planificación también deben ser mucho más eficientes. La planificación digitalizada permite esta transición. Un ejemplo de ello es Dubai, cuyos planificadores urbanísticos tenían la tarea de atraer talento a la ciudad. La planificación digitalizada les permitió dividir la ciudad en zonas de intereses comunes como Dubai para la banca, Dubai para la salud y servicios médicos, Dubai para el ocio, etc. Cada uno de estos sectores se orientaban hacia las necesidades de profesionales y empresas que operan en sus sectores de interés.

La planificación digitalizada incluye procesos basados en modelos, lo que permite concebir las ciudades en un espacio virtual y a tiempo real. Extiende la aplicación de la tecnología smart al diseño, planificación y construcción de entornos urbanos conectados y puede, por tanto, convertir eventos de planificación localizados en procesos más inteligentes e integrados donde se combinan recursos de la ciudad entera o incluso del país. Esto, en resumen, es la descripción del potencial de la tecnología smart para transformar radicalmente el paisaje urbano. Es la promesa de una transición perfecta de arriba abajo y de abajo a arriba de una red digitalizada de conectividad completa que tome decisiones de forma que se maximice el uso eficiente de los recursos y minimice el impacto medioambiental.

Bio del autor: 

   Gregory Miller es autor en DO Supply (https://www.dosupply.com) y escribe sobre robótica, inteligencia artificial y automatización.

 

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