Electrificación y automatización para crear redes eléctricas más eficientes y sostenibles - Segunda parte de dos

La sustitución de las fuentes de energía tradicionales de la red eléctrica por otras sostenibles y ecológicas se denomina electrificación. En la Parte 1 de esta serie, se analizaron algunos de los retos asociados a la electrificación y cómo la automatización puede contribuir a su eficiencia y sostenibilidad. En este artículo, la segunda parte de dos, se analizan las certificaciones LEED (Liderazgo en Energía y Diseño Medioambiental) y ZEB (Edificio de Energía Cero) y cómo pueden reducir las emisiones de carbono y mejorar la sostenibilidad.

Las certificaciones LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) y ZEB (Zero Energy Building) representan importantes esfuerzos en apoyo del deseo de la sociedad de reducir las emisiones de carbono y mejorar la sostenibilidad. Conseguir las certificaciones LEED y ZEB exige un planteamiento holístico que combine la electrificación que sustituye los sistemas energéticos basados en combustibles fósiles por alternativas ecológicas como la energía fotovoltaica (FV) y los vehículos eléctricos (VE) con sistemas avanzados de automatización y control.

El programa LEED del Consejo de Edificios Ecológicos de Estados Unidos (USGBC) incluye la descarbonización de edificios existentes y de nueva construcción. La oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables (EERE) del Departamento de Energía de EE.UU. coordina los esfuerzos de ZEB. La obtención de las certificaciones LEED y ZEB exige que arquitectos y contratistas adopten nuevos planteamientos sobre el diseño, la construcción y el funcionamiento de los edificios. En comparación con ZEB, que se centra únicamente en el consumo de energía, LEED es un concepto más amplio que aborda el carbono, la energía, el agua, los residuos, el transporte, los materiales, la salud y la calidad ambiental interior.

El segundo de una serie de dos artículos sobre electrificación y sostenibilidad comienza analizando los niveles de certificación LEED y ZEB y lo que se necesita para obtener esas certificaciones para edificios comerciales e industriales, incluida una comparación de varias definiciones de ZEB. A continuación, detalla un ejemplo de cómo Phoenix Contact utilizó la automatización y la generación de electricidad fotovoltaica in situ para conseguir la certificación LEED Plata y ZEB para una ampliación de 70.000 pies cuadrados en su campus principal, incluyendo cómo algunos de los propios productos de la empresa contribuyeron al éxito del proyecto (Figura 1). Concluye con una mirada a cómo los edificios LEED pueden contribuir a los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas.

Figura 1: La generación fotovoltaica en el tejado fue un factor clave para que estas instalaciones de Phoenix Contact obtuvieran las certificaciones LEED Plata y ZEB. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

LEED es holístico

LEED es un sistema integral que tiene en cuenta todos los elementos necesarios para crear edificios de alto rendimiento. Las certificaciones LEED se basan en créditos o puntos concedidos a un proyecto utilizando criterios de rendimiento detallados. Las categorías de rendimiento y su importancia relativa (de mayor a menor importancia) son¹:

• Reducir la contribución al cambio climático global.
• Mejorar la salud humana individual.
• Proteger y restaurar los recursos hídricos.
• Proteger y mejorar la biodiversidad y los servicios ecosistémicos.
• Promover ciclos de materiales sostenibles y regenerativos.
• Mejorar la calidad de vida de la comunidad.

El criterio más esencial, la reducción de la contribución al cambio climático global, representa el 35% de todos los puntos. Los niveles de certificación LEED incluyen Certificado (40-49 puntos), Plata (50-59 puntos), Oro (60-79 puntos) y Platino (80+ puntos).

En la versión más reciente de LEED, v4.1, la mayoría de los puntos están relacionados con el carbono operativo y el carbono incorporado. El carbono operativo son las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) generadas por la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado (HVAC), la iluminación y otros sistemas del edificio que consumen energía. El carbono incorporado son las emisiones asociadas a la producción de materiales de construcción y a los procesos de construcción de edificios a lo largo de todo el ciclo de vida de un edificio.

La certificación LEED es importante para la creación de una sociedad más ecológica. Los edificios representan el 39% de las emisiones mundiales de CO₂, con un 28% procedente de su funcionamiento y un 11% de las emisiones incorporadas (Figura 2). Dado que el sector de los edificios es el que más contribuye a las emisiones mundiales de CO₂, también se han desarrollado programas especiales para fomentar el desarrollo de edificios de energía cero.

Figura 2: El funcionamiento de los edificios, más los materiales y la construcción, contribuyen en gran medida a la producción mundial de CO₂. (Fuente de la imagen: new buildings institute)

Definición del cero

La energía cero parece un concepto sencillo, pero tiene varias definiciones. Los tres más citados son el programa LEED Zero Energy (LEED Energía Cero), el Living Future Institute (ILFI) Zero Energy y el Marco de Adquisición de Energía Renovable Código Cero (Código Cero), una iniciativa de la organización Architecture 2030 que ha sido adoptada como norma energética para los edificios de California. Existen diferencias significativas en la definición de "cero".

Para obtener la certificación LEED Zero Energy, un edificio debe tener un balance energético cero durante 12 meses, incluida la generación in situ y la energía generada externamente (de origen). La combustión de combustibles fósiles in situ no está prohibida. El consumo total de energía debe consistir en energía renovable generada in situ o externamente o en compensaciones de carbono.

La certificación ILFI Zero Energy es la norma más restrictiva. Requiere fuentes renovables in situ para abastecer el 100% de las necesidades energéticas del edificio. No se permite la combustión y la certificación se basa en el rendimiento real; no se permite el modelado.

El Código Cero se dirige específicamente a los nuevos edificios comerciales, institucionales y residenciales de mediana y gran altura. Define un edificio de carbono cero como aquel que no utiliza combustibles fósiles in situ y produce in situ o adquiere suficiente energía renovable libre de carbono o créditos de carbono para satisfacer las necesidades energéticas operativas del edificio. El Código Cero también exige que los edificios cumplan la norma 90.1-2019 de ASHRAE sobre eficiencia de los edificios. El Código Cero permite la sustitución de otras normas de eficiencia energética si dan lugar a una eficiencia energética igual o superior.

Liderar con el ejemplo

Phoenix Contact ha instalado recientemente un sistema fotovoltaico de 961 Kilovatios (kW) en el tejado del centro logístico del campus principal de la Empresa en Estados Unidos. El sistema genera energía suficiente para satisfacer aproximadamente el 30% de las necesidades energéticas de la instalación, o el consumo energético equivalente de unos 160 hogares al año. El edificio obtuvo las certificaciones LEED Silver y Zero Energy.

El sistema de cogeneración por microturbina de 1 MW alimentado con gas natural se integró con el sistema fotovoltaico. El sistema central de control de la energía supervisa en tiempo real la producción de la planta fotovoltaica y el consumo energético del edificio. El generador de microturbina se utiliza cuando la demanda total de energía supera la producción del sistema fotovoltaico. Hay ocasiones en las que el sistema fotovoltaico y la microturbina se utilizan conjuntamente para suministrar electricidad a la red a través de la medición neta, generando ingresos para la empresa.

El sistema se diseñó para reducir el consumo de gas natural durante las horas diurnas y hacer funcionar el generador de microturbina principalmente por la noche, maximizando la eficiencia energética global y minimizando la generación total de CO₂. Algunos días es posible reducir casi a cero el consumo de gas natural. Algunas estadísticas del sistema fotovoltaico

• 2185 paneles solares
• 1.214.235 kWh generados anualmente
• 1.939.279 libras de reducción de la huella de CO₂

La supervisión y el control continuos de los distintos segmentos del sistema fotovoltaico en grandes instalaciones como ésta son necesarios para lograr la máxima eficiencia y disponibilidad de la producción de energía.

La automatización requiere información práctica

La automatización y el control eficaces de los sistemas de electrificación, como las instalaciones fotovoltaicas, requieren información exhaustiva y procesable. La supervisión en tiempo real de cada cadena de paneles fotovoltaicos maximiza la producción y facilita el mantenimiento preventivo. Si una cadena se cae inesperadamente, podría perder miles de kW de potencia con las correspondientes pérdidas monetarias.

El sistema fotovoltaico de 961 kW del campus principal de Phoenix Contact en EE.UU. incluye doce inversores con seis cadenas de paneles fotovoltaicos que alimentan a cada inversor, e incorpora varios productos de la empresa, empezando por la segunda generación de medidores de energía EMpro, como el montaje en panel 2908286. Estos medidores están diseñados para medir y transmitir parámetros energéticos clave a plataformas basadas en la nube que permiten la supervisión remota de todos los elementos del sistema. Los medidores de energía EMpro están disponibles para varios diseños de sistemas de alimentación, incluidas instalaciones y configuraciones monofásicas, bifásicas y trifásicas. El sistema supervisa en tiempo real numerosos elementos del sistema y condiciones de funcionamiento, entre ellos:

• Los inversores se supervisan individualmente para comprobar la potencia de entrada de CC, la potencia de salida de CA, la potencia activa y reactiva, los fallos y el estado de funcionamiento.
• Cada cadena fotovoltaica se supervisa en cuanto a corriente y voltaje. Esos datos se evalúan para determinar la salud de las cadenas y las posibles necesidades de mantenimiento.
• Las temperaturas del panel se controlan con numerosos sensores repartidos por toda la instalación.
• Se recogen las condiciones meteorológicas, como la velocidad y dirección del viento, la temperatura, la humedad relativa y la presión atmosférica.
• La irradiación solar se mide con dos piranómetros, uno en un ángulo de 10 grados que coincide con el ángulo instalado de los paneles y otro instalado horizontalmente.
• Los sensores de suciedad miden la pérdida de luz causada por el polvo y la suciedad en la superficie de los paneles fotovoltaicos.
• Las cámaras de seguridad supervisan el sistema.

El sistema también necesita registradores de datos e interfaces. Por ejemplo, los módulos inalámbricos Radioline de la Empresa, como el modelo 2901541, se comunican sin cables con los sensores de temperatura y suciedad de los módulos fotovoltaicos mediante el protocolo RS-485. En otros casos, se utiliza Alimentación por Ethernet (PoE) para transmitir energía y datos al mismo tiempo. Los routers de seguridad serie FL mGuard 1000, como el modelo 1153079, que proporcionan seguridad de Firewall y gestión de usuarios, pueden proporcionar protección contra intrusiones.

Para unirlo todo se necesita un controlador como el modelo 1069208 de Phoenix Contact para montaje en riel DIN, basado en la tecnología PLCnext de la Empresa (figura 3). Cuando se combina con un módulo de entrada/salida (E/S) como el modelo 2702783, el controlador agrega datos de la red de sensores y los transmite a un proveedor de servicios en la nube. Además, un PC industrial ejecuta el software Solarworx de Phoenix Contact. Las herramientas y bibliotecas de software incluidas son compatibles con los protocolos y estándares de comunicación que adopta la industria solar. El sistema permite la automatización y visualización personalizadas del funcionamiento del sistema fotovoltaico, y es compatible con paquetes de software de terceros que pueden analizar datos históricos y en tiempo real para optimizar el rendimiento. Las bibliotecas incluyen bloques funcionales que cumplen los requisitos de la norma IEC 61131 para autómatas programables.

Figura 3: Controlador para montaje en riel DIN adecuado para sistemas de generación fotovoltaica a gran escala. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

El control de la alimentación es la última pieza del rompecabezas de la electrificación para integrar los recursos energéticos distribuidos (DER), como las matrices fotovoltaicas, en la red eléctrica. Los controladores PGS de Phoenix Contact pueden supervisar los niveles de tensión y potencia reactiva en los puntos de conexión a la red y determinar los valores de control necesarios para los inversores con el fin de apoyar la gestión de la inyección de energía a las redes de media y alta tensión.

LEED y desarrollo sostenible

La Organización de las Naciones Unidas (ONU) ha identificado 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible² (ODS) destinados a acabar con la pobreza en el mundo para 2030. Según el USGBC, la electrificación y automatización inherentes a los edificios LEED pueden contribuir a alcanzar 11 de los 17 ODS, entre ellos:

Objetivo 3: Buena salud y bienestar

Objetivo 6: Agua limpia y saneamiento

Objetivo 7: Energía asequible y limpia

Objetivo 8: Promover el crecimiento económico sostenido, inclusivo y sostenible, el empleo pleno y productivo y el trabajo decente para todos.

Objetivo 9: Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible y fomentar la Innovation

Objetivo 10: Reducir las desigualdades dentro de los países y entre ellos

Objetivo 11: Ciudades y comunidades sostenibles

Objetivo 12: Consumo y producción responsables

Objetivo 13: Acción por el clima

Objetivo 15: Proteger, restaurar y promover el uso sostenible de los ecosistemas terrestres, gestionar de forma sostenible los bosques, luchar contra la desertificación y detener e invertir la degradación del suelo y la pérdida de biodiversidad.

Objetivo 17: Reforzar los medios de ejecución y revitalizar la Alianza Mundial para el Desarrollo Sostenible

Las estrategias empresariales también pueden contribuir a una sociedad más sostenible. Por ejemplo, la ganancia por parte de Phoenix Contact de las certificaciones LEED Silver y Zero Energy para su centro logístico de las Américas formaba parte del objetivo inicial de la empresa de lograr la neutralidad de carbono en todas sus sedes del mundo. El próximo objetivo de la Empresa es crear una cadena de valor añadido totalmente neutra para el clima antes de 2030.

Conclusión:

El sector de la construcción es el que más contribuye a la producción mundial de CO₂. Las certificaciones LEED y ZEB son herramientas importantes para medir el éxito del uso de la electrificación y la automatización para crear edificios más eficientes y sostenibles. Como se ha demostrado, las instalaciones de generación fotovoltaica a gran escala integradas con capacidad de cogeneración in situ pueden contribuir a una sociedad más ecológica. Los edificios con certificación LEED también apoyan la consecución de los diecisiete ODS de la ONU y el objetivo de eliminar la pobreza mundial para 2030.

Referencias:

1. Sistema de clasificación LEED, Green Building Council
2. Objetivos de Desarrollo Sostenible, Naciones Unidas