El futuro y la demanda energética
- Autores: Rafael Sánchez Durán
- Directores de la Tesis: Joaquín Luque Rodríguez (dir. tes.), Julio Barbancho Concejero (codir. tes.), Alejandro Carrasco Muñoz (tut. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Gómez Expósito (presid.), Carmen Barroso Castro (secret.), Manuel Ramón Mazo Quintas (voc.), Alberto González Salvador (voc.), Javier Fernández de Cañete y Rodríguez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Informática por la Universidad de Sevilla
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
1. introducción o motivación de la tesis La investigación se centra en el estudio de la evolución de la demanda de energía y su visión futura de abastecimiento. Existen diferentes motivos para defender la necesidad de un estudio en profundidad sobre la demanda energética, la sociedad avanza con cada vez mayores necesidades de recursos energéticos que acompañan al crecimiento poblacional y económico, impulsando a las sociedades y en especial a aquellas en vías de desarrollo.
La planificación de la demanda energética es clave para anticipar y gestionar una transición sostenible a lo largo de este siglo XXI. Los desarrollos tecnológicos son cada vez más rápidos, aportando una mayor eficiencia energética a las actividades, incluso permiten hoy en día generar la energía de manera distribuida en los propios lugares de consumo, algo que pondrá freno a unas necesidades que por tendenciales se vuelven insostenibles.
Otro motivo que invita al desarrollo de esta tesis proviene de la necesidad de una adecuada comprensión de los factores que influyen en el consumo energético. La compleja mezcla de efectos, provocados en ocasiones por razones económicas (ejemplo reciente en la crisis financiera), por cambios en la composición de subsectores, la diferente climatología, o incluso por la incorporación de eficiencia en el uso de los recursos energéticos, lleva a confusión en la justificación de las variaciones de demanda. La descomposición factorial va a ser un recurso útil para explicar las variaciones en la demanda por cada sector de uso en el tiempo.
La identificación de algoritmos de predicción de la demanda, recogidos en la terminología anglosajona bajo el concepto “Energy Forecasting”, serán una herramienta de especial importancia en un mundo basado en la recolección y tratamiento de los datos.
La transición energética, en cuanto al proceso de evolución del modelo hacia un nuevo modelo sostenible, necesitará identificar como primer elemento en la ecuación la demanda energética, primero a nivel agregado (relación energía con economía y población), pero al mismo tiempo con un suficiente nivel de desagregación por cada sector de consumo final (Industria, Transporte, Residencial y Servicios) e inductor de consumo de éstos.
Será aún más importante trasladar las conclusiones de la predicción agregada a ámbitos de gestión cercanos como son las ciudades y sus habitantes, ciudades que por su tamaño, densidad, niveles de renta y clima presentarán diferentes escenarios donde afrontar su parte de contribución. Serán ciudades inteligentes las que logren anticipar su camino hacia la sostenibilidad.
Las ciudades son sistemas interconectados y motores impulsores de la economía que van a tener un papel clave para lograr el éxito en la estrategia de energía y clima a 2030. Será preciso estimular su conectividad, creatividad e innovación bajo un mundo digital que permita coordinar las nuevas formas de relación con los recursos energéticos distribuidos.
Los fenómenos de sustitución tecnológica, junto a oportunidades derivadas del intercambio de información entre máquinas, van a jugar un papel fundamental en la velocidad de los cambios. El reto estará en sincronizar los requerimientos de ajuste de demanda energética con los ciclos de renovación de equipos que siguen funcionando 2.contenido de la investigación El documento se desarrolla en una primera exposición de los antecedentes que han motivado la investigación, el problema a abordar se ha centrado en el gran reto del desarrollo humano y el calentamiento global. Se exponen las razones para mostrar la importancia de la conservación de los recursos del planeta, entre ellos los recursos energéticos. Se analiza la situación del planeta, los recursos consumidos y su huella ecológica.
La actividad del hombre ha alterado el ciclo del carbono, su evolución viene acompañada de un uso intensivo de los recursos de la tierra. El análisis parte en términos de sostenibilidad y compromiso para las generaciones futuras, sobre la necesidad de racionalizar el uso de aquellos elementos de carácter finito y la demanda de energía es, sin duda, uno de los mayores retos que tiene la humanidad, para frenar el calentamiento del planeta derivado del aumento de emisiones de CO2 a la atmosfera.
En la medida que seamos capaces de asociar la relación de la demanda de energía con otros elementos como economía, la relación con el clima, o la intensidad energética de los diferentes usos finales (industria, servicios, residencial y agricultura), lograremos un mayor entendimiento y acierto a la hora de realizar escenarios y pronósticos de su comportamiento futuro.
Siguiendo con esta aproximación el recorrido comienza con una primera relación entre la energía y las emisiones. Desde el estudio del ciclo del carbono, se analiza la relación de la quema de combustibles con las emisiones y la vinculación de las emisiones con el calentamiento global del planeta, presentado como el mayor reto de la humanidad y consecuencias impredecibles. Evitar las consecuencias de este calentamiento, será la principal meta a alcanzar por la transición energética, la sustitución de combustibles fósiles por fuentes renovables supondrá un delicado equilibrio ante la creciente de demanda de energía del planeta, que necesita cada vez más para su desarrollo.
Al comparar la relación de la energía con la economía, se estudian las relaciones entre ambas magnitudes, se desarrolla la formulación de la identidad de Kaya (Kaya, 1997) aplicando sus resultados para explicar el caso español, en sus últimos 25 años, la serie histórica comprendida entre 1990 y 2015, con un especial énfasis en el aumento del consumo de energía primaria y las consecuencias de esto en las emisiones de CO2. En este primer análisis se verifica el comportamiento de dos periodos: pre crisis y post crisis, apreciando el fenómeno de la terciarización de la economía, o un mayor peso del sector servicios frente al industrial.
Los modelos de descomposición factorial, desarrollados matemáticamente, permiten explicar el comportamiento de la variación de la demanda energética por tres razones: las económicas, estructurales y por la propia eficiencia energética de cada subsector. Se compara la formulación del método Laspeyres y LMDI, ofreciendo con ellos el análisis del periodo 1990 a 2015, diferenciando una primera etapa con un crecimiento económico constante frente al segundo vinculado a la crisis y su posterior recuperación. El análisis de la crisis financiera y su impacto sobre el consumo energético, es uno de los mayores dilemas, y objetos de debate respecto a la recuperación de los niveles de crecimiento previos, se ofrece una metodología para su discusión.
Tras el análisis de las tendencias económicas y la eficiencia energética de cada subsector podemos realizar una proyección, con mayor conocimiento, de la demanda energética a futuro. A partir de un encuadre metodológico sobre la proyección de tendencias obtenidas por la descomposición factorial anterior y razonados los diferentes fenómenos sobre modelos predictivos tradicionales. Sobre unos escenarios de crecimiento poblacional y económicos se aporta una proyección energética a 2030, desglosada por los principales usos finales de la energía. El año 2030 es un conocido referente en términos de los retos de energía y clima y por ello la importancia de efectuar una acertada estimación.
Se analizan diferentes modelos de predicción para series temporales, contemplando su tendencia, estacionalidad y ciclos. El uso de modelos predictivos se enmarca en la necesidad de planificar el suministro de la demanda de energía mediante fuentes de producción, dado que el nivel de almacenamiento es limitado. Se describen algunos trabajos relacionados con la previsión de demanda de electricidad, comparando con las metodologías y objetivos, que se basan en diferentes dimensiones como series temporales, variables macroeconómicas, temperatura, mediante sistemas estadísticos tradicionales o basados en nuevos algoritmos e inteligencia artificial utilizando grandes volúmenes de datos. A modo de resumen se plantea un ejercicio basado en el método de Holt-Winters, que combinará un ejercicio sobre series temporales para el pronóstico estacional de la demanda eléctrica para los diferentes estaciones y meses del año.
El efecto de las temperaturas sobre la demanda de energía es otro de los análisis de la demanda y sus efectos. Por las necesidades de calefacción y climatización, la demanda de energía viene condicionada por el clima, la variación de temperaturas influye directamente sobre el consumo energético de los edificios según la tipología de días de calor y frio sobre determinados valores de indiferencia. El impacto del clima en el consumo energético de las ciudades españolas de más de 50.000 habitantes, clasificadas por diversos índices climáticos.
A futuro será muy importante la relación de la energía con el clima, donde el conocimiento de las temperaturas, la irradiación procedente del sol, el viento o la pluviometría, son requisitos básicos a la hora de predecir el volumen de energía producible sobre la capacidad instalada en cada momento. De un 38% de generación eléctrica renovable en el año 2018 se evolucionará a un valor de al menos el doble para el año 2030 y la variabilidad climática incidirá en una volatilidad permanente de los recursos renovables.
Las energías renovables, dependientes de comportamientos variables o estocásticos, pero que con adecuadas herramientas puedan llegar a ser predecibles. Se analizan y desarrollan las diferentes metodologías de predicción, como la tendencia lineal, medias móviles simples o ponderadas, alisados exponenciales simples y ajustados. Nos dirigimos hacia un modelo de energía distribuida, predominantemente basada en sol y que será la base de un importante suministro en las ciudades con gran protagonismo de las instalaciones fotovoltaicas como las de autoconsumo, muy vinculada a la demanda de un consumidor.
Las energías renovables aumentarán la autosuficiencia de los países, pero tienen patrones con diferente ritmo horario y estacional, que condicionan a la demanda por la disponibilidad energética y la formación de precios. España es un país privilegiado por tener un mayor número de horas de sol respecto a otros países de Europa, el sol aparece como el nuevo combustible en la futura era basada en las renovables.
Una vez presentadas las alternativas para la planificación, se realiza un ejercicio de simulación, desarrollando un escenario desde la oferta de energías renovables al horizonte de 2030. Mediante la utilización de modelos y herramientas matemáticas se evalúa un escenario base de la evolución del mix eléctrico peninsular, una vez situados en el cierre de tecnologías convencionales, basadas en carbón y nuclear. Se complementa la visión de la demanda final a 2030 y permite el modelado del logro de objetivos climáticos y energéticos.
Nuestro país, al igual que en Europa, dispone de un ambicioso objetivo de evolución hacia renovables, esperando la neutralidad climática a mediados de siglo. Se está produciendo un cambio de tendencia hacia la energía limpia en todo el planeta, superando los 333 billones de € en el último año. En la medida que se alcancen los 100 GW sobre el año 2030, la garantía de suministro tendrá sus momentos de criticidad en ciertas épocas del año a la hora de dar cobertura a la demanda eléctrica. Las situaciones de ausencias de recurso renovable o vertidos para entender los retos de almacenamiento para atender la demanda energética.
Con la necesidad de estudio del almacenamiento, como nuevos requerimientos de la demanda energética futura, bajo el binomio energía y movilidad, afronta las opciones de esta tecnología. El almacenamiento puede consistir en cualquier medio tecnológico que permita capturar y conservar energía producida hasta liberarla en un posterior consumo, alejado tanto en distancia como en tiempo respecto a su producción. Con la llegada masiva del vehículo eléctrico, el almacenamiento va a posibilitar la descarbonización del transporte, transformando la movilidad que pasará a ser eléctrica, conectada y compartida. También el almacenamiento permitirá consumir los vertidos de electricidad en escenarios de alta penetración de renovables, añadiendo la flexibilidad necesaria. El análisis muestra el estado tecnológico actual, de gran desarrollo técnico y en evolución económica.
También destaca la relación que mantiene la digitalización con la energía. Se trata de servicios relativamente novedosos, pues los centros de proceso de datos, la inteligencia artificial y los algoritmos necesitarán de un creciente consumo energético hasta alcanzar los casi 2 zettabyte (1021 bytes) de tráfico IP en 2018 creciendo en dimensión cada año. El mundo cuenta con casi un 90% de acceso a la electricidad, sin embargo, el acceso a datos, si pudiéramos medirlo por el acceso a internet de la población sólo alcanza el 50%. Asistimos a un cambio de paradigma o revolución digital que hacen del “dato” el nuevo petróleo del futuro.
Por último y con la finalidad de abordar una propuesta de tesis con carácter industrial se propone la puesta en marcha de un ambicioso modelo de ciudad descarbonizada y sin contaminación. Sobre un emplazamiento de carácter aislado, la Isla de la Cartuja, se formula una propuesta de proyecto tipo “sand box” con la transformación integral hacia el modelo de ciudad futura, eficiente, digital y basada 100% en renovables.
Se describe, de manera detallada, las principales actuaciones transformadoras, agrupadas bajo cuatro áreas: energía, edificación, transporte y digitalización. Se pondrá en práctica el cumplimiento de la Directiva de eficiencia energética en edificación (UE) 2018/844 con la mejora de los 50 edificios de mayor consumo e incorporando referentes de consumo prácticamente nulo. Respecto a la Directiva (UE) 2018/2001, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, la isla modificaría su mix logrando un balance neutro en emisiones, desde autoconsumo a grandes superficies de fotovoltaica sobre aparcamiento. El transporte evolucionará hacia vehículos limpios, con el rediseño de la isla dando mayor protagonismo a la peatonalización y los espacios verdes, poniendo en práctica la Directiva (UE) 2019/1161 relativa a la promoción de vehículos de transporte por carretera limpios y energéticamente eficientes y la Directiva 2016/2284 relativa a la reducción de las emisiones nacionales de determinados contaminantes atmosféricos.
La propuesta industrial analiza en tres fases la situación actual de la isla, el paso a un autoabastecimiento con balance neutro y la plena autosuficiencia final, de la mano del almacenamiento. La propuesta desarrolla un modelo de generación basado en recursos distribuidos, por ello se profundiza en el equipamiento de digitalización, para lograr la coordinación del sistema eléctrico para un suministro estable. El proyecto pondría en práctica los modelos predictivos expuestos en la tesis, para la posterior investigación desde el proyecto.
La transición energética tratará de migrar el abastecimiento de una demanda basada en fuentes no renovables hacia otras renovables, consideradas inagotables, por su inmensa disponibilidad o por la capacidad de regeneración que tiene nuestro planeta. Se propone anticipar el cumplimiento de objetivos energéticos ambientales acotados a este espacio, y anticipar 25 años los grandes retos, con vistas a superarlos con el desarrollo de los elementos necesarios para que puedan ser exportados a otras ciudades.
