Hasta hace unos años, los modelos matemáticos y físicos eran las herramientas de referencia para la planificación de los sistemas de energías renovables. Sin embargo, este conjunto de algoritmos, solamente al alcance de usuarios con una formación científica muy avanzada, se han visto relegados por gemelos digitales, más dinámicos y sencillos de manejar.
Ahora, un equipo del Centro de Investigación en Energía Solar (CIESOL), centro mixto de la Universidad de Almería (UAL) y la Plataforma Solar de Almería (PSA), acaba de diseñar un gemelo digital de la planta termosolar del edificio demostrativo CIESOL, que aporta calor a una máquina de absorción encargada de la climatización de esta construcción bioclimática.
Por qué los gemelos digitales pueden sustituir a los modelos matemáticos en el control de plantas de renovables
Los gemelos digitales están llamados a sustituir a los modelos matemáticos en la gestión y control de plantas de energías renovables, al menos, a nivel de usuario. Estas representaciones virtuales son sencillas de utilizar, ofrecen una información clara y van al centro del problema, no tanto a explicar el razonamiento científico que se esconde detrás de él.
Estas construcciones virtuales simulan, hasta el más mínimo detalle, el comportamiento de una planta de energía solar. Y van más allá, ya que incorporan factores externos a la propia planta y que afectan a su funcionamiento, como el sombreado del entorno e información de carácter meteorológico. Son herramientas muy potentes, que ofrecen predicciones de alta fiabilidad del comportamiento de las estructura que reproducen, una información que, en el caso de las energías renovables, facilita la planificar el mix energético de un entorno, así como detectar fallos, y todo en tiempo real.
La construcción de la representación virtual de la planta termosolar de colectores planos de CIESOL se ha elaborado mediante la tecnología de redes neuronales, un tipo algoritmos de inteligencia artificial que imita el comportamiento del cerebro humano. Y ha corrido a cargo de investigadores del grupos de la UAL de Automática Robótica y Mecatrónica (ARM), en colaboración con la investigadora del grupo de Supercomputación y Algoritmos, Juana López Redondo.
En qué se diferencia el gemelo digital de la planta termosolar de CIESOL
A diferencia de otros gemelos digitales, el diseñado por el equipo de la UAL se ha complementado con una página web y una interfaz sencillas, para que cualquier operario pueda acceder a los datos de la planta en tiempo real y detectar posibles fallos en la producción energética, sin tener que conocer a fondo la física y las matemáticas sobre las que se ha construido la planta solar.
El investigador del grupo ARM, José Domingo Álvarez Hervás, explica que la construcción del gemelo digital permite contar con una herramienta para «predecir el comportamiento del campo de colectores, conocer la potencia de salida de la planta y detectar fallos en el sistema».
Las predicciones ofrecidas por el gemelo digital se emplean para planificar la producción energética del edificio y programar actuaciones como la puesta en marcha de un sistema de generación de energía alternativo, como la caldera de gas con la que también cuenta el edificio, en el momento justo en que se prevé que la planta de colectores solares no será suficiente para generar el calor que necesita la máquina de climatización por absorción, añade la también investigadora del grupo ARM, María del Mar Castilla.
Qué información adicional aporta esta herramienta
«La previsión y planificación se podía hacer con modelos clásicos. Pero el gemelo digital, además de proporcionarte esa previsión, también te aporta información de si el sistema está comportándose como debiera, y todo en tiempo real», afirma José Domingo Álvarez.
Para la construcción del modelo digital han sido fundamentales datos históricos sobre el funcionamiento de esta instalación de energía solar térmica, recabados a lo largo de los años que lleva en funcionamiento. En esta información se recogen los niveles de producción energética a lo largo del día y en los diferentes meses del año, así como el comportamiento de la planta solar ante las distintas condiciones meteorológicas, como temperatura y humedad relativa. Pero no solamente, sino que también se disponen de información precisa de la posición del sol y del sombreado de la planta producido por los edificios que rodean el centro CIESOL.
Los investigadores de la UAL se han encargado de procesar todos los datos de funcionamiento y los han empleado para el entrenamiento del algoritmo que es el cerebro del gemelo digital.
Qué ha aprendido el gemelo digital de CIESOL
«Con el entrenamiento, el gemelo digital aprende a relacionar qué valor de salida le corresponde a cada valor de entrada, y sin necesidad de que los diseñadores conozcan la física que hay detrás de todo el sistema», explica José Domingo Álvarez.
El equipamiento de control de la planta termosolar cuenta también con un sistema de detección de fallos, que emite un mensaje de alarma en el momento en el que los datos de producción del sistema real no se corresponden con la predicción realizada por el gemelo digital. Si eso ocurre, el operario encargado de la instalación procede a la revisión de la planta, para detectar dónde se ha producido el fallo y proceder a su resolución.
En este tipo de instalaciones solares, las desviaciones en la generación de energía pueden venir por un defecto en una de las placas solares, por alguna fuga de calor o, algo mucho más simple y sencillo de solucionar, por una acumulación de suciedad en los colectores solares.
El gemelo digital se ha desarrollado al amparo del proyecto de Sistemas de Control y Gestión usando Tecnologías de la Información y Comunicación para edificios de energía cero (COMMIT4.0EB) y el proyecto de Nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia energética en los edificios (NTech4Build), ambos con financiación nacional. Y el siguiente paso, en el que ya están trabajando el equipo de la UAL pasa por implementar el propio gemelo digital con un sistema de inteligencia artificial adicional, capaz de detectar el motivo del fallo, a partir de la experiencia cosechada a lo largo de los años.
Qué otros usos puede tener este desarrollo basado en inteligencia artificial
El gemelo digital desarrollado para la planta termosolar de CIESOL es tan versátil que se puede aplicar a cualquier otra instalación. Estos mismos investigadores han abierto una línea de colaboración nueva con la Universidad de Sevilla, para el desarrollo de otro gemelo digital que imitará el funcionamiento de la planta fotovoltaica de CIESOL y completará el sistema de predicción de la producción energética de este edificio de referencia.
El trabajo de los investigadores de la UAL con estos gemelos digitales tiene aplicaciones múltiples, porque más allá de la herramienta en sí, su importancia radica en la metodológica de desarrollo del propio gemelo digital, que se puede aplicar a cualquier otro sistema del que se tengan datos históricos.
