En todo el mundo, las sociedades y las industrias dependen del suministro de energía y agua. Para la energía y particularmente para la electricidad, en los últimos dos siglos, esto proviene de la generación a escala industrial basada en combustibles fósiles. A partir de la segunda década del nuevo siglo, se ha convertido en una cuestión de urgencia para abordar los desafíos nunca antes vistos, escribe Therese Cory, analista senior de Beecham Research.

Estos desafíos son tan importantes como numerosos y abarcan los siguientes temas que deben abordarse para que las empresas de servicios inteligentes se conviertan en una realidad y desempeñen su papel en la realización del sueño de las ciudades inteligentes y la vida inteligente. Los desafíos clave de hoy incluyen:

• Regulaciones nacionales e internacionales que impulsan el reemplazo de la generación de combustibles fósiles con métodos más limpios y renovables de generación de electricidad para reducir las emisiones de CO2.
• La naturaleza distribuida de la energía renovable conduce a un gran aumento en la cantidad de activos que se deben administrar en tiempo real
• Monitoreo seguro de los flujos de energía para fines de gestión y liquidación financiera a medida que los hogares y las empresas se convierten en prosumidores.
• Demanda plana de clientes en economías desarrolladas y creciente demanda en economías en desarrollo.
• El equilibrio de la oferta y la demanda para hacer que las redes eléctricas sean más eficientes.
• El rápido crecimiento en el almacenamiento a escala de red para aplicaciones de respuesta de demanda y frecuencia
• La electrificación del transporte, lo que hace que millones de baterías se conecten a la red y que la demanda máxima se desplace en el tiempo

Ninguno de estos desafíos se puede enfrentar sin la aplicación generalizada de la tecnología IoT.

Los servicios públicos de energía cubren una amplia gama de servicios – en Figura 1 identificamos la amplia gama de sectores y actividades, desde la generación de energía hasta la distribución y el uso por el consumidor. Las capas externas de la tabla ofrecen ejemplos de aplicaciones relevantes para estos sectores. Muchos serán comunes a todos los sectores, como la gestión de activos, la resolución de problemas y el mantenimiento predictivo. Si bien la forma en que se realizan los análisis depende del contexto de la aplicación, los mismos datos recopilados en la fuente deben, cuando sea posible, utilizarse para todas estas aplicaciones, en lugar de los mismos datos recopilados muchas veces, siempre que estos datos sean precisos. y no ha sido corrompido.

El sector energético necesita IoT.

Los objetivos de los usuarios y proveedores de hoy incluyen la confiabilidad y eficiencia de la energía, un suministro de energía sostenible, transmisión y consumo que se entiendan, un equilibrio entre la demanda y el suministro de energía, todo ello respaldado por una infraestructura optimizada. Al mismo tiempo, la necesidad de digitalizar las operaciones y el negocio va de la mano con la consecución de estos objetivos. Hacer que las redes sean inteligentes al instrumentar todas sus partes requerirá un análisis hábil de los datos para comprender el funcionamiento de estas entidades e identificar áreas de mejora.

Según la Agencia Internacional de Energía, el consumo global total de electricidad alcanzó cerca de 21,000TWh en 2016, un 3,2% más que el año anterior. Además, el mercado eléctrico crecerá al doble de la demanda energética general en 2040. La demanda global de gas crecerá a una tasa promedio de 1.6% para 2023. La agencia también descubrió que en 2016 la inversión en energía eléctrica El sector superó al del petróleo y el gas, impulsado por las energías renovables, incluida la energía solar, eólica, de olas y mareas, geotérmica y otras fuentes. Sin embargo, más de mil millones de personas en el mundo aún carecen de acceso a la electricidad y satisfacer esta demanda pondrá aún más presión sobre los proveedores y las redes.

Figura 1 – El Internet de las cosas en el sector energético (Fuente: Beecham Research)

Figura 2 ilustra los componentes de la cadena de suministro de energía, desde la generación hasta la transmisión, distribución y, finalmente, el consumo y la facturación. Paralelamente a estas actividades están los análisis de datos necesarios para la facturación y la medición del rendimiento. Más recientemente, la generación basada en el consumidor, como el uso de microrredes de la comunidad, paneles solares y "detrás del almacenamiento del medidor", ha comenzado a agregarse a la ecuación de demanda / suministro. La figura muestra que la conectividad es clave para todas las partes de la cadena de suministro, desde la transmisión y la distribución hasta el análisis final. La conectividad va más allá de la conexión misma. Incluye:

• Hardware y componentes: componentes de silicona, módulos, sensores, dispositivos y otros para la recopilación de datos
• Servicios de conectividad que permiten el intercambio de datos entre las plataformas IoT y entre ellas para administrar los dispositivos, analizar los datos y permitir el desarrollo de aplicaciones.
• Gestión de almacenamiento de datos y proveedores de análisis e integradores de soluciones.

La conectividad en la industria de la energía eléctrica plantea varios desafíos, entre ellos:

• Grandes volúmenes de datos
• Sistemas de TI heredados patentados
• La necesidad de seguridad mejorada debido a la conectividad con sistemas externos
• La diferente duración de los servicios públicos y las tecnologías de conectividad.

Diferentes tipos de tecnologías de conectividad están resultando útiles para diferentes propósitos. Incluyen comunicaciones de línea de energía y tecnologías de malla de radiofrecuencia (RF) como Wi-Fi y Zigbee en combinación con tecnologías de red de área amplia inalámbrica (WAN) para backhaul. También se utilizan varios tipos de tecnologías celulares, incluyendo 3G / 4G con celular de baja potencia, como IoT de banda estrecha (NB-IoT), y también tecnologías inalámbricas de área amplia sin licencia como LoRa y SigFox.

LoRa está demostrando ser una opción favorable para muchas aplicaciones relacionadas con el monitoreo y la medición de la energía. Los proponentes citan su larga duración de la batería, sus capacidades en el edificio y en el suelo junto con sus bajos costos. La tecnología también admite la geolocalización para escenarios en los que es importante saber dónde están los activos y su estado.

Un ejemplo de esto es el operador belga Proximus, que ha agregado conectividad NB-IoT a su red y tiene la intención de aumentar considerablemente su presencia en LoRa. Más detalles se pueden leer aquí: https://www.proximus.com/en/news/proximus -launches-nb-iot-network-support-digital-medidores

Semtech, un fabricante de chipsets LoRa, también suministra fabricantes de medidores que están integrando la tecnología LoRa en sus medidores inteligentes IoT para mejorar la administración de las instalaciones.

Figura 2: Los componentes de la cadena de suministro de energía (Fuente: Beecham Research)

Las aplicaciones de IoT contribuyen a la confiabilidad y resistencia de la red.

Las aplicaciones representadas en Figura 1 todo comienza con la recopilación de datos de elementos conectados de la red y los activos de generación conectados a ella. Los diferentes dispositivos recopilan diferentes tipos de datos, incluidos el voltaje, la frecuencia, la carga de energía, el estado del interruptor, la temperatura, la vibración y otros parámetros que los ingenieros están interesados ​​en describir mejor las condiciones y el funcionamiento de la red.

Seguimiento de activos

El seguimiento de activos forma parte del IoT industrial (IIoT). La instrumentación de activos es clave para rastrearlos y evitar la ocurrencia de activos varados, un problema particularmente asociado con las redes de telecomunicaciones.

El equipo eléctrico generalmente es inspeccionado en el lugar por técnicos de línea eléctrica, a veces con helicópteros equipados con cámaras. Estos identifican los problemas que podrían resultar en fallas de energía, incendios o explosiones. Además, con el creciente cambio hacia la energía renovable, se necesitan tecnologías de drones más avanzadas para monitorear las nuevas conexiones que conectan las fuentes renovables a la red eléctrica estándar.

Los drones también se utilizan para examinar la red en partes remotas de Europa: el avión no tripulado envía datos para permitir que los técnicos creen modelos virtuales de secciones de la red. Los dispositivos inteligentes de IoT relacionados con la energía, incluidos medidores, inversores, electrodomésticos y termostatos, proporcionan a las empresas de servicios públicos datos de medición que se pueden utilizar para el rendimiento, el uso, la implementación y la optimización de activos. Sin embargo, estos datos solo se pueden hacer procesables e inteligentes para las operaciones de los servicios públicos si se pueden procesar y presentar casi en tiempo real.

Mantenimiento predictivo

El mantenimiento predictivo es común a muchas industrias. Implica comparar la parte especificada del estado en tiempo real de la red con un historial de fallas. El análisis de los datos en tiempo real puede mostrar si es probable que ocurra una falla pronto para que la parte se pueda identificar y reemplazar antes de la falla. Esto mejora la confiabilidad de la red al reducir el tiempo de inactividad. Se están encontrando continuamente nuevas formas de manejar los datos para traer nuevas perspectivas y comprensión a los datos recopilados de las redes de servicios públicos. Como ejemplo de esto, The Weather Company, propiedad de IBM, ha creado un modelo predictivo que combina big data y aprendizaje automático para proporcionar servicios públicos con procesos de administración de interrupciones seguros y eficientes. El mantenimiento predictivo y otras aplicaciones de IoT también forman parte de un ciclo iterativo de mejora continua, un concepto bien entendido en la industria manufacturera. A medida que se recolectan nuevos datos y se agregan a la base de datos de expertos, se aprende más sobre el funcionamiento de varias partes de la red y la red, inteligencia que no fue posible recopilar previamente. De esta manera, el mantenimiento predictivo se convierte en mantenimiento de precisión, lo que permite una comprensión cada vez mayor del funcionamiento detallado de la red.

Medición inteligente

En el extremo del consumidor de la cadena de suministro, se están instalando medidores inteligentes en las instalaciones de toda Europa, según un mandato de la UE. La medición inteligente es un subconjunto de la red inteligente que, a su vez, evolucionó a partir de la lectura automática de contadores (AMR). Además de obtener lecturas oportunas y precisas del uso por parte del cliente, la medición inteligente también ofrece oportunidades para suministrar datos para una gama de aplicaciones útiles en sentido ascendente y descendente: respuesta a la demanda, gestión de la energía doméstica, integración del consumidor y en el futuro cada vez más vehículos eléctricos de carga y almacenamiento.

Gestión de relaciones con clientes

La gestión de las relaciones con los clientes (CRM) es cada vez más imperativa gracias a las demandas de los reguladores y los clientes que no están dispuestos a soportar un servicio deficiente. Con el aumento esperado de los requisitos de los clientes, las empresas de servicios públicos deben ser más eficientes y hacer más con menos, sin dejar de mantener a los clientes satisfechos y con un buen servicio y una información de facturación confiable.

Grandes cambios están llegando a la red tradicional.

Vehículos eléctricos

El cobro de vehículos eléctricos (EV) se convertirá en un problema a medida que más personas compren y carguen sus vehículos desde sus negocios y residencias. La red eléctrica podría verse afectada por el riesgo de sobrecarga por parte de los propietarios de automóviles nacionales. Esto requerirá un control adicional de la presión en la red.

El creciente número de vehículos eléctricos podría constituir un drenaje en la red, pero también servir como depósitos de energía para hogares y negocios. Según Bloomberg, las ventas anuales acumuladas de EV de pasajeros en todo el mundo se fijaron en cuatro millones en agosto de 2018.

En respuesta a esto, el fabricante de automóviles francés Renault, por ejemplo, ha firmado acuerdos con actores clave en los mercados energéticos europeos. Ha formado empresas en asociación con EDF, Total y Enel con el objetivo de desarrollar un ecosistema eléctrico inteligente para promover la adquisición a gran escala de automóviles eléctricos.

Renovables añadidos a la mezcla.

Se ha puesto un nuevo enfoque en la energía renovable desde que las Naciones Unidas anunciaron que se necesitarían cambios importantes en todo el mundo para limitar los efectos del cambio climático. De acuerdo con esto, ha recomendado un recorte del 45% en las emisiones de carbono para 2030. Por su parte, el gobierno del Reino Unido ha anunciado su intención de eliminar la energía del carbón para el 2025.

En una nueva señal de cambio, en 2018, Scottish Power se convirtió en la primera empresa de energía del Reino Unido en detener la generación de combustibles fósiles en favor de la energía eólica, habiendo vendido las estaciones de gas e hidroeléctricas restantes. La compañía planea invertir más en otras fuentes de energía renovable, incluida la luz solar, las mareas y la energía de las olas, aumentando su capacidad renovable total.

Agua

También existe un requisito urgente para lograr la capacidad de recuperación del agua en todo el mundo, considerando la mayor frecuencia y severidad de las sequías, así como el crecimiento de la población en las áreas urbanas y la correspondiente demanda de más suministros de agua. La Agencia Internacional de Energía afirma que más del 34% del agua bombeada se pierde como agua sin ingresos debido a la manipulación, el robo, los errores del medidor y las redes de distribución defectuosas.

Otros factores que impulsan una mayor inversión en infraestructuras de agua y aguas residuales incluyen infraestructuras envejecidas y las crecientes complejidades en el mantenimiento y la gestión de las instalaciones de agua y aguas residuales. Los sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) están resultando útiles para obtener datos de dispositivos remotos, como válvulas y bombas, y ofrecen control remoto desde una plataforma de software principal.

Se han hecho llamamientos para que el gobierno del Reino Unido obligue a las compañías de agua a introducir la medición obligatoria, utilizando medidores inteligentes. Se considera que la industria del agua debe apuntar colectivamente a reducir las fugas en un 50% para 2040, en lugar de 2050.

Thames Water, la compañía de agua más grande del país, lanzó varios proyectos en 2018 para examinar sus tuberías y detectar fugas en su red subterránea de 20,000 millas. Estos incluyen una flota de aviones no tripulados, monitoreo de aviones y satélites para enviar de vuelta las imágenes más avanzadas para revelar fugas desde la superficie. La compañía pretende alcanzar un objetivo de reducción de fugas del 15% entre 2020 y 2025; No se han cumplido los objetivos anteriores, lo que resulta en sanciones por parte del regulador.

El uso de conectividad de baja potencia también está encontrando aplicaciones en la medición y gestión del agua, así como en la energía. En España, FACSA implementará medidores de agua inteligentes habilitados para LoRa en su proyecto de ciudad inteligente, siguiendo un piloto exitoso. También se informa que Telstra está introduciendo NB-IoT para el monitoreo del agua en Australia.

¿Un futuro unido con ciudades inteligentes?

Las soluciones de energía inteligente y redes inteligentes se están explorando y diseñando hoy para respaldar y permitir los objetivos descritos en este informe. Además de abordar los desafíos actuales, la visión de IoT a largo plazo es vincular la fuente de alimentación con los proyectos de ciudades inteligentes, uniendo todos los servicios como la iluminación pública con la generación de energía. Esto podría emplear una tecnología de conectividad genérica que soporte todo el sistema de sistemas interconectados. Sin embargo, todo esto depende de una red altamente segura resistente al ataque cibernético, otro elemento clave que requiere una mejora continua.

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