Refrigeración inteligente: un ejemplo de IA aplicada y gemelos digitales en los servicios públicos municipales de Karlsruhe

Servicios municipales de Karlsruhe: sistemas inteligentes para refrigeración urbana

La necesidad de un uso más eficiente de la energía cobra cada vez mayor importancia en tiempos de cambio climático y aumento de los costes energéticos. Esto aplica no solo al suministro de calefacción y electricidad, sino también a la refrigeración, indispensable especialmente en zonas urbanas modernas y densamente pobladas, y para aplicaciones especializadas como centros de datos o instalaciones médicas. Los proveedores de energía municipales, como Stadtwerke Karlsruhe, tienen una responsabilidad especial en este sentido. No solo deben garantizar la seguridad del suministro, sino también encontrar formas innovadoras de reducir los costes operativos, contribuyendo al mismo tiempo a la sostenibilidad. Un ejemplo impresionante de cómo lograrlo es la optimización de la refrigeración de la planta de GartenCarée en Karlsruhe mediante tecnologías digitales avanzadas.

Como empresa municipal de servicios públicos con aproximadamente 1100 empleados, Stadtwerke Karlsruhe abastece de forma fiable a más de 400 000 personas de la región con fuentes de energía esenciales como electricidad, gas natural, calefacción urbana y agua potable. Parte de esta amplia gama de responsabilidades incluye la operación y el mantenimiento de sistemas energéticos complejos para grandes complejos de edificios, como el sistema de refrigeración del GartenCarée. Este complejo es multifuncional y alberga apartamentos, oficinas, consultorios médicos, tiendas, restaurantes y un centro de datos crítico. Un suministro de refrigeración ininterrumpido y en función de la demanda es esencial para el correcto funcionamiento de todas las unidades.

El sistema de refrigeración existente en GartenCarée no presenta un diseño sencillo. Combina diferentes tecnologías para permitir el suministro más flexible y energéticamente eficiente posible. En su núcleo se encuentran tres enfriadores de absorción, que ofrecen la ventaja de poder funcionar no con electricidad costosa, sino con calefacción urbana ecológica o incluso con el calor residual de una refinería cercana. Este sistema se complementa con un enfriador de compresión convencional con dos compresores, que se utiliza cuando la demanda de refrigeración es alta o en condiciones de funcionamiento específicas, así como con una torre de refrigeración que disipa el exceso de calor al ambiente.

A pesar de la posibilidad fundamental de responder con flexibilidad a la demanda de refrigeración y a las temperaturas exteriores mediante la combinación de diferentes fuentes de energía, la empresa municipal de servicios públicos de Karlsruhe se enfrentaba a un reto común: la falta de transparencia detallada sobre el consumo energético real de todo el sistema y la interacción de los componentes individuales. Antes de la implementación de una solución inteligente, la información sobre la eficiencia se limitaba básicamente al balance anual. Si bien era posible determinar al final del año cuántos megavatios-hora de refrigeración se habían producido y cuánta electricidad y calefacción urbana se había utilizado en total, no era posible realizar un análisis detallado de qué componente consumía cuánta energía en qué momento y si esta se encontraba en una proporción óptima con la refrigeración producida. Los responsables de la empresa municipal de servicios públicos describieron acertadamente esta situación como una especie de "vuelo a ciegas", ya que el potencial de optimizaciones específicas permanecía en gran medida oculto.

Objetivo del proyecto: Mayor transparencia y ganancias significativas de eficiencia

El objetivo claro de las empresas municipales de servicios públicos de Karlsruhe era, por lo tanto, acabar con esta falta de transparencia. No solo buscaban identificar posibles ahorros, sino también implementarlos de forma activa y automática. La solución residía en la implementación de un sistema automatizado de gestión del sistema energético. Este sistema, desarrollado por la empresa especializada Factor4Solutions, se basa en software con inteligencia artificial y utiliza el concepto de gemelo digital. La introducción de este sistema permitió una forma radicalmente nueva de controlar el sistema de refrigeración, así como una monitorización energética muy detallada.

La instalación del software y los sensores necesarios permitió, por primera vez, visualizar y medir en detalle todos los flujos de energía dentro del sistema de refrigeración. Parámetros como el caudal volumétrico del agua refrigerada y de refrigeración, las temperaturas en distintos puntos del sistema y el consumo energético exacto (electricidad y calefacción urbana) de cada componente, desde los absorbedores hasta los compresores y bombas, e incluso la torre de refrigeración, se registran y analizan en tiempo real. Esta completa base de datos es clave para la optimización. El software puede analizar continuamente qué condiciones de funcionamiento son las más económicas. Un ejemplo sencillo pero eficaz de este potencial de optimización, revelado por la adquisición transparente de datos, es el control de bombas. A menudo, las bombas de los sistemas de refrigeración funcionan al 100 % del caudal volumétrico, independientemente de la demanda real. Sin embargo, un análisis detallado muestra que, dependiendo de la capacidad de refrigeración requerida y del estado del sistema, bastaría con un 60 % o incluso menos. El funcionamiento manual o invariable de estas unidades conlleva un consumo eléctrico significativo e innecesario.

Un problema que a menudo se pasa por alto en los sistemas de refrigeración, y que solo se hace evidente mediante un análisis detallado, es el consumo energético de los equipos auxiliares. Las bombas, los ventiladores de la torre de refrigeración u otras unidades auxiliares pueden, en ocasiones, consumir una energía similar o incluso mayor que la de las unidades de refrigeración, especialmente si no se controlan de forma óptima. Además, en muchos sistemas, la optimización se limita a componentes individuales o a un estado de funcionamiento ideal que rara vez se alcanza en la realidad, normalmente en menos del tres por ciento de todas las horas de funcionamiento. Esto provoca un desperdicio significativo de energía eléctrica durante la mayor parte del tiempo de funcionamiento. La mejora específica de la interacción de todos los componentes del sistema es precisamente la especialidad de la solución implementada.

Después de seis meses: éxitos tangibles y alto potencial

El software inteligente de Factor4Solutions adopta un enfoque holístico. No considera cada componente de forma aislada, sino todo el sistema de refrigeración como una unidad dinámica. El consumo energético de todas las unidades relevantes (enfriadores, bombas, ventiladores, etc.) se evalúa conjuntamente. Esto es posible gracias al uso de gemelos digitales de los componentes individuales y del sistema completo. Un gemelo digital es, en esencia, un modelo virtual de alta precisión que refleja el sistema real en tiempo real. Este modelo permite a la IA calcular diversos escenarios operativos y determinar continuamente cómo deben funcionar conjuntamente los componentes individuales para lograr la máxima eficiencia del sistema.

El sistema ya no se controla según esquemas rígidos y predefinidos (p. ej., una máquina específica siempre funciona con carga base y otra con carga punta), sino de forma dinámica y en función de la demanda. La selección y el control de las unidades se basan ahora en las condiciones meteorológicas actuales (temperatura exterior), la demanda real de refrigeración y la eficiencia determinada. Mediante protocolos de comunicación estandarizados, el sistema inteligente de gestión del sistema activa y regula selectivamente la salida de cada enfriadora y unidad auxiliar. El resultado es un funcionamiento que alcanza la máxima eficiencia posible a nivel de sistema en cualquier situación de carga imaginable y en cualquier condición ambiental.

La eficacia de este enfoque se hizo evidente en la empresa municipal de servicios públicos de Karlsruhe poco después de la finalización de la fase de prueba y la puesta en marcha completa del sistema. En los primeros seis meses tras la transición al control inteligente, la empresa registró una reducción significativa en el consumo anual de electricidad: un ahorro de más del 20 % en comparación con el mismo período del año anterior. Esta mejora en la eficiencia se refleja directamente en los costes operativos y ya ha generado ahorros financieros de cinco cifras en estos primeros seis meses.

Pero según los expertos, esto es solo el principio. Los primeros seis meses de funcionamiento con el nuevo sistema de control también incluyeron periodos en los que el sistema funcionó parcial o totalmente con los antiguos controles convencionales. El potencial de esta solución inteligente se despliega a lo largo de un ciclo anual completo, ya que el modo de funcionamiento óptimo de las distintas enfriadoras (absorción, compresión, refrigeración gratuita) depende en gran medida de la estación del año, la temperatura exterior y la demanda específica de refrigeración. Los cálculos de Factor4Solutions, basados ​​en datos operativos iniciales y simulaciones con el gemelo digital, predicen un ahorro energético potencial de más del 40 % a lo largo de un año completo de funcionamiento. Este ambicioso objetivo está ahora firmemente en la mira de la empresa municipal de servicios públicos de Karlsruhe.

De lo local a lo global: las pymes conquistan el mercado global con estrategias inteligentes - Imagen: Xpert.Digital

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100 por ciento de confiabilidad operativa mediante monitoreo inteligente

Además de la eficiencia energética y la reducción de costes, la fiabilidad operativa del sistema es fundamental para una empresa de servicios públicos como Stadtwerke Karlsruhe. Especialmente al abastecer un centro de datos, donde incluso breves interrupciones pueden tener graves consecuencias, la disponibilidad continua de refrigeración es fundamental. La solución inteligente ofrece otra ventaja crucial: el sistema no solo se configura una vez y se gestiona de forma independiente, sino que es supervisado, probado y optimizado continuamente de forma remota por el proveedor, Factor4Solutions.

Si bien la empresa municipal de servicios públicos cuenta con sus propios sistemas de monitorización y personal cualificado, el soporte especializado adicional del equipo de expertos de Factor4Solutions, con su profundo conocimiento en tecnología de refrigeración y optimización de sistemas basada en IA, representa un valioso complemento. Mediante la monitorización remota continua mediante IA, el sistema puede detectar con frecuencia anomalías o posibles problemas antes de que provoquen un fallo de funcionamiento. Gracias al gemelo digital y a la comparación en tiempo real de los datos operativos actuales con el estado ideal del modelo, se pueden identificar desviaciones con antelación e informar a los clientes de forma proactiva sobre posibles fallos o medidas de mantenimiento necesarias. Esto permite un mantenimiento predictivo y evita paradas imprevistas. Garantizar la disponibilidad operativa en todo momento es fundamental para la empresa municipal de servicios públicos de Karlsruhe, en particular debido a su obligación contractual de suministrar refrigeración, en particular al centro de datos sensible de GartenCarée.

Introducción e integración de la solución

Desde la perspectiva de la empresa municipal de servicios públicos, la introducción e implementación de la solución inteligente se desarrolló sin contratiempos. La colaboración con el proveedor de servicios externo, que ya gestiona la tecnología de medición y control de la empresa, fue esencial en este proceso.

Juntos, se identificaron y aprobaron los puntos de datos necesarios para la configuración del software. Factor4Solutions, que gestiona la solución remotamente desde su sede en Berlín, había comunicado con antelación qué puntos de datos específicos del sistema de control de la planta se necesitaban. Estos incluían, por ejemplo, caudales, temperaturas y las lecturas precisas de los contadores de calor y frío.

Una vez proporcionados estos datos, el software se configuró rápidamente. En un día, el sistema estaba prácticamente configurado y pudo comenzar la recopilación de datos y el análisis inicial. Tras solo cuatro a seis semanas, se dispuso de un primer análisis exhaustivo de los datos de la planta. Con la información obtenida de este análisis, el sistema pudo perfeccionarse. Por ejemplo, se identificó qué puntos de datos adicionales serían útiles para una optimización aún más precisa, y el sistema se amplió y calibró en consecuencia.

Esta integración relativamente simple y rápida hace que la tecnología sea fundamentalmente interesante para una amplia variedad de aplicaciones e industrias, dondequiera que se utilicen sistemas de refrigeración complejos y sea necesario aumentar su eficiencia.

La rápida amortización como fuerte argumento para ampliar la cooperación

Los efectos positivos de la optimización inteligente de la refrigeración se hicieron evidentes de forma rápida y convincente para las empresas de servicios públicos municipales de Karlsruhe. Una comparación del consumo energético anual y la producción de refrigeración con respecto al año anterior, a pesar de que el nuevo sistema de control solo llevaba seis meses en pleno funcionamiento, ya mostraba un aumento significativo de la eficiencia y un ahorro energético mensurable.

El aspecto económico es especialmente alentador: el periodo de amortización del sistema es notablemente corto. Los costes anuales del software y el soporte continuo de los especialistas en refrigeración de Factor4Solutions se compensan con el ahorro energético logrado en los primeros cinco meses de funcionamiento. Esto significa que, a partir del sexto mes del año, el sistema genera un ahorro neto que supera los costes iniciales. Este rápido retorno de la inversión (ROI) es un argumento convincente para la implementación de estas tecnologías.

Dadas las experiencias positivas y las mejoras demostradas en la eficiencia, no sorprende que la empresa municipal de servicios públicos de Karlsruhe no solo esté considerando ampliar su colaboración con Factor4Solutions, sino que ya la esté implementando. Otro de sus sistemas de refrigeración también está siendo gestionado y optimizado por el sistema inteligente. Además, la empresa opera otros sistemas de refrigeración de diversos tamaños y complejidad que podrían optimizarse mediante la solución de IA. Dado que la tecnología ha demostrado ser flexible e integrable en prácticamente todos los sistemas de refrigeración comunes, es muy probable que se puedan lograr análisis significativos, mayor transparencia y un mayor potencial de ahorro en estos sistemas mediante el uso de IA y gemelos digitales.

El proyecto de GartenCarée en Karlsruhe es un ejemplo exitoso de cómo las tecnologías digitales modernas, en especial la inteligencia artificial y los gemelos digitales, pueden revolucionar la eficiencia energética en un sector tradicionalmente intensivo en energía como el de la refrigeración. Al transformar las instalaciones operativas en sistemas transparentes y controlados inteligentemente, los proveedores de energía no solo pueden lograr ahorros significativos en costos operativos, sino también aumentar la confiabilidad operativa y contribuir de manera vital a la reducción del consumo de energía y, por lo tanto, a la protección del clima. El éxito de la empresa municipal de servicios públicos de Karlsruhe demuestra que las inversiones en sistemas de optimización inteligentes basados ​​en datos se amortizan rápidamente y allanan el camino hacia un suministro de energía más sostenible y eficiente. El impresionante ahorro inicial de más del 20 % y el potencial proyectado de más del 40 % subrayan el enorme potencial inherente al control inteligente y la interconexión de los sistemas energéticos.

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Konrad Wolfenstein

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