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Capítulo 15 Smarthoods: Microredes integradas de acuapónica

1. 15.1 Introducción

   Original publication 2019 · Publicado por primera vez en FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   El cambio hacia un sistema energético totalmente sostenible requerirá, en parte, pasar de un sistema centralizado de generación y distribución a un sistema descentralizado, debido al aumento de las tecnologías descentralizadas de generación de energía que utilizan radiación eólica y solar en tejados. Además, la integración de los sectores de la calefacción y el transporte en el sistema eléctrico dará lugar a un aumento muy significativo de la demanda máxima. Estos desarrollos requieren adaptaciones masivas y costosas a la infraestructura energética, mientras que se espera que la utilización de los activos de producción existentes disminuya del 55% al 35% para 2035 (Strbac et al. 2015). Esto plantea un gran desafío, pero también una oportunidad: si los flujos de energía pueden equilibrarse localmente en microgrids, la demanda de actualización costosa de la infraestructura puede reducirse al mínimo, al tiempo que proporciona estabilidad adicional a la red principal. Por estas razones, «las microredes han sido identificadas como un componente clave de la Smart Grid para mejorar la fiabilidad y la calidad de la energía, aumentando la eficiencia energética del sistema» (Strbac et al. 2015).

   Las microredes pueden proporcionar resiliencia y flexibilidad muy necesarias y, por lo tanto, es probable que desempeñen un papel importante en el sistema energético del futuro. Se estima que para 2050, más de la mitad de los hogares de la UE generarán su propia electricidad (Pudjianto et al. 2007). Por lo tanto, es necesario liberar recursos flexibles dentro de las microredes para equilibrar la generación intermitente de energía renovable.

   Los sistemas agrícolas urbanos, como la acuapónica (dos Santos 2016), pueden proporcionar esta flexibilidad energética tan necesaria (Goddek y Körner 2019; Yogev et al. 2016). Las plantas pueden crecer dentro de una amplia gama de condiciones externas, ya que están acostumbradas a hacerlo en la naturaleza. Lo mismo se aplica a los peces en un sistema de acuicultura, que pueden prosperar en un amplio rango de temperatura. Estas condiciones de funcionamiento flexibles permiten un efecto amortiguador en los requisitos de entrada de energía, lo que crea un gran grado de flexibilidad dentro del sistema. La alta masa térmica encarnada por el sistema de acuicultura permite almacenar grandes cantidades de calor dentro del sistema. Las luces se pueden encender y apagar dependiendo de la abundancia de electricidad, lo que permite reducir el exceso de generación de electricidad convirtiéndola en valiosa biomasa. Las bombas se pueden operar en sincronía con tiempos máximos de generación de energía (por ejemplo, mediodía) para limitar la potencia máxima neta (afeitado pico). Las unidades de destilación óptimas (cap. 8 también tienen una demanda de calor muy flexible y pueden apagarse tan pronto como haya un exceso de suministro de calor o electricidad (es decir, la bomba de calor convertiría entonces la energía eléctrica en energía térmica). Todos estos aspectos hacen que los sistemas aquapónicos sean adecuados para proporcionar flexibilidad a una microred.

   Además de proporcionar flexibilidad en el consumo, un sistema acuapónico de bucle múltiple puede integrarse aún más para proporcionar flexibilidad en la producción. El biogás se produce como subproducto de la UASB en la instalación acuapónica. Este biogás puede ser quemado para producir calor y potencia, incorporando un micro-CHP en la microred. La integración de los sistemas aquapónicos dentro de las microredes puede, por lo tanto, aumentar la flexibilidad energética tanto en la demanda como en la oferta.

2. 15.2 El concepto de Smarthoods

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   Para aprovechar todo el potencial del nexo Alimento-Agua-Energía con respecto a las microredes descentralizadas, un enfoque totalmente integrado se centra no sólo en la energía (microred) y la alimentación (acuapónica), sino también en la utilización del ciclo local del agua. La integración de varios sistemas de agua (como la recogida de aguas pluviales, el almacenamiento y el tratamiento de aguas residuales) en microredes integradas acuapónicas ofrece el mayor potencial de eficiencia, resiliencia y circularidad. El concepto de una microred alimento-agua-energía totalmente integrada y descentralizada se referirá a partir de ahora como un Smarthood (barrio inteligente) y se describe en la Fig. 15.2.

   El beneficio de implementar la acuapónica en el concepto Smarthoods es su potencial para contribuir a optimizar los flujos integrados de nutrientes, energía y agua (Fig. 15.1). Este potencial de integración va mucho más allá de lo ya mencionado

   El nexo alimento-agua-energía

   30% de la demanda mundial de energía se utiliza para la agricultura 70% de la demanda mundial de agua dulce se utiliza para la agricultura

   

   Fig. 15.1 El nexo alimento-agua-energía muestra la interacción entre la energía, el agua y la producción de alimentos (basado en IRENA 2015)

   img src="media/image-20201002190013698.png» alt="Sistemas Acuapónicos desacoplados en una Smarthood» style="zoom: 67%;»/

   Fig. 15.2 La integración de los sistemas acuapónicos desacoplados (tal como se describe en Cap. 8 en un entorno local descentralizado según el concepto de Smarthoods. Las flechas verdes muestran hasta qué punto un sistema acuapónico puede interactuar con el sistema general. Las flechas rojas representan flujos de calor, las flechas azules fluyen el agua y las flechas amarillas fluyen la potencia

   cruces entre los sistemas de energía y alimentos. Por ejemplo, los flujos de desechos biodegradables que se producen pueden tratar en reactores anaeróbicos (por ejemplo, UASB) y generar biogás y bio-fertilizante (Goddek et al. 2018). Incluso los lodos desmineralizados pueden utilizarse como estiércol líquido en tierras de cultivo convencionales.

   img src=» https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom: 75%;»/

   Fig. 15.3 Foto ilustrada de De Ceuvel (fuente: Metabolic.nl — www.metabolic.nl)

   Ejemplo 15.1

   Un primer ejemplo de desarrollo de microredes acuapónicas integradas urbanas es De Ceuvel, un astillero previamente abandonado en Amsterdam-Norte que se ha convertido en un espacio de oficinas y centro recreativo autosuficiente. De Ceuvel sirve como banco de pruebas para las nuevas tecnologías y políticas destinadas a crear una economía circular. Cuenta con una microred totalmente eléctrica que incluye fotovoltaica solar, bombas de calor y comercio de energía peer-to-peer a través de la cadena de bloques usando su propio token de energía: el Jouliette ¹. Un pequeño establecimiento acuático produce hierbas y verduras para el restaurante del establecimiento. El mismo restaurante utiliza biogás extraído de residuos orgánicos producidos localmente para sus actividades de cocina, así como para la calefacción de espacios. Además, hay un laboratorio presente que se utiliza para probar la calidad del agua y extraer fosfatos y nitratos.

   Aunque actualmente De Ceuvel no utiliza activamente la instalación acuapónica para aumentar la flexibilidad de su microred, se están instalando sensores para monitorear los flujos de energía y nutrientes con el fin de evaluar su rendimiento. Estos datos se utilizarán para ayudar al desarrollo de microredes acuapónicas urbanas integradas más nuevas e inteligentes, como el concepto Smarthoods propuesto en este capítulo. Los casos de uso temprano encontrados en laboratorios urbanos como De Ceuvel son esenciales para el desarrollo exitoso del concepto Smarthoods (Fig. 15.3).

   Aunque un enfoque holístico de los sistemas urbanos FWE, como los conceptos Smarthoods, ofrece muchos beneficios, la integración de los sistemas acuapónicos dentro de las microredes sigue siendo muy dependiente de los casos. Los sistemas de producción de alimentos acuapónicos se caracterizan por un mayor rendimiento y una menor huella hídrica, nutritiva y energética que los sistemas agrícolas convencionales; sin embargo, también son más costosos de construir. Por lo tanto, son los más adecuados en lugares que requieren altos rendimientos debido, por ejemplo, a las limitaciones de espacio. En las zonas urbanas densas, puede que no siempre haya espacio suficiente para construir una instalación acuapónica, mientras que para las zonas rurales el costo de la tierra puede ser demasiado bajo como para justificar la construcción de una instalación acuapónica de última generación; una instalación agrícola estándar con costos de financiación y rendimiento más bajos será más adecuada en tales casos. El caso de uso más óptimo para una instalación acuapónica integrada es aquel en el que se dispone de espacio suficiente y se requiere un alto rendimiento por superficie para compensar el costo del uso del suelo. Por lo tanto, los barrios suburbanos y otras zonas urbanas (por ejemplo, un almacén abandonado) son más propensos a ver la primera implantación de microredes integradas con una instalación acuapónica (véase el ejemplo 15.1).

   Footnotes

   1. https://www.joulitte.net ↩

3. 15.3 Gol

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   El objetivo de esta investigación es cuantificar el grado de autosuficiencia y flexibilidad para una microred integrada con un sistema acuapónico multibucle desacoplado.

4. 15.4 Método

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   Un barrio de 50 hogares se asumió como «Smarthood», con una instalación acuapónica multibucle disociada presente que es capaz de suministrar pescado y verduras a los 100 habitantes de la Smarthood.

   Para la modelización detallada de la Smarthood, se utilizó un hipotético caso de referencia de un barrio suburbano de Ámsterdam, compuesto por 50 hogares (casas) con una ocupación promedio de 2 personas por hogar (100 personas en total). Además, una instalación acuapónica urbana consiste en un invernadero, un sistema de acuicultura, un UASB y una unidad de destilación. El dimensionamiento de los diferentes componentes se basa en datos de un hogar típico neerlandés e invernadero (véase el cuadro 15.1).

   15.4.1 El Modelo del Sistema Energético

   Se realizó un Modelo de Sistema Energético (ESM) que puede simular los flujos de energía de una amplia gama de componentes, cuyas principales especificaciones se muestran en la Tabla 15.2. El MEDE es capaz de calcular los flujos de energía para cada componente para cada hora del año.

   Cuadro 15.1 Requisitos alimentarios y energéticos por persona/hogar en los Países Bajos

   tabla tead tr td/td La media (por capitía/año) /a thTotal (100 personas) /a Thsource/th /tr /thead tbody tr th Colspan=4alimentos/th /tr tr TDConsumo de vegetales (Países Bajos) /td td 33 kgsupa/sup (mientras que se recomiendan u73 kg/u /td td 7300 kg /td td EFSA (2018) /td /tr tr class="impar» TDÁrea de invernadero/td requerida/ td Aprox. 4 msup2/sup /td td 400 msup2/sup /td td Estimado en base a mín. recomendación de consumo /td /tr tr class="incluso» Consumo de TDFec/td td 20 kg /td td 2000 kg /td td FAO (2015) /td /tr tr class="impar» TD Volumenupb/sup/td td 0.2 msup3/sup /td td 20 msup3/sup /td td Estimado /td /tr tr th colspan=4 Energía/th /tr tr class="impar» TDConsumo de calor doméstico (Países Bajos) /td td 6500 kWHsubth/Sub/Casa/año /td td 325 MWHsubth/sub/año /td td CBS (2018) /td /tr tr class="incluso» td RowSpan=2RAS consumo de electricidad/td td rowspan=2 0.05—0.15 kWSube/Sub/MSUP3/SUP /td td 1—3 KWSube/Sub /td td rowspan=2 (Espinal, pers. comunicación) /td /tr tr class="impar» td 8,76—28,26 MWSube/sub/ año /td /tr /tbody /tabla

   Supa/supLa persona neerlandesa promedio come 50 kg de verduras al año. Sin embargo, sólo 33 kg de verduras que se pueden cultivar en sistemas hidropónicos, que son verduras fructíferas 31.87 g/día, verduras brassica 22.11 g/día, verduras de hoja 12.57 g/día, leguminosas 19.74 g/día, verduras de tallo 4.29 g/día

   SUPB/Supconsiderando una densidad máx. de pescado de 80 kg/msup3/sup

   Tabla 15.2 Componentes de producción

   tabla tead tr class="cabecera» El Componente/th th Tamaño /th th Especificaciones /th /tr /thead tbody tr class="impar» TDSolar PV/TD td 40 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0,15 /td /tr tr class="incluso» TDurban turbina eólico/td td 20 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0,33 /td /tr tr class="impar» Bomba TDHeat td 10 kWsubp, e/sub /td td POLICÍA: 4.0 /td /tr tr class="incluso» TDCHP/TD td 20 kWsubp, e/sub /td td ETASUBEL/sub: 0,24, ETASubth/sub = 0,61 /td /tr tr class="impar» TDCelda de combustible/td td 10 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0,55 /td /tr tr class="incluso» Tdelectrolyser/TD td 20 kWsubp, e/sub /td td Eta: 0,45 /td /tr tr class="impar» TDBatería/TD td 200 kWh /td td Eta: 0,90 /td /tr tr class="incluso» TDHot agua tanque/td td 930 kWh /td td 40—60C /td /tr tr class="impar» TDHydrogen/td td 1000 kWh /td td 30 kg de almacenamiento HSub2/sub /td /tr /tbody /tabla

   El sistema energético fue modelado en MATLAB utilizando datos de perfil energético para Amsterdam obtenidos a través de DesignBuilder. El modelo numérico de series temporales incorpora una amplia selección de tecnologías energéticas, enumeradas en el cuadro 15.2 con sus especificaciones pertinentes (Fig. 15.4).

   El Modelo de Sistema Energético (ESM) utiliza sentencias condicionales simples para el proceso de toma de decisiones, es decir, es un sistema de control basado en reglas. En la versión actual de este modelo, el control está centralizado, con el objetivo de autoconsumo

   

   Fig. 15.4 El modelo de microred acuapónica (F. de Graaf 2018), que muestra los balances energéticos de potencia (diagrama superior) y calor (diagrama inferior) para el caso de referencia (Amsterdam)

   maximización del sistema en su conjunto (en una versión futura, la arquitectura de control se descentralizará; véase Sect. 15.5). Las declaraciones condicionales para lograr esto se pueden declarar de la siguiente manera:

   1. Mantenga el almacenamiento de calor al mínimo.

   2. Predicción de la producción y el consumo de electricidad inflexible prevista.

   3. (a) Si la batería está llena, encienda el consumo flexible.

   (b) Si la batería está vacía, encienda la generación flexible.

   Al mantener el almacenamiento de calor al mínimo, se maximiza el amortiguador para el equilibrio energético flexible. Si hay una sobreproducción de electricidad inflexible (es decir, producción de electricidad que no puede programarse ni controlarse de manera flexible, como solar o eólica), la bomba de calor puede encenderse para crear un amortiguador proporcionado por el almacenamiento de agua caliente y la masa térmica del sistema RAS aquapónico. Por el contrario, si hay una subproducción de electricidad, la generación flexible como la cogeneración y la pila de combustible se puede encender, aprovechando así la capacidad de almacenamiento térmico.

   Tanto para el calor como para la potencia, el balance energético es equivalente a

   $P_ {gen, flex} + P_ {gen, inflex} + P_ {grid} = P_ {contras, inflex} + P_ {contras, flex} + P_ {almacenamiento} $ (15.1)

   Las generaciones flexibles incluyen la bomba de calor, la unidad combinada de calor y potencia (CHP), la pila de combustible, la batería y los dispositivos inteligentes/flexibles (por ejemplo, bombas acuapónicas). Los colectores eólicos, solares fotovoltaicos (fotovoltaicos) y solares se clasifican como generación inflexible. Los dispositivos no flexibles constituyen la mayor parte del consumo de electricidad, especialmente en invierno (debido a la necesidad de iluminación instantánea) (Fig. 15.5).

   

   Fig. 15.5 Ejemplo de los flujos de energía (diagrama de Sankey) de una posible configuración de microred integrada en De Ceuvel (de Graaf 2018), incluyendo un biodigestor para la producción de biogás. Esta configuración particular no incluye la unidad combinada de calor y potencia que está presente dentro del concepto Smarthood, ni tiene en cuenta una gran instalación acuapónica

5. 15.5 Resultados

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   El consumo eléctrico y térmico total de las viviendas y de la instalación acuapónica de invernadero (modelado a partir de los datos de los cuadros 15.1 y 15.2) se muestra en el cuadro 15.3. La instalación de invernadero acuapónico es responsable del 38,3% del consumo de energía y del 51,4% del consumo de calor. Por lo tanto, la demanda de energía para una instalación acuapónica integrada en una microred residencial es ligeramente superior a un tercio de la demanda total de energía local, dado que toda la energía residencial y la producción de vegetales y peces se realiza localmente. La demanda de calor representa aproximadamente el 50% de la demanda total de calor, que puede atribuirse en gran parte a la unidad de destilación que funciona con agua de alta temperatura.

   Como se puede ver en los Figs. 15.4 y 15.6, el sistema energético Smarthoods es capaz de equilibrar la producción y la demanda la mayor parte del tiempo. La cuota total de electricidad importada de la red es del 4,62% para el caso de referencia. A veces, se puede observar un ligero desequilibrio de potencia, que se puede atribuir a un control subóptimo para la versión actual del modelo en su mayor parte. El CHP, por ejemplo, cambia de un estado a otro varias veces en el transcurso de varias horas, lo que resulta en una sobreproducción de electricidad. Este comportamiento no se producirá en el caso de un sistema de control más optimizado, ya que el CHP puede reducirse en aumento en coordinación con la bomba de calor para proporcionar la cantidad precisa de electricidad y calor necesarios.

   15.5.1 Flexibilidad

   El sistema es altamente flexible gracias al sistema CHP y a la instalación acuapónica, con su iluminación flexible y sus bombas, y su alta capacidad de amortiguación térmica, así como al

   Tabla 15.3 Carga eléctrica y térmica para diferentes aspectos de la microred

   tabla tead tr class="encabezado» th/th th Residencial /th th Instalaciones acuapónicas /th /tr /thead tbody tr class="impar» Demanda media lectrica/td td 17,2 kW /td td 10,2 kW /td /tr tr class="incluso» Demanda pico lectrical/td td 47,6 KWSubp/Sub /td td 15,2 KWSubp/Sub /td /tr tr class="impar» Demanda total eléctrica/a th 143,2 MWh/año /th th 89,2 MWh/año /th /tr tr class="incluso» TDDemanda media térmica/td td 37,1 kW /td td 39,3 kW /td /tr tr class="impar» TDThermal demanda público/td td 148,4 kW /td td 121,2 kW /td /tr tr class="incluso» La demanda total térmica/ésima th 325,0 MWHsubth/sub/año /th th 344,2 MWHsubth/sub/año /th /tr /tbody /tabla

   

   Fig. 15.6 Diagramas gráficos de series temporales para los balances de energía (arriba a la izquierda) y calor (abajo a la izquierda) (en W) del sistema Smarthood. La capacidad de almacenamiento (en kWh) se indica en el lado derecho para la potencia (arriba a la derecha) y el calor (abajo a la derecha). El eje x representa el número de horas desde el comienzo del año. La línea negra representa el desequilibrio de la energía

   y el sistema de hidrógeno. El sistema aquapónico, especialmente, aumenta considerablemente la flexibilidad general del sistema, ya que puede funcionar para una amplia gama de insumos de energía, como puede derivarse de la Tabla 15.4. Como resultado de esta flexibilidad, el sistema logra lograr una autosuficiencia de energía casi total (95,38%) y una autosuficiencia térmica del 100%.

6. 15.6 Discusión

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   Autosuficiencia El sistema energético propuesto para el concepto Smarthood es capaz de lograr una independencia casi total de la red mediante el uso de la flexibilidad proporcionada por los diversos componentes del sistema. El sistema aquapónico, especialmente, tiene una

   Tabla 15.4 Demanda flexible del sistema aquapónico

   tabla tead tr class="encabezado» th Componente /th th Orden de magnitud /th th Flexibilidad /th /tr /thead tbody tr class="impar» td rowspan=3 Bombas /td td 0.05—0.15 kWSube/Sub MSUP3/SUP /td td rowspan=3 No todas las bombas tienen que funcionar continuamente. Los procesos principales (control de oxígeno, control de amoníaco, control COSub2/sub, intercambio de tanques, control de sólidos suspendidos) deben funcionar continuamente. Los procesos más pequeños, como la dosificación del tampón de pH, las rutinas de lavado, los intercambios de agua o la oxigenación de respaldo, no tienen que funcionar continuamente /td /tr tr class="incluso» td 1—3 KWSube/Sub /td /tr tr class="incluso» td 8,76—28,26 MWSube/subaño /td /tr tr class="impar» td rowspan=2 Iluminación /td td 80—150 W/mSUP2/SUP /td td rowspan=2 Las plantas necesitan ~4—6 h de oscuridad, el resto del día pueden ser iluminadas artificialmente. Esto deja aprox. 0 (verano) a 12 (invierno) horas de iluminación adicional flexible /td /tr tr class="incluso» td Con un factor de capacidad de 10 a 20%, esto lleva a 28—105 MWSUBE/Sub/Año KWSUBE/SUB /td /tr tr class="impar» td rowspan=2 Calefacción de espacios (suelo radiante) y calefacción de tanques de acuicultura /td td 444 KWSubth/Sub/MSUP2/SUP/año /td td rowspan=2 Debido a la alta masa térmica del piso de concreto y al gran volumen de agua en el tanque RAS, la carga de calor es extremadamente flexible /td /tr tr class="impar» td 177,8 MWHsubth/sub/año /td /tr tr class="incluso» td rowspan=2 Unidad de destilación /td td 50 KWsubth/Sub MWHSUBE/Sub/año /td td rowspan=2 La unidad de destilación funciona con agua caliente (70—90° C) y puede funcionar con un grado significativo de flexibilidad (MemSys 2017) /td /tr tr class="impar» td 166,4 MWHsubth/sub/año /td /tr /tbody /tabla

   efecto en la flexibilidad general del sistema. Con un 95,38% de autosuficiencia energética, este sistema funciona mejor que cualquier otro sistema económicamente viable evaluado en investigaciones anteriores (de Graaf 2018).

   Arquitectura de control Facilitar una economía energética local descentralizada, como la propuesta en el concepto Smarthoods, requiere una plataforma que realice un seguimiento de todas las transacciones peer-to-peer que ocurren dentro del vecindario. La red peer-to-peer correspondiente se puede clasificar como un sistema multiagente (MAS), en el que múltiples nodos (por ejemplo, hogares o edificios de servicios públicos) funcionan como agentes independientes con su propio objetivo (por ejemplo, minimizar el coste o maximizar el ahorro de energía) y el correspondiente proceso de toma de decisiones. Este enfoque descentralizado y multiagente de toma de decisiones es necesario debido a la complejidad del sistema. Simplemente hay demasiada información y demasiadas variables para el cálculo de una arquitectura de control jerárquica, vertical y centralizada.

   Blockchain Una arquitectura de control de sistema multi-agente basada en blockchain podría proporcionar potencialmente el marco necesario para acomodar una red peerto-peer descentralizada. Un gran número de nodos distribuidos garantizan la estabilidad y la seguridad de la red, y se puede utilizar una alternativa a la minería: acuñar. Con la acuñación, los tokens/monedas se generan en base a los datos proporcionados por un dispositivo del mundo real, como un medidor de energía inteligente. Siempre que se pueda confiar en estas fuentes de información, es decir, que estos dispositivos puedan estar a prueba de manipulaciones, se puede crear un libro mayor seguro e independiente en el que varias partes interesadas puedan intercambiar bienes (por ejemplo, electricidad) y servicios (por ejemplo, gestión de la demanda). Utilizando contratos inteligentes, servicios complejos como el comercio de flexibilidad pueden programarse en la arquitectura de control del sistema.

   Internet of Things Los componentes constitutivos del sistema Smarthood, tales como bombas de calor, iluminación de invernadero o UASB, pueden controlarse mediante sensores y actuadores conectados a Internet, conocidos como Internet de las Cosas. Una red de sensores IoT permite la adquisición amplia de datos, que van desde la concentración de nutrientes de los tanques de peces hasta, por ejemplo, ciclos de carga de baterías, todo en función del tiempo. Estos datos pueden utilizarse para verificar el modelo numérico y optimizar el control dinámico del sistema.

   _Inteligencia Artificial _ La optimización del control del sistema Smarthood se puede realizar mediante el análisis de los datos utilizando algoritmos de inteligencia artificial, como programación genética (algoritmos evolutivos) o aprendizaje de refuerzo automático. Con el aprendizaje de refuerzo automático, por ejemplo, un conjunto de acciones y su influencia en el entorno se pasan al algoritmo como argumentos de entrada, junto con el estado actual del sistema y una función objetivo/costo acumulativo. En cada hogar se puede implementar un proceso heurístico de toma de decisiones que mejore progresivamente y se adapte dinámicamente a las situaciones para encontrar un programa de toma de decisiones casi óptimo que gestione los flujos de energía dentro de la casa y del Smarthood. Cada casa puede ejecutar un algoritmo de este tipo, y como resultado, se puede crear una arquitectura de sistema de control multinodal, conocida como sistema multiagente (MAS), que es relativamente económica computacionalmente (en comparación con el control centralizado) —- y cercana a la óptima.

   Barreras legales La naturaleza altamente innovadora de varios aspectos del concepto Smarthood, tales como la microred de poligeneración, el sistema aquapónico multi-bucle y los requisitos de planificación urbana poco convencionales, trae consigo un conjunto único de desafíos que hay que superar. Para muchos de estos desafíos, el marco normativo actual es insuficiente para dar cabida a los desarrollos propuestos en el concepto de Smarthoods.

   Microgrids, por ejemplo, funciona mejor cuando hay un mercado local en el que varios prosumers (consumidores que producen energía simultáneamente) pueden participar en el comercio de energía peer-to-peer sin fricción en un mercado libre. Las fuerzas del mercado trabajarán entonces para crear un mercado local de energía en el que el precio de la energía fluctúe como resultado de la oferta y la demanda locales. En consecuencia, esta fluctuación de precios incentivará soluciones energéticas inteligentes como el almacenamiento de energía, la gestión de la demanda o la generación flexible de energía. En la mayoría de los países de la UE, un mercado local libre es actualmente imposible debido a las regulaciones; hay que pagar impuestos por cada kWh que pasa por el medidor de electricidad, el precio de la electricidad para los consumidores es fijo y no se permite a los prosumidores participar en el mercado energético sin la intervención de un tercero llamado aggregator. Con el aumento previsto en el desarrollo de proyectos de microredes, los reguladores tendrán que encontrar formas de facilitar los mercados energéticos locales a fin de aprovechar todo el potencial de las microredes altamente integradas (véase el ejemplo 15.2).

   Ejemplo 15.2

   Un avance reciente dentro del marco regulador en los Países Bajos es la introducción de la experimenteerregeling, una ley experimental que permite a un pequeño número de proyectos cuidadosamente seleccionados (como de Ceuvel, ejemplo Z.1) permitir que las cooperativas de energía se conviertan en su propio operador de red de distribución, como si estuvieran detrás de una conexión de un metro. Esta ley es indicativa de que los organismos reguladores neerlandeses tienen conciencia de las barreras jurídicas mencionadas anteriormente y, por lo tanto, muy probablemente conduzca a que la actual legislación sobre electricidad se revise en un futuro próximo para adaptarse mejor a la evolución de las microredes.

   También existen algunos obstáculos legales en la mayoría de los países de la UE con respecto a la reutilización del agua negra tratada para la producción de peces y plantas, ya que hay que garantizar la eliminación total de los agentes patógenos humanos. Puede encontrarse más información sobre el marco jurídico de la acuapónica en Cap. 20.

7. 15.7 Conclusiones

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   El objetivo de esta investigación fue cuantificar el grado de flexibilidad y autosuficiencia que puede proporcionar una microred integrada acuapónica. Para lograr esta respuesta, se asumió un barrio de 50 hogares como «Smarthood», con una instalación acuapónica multibucle disociada presente que es capaz de suministrar pescado y verduras a los 100 habitantes de la Smarthood.

   Los resultados son prometedores: gracias al alto grado de flexibilidad inherente al sistema aquapónico como resultado de la alta masa térmica, las bombas flexibles y la iluminación adaptativa, el grado de autosuficiencia general es del 95,38%, lo que lo hace casi completamente autosuficiente e independiente de la red. Dado que el sistema acuapónico es responsable del 38,3% del consumo de energía y del 51,4% del consumo de calor, el impacto de la instalación acuapónica en el balance energético total del sistema es muy alto.

   Investigaciones anteriores (de Graaf 2018) han indicado que es muy difícil alcanzar niveles de autoconsumo superiores al 60% sin depender de una fuente externa de biomasa para impulsar una cogeneración. Incluso con esta fuente incluida, el autoconsumo máximo técnicamente viable no superó el 89%. En la Smarthood, los insumos de biomasa para la CHP se derivan parcialmente del propio sistema aquapónico y del reciclaje de aguas grises y negras. Un mayor autoconsumo combinado con una menor dependencia de los insumos externos de biomasa, y un autoconsumo resultante del 95%, hace que la microred integrada acuapónica propuesta funcione mejor desde el punto de vista de la autosuficiencia que cualquier otra microred renovable conocida por los autores.

   Por lo tanto, los autores de este capítulo creen firmemente que, con suficiente experimentación, la integración de los sistemas de invernadero acuapónicos dentro de las microredes ofrece un gran potencial para crear sistemas alimentos-agua-energía altamente autosuficientes a nivel local.