CDT Un estudio muestra que los planes de las ciudades no suelen alcanzar sus objetivos, pero la descarbonización de la red local podría marcar la diferencia.
Fuente: MIT
Para apoyar la lucha mundial por reducir las emisiones de carbono, muchas ciudades se han comprometido públicamente a reducir sus emisiones de carbono a la mitad para 2030, y algunas han prometido ser neutras en carbono para 2050. Los edificios pueden ser responsables de más de la mitad de las emisiones de carbono de un municipio. Hoy en día, los edificios nuevos suelen diseñarse de forma que se minimice el consumo de energía y las emisiones de carbono. Por eso la atención se centra en sanear los edificios existentes.
Hace una década, los dirigentes de algunas ciudades dieron el primer paso en ese proceso: Cuantificaron su problema. Basándose en los datos de sus empresas de servicios públicos sobre el consumo de gas natural y electricidad y en los índices estándar de emisiones contaminantes, calcularon cuánto carbono procedía de sus edificios. A continuación, adoptaron políticas para fomentar la modernización, como el aislamiento, el uso de ventanas de doble acristalamiento o la instalación de paneles solares en los tejados. ¿Serán suficientes estas medidas para cumplir sus compromisos?
“En casi todos los casos, las ciudades no tienen un plan claro sobre cómo van a alcanzar su objetivo”, dice Christoph Reinhart, profesor del Departamento de Arquitectura y director del Programa de Tecnología de la Construcción. “Ahí es donde entra nuestro trabajo. Nuestro objetivo es ayudarles a realizar análisis para que puedan decir: ‘Si nosotros, como comunidad, hacemos A, B y C a los edificios de un determinado tipo dentro de nuestra jurisdicción, entonces vamos a llegar allí'”.
Para apoyar esos análisis, Reinhart y un equipo del Laboratorio de Diseño Sostenible (SDL) del MIT -el doctorando Zachary M. Berzolla SM ’21; el antiguo doctorando Yu Qian Ang PhD ’22, ahora colaborador de investigación en el SDL; y el antiguo postdoctorando Samuel Letellier-Duchesne, ahora analista principal de rendimiento de edificios en la empresa internacional de ingeniería y consultoría de edificios Introba- lanzaron un sitio web de acceso público que ofrece una serie de herramientas de simulación y un proceso para utilizarlas con el fin de determinar las repercusiones de las medidas previstas en un parque inmobiliario concreto. Dice Reinhart: “El resultado puede ser una vía tecnológica clara: una combinación de mejoras de los edificios, despliegues de energías renovables y otras medidas que permitirán a una comunidad alcanzar sus objetivos de reducción de carbono para su entorno construido”.
Los análisis realizados en colaboración con responsables políticos de ciudades seleccionadas de todo el mundo demostraron que alcanzar los objetivos actuales exigirá más esfuerzo del que habían previsto los representantes de las ciudades y, en algunos casos, incluso el equipo de investigación.
Exploración de vías de reducción del carbono
El planteamiento de los investigadores se basa en un “modelo energético del edificio”, o BEM, similar a los que utilizan los arquitectos para diseñar edificios ecológicos de alto rendimiento. En 2013, Reinhart y su equipo desarrollaron un método para ampliar ese concepto y analizar un conjunto de edificios. A partir de los datos del Sistema de Información Geográfica (SIG) disponibles públicamente, incluidos el tipo de edificio, la huella y el año de construcción, el método define el vecindario -incluidos árboles, parques, etc.- y luego, utilizando datos meteorológicos, cómo interactuarán los edificios, los flujos de aire entre ellos y su consumo de energía. El resultado es un “modelo energético de edificio urbano”, o UBEM, para un barrio o una ciudad entera.
El sitio web desarrollado por el equipo del MIT permite a barrios y ciudades desarrollar su propio UBEM y utilizarlo para calcular el consumo energético actual de sus edificios y las emisiones de carbono resultantes y, a continuación, cómo cambiarían esos resultados suponiendo que se aplicaran o consideraran distintos programas de modernización u otras medidas. “El sitio web UBEM.io ofrece instrucciones paso a paso y todas las herramientas de simulación que un equipo necesita para realizar un análisis”, explica Reinhart.
El sitio web empieza describiendo tres funciones necesarias para realizar un análisis: un defensor de la sostenibilidad local que conozca los esfuerzos del municipio por reducir las emisiones de carbono; un gestor de SIG que tenga acceso a los conjuntos de datos urbanos del municipio y mantenga un modelo digital del entorno construido; y un modelador energético -normalmente un consultor contratado- que tenga experiencia en consultoría de edificios ecológicos y modelización energética de edificios individuales.
El equipo empieza por definir los escenarios de rehabilitación “superficial” y “profunda” de los edificios. Para explicarlo, Reinhart ofrece algunos ejemplos: “‘Superficial’ se refiere a cosas que simplemente ocurren, como cuando se sustituyen los viejos electrodomésticos que fallan por otros nuevos de bajo consumo, o se instalan bombillas LED y burletes por todas partes”, dice. “Lo ‘profundo’ añade a esa lista cosas que podrías hacer solo cada 20 años, como arrancar paredes y poner aislamiento o sustituir tu caldera de gas por una bomba de calor eléctrica”.
Una vez definidos esos escenarios, el gestor del SIG carga en UBEM.io un conjunto de datos con información sobre los edificios de la ciudad, incluida su ubicación y atributos como geometría, altura, antigüedad y uso (por ejemplo, comercial, minorista, residencial). A continuación, el modelizador energético elabora un UBEM para calcular el consumo energético y las emisiones de carbono del parque de edificios existente. Una vez establecida esa línea de base, el modelizador energético puede calcular cómo cambiarán los resultados las medidas específicas de rehabilitación.
Taller para probar el método
Hace dos años, el equipo del MIT organizó un taller de tres días para probar el sitio web con usuarios de muestra. Participaron responsables políticos de ocho ciudades y municipios de todo el mundo: Braga (Portugal), El Cairo (Egipto), Dublín (Irlanda), Florianópolis (Brasil), Kiel (Alemania), Middlebury (Vermont, Estados Unidos), Montreal (Canadá) y Singapur. En conjunto, las ciudades representan una amplia gama de climas, demografía socioeconómica, culturas, estructuras de gobierno y tamaños.
En colaboración con el equipo del MIT, los participantes presentaron sus objetivos, definieron escenarios de rehabilitación superficial y profunda para su ciudad y seleccionaron una zona limitada pero representativa para el análisis, un planteamiento que agilizaría los análisis de las distintas opciones al tiempo que generaría resultados válidos para el conjunto de la ciudad.
A continuación, realizaron análisis para cuantificar el impacto de sus escenarios de rehabilitación. Por último, aprendieron la mejor manera de presentar sus conclusiones, una parte fundamental del ejercicio. Cuando haces este análisis y se lo presentas a la gente, puedes decir: “Estos son nuestros deberes para los próximos 30 años. Si hacemos esto, lo conseguiremos'”, afirma Reinhart. “Eso te convierte en parte de la comunidad, así que es un objetivo conjunto”.
Muestra de resultados
Tras la clausura del taller, Reinhart y su equipo confirmaron sus conclusiones para cada ciudad y añadieron un factor más a los análisis: el estado de la red eléctrica de la ciudad. Varias ciudades del estudio se habían comprometido a que su red eléctrica fuera neutra en carbono para 2050. Incluir la red en el análisis era, por tanto, fundamental: si un edificio se convierte en totalmente eléctrico y adquiere su electricidad de una red libre de carbono, entonces ese edificio será neutro en carbono, incluso si no se realizan mejoras de ahorro energético in situ.
Por tanto, el análisis final de cada ciudad calculó el total de kilogramos de dióxido de carbono equivalente emitidos por metro cuadrado de superficie en las siguientes hipótesis: la situación de referencia; la adaptación superficial únicamente; la adaptación superficial más una red eléctrica limpia; la adaptación profunda únicamente; la adaptación profunda más paneles solares fotovoltaicos en los tejados; y la adaptación profunda más una red eléctrica limpia. (Obsérvese que “red eléctrica limpia” se basa en el objetivo de descarbonización más ambicioso de la zona para su red eléctrica).
En los párrafos siguientes se presentan los aspectos más destacados de los análisis de tres de las ocho ciudades. Se incluye el escenario de la ciudad, los objetivos de reducción de emisiones, las medidas actuales y propuestas, y los cálculos de cómo la aplicación de esas medidas afectaría a su consumo energético y a sus emisiones de carbono.
Singapur
Singapur es un país generalmente cálido y húmedo, y el consumo energético de sus edificios se realiza principalmente en forma de electricidad para refrigeración. La ciudad está dominada por los edificios altos, por lo que no hay mucho espacio para que las instalaciones solares en los tejados generen la electricidad necesaria. Por lo tanto, los planes para descarbonizar el parque actual de edificios deben incluir reconversiones. El escenario de reconversión superficial se centra en la instalación de iluminación y electrodomésticos energéticamente eficientes. A estas medidas se añade la adopción de un sistema de refrigeración urbana. Los objetivos declarados de Singapur son reducir las emisiones de carbono de referencia en aproximadamente un tercio para 2030 y reducirlas a la mitad para 2050.
El análisis muestra que Singapur no alcanzará su objetivo para 2030 sólo con las adaptaciones superficiales. Pero con las adaptaciones profundas, debería acercarse. En particular, la descarbonización de la red eléctrica permitiría a Singapur alcanzar y superar con creces su objetivo para 2050 en cualquiera de los dos escenarios.
Dublín
Dublín tiene un clima templado, con veranos relativamente agradables e inviernos fríos y húmedos. Como consecuencia, el consumo energético de la ciudad está dominado por los combustibles fósiles, en particular el gas natural para la calefacción y el agua caliente sanitaria. La ciudad presentó un único objetivo: una reducción del 40% para 2030.
Dublín tiene muchos barrios formados por casas georgianas en hilera y, en el momento del taller, la ciudad ya tenía en marcha un programa que animaba a los grupos de propietarios a aislar sus paredes. Por lo tanto, el escenario de rehabilitación superficial se centra en las mejoras de climatización (añadir burletes a ventanas y puertas, aislar los sótanos, etc.). A esta lista, el escenario de rehabilitación profunda añade el aislamiento de paredes y la instalación de ventanas mejoradas. Los participantes no incluyeron bombas de calor eléctricas, ya que la ciudad estaba evaluando la viabilidad de ampliar el sistema de calefacción urbana existente.
Los resultados de los análisis muestran que la aplicación del escenario de adaptación superficial no permitirá a Dublín cumplir su objetivo para 2030. Pero sí lo hará el escenario de reconversión profunda. Sin embargo, al igual que Singapur, Dublín podría obtener grandes beneficios descarbonizando su red eléctrica. El análisis muestra que una red descarbonizada -con o sin la adición de paneles solares en los tejados cuando sea posible- podría reducir a más de la mitad las emisiones de carbono que quedan en el escenario de deep-retrofit. De hecho, una red descarbonizada más la electrificación del sistema de calefacción mediante la incorporación de bombas de calor podría permitir a Dublín cumplir un futuro objetivo de emisiones netas cero.
Middlebury
Middlebury (Vermont) tiene veranos cálidos y húmedos e inviernos gélidos. Al igual que Dublín, su demanda energética está dominada por el gas natural para calefacción. Pero, a diferencia de Dublín, ya cuenta con una red eléctrica ampliamente descarbonizada y con una elevada penetración de energías renovables.
Para el análisis, el equipo de Middlebury decidió centrarse en un barrio residencial envejecido similar a muchos de los que rodean el centro de la ciudad. El escenario de rehabilitación superficial prevé la instalación de bombas de calor para la calefacción y el escenario de rehabilitación profunda añade mejoras en la envolvente de los edificios (fachada, tejado y ventanas). Los objetivos de la ciudad son una reducción del 40% de la línea de base para 2030 y cero emisiones netas de carbono para 2050.
Los resultados de los análisis mostraron que la aplicación del escenario de rehabilitación superficial no permitiría alcanzar el objetivo de 2030. El escenario de adaptación profunda permitiría a la ciudad alcanzar el objetivo de 2030, pero no el de 2050. De hecho, incluso con una reconversión profunda, el uso de combustibles fósiles sigue siendo elevado. ¿Cuál es la explicación? Aunque en ambos escenarios se instalan bombas de calor para calentar los espacios, la ciudad seguiría utilizando gas natural para calentar el agua caliente.
Lecciones aprendidas
Para varios responsables políticos, ver los resultados de sus análisis fue una llamada de atención. Se dieron cuenta de que las estrategias que habían planificado podían no ser suficientes para alcanzar los objetivos fijados, lo que podría resultarles vergonzoso públicamente en el futuro.
Al igual que los responsables políticos, los investigadores aprendieron de la experiencia. Reinhart señala tres conclusiones principales.
En primer lugar, a él y a su equipo les sorprendió comprobar que gran parte del consumo energético y de las emisiones de carbono de un edificio puede atribuirse al agua caliente sanitaria. En Middlebury, por ejemplo, ni siquiera el cambio de gas natural a bombas de calor para la calefacción tuvo el efecto esperado: En los gráficos de barras generados por sus análisis, se mantenían las barras grises que indicaban el carbono procedente del uso de combustibles fósiles. Como recuerda Reinhart, “no paraba de preguntarme qué es todo este gris”. Aunque los responsables políticos hablaban de utilizar bombas de calor, iban a seguir usando gas natural para calentar el agua caliente. “Es impresionante que el agua caliente sea un elemento tan caro. Es enorme”, afirma Reinhart.
En segundo lugar, los resultados demuestran la importancia de incluir el estado de la red eléctrica local en este tipo de análisis. “A la vista de los resultados, está claro que si queremos que la transición energética tenga éxito, tanto el sector de la construcción como el de la red eléctrica tienen que hacer sus deberes”, señala Reinhart. Además, en muchos casos, alcanzar la neutralidad de carbono en 2050 requeriría no sólo una red libre de carbono, sino también edificios totalmente eléctricos.
En tercer lugar, a Reinhart le llamó la atención lo diferentes que son los gráficos de barras que presentan los resultados de las ocho ciudades. “Esto celebra realmente la singularidad de las distintas partes del mundo”, afirma. “La física utilizada en el análisis es la misma en todas partes, pero las diferencias en el clima, el parque de edificios, las prácticas de construcción, las redes eléctricas y otros factores hacen que las consecuencias de realizar el mismo cambio varíen mucho”.
Además, dice Reinhart, “a veces hay conflictos de intereses y normas culturales muy arraigados, por lo que no se puede decir simplemente que todo el mundo debe hacer esto y esto otro”. Por ejemplo, en un caso, la ciudad era propietaria tanto de la empresa de servicios públicos como del gas natural que quemaba. En consecuencia, los responsables políticos no se plantearon instalar bombas de calor porque “el gas natural era una importante fuente de ingresos municipales, y no querían renunciar a ella”, explica Reinhart.
Por último, los análisis cuantificaron otras dos medidas importantes: el uso de la energía y la “carga máxima”, que es la electricidad máxima demandada a la red durante un periodo de tiempo concreto. Reinhart afirma que el uso de energía “es probablemente sobre todo una comprobación de plausibilidad. ¿Tiene sentido?”. Y la carga máxima es importante porque las empresas eléctricas necesitan mantener una red estable.
El análisis de Middlebury ofrece una visión interesante de cómo determinadas medidas podrían influir en la demanda máxima de electricidad. Allí, la introducción de bombas de calor eléctricas para la calefacción de espacios duplica con creces la demanda máxima de los edificios, lo que sugiere que habría que añadir una capacidad adicional considerable a la red en esa región. Pero cuando las bombas de calor se combinan con otras medidas de modernización, la demanda máxima desciende a niveles inferiores a los de partida.
Las consecuencias: Una actualización
Reinhart subraya que los resultados concretos del taller son sólo una instantánea en el tiempo, es decir, la situación de las ciudades en el momento del taller. “No se trata del destino de la ciudad”, afirma. “Si hiciéramos el mismo ejercicio hoy, sin duda veríamos un cambio de mentalidad, y los resultados serían distintos”.
Por ejemplo, las bombas de calor son ya una tecnología conocida y han demostrado su capacidad incluso en climas muy fríos. Y en algunas regiones se han vuelto económicamente atractivas, ya que la guerra de Ucrania ha hecho que el gas natural escasee y sea caro. Además, ahora hay conciencia de la necesidad de ocuparse de la producción de agua caliente.
Reinhart señala que la realización de los análisis en el taller tuvo la repercusión prevista: Provocó cambios. Dos años después de finalizar el proyecto, la mayoría de las ciudades informaron de que habían aplicado nuevas medidas políticas o habían ampliado sus análisis a todo su parque inmobiliario. “Eso es exactamente lo que queremos”, comenta Reinhart. “No se trata de un ejercicio académico. Pretende cambiar en qué se centra la gente y qué hace”.
Diseñar políticas teniendo en cuenta la socioeconomía
Reinhart señala una limitación clave del enfoque de UBEM.io: Sólo tiene en cuenta la viabilidad técnica. Pero, ¿querrán y podrán los propietarios de los edificios hacer las reformas para ahorrar energía? Los datos muestran que, incluso con los actuales programas de incentivos y subvenciones, los índices de adopción actuales son sólo del 1%. “Es un porcentaje demasiado bajo para que una ciudad alcance sus objetivos de reducción de emisiones en 30 años”, afirma Reinhart. “Tenemos que tener en cuenta las realidades socioeconómicas de los residentes para diseñar políticas que sean eficaces y equitativas”.
A tal fin, el equipo del MIT amplió su enfoque UBEM.io para crear un marco de análisis socio-tecno-económico capaz de predecir la tasa de adopción de retroadaptaciones en toda una ciudad. Basándose en los datos del censo, el marco crea un UBEM que incluye datos demográficos para los tipos específicos de edificios de una ciudad. El modelo determina la viabilidad económica del paquete de modernización para los hogares representativos, teniendo en cuenta el coste de la modernización y los beneficios financieros derivados de los incentivos políticos y el ahorro energético futuro.
Los análisis de la muestra de dos barrios de Boston sugieren que los hogares con ingresos altos no pueden optar a los incentivos basados en las necesidades o que los incentivos son insuficientes para incitar a la acción. Los hogares con rentas más bajas son elegibles y podrían beneficiarse económicamente con el tiempo, pero no actúan, quizás debido a un acceso limitado a la información, a la falta de tiempo o capital, o a una variedad de otras razones.
Reinhart señala que su trabajo hasta ahora “se centra principalmente en la viabilidad técnica. Los próximos pasos son comprender mejor la disposición a pagar de los ocupantes y, a continuación, determinar qué conjunto de programas de incentivos federales y locales impulsará a los hogares de todo el espectro demográfico a modernizar sus apartamentos y casas, contribuyendo así al esfuerzo mundial por reducir las emisiones de carbono”.
Este trabajo ha contado con el apoyo de Shell a través de la Iniciativa de Energía del MIT. Zachary Berzolla recibió una beca de investigación para licenciados de la National Science Foundation de EE.UU. Samuel Letellier-Duchesne recibió el apoyo de la beca postdoctoral del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá.
Este artículo aparece en el número de primavera de 2023 de Energy Futures, la revista de la Iniciativa de Energía del MIT.
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