Los hospitales de todo el mundo están adoptando cada vez más la tecnología de microrredes para aumentar la resiliencia y reducir los costes energéticos. Para optimizar una solución de microrred, los equipos hospitalarios deben asegurarse de que se realizan estudios de viabilidad precisos y de que los recursos energéticos distribuidos se dimensionan adecuadamente. Deben considerarse las arquitecturas modulares para ayudar a simplificar el diseño y la instalación de la microrred, al tiempo que se reducen los costes de mantenimiento. Deben evaluarse todas las opciones de financiación, incentivos y modelos operativos para reducir los riesgos y maximizar los beneficios.

Introducción

En 2003, durante el apagón masivo que paralizó gran parte del noreste de EE.UU., los sistemas de energía de reserva de muchos hospitales fallaron debido al mal funcionamiento o sobrecalentamiento de los generadores. De los que funcionaban con fiabilidad, su capacidad se limitaba a abastecer sólo partes de cada hospital y, para muchos, el combustible se agotó demasiado rápido.^[1]

Durante la super tormenta Sandy en 2012, el Hospital Bellevue de Nueva York tuvo que ser evacuado debido a un fallo en el suministro eléctrico de respaldo^[2], mientras que algunas zonas de la ciudad que incluían universidades siguieron funcionando gracias a que contaban con sus propios sistemas de generación de microrredes.^[3]

Y aunque la tormenta tropical Allison dejó fuera de servicio 22 hospitales de Texas en 2001, la microrred instalada por el Texas Medical Center le ayudó a permanecer plenamente operativo mientras duró el huracán Harvey en 2017.^[4]

Las lecciones extraídas de estas catástrofes están impulsando una mayor adopción de la tecnología de microrredes por parte de los hospitales y muchos otros tipos de instalaciones críticas. Sin embargo, la continuidad energética y la seguridad de los pacientes no son las únicas razones por las que los hospitales encuentran atractivas las microrredes. El coste de la energía para las instalaciones también es prioritario para los equipos financieros. Esto se debe a tres factores:

1. Los hospitales consumen 2,5 veces más energía que otros edificios comerciales de tamaño similar.
2. Muchos hospitales necesitan ampliar sus instalaciones y añadir equipos que consumen más energía.
3. El precio de la energía sigue subiendo.

Esto aumenta la presión presupuestaria sobre los administradores, obligándoles a buscar formas de reducir los costes de funcionamiento relacionados con la energía. Las microrredes pueden ofrecer una solución eficaz aprovechando los recursos energéticos distribuidos (DER) in situ. Esto incluye la generación eficiente, como la cogeneración de calor y electricidad (CHP), las pilas de combustible y las energías renovables, como la solar y la eólica. Esto se combina con el almacenamiento de energía y controles avanzados que gestionan de forma inteligente la oferta y la demanda.

Figura 1. Tecnología de microrredes La tecnología de microrredes ayuda a los hospitales a garantizar la seguridad de los pacientes mejorando la resistencia a las interrupciones de la red y controlando al mismo tiempo los gastos operativos relacionados con la energía.

La tecnología de sistemas de microrredes ha madurado y se espera que el crecimiento mundial continúe a un ritmo del 20 % anual, mientras que el coste global de la instalación de microrredes se ha reducido entre un 25 % y un 30 % desde 2014^[5]. Ahora es el momento perfecto para que los hospitales aprovechen esta forma rentable de reducir la dependencia de la red eléctrica. Ante la amenaza de un apagón, el hospital puede "aislarse" de la red y funcionar de forma independiente durante largos periodos de tiempo. Cuando aumenta el coste de la energía de la red, la microrred puede aumentar el consumo de energía renovable o almacenada in situ. La energía almacenada también puede revenderse a la red cuando resulte más económico. Y el consumo de energía renovable puede maximizarse para cumplir los objetivos de emisiones de gases de efecto invernadero.^[6]

Para los equipos hospitalarios que estén considerando los beneficios y costes de una microrred, este libro blanco ofrece un breve resumen de las consideraciones y opciones que ayudarán a garantizar que su solución de microrred esté totalmente optimizada:

• Realización de un estudio de viabilidad para garantizar un rendimiento adecuado de la inversión.
• Dimensionamiento adecuado de los DER para alcanzar los objetivos energéticos del hospital
• Aprovechar los diseños de microrredes modulares y pre empaquetadas para agilizar la instalación, el funcionamiento y el mantenimiento.
• Consideración de las opciones más novedosas para la financiación y el funcionamiento de la microrred.

Diseñar la microrred hospitalaria óptima

El diseño de una microrred debe tener en cuenta tanto el funcionamiento conectado a la red como el modo isla. Es necesario desplegar una combinación suficiente de DER para abastecer las cargas críticas de las instalaciones durante la transición de la red pública a la isla, así como para abastecer las cargas críticas de las instalaciones durante el funcionamiento en isla. Para aprovechar las oportunidades de ahorro de costes, el diseño debe incorporar la mejor combinación y dimensionamiento de DER. Ambos modos de funcionamiento requieren el nivel adecuado de controles para desplegar los DER en tiempo real.

Una nueva era en el diseño de microrredes

Debido a la necesidad de cumplir objetivos operativos y financieros, junto con la selección entre muchas arquitecturas de sistema posibles, el diseño de microrredes es todo un reto. Afortunadamente, están surgiendo herramientas de diseño que utilizan algoritmos de modelado avanzados para ayudar en el análisis de viabilidad de múltiples opciones de diseño.

Una herramienta de diseño crea un modelo de microrred teniendo en cuenta limitaciones como los equipos existentes, los costes, la funcionalidad y la ejecución del proyecto. Para desarrollar el modelo más completo y preciso, también debe incluir como entradas:

• Limitaciones físicas de la ubicación y previsión meteorológica local
• Utilización de la energía de base y perfiles de carga
• Estructuras tarifarias de la electricidad y recargos por demanda
• Costes del combustible (por ejemplo, gas natural)
• Coste de la generación eléctrica y térmica y de los activos de almacenamiento
• Costes de explotación y mantenimiento
• Cómo planea el emplazamiento utilizar su energía: compra, autogeneración, almacenamiento, venta y participación en mercados de servicios auxiliares.
• Límites de exportación de energía o acuerdos de balance neto cero.

Mediante algoritmos de control avanzados y el análisis simultáneo de múltiples tipos de DER, la herramienta de diseño garantiza la satisfacción de la demanda eléctrica y térmica de la instalación durante todo el año. Esto también ayuda a optimizar el tamaño, el tipo y la combinación de DER para lograr el mayor rendimiento financiero y, a su vez, el periodo de amortización más corto.

A la hora de planificar un proyecto de microrred, resulta ventajoso que la herramienta de diseño aplique los mismos algoritmos utilizados en los sistemas de control finales de la microrred. La compatibilidad entre el modelo y el sistema operativo instalado ayuda a garantizar un rendimiento óptimo de la microrred.

Además, el modelo de diseño puede reutilizarse en la fase de explotación para actuar como "gemelo digital" y comparar datos reales y simulados con el fin de validar el rendimiento, comprobar la posible adaptación de las soluciones de control a la evolución del emplazamiento y respaldar estudios hipotéticos (por ejemplo, optimización de tarifas).

Figura 2. Nuevas herramientas de diseño de microrredes Las nuevas herramientas de diseño de microrredes modelan el rendimiento de múltiples DER en diversas situaciones de control, tanto dentro como fuera de la red.

Ejemplo de modelización de una microrred

La Tabla 1 ofrece una ilustración simplificada del uso de una aplicación de modelización avanzada para diseñar y evaluar la viabilidad de una microrred hospitalaria. Los resultados de la simulación permiten comparar los costes de funcionamiento y mantenimiento antes y después. En esta simulación, se utiliza un hospital ficticio de la zona de San Francisco, California (EE.UU.)^[7], con los siguientes parámetros de partida:

• Pico de consumo eléctrico de 5,5 MW, conectado a la red.
• Consumo anual de electricidad: 25 GWh = 4,4 M$
• Consumo anual de gas 13 GWh = 0,28 M$
• Tarifa horaria: entre 0,08226 $/kWh (en horas valle) y 0,1409 $/kWh (en horas punta)
• Recargos por demanda: de 0 $/kW (en horas valle) a 13,84 $/kW (en horas centrales de verano) y 17,25 $/kW (en horas punta de verano), con una tarifa no coincidente de 14,35 $/kW durante todo el año.
• Precio del gas: 0,021 $/kWh.

Junto con los parámetros anteriores como entradas a la herramienta de modelado, el equipo asesor del proveedor de soluciones utiliza su experiencia única para generar una combinación recomendada de DER para maximizar el ROI, minimizar el periodo de amortización y minimizar los gases de efecto invernadero (GEI). La siguiente inversión propuesta ilustra una posible configuración que puede alcanzar estos objetivos.

Tabla 1. Inversión propuesta para la microrred

La herramienta de modelización también informa del ahorro estimado y del retorno de la inversión para la configuración de microrred propuesta.

Ahorro de costes

Se calcula que la microrred del hospital producirá los siguientes ahorros:

• Reducción de los costes energéticos en 2,140 millones de dólares
• Reducción de las tarifas de demanda en 1,230 millones de dólares
• Ahorro total anual de 3,370 millones de dólares, equivalente al 77% de los costes totales de implantación de la microrred.

ROI

Se calcula que la instalación de la microrred propuesta proporcionará un:

• Plazo de amortización de 5,9 años
• Retorno de la inversión de 242%

Por último, los resultados de la modelización ilustran gráficamente las características típicas de funcionamiento de la microrred, incluida la comparación de las entradas de energía antes y después de la implantación de la microrred.

Como se ilustra en la figura 3, la implantación de una microrred basada en cogeneración reduce en gran medida la energía eléctrica necesaria de la red (en azul). El consumo de gas natural aumenta (en rojo), pero en lugar de ser consumido únicamente por las calderas para producir calor, el gas abastece al sistema de cogeneración para suministrar calor y electricidad a la instalación con mayor eficiencia. En muchas regiones, los precios del gas natural por unidad equivalente de energía son mucho más bajos que el coste de la electricidad de la red, lo que supone un importante ahorro.

En este ejemplo, la energía restante necesaria para alimentar la instalación (diferencia entre la energía total del gráfico A y la del gráfico B) se suministra mediante la generación in situ de energía renovable en forma de paneles fotovoltaicos y almacenamiento de energía. Una vez amortizada la inversión inicial, la energía procedente de la generación renovable es prácticamente gratuita, salvo por los requisitos mínimos de mantenimiento de los activos.

Figura 3. Consumo modelizado de electricidad de red y fuentes de energía de gas, antes y después de la instalación de la microrred.