Comunicación presentada al V Congreso Smart Grids:
Autor
- Pere Sabater Frau, Ingeniero Independiente en I+D, Universitat Illes Balears (UIB)
Resumen
La presente invención describe un sistema de gestión energética para gestionar y controlar de forma global y/o local infraestructuras de telecomunicaciones. Más concretamente, el sistema de gestión energética comprende unas estaciones de radio base con al menos una unidad de generación de energía renovable y que están vinculadas a una unidad de soporte eléctrico. Adicionalmente el sistema de gestión comprende: nodos centrales vinculados con las estaciones de radio base, nodos de enlace vinculado con unos nodos centrales y un centro de procesado de datos vinculado con los nodos de enlace para realizar la gestión energética de las infraestructuras de telecomunicaciones.
Palabras clave
Energía Renovable, Estación de Radio Base de Telecomunicaciones, Balance Cero, Big Data
Introducción
Los países europeos, en general tienen muy buenas infraestructuras de telecomunicaciones y tienen un alto consumo de energía; algunos lugares tienen altas emisiones de CO2 debido a un sistema de producción de energía eléctrica basado principalmente en carbón y combustibles fósiles que no es un escenario ambientalmente sostenible. El objetivo de este estudio es identificar los procesos que reducirían el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero, diseñando un escenario objetivo con «cero emisiones de CO2» y «energías 100% renovables».
El suministro de energía de la red eléctrica real viene dado por una pluralidad de plantas de energía renovable y plantas de energía convencional, pero aún existe una alta dependencia en las plantas de energía convencionales para cubrir la demanda de energía.
El sistema de generación principal de la mayoría de las regiones consiste en una combinación de instalación de plantas de energía renovable con plantas de energía fósil como ciclo térmico y combinado. Que incluyen la biomasa y la planta de desechos. Las tasas promedio de emisión de carbono son 0,48 kg de CO2 / Kwh (Red Eléctrica Española. “El suministro de la electricidad”, 2012) (en el continente), con una producción de energía renovable cercana al 34%. Las centrales nucleares ya están trabajando en algunos países con expectativas de ser cerradas en el futuro, así como las centrales térmicas de carbón. El transporte tiene el mayor impacto en el consumo de energía: alrededor del 54% se destina al transporte y el 23% del consumo total de energía está destinado al transporte aéreo. La producción de electricidad requiere el 46% de la producción bruta de energía, con una eficiencia global del 37%. En ubicaciones remotas (Islas Canarias e Islas Baleares), el principal sistema de generación está compuesto por centrales térmicas y centrales de ciclo combinado, con tasas de emisión de carbono promedio de 0’86 Kg CO2 / KWh (Red Eléctrica Española. “El suministro de la electricidad”, 2012), la demanda de energía pendiente se cubre energía por cables submarinos, corriente continua de alta tensión (HVDC), a tierra firme. El modelo de producción descrito produce una gran cantidad de emisiones de CO2, ya que se basa en un ciclo de vapor de la planta de carbón.
La industria de las telecomunicaciones, como tercera economía mundial tiene un consumo global energético del 2%, que proviene de combustibles fosiles en su mayoría, pero el cambio climático ya es un hecho y cada vez hay mas presiones de la comunidad pública, los targets energéticos europeos y Kyoto para descarbonizar todos los sectores incluido el sector de las telecomunicaciones.
Acerca de las redes de telecomunicaciones, en realidad hay una tendencia en la computación en la nube desde centros de proceso de datos o Big Data y en la informática en el borde o en el edge. El concepto separa el plano de datos del control de datos donde la mayoría de las funcionalidades se implementan a través de Redes definidas por software (SDN) y virtualización de red. El objetivo es lograr flexibilidad en la administración de la red ya que las redes definidas por Software (SDN), uno de los aspectos principales es la programabilidad o el control programable del comportamiento de una red de comunicaciones. Finalmente, se prevee que redes de telecomunicaciones puedan estar gestionadas por si mismas a partir de tecnología Blockchain.
Presentación plataforma
La novedad del proyecto es una plataforma de energía adaptada a los sistemas de infraestructura de telecomunicaciones inalámbricas. Donde la generación de energía renovable es realizado por una pluralidad de fuentes de energía renovable en cada estación de telecomunicaciones a partir de energía fotovoltaica y eólica, mientras que el sistema acondicionador de la energía estaría implementado con un dual backup: (1) baterías y red eléctrica para las RBS electrificadas y para las estaciones no electrificadas (2) baterías y pila de combustible o baterías y grupo electrógeno, con biocombustible. Obteniendo así estaciones de telecomunicaciones productoras y consumidoras de energia electrica en la red del operador eléctrico. Permitiendo un suministro de energía más sostenible y limpio, que brinde eficiencia energética durante su ciclo de operación. La arquitectura del sistema consta de tres niveles jerárquicos compuestos por los nodos centrales en un nivel inferior, nodos de enlace en un nivel jerárquico intermedio y el Centro de procesamiento de datos (CPD) en la parte superior; donde todos los dispositivos se fusionarían dentro de una plataforma mediante una aplicación integral como podría ser de software defined. El centro de procesamiento de datos en el núcleo de la nube implementa la mayor parte de la inteligencia, la predicción a largo plazo, el control y la automatización de todo el framework; también dispondría de monitorización a través de un sistema tipo SCADA. En la zona comprendida entre la red de acceso y núcleo de red el nodo de enlace implementaría las funcionalidades de enrutamiento, inteligencia, funciones de control y procesamiento en base a la información meteorológica; además de poder introducir prioridades en el trafico de datos y señalización y también analizar y construir paquetes a partir de varios paquetes pequeños. Finalmente, el nodo central implementaría un sistema de net metering para importar energía a la red eléctrica; y devolverla a la red eléctrica, automatización, control e inteligencia en el Edge. La clave de la plataforma es realizar un balance cero de energía para adaptar la demanda global a la producción global de energía renovable.
![Figura 1. Esquema de red de telefonía móvil con energías renovables.[2]](https://static.smartgridsinfo.es/media/2019/02/csg5-figura-1-esquema-red-telefonia-movil-energias-renovables.png)
La arquitectura hace uso de una red privada virtual (VPN) con protocolo SSL/TLS para securizar la red y de tecnología Blockchain para implementar la inteligencia distribuida en la plataforma a partir de «smart contracts». De esta manera se logra poder registrar eventos en la red energética, introducir políticas para los procesos de auditoria energética.
A partir de la infraestructura existente, aprovechar ésta para incorporar la tecnología blockchain se considera debido al no elevado coste asociado a esta implantación. Aunque dicha tecnología tiene múltiples aplicaciones de uso, la que mejor encaja en el presente proyecto es mantener un registro y mantenimiento de todos los movimientos producidos dentro de esta arquitectura, tanto a nivel funcional como a nivel de fallos producidos en el sistema, quedando así registrados para un tratamiento futuro. A partir de estos datos poder producir una serie de métricas de utilidad para posibles predicciones.
A futuro puede expandirse la tecnología y que su aplicabilidad sea mayor en el proyecto, pero inicialmente ofrece un almacenamiento de registros inmutables.
Esta arquitectura que conforma la red, será securizada en todo momento mediante una red VPN que conecte todos los elementos de la arquitectura. Elementos que dispondrán de certificados para poder formar parte de la arquitectura. Además, se deben emplear elementos tradicionales para la securización de la plataforma como son cortafuegos, antivirus, reglas IDS / IPS, SIEM.
En el caso de las estaciones de telecomunicaciones electrificadas, uno de los suministros será la energía de red proporcionada por la compañía eléctrica, con la cual se pueden llegar a acuerdos de compensación entre la compañía telefónica y la compañía eléctrica. La compensación puede ser totalmente con fuentes de energía renovables o parcialmente renovables. eso se logra mediante la energía cero neta en RBS ya que los RBS electrificados se integran en el sistema eléctrico como importadores/consumidores o exportadores/productores de energía eléctrica.
Por otro lado, el proyecto en su vertiente económica, cada RBS permite crear un nuevo modelo de negocio para los operadores de telecomunicaciones ya que la viabilidad económica del proyecto tiene una tasa de retorno interno mayor al 10%, en cualquier caso y en cualquier escenario, con una amortización de 1’6 a 4’5 años para todos los casos y escenarios. Además de alinear los incentivos de costos mediante el uso de dispositivos compartidos dentro de la red como nodo de enlace y centro de procesamiento de datos, de esta forma los riesgos y los costos se pueden compartir.
Metodología
Para la simulación practica se ha escogido el escenario las Islas Baleares, y se ha recolectado información geográfica de todas las RBS a partir del operador de telefonía móvil de referencia. En todos los municipios el numero de estaciones ha sido clasificado en base a si son urbanas, turísticas o rurales. Por otra parte, se dispone de los datos climatológicos de radiación solar, velocidad del viento y temperatura de cada zona del escenario, y se ha hecho una asociación de estación meteorologica y estación de telecomunicaciones. El operador dispone de 513 estaciones de telecomunicaciones distribuidas en la geografía de las Islas Baleraes: Mallorca. Menorca, Ibiza y Formentera. Tan solo existen 2 estaciones de telecomunicaciones no electrificadas y abastecidas por un grupo electrógeno de combustible fósil y en una de ellas existe un sistema de respaldo con energía fotovoltaica, la correspondiente a la isla de Cabrera ubicada en el sur del archipiélago.
La idea ha sido modelar el sistema de generación eólica y fotovoltaica a partir de las expresiones (1) y (2,3). Referencias: Ericsson Mobility Report, “On the pulse of the networked society” June 2013; P. Sabater, A. Moia Pol, and R. Prasad, “DC Power System for Radio Base Station by Renewable Energy Sources” in Proc. of ISABEL 2010, Rome, Italy, 2010; P. Sabater, et al, “Net Zero Emissions in Radio Base Stations Operating at different Conditions,” in Proc. of the Global Wireless Summit (GWS), May 2014, Aalborg, Denmark.
(1) Energía.Sol(kWH) = (RGL*Effic*(1 – 0.43*(Ta-25)) *S/3600)) *Finc
Donde la energía en kWh generada es igual a RGL es la radiación global para un interval de tiempo en (KJ/m2), Effic es la eficiencia del panel (20%), Ta es la temperatura ambiente de la instalación , S es la superficie de paneles solares fotovoltaicos en (m2) y finalmente Finc es un factor adimensional que depende de la latitud del emplazamiento y tiene que ver con la inclinación, este varia entre 0’95-1’50. Referencias: Pere Sabater Frau, “Sistema de gestión energética en infraestructuras de telecomunicaciones inalámbricas”, 15-01-2016; P. Sabater, A. Moia Pol, and R. Prasad, “DC Power System for Radio Base Station by Renewable Energy Sources” in Proc. of ISABEL 2010, Rome, Italy, 2010; A. Moià-Pol, “Diagnosis and Innovation in the Energy Management at Balearic Hotel Industry,” Ph.D. Thesis, UPC, 2012.
(2) Energia.Eol (kWh) = PW.max*( -1.1607*vmed2 + 100.24*vmed – 158.1)/1500
(3) Energia.Eol (kWh) = PW.max*(-0.7269*vmed2 + 148.97*vmed – 408.32)/1000
Donde la expression (2) se correspondea la energía en kWh de un aerogenerador horizontal mientras que la (3) se corresponde a un aerogenerador vertical. La energia en kWh es igual a la potencia de pico del aerogenerador PW.max en (kW) por el producto de una ecuación de segundo grado de vmed, o velocidad media del viento, en unidades (m/s). En cuanto al consumo para cada tipo de estación de telecomunicaciones utilizamos un modelo de estimación, el modelo de función lineal es definido por tres variables independientes: consumo energético mensual, datos transmitidos y grados día. Telefonica, España S.A; Agencia Estatal de Meteorología – AEMET; Gobierno de España; P. Sabater, «et al, vNet Zero Energy for Radio Base Stations- Balearic Scenario,” in Proc. of the Global Wireless Summit (GWS), Dec 2015, Hayderabad, India; The R book, Michael J. Crawley, Willey (2007).
(4) ? (?, ?, ?) = ?·?+ ?·? + ?. ? + ? [3]
Donde ? es la eficiencia de la transmisión en kWh/GBitps; ? es el consume unitario; ? es el consumo de energía por mes in kWh; ? es el consumo unitario en kWh por Gbps transmitido; ? es el trafico de datos en Gbps; ? es el factor grados día en base (18ºC) [kWh/ºC] por mes; ? es una constante en kWh/Gbps.
(5) ?[kWℎ] = ?. ? [GBitps]
Donde los parámetros M, N, G y C son obtenidos por el método de minimización del error cuadrático medio.
Resultados y datos obtenidos
En la figura 2 se aprecia las curvas de generación y demanda para cada tipo de estación de telecomunicaciones para ello se ha desarrollado un simulador en lenguaje de programación Java. Se ha asumido que la superficie de paneles fotovoltaicos es de 80 m2 y que el aerogenerador seleccionado es de 9 kW varia entre eje vertical y horizontal a fin de escoger el que mejores prestaciones ofrece.
Discusión
Se puede apreciar que el balance cero de energía es posible técnicamente, donde para la potencia instalada se alcanza cubrir con energías renovables toda la energía extraída de la red eléctrica. Se aprecia que las estaciones rurales son las que disponen de mayor excedente mientras que las turísticas y rurales tienen déficit, permitiendo alcanzar el balance deseado. La contribución eólica es de un 25-30% lo cual hace mas robusto y aumenta la fiabilidad del sistema, en una fase posterior se optimizaría la potencia a instalar en cada emplazamiento de RBS para determinar la potencia instalar de cada tecnología renovable. Para los edificios turísticos y urbanos es preciso instalar paneles fotovoltaicos y/o aerogenerador entre azotea y fachada e integrarlos, mientras que en estaciones rurales la superficie disponible para la instalación de tecnología renovable es mayor y mas flexible.
Conclusiones
Este artículo de una plataforma de gestión energética para un operador de infraestructura inalámbrica de telecomunicaciones ha sido presentado y ha sido analizado / simulado únicamente en su faceta energética. El proyecto cubre la gestión energética de la red, a partir de que estas las estaciones radio de telecomunicación puedan ser productores y consumidores de energía eléctrica. Se demuestra a partir del escenario de las islas Baleares que implementar un balance cero de energía en las infraestucturas del operador es viable, lo cual demuestra que el modelo presentado podría cubrir de manera sostenible toda la demanda anual energética de un operador de telecomunicaciones. Estaciones de telecomunicaciones con energías renovables es técnicamente y económicamente viable, el único punto en su contra que ha favorecido todavía la no introducción del sistema de aprovisionamiento de energía con fuentes de energía renovable es la falta de una legislación al respecto en materia de emisiones de carbono y protección medio ambiental en instalaciones industriales.