Costes energéticos y CO2: ahorrar energía de forma inteligente con las redes IoT

Las redes inteligentes pueden reducir las necesidades de electricidad de las empresas hasta en un 80%, según las asociaciones del sector. Los conceptos integrados de IoT no solo reducen_{las emisiones de CO2}, sino también los costes operativos relacionados con la energía. Por ello, los últimos estándares de radio móvil de red de área inalámbrica de baja potencia (LPWAN) para la comunicación de máquina a máquina se adaptan deliberadamente a la eficiencia energética. Para entender mejor las abreviaturas utilizadas, lea la información de fondo del recuadro.

Incluso sin crisis, la energía siempre ha sido un factor de coste decisivo para las empresas. El dena habla de subidas de precios de la electricidad, el gas natural y el gasóleo de calefacción para la industria de entre el 160 % y el 490 % entre 1999 y 2014 [1]. Por ello, en una encuesta de la Family Business Foundation, el 82 % de las empresas encuestadas declararon que tenían previsto invertir en eficiencia energética o que ya lo habían hecho [2].

Incluso sin crisis, la energía siempre ha sido un factor de coste decisivo para las empresas.

Según la Oficina Federal de Estadística, el consumo energético de las empresas industriales aumentó un 15% entre 2003 y 2021 [3]. Según Destatis [3], la industria alemana consumió 918 petajulios de energía en 2021. Esto supuso un 4,6% más que en 2020 y un 2,6% más que en 2019. El 88% se utilizó para generar electricidad y calor. El 12% restante se utilizó como materia prima para la fabricación de productos como productos químicos, fertilizantes y plásticos. Con un 21%, la electricidad en particular es la fuente de energía más importante después del gas natural (30%). Sin embargo, la electricidad es unas cuatro veces más cara que el gas natural (Fig. 1).

Potencial de ahorro en la automatización de edificios

Por supuesto, el consumo de energía también depende de los volúmenes de producción, el tipo de productos fabricados y las tecnologías y materias primas necesarias. Sin embargo, independientemente de la industria de que se trate, los edificios industriales son un factor de coste fijo. Según dena, los edificios no residenciales representan alrededor del 36% del consumo energético de todos los edificios de Alemania. "No siempre merece la pena el esfuerzo de restaurar completamente el revestimiento exterior o no es técnicamente factible", afirma Dennis Paul, responsable de proyectos IoT de Wireless Logic mdex GmbH. "Sin embargo, mediante la conexión en red de las funciones del edificio, se puede aprovechar un considerable potencial de ahorro de energía haciendo que los recursos y las funciones estén disponibles según sea necesario."

Esto se basa en medidas que parecen sencillas a primera vista. La calefacción de las grandes naves industriales, por ejemplo, es especialmente ineficiente debido al tamaño de la sala: hay diferencias de temperatura de 10 grados o más entre el suelo y el techo de la nave debido al calor ascendente. Estas pérdidas por transmisión pueden evitarse en gran medida instalando ventiladores industriales que recirculen el aire caliente.

Los techos de los edificios tienden a calentarse, sobre todo en las naves industriales. A una temperatura ambiente de 14 °C cerca del suelo, el techo de la nave se calienta rápidamente hasta 26 °C debido al calor ascendente, calcula el fabricante de ventiladores Fenne KG [4]. Con ventiladores de techo adecuados, el aire ambiente cerca del suelo puede elevarse 5 grados sin necesidad de calefacción adicional. Esto reduce los costes de calefacción en torno a un 30%. Los ventiladores resultan especialmente eficientes desde el punto de vista económico y energético cuando están conectados en red y su funcionamiento se optimiza constantemente mediante la recopilación de datos de los sensores. La nave sólo puede calentarse al máximo durante las horas de funcionamiento mediante un sistema inteligente de control del funcionamiento. Los ventiladores reducen el precalentamiento necesario y amplían el tiempo de retardo nocturno.

En una nave de montaje de la planta de Volkswagen en Emden, por ejemplo, se optimizaron 20 sistemas de ventilación, lo que permitió ahorrar un 80% de electricidad. Para ello se utilizaron convertidores de frecuencia y tecnología de medición y control para el funcionamiento del sistema de ventilación en función de la demanda. Con una inversión de 1,4 millones de euros, Volkswagen consiguió ahorrar 1 millón de euros al año [5]. El consumo eléctrico se redujo en 7,1 GWh.

Control de la luz para sistemas de iluminación inteligentes

La iluminación en las empresas reviste especial importancia, independientemente del sector. Se calcula que hasta el 15 % de los costes totales de una empresa se deben al uso inadecuado e inapropiado de las fuentes de luz [6]. Se sabe que un LED ahorra unos 15 euros en costes de electricidad al año en comparación con una bombilla de 60 vatios. Pero, además, la iluminación en función de la demanda ahorra energía, sobre todo en zonas de reparto, lugares de trabajo y vías de circulación. El uso temporal de la iluminación puede realizarse, por un lado, mediante el simple uso de sensores sensibles a la luz o detectores de movimiento. El cálculo de rutas optimizadas para peatones y tráfico también desempeña un papel en el enfoque IoT.

Se sabe que un LED ahorra unos 15 euros en costes de electricidad al año en comparación con una bombilla de 60 vatios.

Esto nos lleva al concepto de supervisión de la luz, que adapta un sistema de iluminación en red a horarios fijos, turnos, presencia u horas del día. La iluminación de la sala puede regularse automáticamente en función de la cantidad de luz natural o de la actividad en la sala. Además, el consumo energético de cada luminaria puede analizarse en un banco de datos a través de un cuadro de mandos. Los sensores de presencia muestran qué zonas están innecesariamente iluminadas durante el funcionamiento. Además, la supervisión de la iluminación proporciona datos valiosos para el mantenimiento predictivo de la iluminación y utiliza los datos de rendimiento de cada punto de luz individual para señalar la necesidad de sustitución y reparación en una fase temprana.

La empresa Würzburger Verkehrsbetriebe (WVV) consiguió reducir considerablemente el consumo eléctrico de su propio aparcamiento subterráneo con la simple sustitución y reubicación de los tubos fluorescentes de bajo consumo. Por un lado, se sustituyeron los antiguos tubos fluorescentes por 116 tubos de neón más eficientes energéticamente y mejor posicionados. Pero el factor decisivo fue el uso de balastos electrónicos con entre un 10 % y un 20 % menos de pérdida de potencia. Estos balastos, conectados en red con sensores, regulan la iluminación según las necesidades: Si no hay vehículos ni personas circulando por el aparcamiento subterráneo, las lámparas se reducen al 10 % de su intensidad luminosa. Estas medidas han permitido a WVV ahorrar un 76% de electricidad al año y triplicar la vida útil de las lámparas [7].

Redes inteligentes como punto de partida

La conexión en red de edificios, sistemas y dispositivos finales con el centro de control permite optimizar los perfiles de uso, los tiempos de demanda y las rutas mediante el aprendizaje automático. Además, se puede predecir el mantenimiento necesario, optimizando así el despliegue de personal y materiales.

"El núcleo de las medidas de ahorro energético es la utilización de los recursos en función de las necesidades", afirma Dennis Paul. "Esto incluye el suministro puntual de recursos de alto consumo energético y los correspondientes modelos de previsión. La interconexión integral de la empresa a través de las comunicaciones móviles permite conectar las máquinas, los sistemas y los edificios pertinentes." Con 4G, 5G y varias tecnologías LPWAN, ahora hay numerosos estándares de comunicaciones móviles para configurar entornos IoT industriales. "No importa si se trata de un sistema en campo abierto o de un dispositivo final oculto en las profundidades del centro de un edificio", afirma Dennis Paul. "Hay conectividad a medida para cada volumen de datos requerido, requisito de latencia o penetración en interiores".

LPWAN como alternativa de IoT que ahorra energía

La última tecnología es 5G, que permite velocidades de transmisión de más de 1 Gbit/s en la frecuencia de banda alta de 3,6 GHz y puede transmitir al menos el doble de datos en comparación con 4G. A pesar del corto alcance de entre 300 y 1.000 metros por célula de radio en esta gama de frecuencias, esta tecnología es especialmente útil para redes limitadas de empresas privadas. Sin embargo, la 5G tiene sentido para el control en tiempo crítico de instalaciones de producción, tráfico autónomo en fábricas o sistemas de transporte, en particular debido a la baja latencia de menos de un milisegundo en la banda alta.

Por el contrario, 4G, una tecnología móvil diseñada originalmente para los consumidores, alcanza velocidades de transmisión de no más de 500 Mbit/s con latencias de entre 15 y 80 ms. Hoy en día, la mayoría de las aplicaciones IoT pueden realizarse fácilmente a través de 4G. Sin embargo, 4G no está optimizada para fines industriales y, en particular, no es eficiente desde el punto de vista energético. Las nuevas tecnologías LPWAN están diseñadas específicamente para la comunicación entre máquinas y sistemas. Los comités de normalización tenían en mente escenarios de aplicación industrial y un consumo energético mínimo. Los estándares LPWAN LTE-M y NB-IoT forman parte de la red 4G y, por lo tanto, tienen la cobertura de red más amplia (Fig. 2).

Fig. 2 (Gráfico: Wireless Logic mdex GmbH)

NB-IoT y LTE-M se recortan sistemáticamente en aras de la eficiencia energética. Esto significa que la duración de la batería en sensores en red, por ejemplo, puede ser de hasta 10 años. Esto es posible gracias a dos tecnologías clave. La recepción discontinua ampliada (eDRX) apaga el dispositivo entre recepción de datos, incluso durante largos periodos de tiempo. Además, el modo de ahorro de energía (PSM) puede apagar completamente el módulo de radio. Sin embargo, el dispositivo no tiene que volver a conectarse a la red cuando se enciende de nuevo.

Sin embargo, NB-IoT solo es adecuado para la transmisión esporádica de pequeñas cantidades de datos de hasta aproximadamente 5 MB al mes, donde se pueden tolerar latencias elevadas de entre 1,6 y 10 segundos. La velocidad máxima de transferencia de datos de NB-IoT es de solo 128 Kbit/s aproximadamente. Sin embargo, esto suele ser perfectamente adecuado para transmitir niveles de llenado de silos, temperaturas o datos de consumo. Debido a su alta penetración en interiores y su baja susceptibilidad a las interferencias, NB-IoT es especialmente adecuado para la medición inteligente, la supervisión de aparcamientos y la gestión de edificios. Además, se pueden direccionar hasta 50.000 sensores o dispositivos finales por célula de radio.

Fig. 3 (Gráfico: Wireless Logic mdex GmbH)

La desventaja de NB-IoT es que no hay traspaso entre las células de radio y, por lo tanto, sólo es adecuado para uso estacionario. Por tanto, el estándar no es adecuado para aplicaciones móviles con un mayor caudal de datos. LTE-M satisface la necesidad de conexiones de datos más potentes con movilidad simultánea. Esta tecnología LPWAN ofrece una velocidad de datos de hasta 1 Mbit/s con latencias de entre 10 y 15 milisegundos. Al igual que NB-IoT, LTE-WAN utiliza las tecnologías de ahorro de energía eDRX y PSM. Esto significa que LTE-M es casi tan económica en términos de consumo de energía como NB-IoT y tiene una penetración en edificios similar. En el futuro, LTE-M también será compatible con la transmisión de voz (VoLTE). Esto hace que el estándar sea adecuado para aplicaciones de mayor valor, como los sistemas de llamada de emergencia en ascensores, donde se requiere penetración en interiores y transmisión de datos casi en tiempo real (Fig. 3).

Las viejas tarjetas SIM como cuello de botella

Con las nuevas tecnologías de transmisión y las redes inteligentes IoT orientadas a la demanda, ya se puede ahorrar energía en gran medida. Sin embargo, los chips SIM convencionales en tarjetas de plástico no solo son susceptibles a la humedad y las vibraciones, sino que también tienen que sustituirse manualmente cuando cambian los operadores y las tarifas. La mano de obra y los desplazamientos que implica el servicio in situ, por ejemplo cuando se equipan estaciones de red locales o contadores inteligentes, son inmensos.

Sin embargo, con la tecnología eUICC (Embedded Universal Integrated Circuit Card) de los chips eSIM es posible evitar por primera vez el mantenimiento manual. Las eSIM, de sólo 6 x 5 mm, ya están instaladas de forma permanente en las placas de circuitos de los dispositivos finales, son resistentes a la humedad y las vibraciones y, por tanto, perfectas para la conexión en red en la logística de producción y almacenes y para aplicaciones móviles. Lo más destacado, sin embargo, es la seguridad de cara al futuro: la conexión de datos puede importarse y gestionarse de forma inalámbrica con las eSIM. Esto significa que un cambio de operador puede realizarse sin esfuerzo físico y, por tanto, es energéticamente neutro.

"El problema es que el cambio de operador sin complicaciones no interesa a los proveedores de telefonía móvil", explica Dennis Paul. "Todas las compañías de telefonía móvil ofrecen tecnología eUICC y eSIM. Sin embargo, en caso de cambio de operador, una compañía de telefonía móvil tradicional no proporcionará soporte alguno, cobrará por él o lo excluirá contractualmente desde el principio." Esto elimina una ventaja clave de la tecnología eUICC: la provisión sin contacto de conexiones móviles por aire.

"Aquí es exactamente donde entra en juego la red móvil virtual Conexa", explica Dennis Paul. "Con Conexa, Wireless Logic mdex ofrece todos los estándares de red y operadores con un solo contrato. Esto incluye el aprovisionamiento OTA, la gestión y el asesoramiento continuo sobre la conexión de datos óptima, sin necesidad de sustituir las tarjetas SIM como ocurría anteriormente."

Esto tiene ventajas considerables en términos de consumo de energía, especialmente para los fabricantes de equipos originales que operan a escala internacional. En lugar de tener que instalar en el producto final una tarjeta SIM distinta para cada región de venta, basta con una sola. El chip eSIM o la tarjeta SIM compatible con eUICC se suministra con un perfil preconfigurado que se utiliza para proporcionar la tarifa deseada in situ a través de esta conexión de telefonía móvil. Conexa y el portal de gestión de SIM integrado pueden utilizarse entonces para supervisar todas las conexiones móviles en términos de comportamiento en la SIM y en el dispositivo, rendimiento y costes a través de una única interfaz de usuario.

Como Conexa es una solución de servicio completo, se dispone de la conectividad más eficiente en términos de energía y costes en función del área de aplicación, sin estar atado a un proveedor ni tener que aportar recursos internos para la gestión de la conectividad. "El eUICC junto con una red móvil virtual Conexa no sólo ahorra energía, sino también la energía de los empleados responsables", afirma Dennis Paul.

Fuentes y bibliografía

[1] Agencia Alemana de la Energía (dena), https://www.dena.de/themen-projekte/energieeffizienz/unternehmen/
[2] Cf.: Fundación de la Empresa Familiar, Encuesta sobre energía, https://www.familienunternehmen.de/de/pressebereich/meldungen/2022/2022-10-24/energiepreisumfrage
[3] Cf. Oficina Federal de Estadística, https://www.destatis.de/DE/Themen/BranchenUnternehmen/Energie/Verwendung/_inhalt.html
[4] Cf. Fenne KG; https://fenne-kg.de/warmluft-rueckfuehrung/
[5] Cf. dena, https://www.dena.de/newsroom/publikationsdetailansicht/pub/broschuere-energieeffizienz-inkleinen-und-mittleren-unternehmen/
[6] Cf. sajonia, https://www.saxonia-licht.de/energie-sparen-in-der-industrie/
[7] Ahorro de energía en el trabajo, https://www.energieeffizienz-im-betrieb.net/energiesparen-betrieb/energiesparhallenbeleuchtung.html