Gemelos digitales para la gestión del calor en vehículos eléctricos
La necesidad de reducir la dependencia de los combustibles fósiles y la contaminación generada por los automóviles de combustión en las ciudades, junto con los incentivos económicos de los gobiernos, han hecho que aumente el interés de la sociedad por adquirir vehículos eléctricos.
A parte de TESLA, casi todos los fabricantes de automóviles históricos como BMW, el grupo Volkswagen , Toyota o Hyundai han introducido en el mercado modelos eléctricos a precios asequibles.
Aunque el vehículo eléctrico ha demostrado ser una tecnología madura y fiable, sigue presentando un importante potencial de optimización/mejora. Entre ellas, el aumento de la capacidad y la durabilidad de la batería se han convertido en los dos objetivos principales para impulsar el vehículo eléctrico.
Desde el CIC energiGUNE nos centramos en ambos aspectos. Desde el área de Almacenamiento de Energía Electroquímica (EES), con la búsqueda de nuevas tecnologías de baterías disruptivas con mayores densidades de energía y mejor ciclabilidad, y desde el área de Almacenamiento de energía Térmica (TES) en la mejora de su durabilidad mediante la garantía de condiciones óptimas de funcionamiento.
Es en esta última, donde un gemelo digital adquiere un papel relevante. Dependiendo de la tecnología de la batería, la temperatura de operación debe mantenerse en un cierto rango. Este parámetro es crítico para evitar tanto el mal funcionamiento (descarga repentina) como la reducción de la vida útil (durabilidad).
Mientras el automóvil se está cargando o acelerando, las baterías sufren de ineficiencias que conducen a la generación de calor. Si este calor no se elimina adecuadamente, puede provocar un aumento de la temperatura por encima de los valores recomendados.
La misma situación indeseable se produce si el coche se aparca en el exterior a temperaturas muy bajas (invierno) o altas (verano). En este marco, un gemelo digital capaz de tomar decisiones instantáneas sobre el sistema de gestión del calor en función de parámetros como la temperatura ambiente, la temperatura de la batería, la tasa de aceleración, el estado de carga, etc. que son vitales para garantizar un rendimiento eficiente de la batería, así como para prolongar su vida útil.
Estudios de General Electric (GE) afirman que los conocimientos adquiridos con el "Gemelo" les han permitido reducir el tamaño de la batería en 16 celdas y reducir el coste en un 15%.
Gemelos digitales para la gestión térmica en los edificios
Otra aplicación clara de los gemelos digitales es en el área del agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), no sólo en los edificios residenciales sino también en los públicos.
No hay una solución única para proporcionar agua caliente y HVAC a un edificio. Por ejemplo, los edificios antiguos solían incorporar calentadores diésel, mientras que los más nuevos utilizan gas natural o, en el mejor de los casos, biomasa.
Sin embargo, las recientes normativas impuestas para los edificios de nueva construcción o para rehabilitaciones, junto con los incentivos gubernamentales, están haciendo que las soluciones instaladas actualmente sean una combinación de sistemas basados en combustibles fósiles (principalmente gas natural) y energías renovables (paneles solares térmicos, bombas de calor, biomasa, etc.).
Además de la aplicación de tecnologías/equipos más eficientes y menos contaminantes, existe una clara necesidad de mejorar el funcionamiento de los sistemas de ACS y HVAC.
Muchos estudios han demostrado la viabilidad de incluir los gemelos digitales en los edificios. Por ejemplo, IES indica que, con la integración de un Gemelo Digital en el Museo Riverside de Glasgow, se logró un ahorro anual de 52,3 mil libras esterlinas, con un período de amortización inferior a 6 meses.
Para lograr este ahorro, los Gemelos Digitales juegan un papel importante ya que permiten operar el sistema, por ejemplo, en función de la previsión meteorológica, los datos históricos de demandas, etc. de tal manera que se aseguran condiciones nominales de operación más eficientes en cada escenario.
Además, el uso de este tipo de herramientas en la etapa de diseño del sistema permite un escalado optimizado de los componentes, lo que conduce a una reducción de la inversión y a una solución más compacta.
Las capacidades de CIC energiGUNE hacia la Industria 4.0
En CIC energiGUNE en general y en el área TES en particular, somos expertos en el desarrollo de este tipo de herramientas digitales como soluciones clave para impulsar no sólo a la industria vasca, sino también a la europea, hacia la cuarta revolución industrial.
El know-how adquirido por los investigadores e ingenieros en diferentes proyectos de financiación pública (Hazitek, Plan Nacional, H2020, RFCS...), así como en contratos privados con la industria en los últimos años, ha permitido la creación de iniciativas como Thermlab para ofrecer este tipo de soluciones a la industria.
Actualmente, CIC energiGUNE cuenta con potentes herramientas de modelización para llevar a cabo este tipo de retos tecnológicos como ANSYS Fluent, ANSYS Icepak, TRNSYS, o Matlab.