Los edificios residenciales representan un gran porcentaje del consumo mundial de energía y muchos países de todo el mundo están buscando soluciones efectivas a este problema en medio de la actual crisis energética.En consonancia con los esfuerzos globales para alejarse de los combustibles fósiles, una opción atractiva es hacer que las casas sean autosuficientes haciéndolas generar su electricidad, algo que generalmente se logra utilizando sistemas fotovoltaicos (PV).

Un problema recurrente a la hora de promocionar sistemas fotovoltaicos en zonas residenciales es calcular qué tamaño de paneles solares y baterías son óptimos para cada uno de ellos.casa.Aunque pueda parecer engañosamente simple, encontrar la solución óptima a este problema para muchas casas rápidamente se vuelve computacionalmente intensivo.Esto empeora aún más si se tienen en cuenta muchos factores inciertos, incluidas las variaciones en la radiación solar promedio, los patrones de consumo de energía y la posibilidad de compartir energía entre hogares.

En este contexto, un equipo de investigación de Japón, incluido el profesor Takeshi Hatanaka del Instituto de Tecnología de Tokio, ha ideado una forma nueva y eficiente de resolver el problema de optimización mencionado anteriormente.Como se explica en su artículo, que fuepublicado recientementeenAcceso IEEEEl 6 de junio de 2024, el enfoque propuesto tiene como objetivo realizar casas de energía neta cero (ZEH), es decir, casas diseñadas para tener un consumo de energía neto anual cercano a cero.Este trabajo fueinvestigación colaborativacon la Universidad de Waseda y la Universidad de Toyama.

En primer lugar, los investigadores formularon el problema de optimización como un sistema de ecuaciones y desigualdades matemáticas que, una vez resueltas, proporcionan el tamaño óptimo de los paneles fotovoltaicos y las baterías en términos de coste y neutralidad de carbono.Consideraron casos en los que cada hogar tiene que producir su energía por sí solo, así como casos en los que se permite compartir energía entre hogares, lo que se conoce como "economía colaborativa".

El principal desafío que tuvo que abordar el equipo fue el hecho de que problemas de optimización tan complejos suelen ser no convexos.En otras palabras, debido a la naturaleza del problema, los algoritmos de resolución pueden verse engañados y optar por una solución subóptima.Para abordar este problema, los investigadores aplicaron una serie de transformaciones inteligentes para convertir el problema original en un problema de programación lineal (LP), que es más fácilmente manejable.

Posteriormente, para probar su enfoque, el equipo aplicó el marco propuesto a un vecindario en Japón, para el cual tanto el consumo de energía como los datos de generación solar estaban disponibles para 134 hogares.Como era de esperar, podrían encontrar rápidamente las soluciones óptimas tanto para las economías individuales como para las economías colaborativas.

"Nuestros ejemplos numéricos aprovecharon datos del mundo real en lugar de depender de datos sintéticos, mejorando la autenticidad de nuestros hallazgos", destaca Hatanaka."Demostramos que alcanzar el estatus ZEH no eleva significativamente los costos, lo que implica que es un objetivo factible para las casas residenciales en Japón".

Vale la pena señalar que el experimento anterior también reveló que los solucionadores disponibles comercialmente no pudieron resolver el problema original.problema de optimizacióndebido a su enorme complejidad.

"Al considerar aproximadamente dos meses de datos, el problema original se vuelve computacionalmente desafiante, ya que los solucionadores comerciales tardan hasta 14 horas en resolverlo. Por el contrario, el problema completo se puede resolver en menos de diez segundos utilizando nuestras transformaciones LP", añade Hatanaka..

En conjunto, los hallazgos de este estudio podrían contribuir significativamente a la adopción y el despliegue de sistemas de energía renovable en vecindarios residenciales al permitir a los planificadores determinar el tamaño adecuado de los paneles solares y las baterías.Los investigadores esperan que estos esfuerzos allanen el camino hacia ciudades llenas de ZEH.