Cómo descarbonizar las ciudades usando gemelos digitales
Helsinki, líder mundial en el uso de modelos digitales como herramientas para lograr su ambicioso y rápido objetivo de descarbonización para 2030, busca aprovechar el potencial de la energía geotérmica con la ayuda de los propietarios locales.
Se espera que dos tercios de la población mundial viva en ciudades para 2050, por lo que la planificación urbana para el cambio climático es vital, tanto para mitigar los eventos climáticos extremos como para lograr un futuro bajo en carbono. A la vanguardia mundial en la implementación y el uso de un modelo gemelo digital de su ciudad se encuentra un pequeño equipo en la capital finlandesa, Helsinki, dirigido por el arquitecto y urbanista Jarmo Suomisto.
El gemelo digital de Helsinki es, de hecho, dos modelos, un modelo Reality y un GML de ciudad semántica, abreviatura de Geography Markup Language, un estándar internacional en software de mapas. En pocas palabras, el modelo de realidad son las imágenes bonitas, compuestas por dos mil millones de polígonos, y el modelo semántico es el cerebro subyacente, con capas de datos que se pueden etiquetar, interrogar, agregar y cambiar. Al principio, los modelos se utilizaron para evaluar propuestas en concursos de arquitectura. El modelo 3D de 1985 tardó 12 horas en generar una imagen de Street View simple en blanco y negro.
Para darle una idea de la complejidad actual de los datos, hace dos años, los 11 terabytes de datos de imágenes oblicuas tardaron cinco meses en generar el modelo de ciudad real de 400 km² completo utilizando una granja de datos parisina. Como dice Suomisto: “El poder real en la ciudad digital inteligente se esconde debajo de las imágenes de lujo. Al igual que un iceberg, solo ves el 10 por ciento, el resto es invisible, pero es donde reside el verdadero poder”.
Ambos modelos tienen una precisión de más de 20 cm. En comparación, Google Maps contiene errores de hasta 5 m y, por lo tanto, no se puede utilizar con fines de diseño. Un modelo se alimenta del otro, y la inteligencia artificial (IA) está comenzando a hacer que el modelo de realidad sea más inteligente al reemplazar el laborioso y costoso trabajo de etiquetado manual de, por ejemplo, ventanas, techos, señales de tráfico, etc.
El modelo de realidad se creó volando una avioneta a 1.200 m sobre la ciudad. El avión estaba equipado con cinco cámaras que filmaban las mismas escenas desde diferentes ángulos. El software combina estas imágenes haciendo coincidir similitudes para crear una nube de puntos de la ciudad en 3D. Todos los 80.000 edificios de Helsinki y más de un millón de superficies (techos, ventanas, etc.) se han cartografiado de esta manera.
La belleza del modelo semántico subyacente es que se puede enriquecer infinitamente, por ejemplo, para reflejar nuevos materiales de construcción de techos y aislamiento, o renovaciones. Se le puede enseñar a comprender la ciudad cada vez mejor mediante el uso de IA para etiquetar nuevos elementos, verificados en el terreno frente al costoso etiquetado manual, para agregar más elementos, como datos de accesibilidad, como bordillos caídos. Las actualizaciones diarias y el mantenimiento del modelo semántico son llevados a cabo por el encuestador del Ayuntamiento.
En el futuro, existe el deseo de combinar las imágenes generadas desde el aire con el escaneo y las imágenes a pie de calle. “Tenemos la tecnología para hacer esto, pero no el poder de cómputo para procesar los datos de toda la ciudad; puede tomar uno o dos años hacerlo”, dice Suomisto, “pero podemos ver lo que es posible al observar en proyectos de áreas pequeñas.”
Suomisto está muy orgulloso del Energy Atlas, basado en los dos modelos para ayudar a la ciudad a planificar la neutralidad de carbono para 2030. No le sorprenderá, dado el clima en Finlandia, que la calefacción urbana de los edificios absorbe el 56 por ciento del carbono. presupuesto de la ciudad. En comparación, el transporte es menos de la mitad.
En las latitudes septentrionales, el comportamiento estacional de la radiación solar en el entorno construido es una variable importante para el diseño de los edificios y su demanda de calor, ya que el ángulo de incidencia varía mucho entre los largos días de verano y los cortos de invierno. También es importante para la calidad de vida y el confort de sus habitantes humanos. El equipo ha analizado las horas de radiación solar a lo largo del año, y también las sombras que proyectan las estructuras construidas o por construir al caer sobre parques, aceras y otros edificios. Ambas variables también impactan en la eficacia de los paneles solares para la producción de energía. La plataforma de código abierto permite a cualquier arrendador o residente consultar el modelo y buscar el potencial solar de cualquier techo en su teléfono móvil.
La ciudad ha llevado a cabo análisis de sombras y radiación solar en un millón de superficies en el entorno construido y por construir para permitir que los desarrolladores y los propietarios existentes calculen los beneficios reales de la instalación de paneles solares y las ubicaciones más eficientes para ellos.
“Podemos examinar cada una de las un millón de superficies de la ciudad para ver cuál tiene el mejor potencial de energía solar ahora. Es una excelente manera de demostrar a los propietarios de viviendas cómo pueden contribuir y apoyar el objetivo de descarbonización, además de ahorrar en insumos de energía”, explica Suomisto. “También hemos mapeado toda la ciudad en busca de potencial geotérmico. Los propietarios pueden ver de un vistazo si su propiedad puede acceder a la energía geotérmica a través de una bomba de calor de fuente terrestre perforada a 150 m bajo la superficie en algunas áreas de la ciudad, o 300 m de profundidad en otras. Obviamente, la profundidad del eje equivale al costo de aprovechar los recursos geotérmicos”.
Los datos dentro del gemelo digital son vitales para poder demostrar el beneficio de aprovechar estos recursos energéticos y, en última instancia, reemplazar la combinación actual de fuentes de carbón, nucleares e hidroeléctricas para la calefacción urbana. Igualmente, cada edificio dispone de una calificación energética que permite calcular los efectos de la rehabilitación o mejora del aislamiento frente al consumo energético actual basado en combustibles fósiles.
Juho-Pekka Virtanen, un experto en geomática de la empresa de innovación de propiedad de la ciudad Forum Virium, habló con E&T sobre las áreas en las que Helsinki Digital Twin se puede mejorar para que sea aún más útil tanto para los urbanistas como para los residentes.
“Un área en la que los modelos actuales son deficientes es el mapeo del componente verde de la ciudad. Helsinki ha contado con la ayuda de sus residentes en algunos proyectos piloto para comenzar a recopilar esta información cartográfica a través del crowdsourcing, utilizando cámaras de teléfonos. También estamos probando el uso de sensores lidar integrados en algunos teléfonos inteligentes”, dice.
Los proyectos también han permitido a los habitantes de la ciudad participar en la planificación de la infraestructura verde utilizando aplicaciones AR en sus teléfonos para visualizar esquemas de plantación diseñados por arquitectos paisajistas profesionales, y usar estas aplicaciones AR para ayudar a las personas a imaginar cómo se verán las plantaciones finales una vez que estén completas. Tanto los profesionales como los residentes encontraron la experiencia positiva.
La infraestructura verde (los espacios verdes, los parques, las plantas y los árboles de una ciudad) desempeñan un papel clave en la vida de los residentes de la ciudad y sus mascotas, pero también son fundamentales para mitigar las inundaciones repentinas al actuar como drenajes amortiguadores que absorben las lluvias torrenciales repentinas. y liberarlo lentamente, todo lo contrario de la forma en que se comporta la escorrentía de tormentas en el entorno construido, que está dominado por superficies duras como asfalto y ladrillo. Combinado con datos hidrológicos y geológicos, este modelo también permite a la ciudad prepararse y predecir inundaciones repentinas y otros eventos climáticos extremos, que se espera que sean más frecuentes en los próximos años. “Los sensores en vivo en las nuevas estaciones meteorológicas locales podrían ayudarnos a crear simulaciones para comprender mejor los patrones de inundaciones urbanas y ayudarnos a identificar las áreas donde debemos hacer más, lo antes posible”, agrega Virtanen.
Comprender los efectos de la isla de calor en la ciudad y cómo los fuertes vientos de tormenta afectarán a Helsinki son prioridades futuras de investigación.
Otra parte de la ciudad no mapeada se ha denominado «puntos débiles de entrega urbana»: un conductor ha llegado a la dirección de un edificio pero no sabe cuál de las múltiples entradas actúa como recepción de la oficina, puertas de entrega de mercancías o muelles de carga. Un plan piloto dirigido por la empresa local Tietorahti Oy pide a los conductores de entrega que introduzcan consejos de navegación para facilitar futuras entregas. Datos como este serán útiles cuando los servicios de entrega robótica de última milla se generalicen y también pueden ser útiles para las personas discapacitadas que pueden necesitar ubicar entradas sin escalones.
Forum Virium también está investigando la tecnología de topografía terrestre, ya sea utilizando dispositivos móviles o teléfonos portátiles, o lidars montados en vehículos, que pueden producir muchos más detalles en un modelo 3D que el existente, que se creó a partir de imágenes aéreas. Si se pueden negociar las cuestiones contractuales, las nubes de puntos generadas por el paso de vehículos autónomos también podrían ser una nueva fuente de datos cartográficos.
Otra ambición futura es incluir las estructuras interiores de los edificios en el gemelo digital: de nuevo, un objetivo técnicamente alcanzable ahora, pero en términos de procesamiento de datos no factible en la práctica.
“También nos gustaría incorporar más y más datos de sensores en vivo en los modelos de la ciudad. El uso de energía por edificio está claramente disponible, pero necesitamos obtener permisos para acceder a él y usarlo de una manera útil, por ejemplo, para predecir futuras demandas de energía antes de un clima cambiante pronosticado y ejecutar simulaciones basadas en diferentes resultados climáticos”, dice. Virtanen.
Otra incorporación reciente al entorno de gemelos digitales es el software avanzado de simulación de viento desarrollado originalmente por la empresa alemana CADFEM para refinar la racionalización de los diseños de automóviles en túneles de viento. Funciona perfectamente para simular el comportamiento del viento en el entorno construido a medida que viaja sobre y alrededor de los edificios. Esto permite al equipo examinar la pérdida de calor del edificio estacionalmente y calcular la pérdida de energía prevista a medida que el viento enfría las superficies.
Suomisto ve la tecnología de gemelos digitales como un facilitador del cambio social. “Nuestros modelos muestran muy claramente a los líderes de la ciudad y a los ciudadanos lo que ellos, como residentes o propietarios, pueden hacer para lograr el objetivo de neutralidad de carbono de nuestra ciudad en menos de ocho años a partir de ahora. Como resultado, confiamos en que lo lograremos para 2030”, dice. “Hemos recorrido un largo camino desde el primer modelo 3D de madera de Helsinki producido por el arquitecto de la ciudad Eliel Saarinen en 1915”.