Geometric characterization of urban environments and their photovoltaic potentialevaluation of lidar data for urban electrification

Zusammenfassung

[EN] In recent decades, urban energy consumption has significantly increased due to global population growth and urbanization. According to data from the International Energy Agency, cities account for 67% of global energy consumption. The current energy system relies heavily on fossil fuels and is a major contributor to carbon dioxide (CO2) emissions, which are the main cause of global warming and have numerous negative impacts on biodiversity and the environment. The integration of renewable energies and the electrification of consumption are presented as the main strategies to reduce dependence on fossil fuels and CO2 emissions. However, to ensure the current electricity grid can handle such a change and avoid saturation, it is necessary to improve the grid by (i) reinforcing existing infrastructure and (ii) creating new energy generation points close to where it is consumed. This second point particularly promotes the integration of renewable energies at the urban level, as they allow the creation of new electricity generation points close to the point of consumption. The global process of replacing combustion processes with electricity as a primary energy source is known as the energy transition. Decision-making is a crucial process for the successful implementation of the energy transition. With the digital revolution and the huge amount of data required, digitization has become a key decision-making strategy. Most digital decision-making processes require geospatial data due to the importance of geographic location in the definition of different types of strategies: commercial, route calculation, etc.; as well as the influence of geometry on the estimation of energy requirements and capacities for a variety of applications: battery and/or transport fuel consumption, integration of mobility and accessibility strategies, availability of renewable energy resources, and climatology, among others. Focusing on Europe and digitization, the INSPIRE Directive is considered the main source of freely available geographic information. It serves as the basis for several methodologies and tools used to promote it within the European Community. At city scale, LiDAR point clouds are the most widely used data for the geometric characterization of the urban environment. Given the urban extent and low density of the INSPIRE point clouds, it is important to determine their validity for urban geometric characterization. Due to the availability of low-density airborne LiDAR data in Spain, the focus of this thesis is on the evaluation of such data for the geometric characterization necessary for renewable energy integration and urban electrification. Based on aerial LiDAR data from the National Geographic Institute with densities between 0.5 points/m2 and 14 points/m2, different urban studies and analyses have been carried out against high resolution point clouds. These studies have enabled the evaluation of the impact of point cloud resolution in various scenarios: from the implementation of solar energy in residential and industrial buildings and public urban elements to the electrification of urban vehicles. Complementary, these studies have also been used to develop and validate new methodologies for the automation of different urban geometric characterization processes. The results obtained demonstrate that low-density airborne LiDAR data can provide a reliable urban geometric characterization for decision-making related to renewable energy integration and electrification in urban environments. [SP] En las últimas décadas el consumo energético urbano se ha incrementado drásticamente como consecuencia del crecimiento de la población mundial y del aumento de la urbanización: según datos de la Agencia Internacional de la Energía, las ciudades son responsables del 67% del consumo energético global. Con el actual sistema energético, basado principalmente en combustibles fósiles, este nivel de consumo energético implica una responsabilidad semejante en las emisiones de dióxido de carbono (CO2), principal causante del calentamiento global y de todas las consecuencias negativas que este tiene para la biodiversidad y el medio ambiente. La integración de energías renovables y la electrificación de los consumos se presentan como las principales estrategias para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y las emisiones de CO2. Sin embargo, para que la red eléctrica actual pueda hacer frente a dicho cambio y evitar su saturación, es necesario una actualización y una mejora de la red mediante (i) el refuerzo de la ya existente y (ii) la creación de nuevos puntos de generación de energía próximos a los puntos de consumo. Este segundo punto favorece especialmente la integración de energías renovables a nivel urbano, pues estas permiten la creación de nuevos puntos de generación de electricidad cercanos al punto de consumo. Todo este proceso, de cambio de recursos energéticos predominantes y sustitución de procesos de combustión por la electricidad como fuente de energía, se trata de un proceso conocido mundialmente como transición energética. La toma de decisiones es uno de los procesos fundamentales para completar con éxito la transición energética. Ante la revolución digital en la que la sociedad se encuentra inmersa, unido a la gran variedad y cantidad de datos necesarios, ha hecho que la digitalización se convierta en una de principales estrategias para la toma de decisiones. La gran mayoría de los procesos digitales de toma de decisiones requieren de diferentes datos geoespaciales, debido a la importancia de la ubicación geográfica en la definición de estrategias de todo tipo: comerciales, de cálculo de rutas, etc.; así como a la influencia de la geometría en el cálculo de necesidades y capacidades energéticas para gran variedad de aplicaciones: consumo de baterías y/o combustible para transporte, incorporación de estrategias de movilidad y accesibilidad, disponibilidad de recursos de energía renovables, y climatología, entre otras. Poniendo el foco de atención en Europa y la digitalización, la directiva INSPIRE se presenta como la principal fuente de información geográfica gratuita en la que se apoyan las diferentes metodologías y herramientas para su impulso dentro de la comunidad europea. A escala ciudad, las nubes de puntos LiDAR son los datos más utilizados para la caracterización geométrica del entorno urbano. La extensión urbana y la baja densidad de las nubes de puntos INSPIRE, hace que resulte de interés conocer hasta qué punto estos datos ofrecen resultados válidos para la caracterización geométrica urbana. La disponibilidad de datos de LiDAR aéreo de baja densidad en España, hacen que la presente tesis doctoral se centre en la evaluación de dichos datos para la caracterización geométrica necesaria en la integración de las energías renovables y electrificación urbana. A partir de los datos de LiDAR aéreo del Instituto Geográfico Nacional de densidades comprendidas entre 0.5 puntos/m2 y 14 puntos/m2, se han realizado diferentes estudios y análisis urbanos frente a nubes de puntos de gran resolución. Estos estudios han permitido evaluar el efecto de la resolución de la nube de puntos en diferentes casuísticas: desde la implementación de energía solar en edificios residenciales e industriales y elementos urbanos públicos hasta la electrificación de vehículos urbanos. De manera complementaria, estos estudios también han servido para el desarrollo y validación de nuevas metodologías para la automatización de diferentes procesos de caracterización geométrica urbana. Los resultados obtenidos han permitido comprobar que los datos de LiDAR aéreo de baja densidad permiten una caracterización geométrica urbana válida para la toma de decisiones necesaria para la integración de energías renovables y electrificación en entornos urbanos.