Strategies for urban progress toward higher renewable energy: a PV-centric approach with clustering methodology: case study in Barcelona

Abstract

(English) This dissertation presents a comprehensive study on the integration ofintegrating photovoltaic (PV) systems within urban environments, focusing on Barcelona as a case study. It explores innovative approaches to strivingachieving for nearly 100%higher renewable energy adoption by leveraging a PV-centric methodology enhanced through clustering strategies. The research emphasizes emphasises the interplay between architectural design, construction techniques, and urban planning to optimize optimise energy efficiency and utilizationutilisation, addressing critical environmental challenges such as CO2 emissions and air pollution. Through the integration of computer simulations, literature reviews, and empirical analyses, the study evaluates Barcelona’s solar potential and the impact of morphological indicators—such as density, building height, and orientation—on energy performance. The findings provide actionable insights for urban planners and architects, proposing advanced solar grid designs that minimize minimise reliance on fossil fuels while promoting sustainable urban development. A GIS-based framework integrates urban spatial data to assess solar potential and financial viability, incorporating parameters such as building density, height, and orientation A GIS-based framework is employed to assess the solar potential and financial viability of PV systems across five representative Barcelona neighbourhoods, incorporating a detailed analysis of a specific area within each neighbourhood. By modelling district-specific characteristics and optimizing optimising urban layouts, the study identifies key factors influencing energy efficiency, including urban form and energy capture/dissipation dynamics. A clustering strategy organizes organises PV arrays based on proximity and solar energy uniformity using algorithms like K-means and 3D proximity, striking a balance between energy production, cost, and environmental impact. Optimization Optimisation scenarios evaluate PV system parameters—such as module dimensions, tilt, orientation, and spacing—assuming multi-crystalline silicon (mc-Si) technology with 20% efficiency. Key constraints, including roof occupation limits, maximum ground coverage ratios, and shading reduction, are addressed to enhance energy yield, efficiency, and cost-effectiveness. The evolutionary algorithm within Grasshopper’s Galapagos component refines system designs by analysing metrics such as Levelizedised Cost of Energy (LCOE), energy yield, and CO2 emissions. The research introduces the concept of “solar neighbourhoods,” emphasizing emphasising the integration of reduced energy consumption and maximized maximised energy production through strategic urban design. Findings The findings highlight the critical role of neighbourhood geometry, orientation, and compactness in optimising PV panel placement and improving environmental performance. By reducing ground coverage ratios, enhancing energy production, and ensuring financial viability, these strategies contribute to the development of resilient and sustainable urban landscapes. This study bridges the gap between theoretical research and practical applications, offering a roadmap for urban planners and policymakers to integrate PV systems and renewable energy solutions into city development. Recommendations include optimizing optimising urban layouts, tailoring building geometries, and enhancing solar exposure to address energy and environmental challenges. By aligning financial, environmental, and operational considerations, the research provides a holistic framework for fostering sustainable urban development and resilience, charting a path toward greener, energy-efficient global cities.

(Català) Aquesta tesi presenta un estudi exhaustiu sobre la integració de sistemes fotovoltaics (PV) en entorns urbans, amb un enfocament en la ciutat de Barcelona com a cas d’estudi. Explora enfocaments innovadors per avançar cap a una major adopció d’energia renovable mitjançant una metodologia centrada en l’energia fotovoltaica, millorada amb estratègies de clustering. La recerca posa èmfasi en la interrelació entre el disseny arquitectònic, les tècniques de construcció i la planificació urbana per optimitzar l’eficiència i l’aprofitament energètic, abordant reptes ambientals crítics com les emissions de CO₂ i la contaminació de l’aire. Mitjançant la integració de simulacions per ordinador, revisions bibliogràfiques i anàlisis empíriques, l’estudi avalua el potencial solar de Barcelona i l’impacte d’indicadors morfològics —com la densitat, l’alçada dels edificis i l’orientació— sobre el rendiment energètic. Els resultats ofereixen recomanacions útils per a urbanistes i arquitectes, proposant dissenys avançats de xarxes solars que minimitzen la dependència dels combustibles fòssils i promouen un desenvolupament urbà sostenible. Un marc basat en SIG (Sistemes d’Informació Geogràfica) integra dades espacials urbanes per avaluar el potencial solar i la viabilitat financera, incorporant paràmetres com la densitat edificatòria, l’alçada i l’orientació en cinc barris representatius de Barcelona, amb una anàlisi detallada d’una zona específica dins de cada barri. Mitjançant la modelització de característiques específiques de cada districte i l’optimització de les trames urbanes, l’estudi identifica factors clau que influeixen en l’eficiència energètica, incloent-hi la forma urbana i la dinàmica de captació i dissipació d’energia. Una estratègia de clustering organitza les instal·lacions fotovoltaiques en funció de la proximitat i la uniformitat de l’energia solar utilitzant algoritmes com K-means i la proximitat 3D, equilibrant producció energètica, cost i impacte ambiental. S’avaluen diversos escenaris d’optimització per als paràmetres dels sistemes fotovoltaics —com les dimensions dels mòduls, la inclinació, l’orientació i l’espaiat— assumint tecnologia de silici multicristal·lí (mc-Si) amb una eficiència del 20%. Es tenen en compte limitacions clau com l’ocupació de cobertes, la cobertura màxima del sòl i la reducció d’ombres per tal de maximitzar la producció d’energia, l’eficiència i la rendibilitat. L’algoritme evolutiu del component Galapagos de Grasshopper perfecciona els dissenys analitzant mètriques com el Cost Nivellat de l’Energia (LCOE), la producció energètica i les emissions de CO₂. La recerca introdueix el concepte de “barris solars”, destacant la integració d’un consum energètic reduït i una producció energètica maximitzada mitjançant el disseny urbà estratègic. Els resultats subratllen el paper fonamental de la geometria, l’orientació i la compacitat del barri en l’optimització de la col·locació dels panells fotovoltaics i la millora del rendiment ambiental. En reduir la cobertura del sòl, millorar la producció d’energia i garantir la viabilitat financera, aquestes estratègies contribueixen al desenvolupament de paisatges urbans més sostenibles i resilients. Aquest estudi estableix un pont entre la recerca teòrica i les aplicacions pràctiques, oferint una guia per a urbanistes i responsables de polítiques públiques per integrar sistemes fotovoltaics i solucions d’energia renovable en el desenvolupament de la ciutat. Les recomanacions inclouen l’optimització de la disposició urbana, l’adaptació de les geometries edificatòries i la millora de l’exposició solar per fer front als reptes energètics i ambientals. En alinear consideracions financeres, ambientals i operatives, la recerca ofereix un marc integral per fomentar el desenvolupament urbà sostenible i la resiliència, traçant el camí cap a ciutats globals més verdes i eficients energèticament.

(Español) Esta tesis presenta un estudio integral sobre la integración de sistemas fotovoltaicos (PV) en entornos urbanos, tomando como estudio de caso la ciudad de Barcelona. Explora enfoques innovadores para avanzar hacia una mayor adopción de energías renovables mediante una metodología centrada en la energía solar fotovoltaica, mejorada a través de estrategias de agrupamiento. La investigación pone énfasis en la interacción entre el diseño arquitectónico, las técnicas de construcción y la planificación urbana para optimizar la eficiencia y el aprovechamiento energético, abordando desafíos ambientales clave como las emisiones de CO₂ y la contaminación del aire. A través de simulaciones computacionales, revisiones bibliográficas y análisis empíricos, el estudio evalúa el potencial solar de Barcelona y el impacto de indicadores morfológicos —como la densidad, altura de los edificios y orientación— sobre el rendimiento energético. Los resultados ofrecen recomendaciones prácticas para urbanistas y arquitectos, proponiendo diseños avanzados de redes solares que reduzcan la dependencia de combustibles fósiles y fomenten el desarrollo urbano sostenible. Un marco basado en SIG (Sistemas de Información Geográfica) integra datos espaciales urbanos para evaluar el potencial solar y la viabilidad financiera, incorporando parámetros como la densidad edificatoria, altura y orientación en cinco barrios representativos de Barcelona, incluyendo un análisis detallado de un área específica en cada uno. Mediante la modelización de características específicas de los distritos y la optimización de sus configuraciones urbanas, el estudio identifica factores clave que influyen en la eficiencia energética, incluyendo la forma urbana y la dinámica de captación/disipación de energía. Una estrategia de agrupamiento organiza conjuntos de paneles fotovoltaicos en función de su proximidad y uniformidad energética utilizando algoritmos como K-means y proximidad 3D, logrando equilibrio entre producción energética, coste e impacto ambiental. Se evalúan diferentes escenarios de optimización para parámetros del sistema fotovoltaico —como dimensiones del módulo, inclinación, orientación y espaciado— asumiendo tecnología de silicio multicristalino (mc-Si) con una eficiencia del 20%. Se consideran restricciones clave como los límites de ocupación de cubierta, ratios máximos de cobertura del suelo y reducción de sombras, con el fin de maximizar producción energética, eficiencia y rentabilidad. El algoritmo evolutivo del componente Galapagos de Grasshopper afina los diseños mediante el análisis de métricas como el Costo Nivelado de Energía (LCOE), la producción energética y las emisiones de CO₂. La investigación introduce el concepto de “barrios solares”, destacando la integración de consumo energético reducido y producción maximizada mediante diseño urbano estratégico. Los hallazgos subrayan el papel de la geometría, orientación y compacidad del barrio en la optimización de la colocación de paneles y la mejora del desempeño ambiental. Al reducir los ratios de cobertura, mejorar la producción energética y garantizar viabilidad económica, estas estrategias contribuyen al desarrollo de paisajes urbanos resilientes y sostenibles. Este estudio tiende un puente entre la investigación teórica y las aplicaciones prácticas, ofreciendo una hoja de ruta para que urbanistas y responsables de políticas públicas integren sistemas fotovoltaicos y soluciones energéticas renovables en el desarrollo urbano. Las recomendaciones incluyen la optimización de la disposición urbana, la adaptación de geometrías edificatorias y la mejora de la exposición solar para abordar los retos energéticos y medioambientales. Al alinear consideraciones financieras, ambientales y operativas, la investigación proporciona un marco holístico para fomentar el desarrollo urbano sostenible y la resiliencia, trazando el camino hacia ciudades globales más verdes y eficientes energéticamente.