Comunicación presentada al V Congreso de Smart Grids
Autores
- Julio César Díaz Cabrera, Ingeniero I+D, Instituto Tecnológico de la Energía (ITE)
- Amparo Mocholí Munera, Ingeniero I+D, Instituto Tecnológico de la Energía (ITE)
- Javier Monreal Tolmo, Ingeniero I+D, Instituto Tecnológico de la Energía (ITE)
- Álvaro Nofuentes Prieto, Project Manager, ETRA I+D
- Dr. Alfredo Quijano López, Profesor Titular, Universitat Politècnica de València (UPV)
Resumen
La premisa fundamental del proyecto WiseGRID, que se está desarrollando en el marco del programa H2020, es mostrar como las Smart Grids pueden contribuir a la creación de un mercado energético europeo abierto, democrático y centrado en los ciudadanos. Se pretende demostrar como en las futuras microrredes y comunidades energéticas locales, el rol activo del consumidor es un componente necesario en el funcionamiento del mercado energético. Este trabajo describe los módulos clave desarrollados dentro del ecosistema WiseGRID que consiste en un marco coherente y sinérgico donde las diferentes soluciones basadas en integración de energías renovables, ESS, electromovilidad y autoconsumo, comparten y proporcionan servicios y funcionalidades entre sí.
Palabras clave
Prosumidor, Transición Energética, Usuario, Energías Renovables, Autoconsumo, Vehículo Eléctrico, Almacenamiento
Introducción
La hoja de ruta de la Unión Europea para alcanzar en 2050 una economía baja en carbono es un desafío que requiere un proceso de transformación de la red energética. Esta transformación implica compromiso y esfuerzos de todos los involucrados: administraciones públicas, empresas y consumidores. Con el objetivo de desarrollar un mercado abierto que permita a todos los actores desempeñar un papel activo en la realización de una transición energética global y democrática.
El proyecto WiseGRID (financiado por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención nº 731205), se está desarrollando siguiendo las ideas anteriormente indicadas. Los principales objetivos del proyecto son la integración, demostración y validación de diferentes servicios y sistemas basados en avanzadas tecnologías de la información y la comunicación aplicados en las redes de distribución. Con ello se quiere demostrar que es posible proporcionar seguridad, estabilidad y flexibilidad a las redes inteligentes, a la vez que se puede construir una red energética europea abierta y pensando en los ciudadanos.
Actualmente, estas herramientas se están integrando e implementando en 5 diferentes pilotos (Fig. 1): Bélgica (Flandes), Italia (Terni), España (Crevillente) y Grecia (Mesogia y Kythnos), cada uno con diferentes características de demanda y generación energética, con diferentes condiciones técnicas, climatológicas, regulatorias, legislativas y sociales, que harán posible la demostración y evaluación de las diferentes soluciones desarrolladas en condiciones reales. Esta capacidad y calidad en la demostración ha sido posible gracias a la implicación de diferentes actores del mercado energético como prosumidores (hogares y empresas), DSOs, comercializadoras, ESCOs, agregadores y compañías de car-sharing eléctrico.
El empoderamiento ciudadano a través de las smart grids
Nos aproximamos rápidamente a un mundo nuevo donde las modernas redes harán posible y real el concepto de Ciudades Inteligentes. No es difícil imaginar que las modernas infraestructuras deberán manejar ingentes cantidades de tráfico de datos y conexiones digitales. El desarrollo de sistemas expertos basado en sensores IoT (Internet de las Cosas) con la capacidad de gestionar eficientemente un flujo masivo de datos permitirá tener unas redes capaces de suministrar las necesidades de los ciudadanos a costos más bajos para los mismos (Verbong et. al, 2016). Estas Smart Grids responderán a las exigencias de un nuevo tipo de consumidor que demandará energías cada vez más limpias y que a la vez, le permitirán un acceso más cercano a tecnologías punta. Este tipo de consumidor lo podemos denominar consumidor inteligente. Los prosumidores son un ejemplo de este tipo de consumidor y son aquellos que han instalado equipos de generación renovable en sus hogares, que han comprado un vehículo eléctrico, o que tienen smart meters para ayudarles a controlar el consumo energético.
El fomento de la Comisión Europea del autoconsumo, la creación de comunidades energéticas locales, el mercado de prosumidores y el desarrollo de sistemas de generación distribuida (DER) coloca a los ciudadanos en el corazón del mercado energético. Este empoderamiento del ciudadano (Fig. 2) y la reducción de la pobreza energética requiere que incluso el pequeño consumidor juegue un rol activo como elemento de la red eléctrica (Camarinha-Matos, 2016).
Tecnologías avanzadas para mejorar las redes de distribución
La innovación tiene el potencial para rediseñar y mejorar el funcionamiento del sector energético a la vez que brinda mayores beneficios a los consumidores y al medioambiente. La generación distribuida de energías renovables, los contadores inteligentes, electrodomésticos inteligentes, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento son iniciativas prometedoras. Nuevas herramientas y modelos de negocio proveerán de mayor información al consumidor fomentando su percepción de compromiso activo con la transición energética.
Bajo este concepto de innovar para mejorar, tanto el ITE como ETRA I+D y otros 19 socios de 8 diferentes países de la Unión Europea están desarrollando el proyecto WiseGRID; con el reto de poner en el mercado un conjunto de soluciones y tecnologías para incrementar la inteligencia, estabilidad y seguridad de la red energética europea y diseñado con un concepto abierto y centrado en el consumidor mediante el uso mejorado de tecnologías de almacenamiento y un gran incremento de sistemas compartidos basado en energías renovables. En WiseGRID se han desarrollado un conjunto de herramientas/productos basadas en el uso de fuentes de energía renovable (RES), almacenamiento de energía y tecnologías de electromovilidad. Estos productos forman parte de un marco coherente y sinérgico donde las diferentes soluciones comparten y proporcionan servicios y funcionalidades entre ellos (Arias & Marqués, 2017).
En este trabajo se describen varios módulos clave desarrollados por ITE en el ecosistema global del WiseGRID. Este ecosistema se puede observar al completo en la Fig. 3. Uno de los módulos inteligentes desarrollados consiste en un administrador de faltas de red para hacer frente a interrupciones no planificadas. Este módulo brinda a los sistemas de las DSOs de la capacidad de autorreparación de las líneas de servicio afectadas mediante un software avanzado que utiliza datos de distribución en tiempo real para detectar y aislar las faltas. Se reconfigura la red de distribución para minimizar el impacto sobre cliente final sin la intervención del despacho de control centralizado lo que generaría demoras en la respuesta. Este será un módulo clave para la herramienta dirigida a los DSO llamado WG Cockpit.
Por otro lado, para reducir la incertidumbre inherente al delicado balance entre el consumo y la producción de energía, se ha integrado un módulo en el ecosistema WiseGRID consistente en un servicio online de predicción de generación de renovables y de demanda energética para una red especificada. Este preciso servicio de pronóstico (FS) basado en información histórica y variables climáticas locales, no sólo respalda el funcionamiento seguro y confiable de la red (que tiene la posibilidad de proporcionar servicios auxiliares), sino que también admite operaciones rentables mediante una programación de generación exitosa; teniendo un impacto en la facturación del cliente final. Este servicio se ha extrapolado y adaptado a diferentes productos como la aplicación para comercializadoras, agregadores y cooperativas locales (llamada WiseCOOP) o la aplicación para empresas, industrias, ESSy gestores de instalaciones (llamada WiseCORP).
En todas las redes inteligentes la electromovilidad es un elemento imprescindible y relevante a considerar. Por ello se ha realizado el estudio y valoración del impacto de los vehículos eléctricos en la red. Por un lado mediante la utilización de una infraestructura inteligente integrada a la red y basada en el desarrollo propio de una estación de carga rápida e inteligente llamada WG FastV2G. Esta estación permite no sólo la carga del vehículo desde la red, también permite la inyección de energía a la red desde el vehículo. Su implementación ayudará a demostrar la viabilidad de un modelo de negocio en el que los ciudadanos puedan transformar sus vehículos en activos que permitan responder a la demanda propia del consumidor o que incluso puedan actuar como prosumidores entregando energía a la red para solventar problemas locales de estabilidad o fiabilidad. Así mismo, otra herramienta relacionada con la electromovilidad llamada WiseEVP se ha diseñado para predecir y planificar la demanda de flotas de vehículos eléctricos y flexibilizar las ofertas de una red distribuida de estaciones de carga.
El Servicio de Localización de Faltas, Aislamiento y Restauración, FLISR, está diseñado para mejorar la confiabilidad de la red de distribución (Fig. 4). Basado en lecturas en tiempo real, puede detectar una falta en una sección de alimentación y rápidamente aislarla mediante la apertura de los interruptores automáticos más cercanos. Se restaura así el suministro energético de las secciones aguas abajo conectando fuentes alternativas. El FLISR puede reducir significativamente el tiempo de fuera de servicio de horas a menos de un minuto, mejorando la confiabilidad y calidad de servicio del sistema de distribución (Das et al., 2015). El FLISR posee las siguientes características:
- Detección automática de faltas
- Determinación aproximada de la ubicación de una falta
- Aislamiento automático de la sección fallada
- Restauración automática de servicio a tantos consumidores como sea posible.
Servicio de predicción (FS)
El principal objetivo de este servicio es estimar el consumo y la generación de la energía eléctrica para la red local específica en la cual esté integrado (Strasser e. al, 2015). Esta información es un dato de entrada a los diversos algoritmos de gestión de productos y para que el DSO pueda conocer estados futuros del sistema y evitar faltas. El modelo de FS se construye para proveer la predicción de demanda agregada de distintos grupos de clientes, mediante la consulta de una base de datos de variables históricas de demanda/producción más variables exógenas relativas a la climatología diaria y la variabilidad estacional, así como el calendario de días laborales. El servicio es encapsulado en un programa de simple integración para las diferentes aplicaciones del ecosistema WiseGRID que lo requieran. El FS se basa en un Algoritmo Neuro-Evolutivo en Cascada (CNEA) que consiste en una combinación de Máquinas de Soporte Vectorial y una red neuronal basada en aprendizaje no supervisado. El FS puede describirse mediante dos diferentes flujogramas (Fig. 5): uno para entrenamiento y otro para peticiones de predicción.
FASTV2G
A partir de un prototipo de Estación de Recarga Inteligente desarrollado previamente por ITE [1], se han implementado nuevas funcionalidades y mejorado el diseño para integrarlo al ecosistema WiseGRID. La WiseGRID FastV2G (Fig. 5), es una EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) que presenta las siguientes características:
- Realiza sesiones de recarga rápida DC.
- Inyecta electricidad desde el vehículo eléctrico (VE) a la red (funcionalidad V2G).
- Realiza sesiones de recarga dinámica (modulación de potencia) en ambas direccionalidades: G2V o V2G.
- Puede recibir órdenes de recarga de componentes jerárquicamente superiores.
- Envía información de desempeño a los componentes jerárquicamente superiores.
El principal objetivo de la WG FastV2G es proveer servicios auxiliares a la operación de la red de distribución y maximizar la integración de energías renovables a través de los siguientes servicios:
- Servicios de regulación.
- Gestión de reservas.
- Capacidad de peak-shaving para aplanar la curva de demanda.
Planificador WiseEVP y estimador de flexibilidad
El propósito principal del planificador de EVSE es proponer el perfil de recarga individual de cada estación integrada en el WiseEVP con el objetivo de minimizar los costes de las recargas. Se consideran dos tipos de factores (económico y ambiental) para esta optimización combinada de costos ponderados. Para la ejecución del planificador se calcula el cronograma y se establece una solicitud al módulo Proveedor de Tarifas para obtener la curva de precios de energía para las próximas 24 horas, de acuerdo con la Tarifa contratada por el gestor de flotas de VE.
Por otro lado, el estimador de flexibilidad para EV es el desarrollo de un pronosticador para producir ofertas de flexibilidad agregada de acuerdo con la disponibilidad de energía de EV que puede ser utilizada por el gestor central del WiseEVP para operar en un mercado de servicios complementarios. Un problema que debe tenerse en cuenta es que, siempre que se acepte una oferta de flexibilidad, se enviará un pedido al WiseEVP para proporcionar la flexibilidad aceptada, por lo tanto, el módulo del programador EVSE tendrá que reaccionar como consecuencia, modificando dinámicamente el horario de carga.
Estos dos módulos funcionan de manera complementaria entre sí y en comunicación e interacción continua con otros módulos de la herramienta WiseEVP, como se puede en la arquitectura planteada en la Fig. 6
Conclusiones
Se han presentado una serie de herramientas que se han desarrollado para integrar en el ecsoistema WiseGRID. Actualmente las fases de prueba de laboratorio esta finalizando y las pruebas de funcionamiento en casos reales dentro de los sitios piloto han de comenzar en los próximos meses.
El objetivo de desarrollar estas herramientas es demostrar la validez del acceso de los nuevos consumidores, que pueden reducir significativamente los costes del consumo y que contribuirán en gran medida a convertir a los ciudadanos del mañana en ciudadanos urbanos expertos en tecnología listos para operar en una economía cada vez más compleja.
Las ciudades inteligentes del mañana estarán dominadas por los vehículos eléctricos y los servicios de datos, por lo que las redes inteligentes están llamadas a habilitar y empoderar a los ciudadanos para que ocupen un papel activo en el funcionamiento de la propia red. Este proyecto en su conjunto es un primer paso para lograr el éxito en el objetivo de un mercado más eficiente, abierto y democrático.
Agradecimientos
Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n. ° 731205.
Referencias
- Arias, A.M. & Marqués, A., 2017, “Los Ciudadanos como Actores y Destinatarios de la Tranformación de la Grid”, IV Congreso Smart Grids, Madrid (España)
- Camarinha-Matos, L.M.; 2016, “Collaborative smart grids – a survey on trends” Renewable and Sustainable Energy Reviews 65, p.p. 283-294.
- Das, R., Madani, V., Aminifar, F., McDonald, J., Venkata, S.S., Novosel, D., Bose, A. & Shahidehpour, M.; 2015,” Distribution Automation Strategies: Evolution of Technologies and the Business Case”, IEEE Transactions on Smart Grid, 6(4), p.p. 2166-2175.
- Strasser, T., Andrén, F., Kathan, J., Cecati, C., Buccella, C., Siano, P., Leitão, P., Zhabelova, G., Vyatkin, V., Vrba, P. & Mařík, V.; 2015,”A Review of Architectures and Concepts for Intelligence in Future Electric Energy Systems”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 62(4), p.p. 2424-2438.
- Verbong, G.P.J., Verkade, N., Verheess, B., Huijben, J.C.C.M. & Höoffken, J.I.; 2016, “Smart Business for Smart Users: A Social Agenda for developing Smart Grids”, Smart grids from a global perspective, p.p. 27-42, Springer, Cham.
- http://www.smartv2g.eu/ (01 julio 2017).