Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids
Autores
- Lucía Arcos Usero, Ingeniero I+D, Instituto Tecnológico de la Energía (ITE)
- Dra. Noemi González Cobos, Ingeniero I+D, Instituto Tecnológico de la Energía (ITE)
- Julio César Díaz Cabrera, Ingeniero I+D, Instituto Tecnológico de la Energía (ITE)
- Dra. Marta García Pellicer, Directora, Instituto Tecnológico de la Energía (ITE)
- Dr. Alfredo Quijano López, Profesor Titular, Universitat Politècnica de València (UPV)
Resumen
El balance entre generación y demanda para evitar inestabilidades en el sistema eléctrico supone uno de los retos principales de las Smart Grids. ITE ha implementado una herramienta tecnológica que permite la gestión de la respuesta de la demanda con el fin de participar en mercados energéticos a través de la agregación de consumidores domésticos.
Esta participación se basa en ofrecer servicios de flexibilidad mediante gestión óptima de ESS a partir de incentivos económicos, aportando beneficio tanto técnico para el sistema basado en fuentes neutras en CO2, como económico para los consumidores. La herramienta forma parte de una plataforma para comercializadoras que quieran adquirir el rol de agregador o para agregadores independientes.
Palabras clave
Smart Grids, Respuesta de la Demanda, Flexibilidad, Almacenamiento Energético, Agregador
Introducción
En el sistema eléctrico, la potencia de los generadores debe ajustarse a la demandada (este término incluye las pérdidas), con el objetivo de evitar desviaciones en las condiciones de funcionamiento y consecuentemente problemas de estabilidad en la red. En sistemas basados en mercados eléctricos, como el español, estos ajustes se realizan mediante la variación de consignas de potencia, esta variación se denomina como “flexibilidad”.
Hasta ahora, los encargados de ofrecer servicios de flexibilidad al sistema eléctrico han sido en su mayoría generadores y grandes industrias, manteniéndose la mediana y pequeña demanda en un segundo plano y desaprovechándose por tanto la flexibilidad que esta puede aportar en determinados momentos como se indica en el “Clean Energy Package”. Para lograr la incorporación de la demanda a los mercados eléctricos se necesitan dos aspectos fundamentales: por un lado, la agregación de un número considerable de consumidores para poder ofrecer suficiente potencia al sistema y en segundo lugar, un sistema consolidado que incentive la respuesta de la demanda permitiendo al usuario obtener un beneficio de su contribución a la flexibilidad.
A la figura encargada de gestionar a un grupo de consumidores, ofreciendo como conjunto dichos servicios de flexibilidad, se le denomina agregador. Para que dicha gestión sea efectiva, el agregador debe disponer de herramientas que le permitan estimar en cada momento la capacidad que puede ofrecer al sistema, de forma que tanto él como sus clientes obtengan un beneficio.
En este escenario, ITE ha desarrollado una herramienta tecnológica que permite realizar la gestión de la respuesta de la demanda para participar en mercados energéticos de flexibilidad. Para ello se ha diseñado una plataforma de agregación de consumidores domésticos mediante la herramienta de optimización YALMIP de MATLAB. Dicha plataforma permite incentivar la respuesta de la demanda mediante la bonificación por flexibilidad, método conocido como “Demand Bidding”, y realizar la gestión de la misma para utilizarla en mercados de ajuste generación-demanda.
Plataforma de agregación
La plataforma desarrollada permitirá al agregador obtener información sobre la flexibilidad que los consumidores domésticos pueden aportar en base a una política de bonificaciones optimizada para posteriormente gestionar dicha flexibilidad en base a dos criterios: (i) minimizar el desequilibrio local entre demanda y generación, y (ii) maximizar su beneficio económico a través de ofertar al mercado.
A continuación, se describe en términos generales, el modo de funcionamiento de la plataforma desarrollada. En primer lugar, la plataforma procede a la definición de bonificaciones por provisión de flexibilidad utilizándose para ello la estrategia utilizada en [1] y [2]. Con este objetivo se generan X vectores con valores pertenecientes a unos rangos determinados respecto de los precios de la energía del mercado diario para las 24 horas del día siguiente, generándose tantos vectores de bonificaciones horarias como se le especifiquen a la plataforma.
Estos vectores junto con los precios horarios del mercado diario son enviados al módulo de optimización del coste energético diario (módulo 1), el cual ejecuta la optimización del coste energético diario de cada usuario tantas veces como rangos de bonificaciones son enviados. Una vez la plataforma recibe información sobre la cantidad de flexibilidad que los usuarios están dispuestos a ofrecer para cada vector generado, esta plataforma registra el rango de bonificaciones que le permite maximizar la cantidad de flexibilidad total diaria para cada usuario.
Con esta información se activa el módulo de optimización de la gestión de flexibilidad de la plataforma (módulo 2). Este módulo basa su funcionamiento en la activación de la flexibilidad de los usuarios en tiempo real enviando para ello las bonificaciones necesarias, método ampliamente utilizado en el ámbito de la respuesta de la demanda [3] . Esta activación se produce siempre y cuando la plataforma obtiene un beneficio económico por la utilización de dicha flexibilidad agregada. Para ello el módulo de optimización de la gestión de flexibilidad de la plataforma necesita, además de la información obtenida a través del módulo de optimización del coste energético, recibir formación del mercado eléctrico y de la energía consumida y generada real por los usuarios agregados.
Módulo 1 de la plataforma: Módulo de optimización del coste energético diario
Para cada usuario participante, el primer módulo optimiza su coste energético diario en base a unas bonificaciones definidas en el módulo del agregador, βt,u , el precio de la energía πt, información sobre su predicción de consumo y generación para el día siguiente y las características técnicas de los sistemas de almacenamiento. Especial relevancia tienen en este módulo los sistemas de almacenamiento, pues es a través de la gestión óptima de los mismos como el usuario es capaz de ofrecer flexibilidad Ftu, siendo este parámetro la principal salida del módulo y basándose su cálculo en [4] . La Figura 2 describe los datos de entrada y salida del módulo 1.
Este módulo presenta como principal ventaja su adaptabilidad a diferentes escenarios pues a partir de la función objetivo del mismo se pueden considerar diferentes criterios de optimización. Para la implementación del módulo se ha desarrollado un modelo de programación lineal entera-mixta basado en [5] que se ha resuelto empleando la Toolbox de Yalmip usando Gurobi.
Módulo 2 de la plataforma: Módulo de optimización de la gestión de flexibilidad
Este módulo basa su funcionamiento en la activación, en tiempo real, de la flexibilidad de los usuarios participantes en la plataforma definiendo para ello sus correspondientes bonificaciones o remuneraciones. Esta activación se lleva a cabo siempre y cuando la plataforma obtiene un beneficio económico por la utilización de dicha flexibilidad agregada. En cuanto al criterio de optimización seguido para la toma de decisión se han considerado dos: (i) maximizar la venta de flexibilidad a mercados de flexibilidad, y (ii) minimizar las penalizaciones asociadas a los desvíos.
Para dicha gestión el módulo 2 necesita, además de la información obtenida del módulo 1, recibir información del mercado eléctrico y de la energía consumida y generada real por los usuarios agregados.
Objetivo I: Minimizar la venta de flexibilidad a mercados de flexibilidad
La plataforma trata de activar la flexibilidad de los consumidores para ofertarla en mercados de flexibilidad siguiendo el procedimiento que se ha planteado en el proyecto IREMEL como primera aproximación, el cual propone un procedimiento de casación similar al que se llevan a cabo en los mercados diarios e intradiarios. Es decir, cada vez que REE considera la existencia de un desequilibrio por el que es necesario el aporte de flexibilidad informa a OMIE sobre la cantidad de energía a subir o a bajar para estabilizar el sistema, el cual convoca el mercado de flexibilidad.
Los agregadores y otros sujetos del mercado capaces de ofrecer flexibilidad al sistema realizan sus ofertas de flexibilidad a aportar y el precio por el que estarían dispuestos a darla. Mediante un procedimiento marginalista OMIE elige aquellos sujetos que deben aportar dicha flexibilidad pagándole por ello al precio de la última oferta casada al igual que ocurre en el mercado diario.
Objetivo II: Minimizar las penalizaciones asociadas a desvíos
Esta segunda función se caracteriza por tratar de evitar las penalizaciones asociadas a los desequilibrios energéticos que se producen en tiempo real, utilizando para ello la flexibilidad de los usuarios. Ello supone un complemento importante a la anterior función de la plataforma pues en numerosas ocasiones puede ocurrir que agentes como agregadores al depender de las ofertas que realizan otros agentes queden fuera de dicho mercado de flexibilidad, desperdiciándose así la flexibilidad de estos cuando esta puede ser usada para otras funciones. Adicionalmente, permite solucionar uno de los principales problemas actualmente existentes entre las comercializadoras y los agregadores por la resolución de los desvíos generados al aportar flexibilidad. Cabe destacar que la plataforma únicamente activa la flexibilidad de los usuarios cuando el desvío agregado de los usuarios adheridos a la plataforma sea en contra del sistema.
La plataforma, por tanto, evalúa en tiempo real la información que recibe del sistema eléctrico así como el desvío agregado de los usuarios, activando la flexibilidad cuando la plataforma recibe un beneficio económico por dicha gestión, es decir, cuando es más rentable pagar por bonificaciones que ser penalizado o bien cuando el valor de bonificaciones es menor que el pago por flexibilidad que recibe del mercado.
Resultados
A través de las Figuras 3 y 4, se muestra la información principal obtenida de los diferentes modelos que constituyen la plataforma. Esta hace referencia por un lado a la flexibilidad horaria positiva y negativa que los usuarios están dispuestos a ofrecer y por otro lado, a la flexibilidad que finalmente la plataforma aporta, tanto para minimizar desvíos como para vender esta flexibilidad en mercados de flexibilidad en los diferentes horarios dependiendo de las condiciones del mercado en cada hora.
Para ello se ha establecido como política de la plataforma que esta trate como objetivo principal de minimizar las penalizaciones asociadas a desvíos cuando estos son en contra del sistema, utilizando la flexibilidad sobrante para venderla en mercados de flexibilidad con el objetivo de no desaprovechar la flexibilidad disponible en caso de no entrar en la casación del mercado de flexibilidad.
Se contemplan dos casos:
La plataforma aporta flexibilidad para minimizar los desvíos cuando el desvío agregado de los usuarios es en contra del sistema utilizando el resto de flexibilidad en mercados de flexibilidad ya que la plataforma obtiene un beneficio económico por ambas gestiones debido al valor bajo de bonificaciones, llegándose a cubrir todo el desvío.
En el segundo caso, al ser elevado el valor de bonificaciones, la plataforma únicamente activa flexibilidad para minimizar desvíos, no llegándose incluso en algunos periodos a cubrir el desvío ya que la plataforma no obtiene beneficio económico por esta gestión.
Conclusiones
La plataforma desarrollada supone una herramienta fundamental para aquellos agentes que pretendan adquirir el rol de agregador dentro del mercado eléctrico. Entre estos agentes se encuentran tanto actuales agentes del mercado, como son comercializadoras, o nuevos agentes como agregadores independientes o incluso empresas dedicadas a la comercialización de baterías que pueden ver en esta plataforma una forma directa de incentivar a los usuarios a la instalación de estas.
Adicionalmente, cabe destacar las amplias funcionalidades de esta plataforma, que permite además de la participación en mercados de flexibilidad, realizar una gestión óptima de los recursos agregados para evitar las penalizaciones asociadas a desvíos, suponiendo ello un factor fundamental en el actual conflicto entre comercializadoras y agregadores independientes. Finalmente, se puede concluir que la plataforma diseñada posibilita realizar un análisis profundo de futuros escenarios, así como de diferentes políticas de bonificaciones como se ha mostrado a través de la sección anterior. Ello permite a los usuarios de la plataforma evaluar diferentes escenarios escogiendo el más adecuado según su objetivo.
Agradecimientos
Actividad investigadora encuadrada dentro del convenio de colaboración ITE-IVACE, anualidad 2019, para potenciar la actividad y capacidad del Centro para desarrollar excelencia en materia de I+D independiente, difundir los resultados de las investigaciones realizadas y facilitar e impulsar la transferencia de conocimiento de las empresas de la Comunitat Valenciana.
Referencias
- [1] M. A. O.-V. D. S. K. Mushfiqur R. Sarker, «Optimal Coordination and Scheduling of Demand Response via Monetary Incentives,» IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRIDS, vol. 6, nº 3, 2015.
- [2] D. E. O. M. N.-P. G. W. Rodrigo Henríquez, «Participation of Demand Response Aggregators in Electricity Markets: Optimal Portfolio Management,» IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID, vol. 9, nº 5, 2018.
- [3] F. S. M. M. José Iria, «Optimal bidding strategy for an aggregator of prosumers in energy and secondary reserve markets,» Applied Energy, pp. 1361-1372, 2019.
- https://www.esios.ree.es/es/mercados-y-precios, [1 agosto 2019].
- [4] A. U. Lucía, Plataforma de agregación de consumidores domésticos para participar en el mercado eléctrico mediante la herramienta de optimización YALMIP de MATLAB, vol. 33, 2018.
- [5] M. F.-F. M. S. Masood Parvania, «Optimal Demand Response Aggregation in Wholesale Electricity Markets,» IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID, vol. 4, nº 4, 2013.