Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids
Autores
- Jaime Menéndez Sánchez, Investigador, Orkestra – Instituto Vasco de Competitividad y Deusto Business School
- Jorge Fernández Gómez, Investigador Sénior y Coordinador del Lab de Energía, Orkestra – Instituto Vasco de Competitividad y Deusto Business School
Resumen
Las redes inteligentes de electricidad jugarán un papel capital en las políticas orientadas a la consecución de los objetivos energéticos y climáticos marcados por la UE y, en España, por el PNIEC. Para comprender dicho rol en un contexto de elevados niveles de penetración de recursos energéticos distribuidos y de nuevas formas de consumo, se señalan los aspectos más relevantes del PNIEC en relación con cuatro aspectos clave para las redes inteligentes: el papel que jugarán los distribuidores de energía eléctrica; los elementos esenciales de las redes inteligentes; las inversiones necesarias para desarrollar redes inteligentes de distribución plenamente funcionales; y la necesidad de esquemas regulatorios que faciliten la inversión en I+D.
Palabras clave
Redes inteligentes, PNIEC, Transición Energética, Inversión, Distribuidor, Retribución, RIIO, Innovación
Introducción
La Comisión Europea (CE) indicó la importancia de las redes eléctricas inteligentes en la política energética y climática actual de la Unión Europea en la Comunicación “A Clean Planet for all. A European strategic long-term vision for a prosperous, modern, competitive and climate neutral economy”, en noviembre de 2018. En ella, la CE señaló que “el sistema energético del futuro integrará los sistemas y mercados de electricidad, gas natural, climatización y movilidad, con redes inteligentes que pondrán a los ciudadanos en el centro” ( Comisión Europea [2018]. A Clean Planet for all A European strategic long-term vision for a prosperous, modern, competitive and climate neutral economy. Communication from the Commission to the European Parliament, the European Council, the European Economic and Social Committee, the Committee of the Regions and the European Investment Bank. COM (2018) 773 final, Bruselas.).
La relevancia de las redes para la transformación del sistema energético tiene reflejo en el caso de España en el borrador de Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) presentado a la CE en febrero de 2019 (Ministerio para la Transición Ecológica [2019].
Borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [PNIEC].), pero existen desafíos que deberán superarse para aprovechar su potencial. Un estudio reciente de Orkestra titulado “Las redes inteligentes y el papel del distribuidor de energía eléctrica” (Fernández, J. y Menéndez, J. [2019]. Las redes inteligentes y el papel del distribuidor de energía eléctrica. Cuadernos Orkestra 54/2019. Orkestra – Instituto Vasco de Competitividad), publicado en mayo de 2019, analiza aspectos clave para el desarrollo de las redes inteligentes y su rol en el contexto de la transición energética. En este artículo se exponen las principales conclusiones de ese trabajo y se relacionan con las directrices y retos de la política energética en España para la próxima década.
El rol de las redes inteligentes dentro de la política energética
Se prevé que las inversiones en redes eléctricas y la electrificación de la economía supongan un 18% del volumen total de inversiones que contempla el PNIEC entre 2021 y 2030. Sin embargo, el impacto de las redes dentro de este plan es mucho más profundo. La mayor electrificación de la economía y la integración de recursos energéticos distribuidos a gran escala (el PNIEC marca como objetivos alcanzar un 74% de generación de energía eléctrica renovable, 2,5 GW de almacenamiento en baterías y 5 millones de vehículos eléctricos (Ministerio para la Transición Ecológica [2019]. Borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [PNIEC]) implicarán flujos de electricidad bidireccionales, intermitentes y descentralizados. Esta nueva realidad física y operativa requerirá una profunda transformación de las redes de distribución de energía eléctrica para garantizar un suministro eléctrico seguro y fiable.
Por su transversalidad dentro del sistema eléctrico, al afectar a todas las partes de la cadena de valor, disponer de redes eléctricas flexibles y resilientes resultará clave para alcanzar los objetivos de electrificación de la economía del PNIEC. Estos objetivos abarcan desde integrar la generación distribuida y otros recursos energéticos (como los dispositivos de almacenamiento) hasta fomentar la participación activa de los consumidores en el sistema energético y la eficiencia energética y desarrollar y acomodar nuevos agentes (p. ej., agregadores de energía) y servicios (p. ej., servicios de flexibilidad y de gestión de los sistemas distribuidos de generación-consumo). Por otra parte, el desarrollo de redes inteligentes permitirá capturar sinergias con otros sectores industriales (p. ej., electrónica de potencia, almacenamiento, automoción) y crear nuevos empleos (el PNIEC estima que se podrían crear entre 23.000 y 44.000 empleos al año directamente relacionados con el desarrollo de las redes).
Por ello, el PNIEC apunta a la necesidad de continuar dando prioridad a las redes en los esfuerzos de I+D+i, resaltando expresamente que los proyectos de redes inteligentes estuvieron entre 2014 y 2016 entre los que mayor financiación pública recibieron. En la misma línea, el Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2017-2020 indica que las redes inteligentes suponen uno de los campos en los que las actividades de I+D+i tienen carácter transversal (Ministerio de Economía, Industria y Competitividad [2017]. Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2017-2020). Dicha transversalidad es importante por su efecto tractor y sus implicaciones sobre otras políticas. El mismo PNIEC, por ejemplo, sitúa las redes inteligentes como un elemento relevante dentro de las estrategias de especialización inteligente (RIS3), y el EIT (European Institute of Innovation & Technology – EIT [2019]. Energy for circular economy. Thematic Roadmap. Innoenergy) considera que las redes inteligentes facilitarán el desarrollo de la economía circular en el sector energético a través de la electrificación de usos de la energía como la climatización o el transporte.
La suma de políticas orientadas hacia las redes supone una presión “desde arriba” sobre el sistema energético por parte de todos los niveles administrativos (local, regional, estatal y europeo) (Figura 1). Por otro lado, los cambios en el comportamiento de los consumidores y la creciente concienciación medioambiental ejercen presión “desde abajo”. Por esta razón resulta esencial alinear la estrategia de transición energética con los intereses de los consumidores finales, ya que el apoyo social será clave para el éxito de un proceso de transición energética. El resultado de estas dinámicas dará lugar a una mayor penetración de recursos energéticos distribuidos y al aprovechamiento de las tecnologías existentes y en desarrollo (p. ej., digitalización y automatización). La consiguiente descentralización de los recursos energéticos y la digitalización y automatización de procesos se traducirán en el desarrollo de nuevas formas de consumo (p. ej., sistemas de autoconsumo) y en la aparición de nuevos agentes y servicios (p. ej., agregadores independientes). Esta profunda transformación, centrada en los consumidores, tendrá como hilo conductor las redes inteligentes de electricidad.
El distribuidor como facilitador de nuevos servicios energéticos
Garantizar la seguridad del suministro de energía en el futuro es uno de los grandes objetivos del PNIEC. Este objetivo se aborda, al igual que la reducción de la dependencia energética y la maximización de la diversificación energética, desde dos planos. Por un lado, incrementar la resiliencia del sistema energético nacional frente a limitaciones e interrupciones del suministro, asegurando una gestión eficiente de las redes inteligentes, en coordinación con todos los agentes implicados. Por otro lado, el PNIEC llama también a aprovechar las posibilidades de las nuevas tecnologías (eléctricas, digitales, etc.) para incrementar la flexibilidad del sistema, involucrando tanto a la oferta como a la demanda de energía (Ministerio para la Transición Ecológica [2019]. Borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [PNIEC]).
En este contexto, el papel que jugarán los distribuidores será clave. Su principal objetivo seguirá siendo garantizar la operación eficiente y segura del sistema de distribución inteligente. Adicionalmente, el papel que juegan en la actualidad como operadores de las redes de distribución deberá adaptarse gradualmente a la nueva realidad física, debiendo facilitar tanto la integración a gran escala de recursos energéticos distribuidos como la provisión de nuevos servicios a los consumidores y el desarrollo de mercados locales competitivos de capacidad y energía.
El distribuidor será responsable de la planificación y el desarrollo de las infraestructuras necesarias para implementar las redes inteligentes y de adaptarlas a la evolución de la demanda y al ritmo de penetración de los recursos energéticos distribuidos. Deberá, además, gestionar de forma activa un sistema de distribución de energía inteligente (con un elevado nivel de automatización en los procesos de operación) y complejo (con flujos bidireccionales y desequilibrios locales entre demanda y generación). El modelo tradicional de despacho de la generación para “seguir a la demanda” cambia cuando esta es también capaz de “seguir a la generación”. La operación de las redes de distribución inteligentes implica gestionar de forma conjunta tanto la capacidad de generación como la capacidad de gestión de la demanda, en coordinación con el gestor de la red de transporte.
Las nuevas formas de gestionar la distribución y la diversidad de situaciones operativas a las que se enfrentarán las redes (p. ej., desequilibrios entre demanda y generación en nodos locales, flujos bidireccionales, etc.) darán lugar a la demanda de nuevos servicios de flexibilidad -conceptualmente similares a los servicios complementarios en el ámbito de la red de transporte- que permitan optimizar los activos y el sistema de distribución en conjunto. El distribuidor se convertirá, de esta manera, en un facilitador de mercados locales de la flexibilidad que ofrece la capacidad de modulación de la generación distribuida, los sistemas de almacenamiento de energía y la demanda.
El desarrollo de los mercados locales de capacidad y energía, con precios que reflejen el valor de la capacidad y la energía en los distintos nodos de la red de distribución y en cada momento, inducirá el despliegue de nuevos activos energéticos distribuidos y favorecerá la aparición de nuevos agentes (p. ej., agregadores independientes) que ofrezcan servicios innovadores a los consumidores (particularmente, los prosumidores) relacionados con la gestión en el mercado de las carteras de generación-consumo.
Además, el gestor de la red de distribución deberá gestionar, de manera neutral frente a todos los usuarios de la red y frente a todos los participantes en el mercado, los flujos de información y de comunicaciones que se generen en las redes inteligentes y que potenciarán la competencia en el mercado mayorista y en los mercados locales de energía y capacidad.
Desarrollo de las redes inteligentes
El PNIEC prevé un aumento del PIB español entre 19.300-25.100 M€ al año, sustentado en los efectos de “nueva inversión” (impulso económico a lo largo de las cadenas productivas) y “cambio energético” (impulso económico derivado del ahorro energético y la sustitución de combustibles fósiles por energías renovables) (Ministerio para la Transición Ecológica [2019]. Borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [PNIEC]). Para obtener estos resultados, se contemplan inversiones por valor de 236.124 M€ entre 2021 y 2030, de las cuales el 18% (41.846 M€) corresponden a las redes eléctricas y a la electrificación de la economía (Ministerio para la Transición Ecológica [2019]. Borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [PNIEC]). Este orden de magnitud está en línea con las estimaciones realizadas por el IPCC (IPCC [2018]. Global Warming of 1.5°C, an IPCC special report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty”), que prevé un esfuerzo inversor necesario del 2,5% del PIB mundial entre 2016 y 2035 para alcanzar la neutralidad en las emisiones de CO2.
La captura de todos los beneficios potenciales ligados al pleno despliegue de redes inteligentes será posible si se dispone de un modelo de red inteligente adecuado, si se diseñan planes realistas para un despliegue eficiente de todas las inversiones necesarias y, finalmente, si existe un esquema de incentivos adecuado para que se lleven a cabo las inversiones necesarias.
Caracterización de las redes inteligentes – proyecto y metodología
Las redes inteligentes abarcan toda la cadena de valor de la electricidad y su desarrollo requerirá la participación de todos los actores involucrados en la misma. Sin embargo, la ausencia de una concepción común sobre las redes inteligentes puede representar una barrera a la hora de definir estrategias robustas y eficaces para su desarrollo, pudiendo reducirse de esta manera el impacto positivo esperado de las nuevas redes.
En los últimos años hemos asistido a un esfuerzo en distintas partes del mundo por homogeneizar y estandarizar los principales conceptos sobre los que se sustentan las redes inteligentes de energía eléctrica. En un reciente trabajo de Orkestra (Fernández, J. y Menéndez, J. [2019]. Las redes inteligentes y el papel del distribuidor de energía eléctrica. Cuadernos Orkestra 54/2019. Orkestra – Instituto Vasco de Competitividad) se aborda una revisión de los principales avances conceptuales relativos a la definición de las redes inteligentes de energía eléctrica, con el objeto de desarrollar un esquema simplificado, didáctico y actualizado de las redes inteligentes de distribución, que pueda utilizarse para contribuir a una concepción común y ser empleado por los agentes para realizar análisis posteriores. Para ello, se identifican algunas características básicas de las redes inteligentes plenamente funcionales: (a) cubren toda la cadena de valor del suministro de electricidad, desde cada punto de generación hasta cada punto de consumo; (b) hay una elevada presencia de recursos energéticos distribuidos (generación renovable, almacenamiento, vehículos eléctricos, etc.); (c) existen flujos bidireccionales de energía e información; (d) los sistemas avanzados de comunicaciones son transversales; y (e) permiten la participación activa del consumidor en el sistema.
De acuerdo con lo anterior, pueden agruparse todos los elementos esenciales de una red inteligente de distribución en cinco bloques (Figura 2): (1) infraestructura de medición avanzada (AMI), que proporciona información sobre y para usuarios y el sistema; (2) sistemas avanzados de comunicaciones, para transmitir información y ejecutar procesos en tiempo real; (3) extensión y mejora de la automatización de la distribución hasta el nivel de la baja tensión; (4) centros de transformación inteligentes que facilitan la integración eficiente de los recursos energéticos distribuidos; y (5) redes de área locales y domésticas orientadas a optimizar el comportamiento de los consumidores.
Inversiones necesarias para el desarrollo de redes inteligentes – resultados
En el estudio de Orkestra (Fernández, J. y Menéndez, J. [2019]. Las redes inteligentes y el papel del distribuidor de energía eléctrica. Cuadernos Orkestra 54/2019. Orkestra – Instituto Vasco de Competitividad) se analiza el coste de desarrollo de una red de distribución de energía eléctrica inteligente plenamente funcional en el País Vasco en el horizonte 2050 y en tres fases (Figura 3), utilizando como base la metodología empleada por EPRI (EPRI [2011]. Estimating the Costs and Benefits of the Smart Grid. A Preliminary Estimate of the Investment Requirements and the Resultant Benefits of a Fully Functioning Smart Grid.) y adaptando el ejercicio a la configuración genérica de las redes de distribución que existen en Europa (y España). A lo largo de las tres fases de desarrollo de la red inteligente, solapadas en algunos periodos, se va incrementando progresivamente la complejidad de la misma, a medida que avanzan la penetración de los recursos renovables y los vehículos eléctricos, el nivel de automatización de las líneas, la capacidad de transformación inteligente o los sistemas de gestión de la demanda.
En el estudio de Orkestra (Fernández, J. y Menéndez, J. [2019]. Las redes inteligentes y el papel del distribuidor de energía eléctrica. Cuadernos Orkestra 54/2019. Orkestra – Instituto Vasco de Competitividad) se identifican 17 elementos principales de costes, cada uno de ellos a su vez asociado a uno de los 7 inductores de costes identificados: número de subestaciones, número de líneas de alimentación o feeders, número de clientes, número de transformadores, capacidad de generación renovable (solar y eólica) distribuida, la capacidad de almacenamiento distribuido y número de vehículos eléctricos. Como resultado del ejercicio se obtiene un valor agregado total de inversión de 2.034 M€ o unos 68 M€/año (en promedio y en términos corrientes) en el periodo 2020-2050 para el desarrollo de una red de distribución inteligente plenamente funcional en el País Vasco.
Un modelo de regulación adecuado para el desarrollo de redes inteligentes
La necesidad de realizar fuertes inversiones en los próximos años para avanzar en la sensorización, digitalización y automatización de equipamientos y procesos operativos que faciliten la integración de grandes volúmenes de recursos energéticos distribuidos, así como el desarrollo de la figura del prosumidor y de mercados locales de energía y capacidad, supone un gran reto. Para el caso de España, el PNIEC contempla que un 20% de las inversiones necesarias sean realizadas por el sector público (con un 5% proveniente de fondos europeos), mientras que el 80% restante se espera que sea realizada por el sector privado (Ministerio para la Transición Ecológica [2019]. Borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 [PNIEC]).
Para que este flujo de inversiones se materialice, resulta esencial que el modelo retributivo y regulatorio genere incentivos adecuados para atraer y canalizar la inversión privada hacia aquellas áreas prioritarias para el desarrollo de redes inteligentes en cada momento. Esto supone implantar esquemas de regulación que permitan superar las barreras a la inversión que suponen los riesgos ligados a la innovación (principalmente, de obsolescencia de la tecnología empleada antes de que finalice el periodo de amortización) y alcanzar economías de escala y de red significativas. Deberá regular, también, aspectos relacionados con las responsabilidades de los distintos agentes usuarios de las redes de distribución y las nuevas formas de utilización de las redes (por ejemplo, autoconsumo, desarrollo de microrredes, etc.).
Los nuevos modelos de regulación basados en resultados (output- o performance-based models), como el modelo RIIO (Revenue = Incentives + Innovation + Outputs), implementado por el regulador británico Ofgem en el Reino Unido ofrecen pistas sobre cómo avanzar en este sentido. El modelo RIIO pone especial énfasis en los resultados de las empresas reguladas a lo largo de distintas dimensiones (p. ej., calidad del servicio, eficiencia operativa, parámetros medioambientales) y en esquemas de incentivos a la inversión en I+D aplicada y en tecnologías y procesos innovadores (que, además, contribuyan a los objetivos de descarbonización) y a la operación eficiente de las redes.
El análisis del esquema RIIO (Fernández, J. y Menéndez, J. [2019]. Las redes inteligentes y el papel del distribuidor de energía eléctrica. Cuadernos Orkestra 54/2019. Orkestra – Instituto Vasco de Competitividad) permite identificar algunos elementos de un modelo de regulación adecuado para fomentar la inversión en redes inteligentes: (1) la definición de periodos regulatorios largos que permitan poner en marcha planes de negocio ambiciosos y no sujetos a la presión de obtener resultados en el muy corto plazo; (2) el énfasis en incentivos a la eficiencia relativos a los costes totales (no solo opex) de las empresas, para evitar niveles no deseados de capitalización de los costes; (3) la implementación de esquemas de incentivos que repartan de forma adecuada los costes y beneficios entre empresas reguladas y los consumidores; (4) el fomento de la innovación a través de esquemas de financiación de proyectos de I+D que justifiquen los beneficios netos sociales y medioambientales esperados; (5) un seguimiento detallado y continuo de los resultados de las empresas y del conjunto de parámetros del modelo regulatorio, para garantizar su eficacia; y (6) la comparación periódica de los resultados de las distintas empresas, con énfasis en parámetros sociales y medioambientales, para reforzar el componente reputacional del modelo y aumentar el apoyo social a la transición energética.
El modelo de regulación de la actividad de distribución vigente en el Reino Unido representa un avance significativo en la aplicación de esquemas de incentivos basados en resultados y orientados a favorecer el desarrollo de redes inteligentes. El objetivo final de este modelo es repartir entre las empresas y los consumidores (responsables, en última instancia, de financiar los costes de las infraestructuras) tanto los riesgos y costes de desarrollo de las nuevas redes como los beneficios que puedan derivarse de una mayor eficiencia operativa y de las mejoras medioambientales. El debate actual en España sobre cuál es la retribución adecuada de las actividades de redes debe complementarse con una reflexión sobre cuáles son los mecanismos que favorecerán las decisiones de inversión en I+D y en los nuevos equipamientos y procesos operativos que se requieren para desarrollar redes inteligentes de electricidad plenamente funcionales.
Conclusiones
Las redes inteligentes de electricidad se sitúan en la política energética y climática como infraestructuras habilitadoras de la transición hacia un sistema energético descarbonizado que debe alcanzar, además, la sostenibilidad económica y financiera a largo plazo para resultar justo para los consumidores y para la ciudadanía en general.
Además de ofrecer un sistema de distribución de energía eficiente, las redes inteligentes facilitan el desarrollo de mercados locales de energía, de productos de flexibilidad y de servicios energéticos para consumidores y una gestión eficiente del conjunto de datos e información que se generan. Se producirá un cambio profundo en el rol de los distribuidores, que pasarán a operar y planificar un sistema de distribución de energía complejo que actuará como plataforma para nuevos servicios en torno a los consumidores de energía y de mercados locales de energía y capacidad.
Debido a la necesidad de invertir en I+D y en nuevas tecnologías y de poner en marcha nuevos procesos operativos, el desarrollo efectivo de las redes inteligentes deberá favorecerse asentando conceptos y modelos básicos y comunes sobre este tipo de redes y garantizando un acompañamiento efectivo de la regulación.
Agradecimientos
El estudio de Orkestra en el que se basa esta comunicación está realizado con la inestimable colaboración y ayuda de revisores de la industria y del campo de la investigación tecnológica, expresamente mencionados en el documento original. La Universidad de Deusto ha reconocido, a través de su Sello Deusto Research Social Impact 2019, el potencial impacto social de este proyecto de Orkestra en consonancia con los ODS, las prioridades políticas europeas y/o la Estrategia RIS3 del Gobierno Vasco u otras políticas relevantes relacionadas con la temática principal del proyecto.