Servicios de flexibilidad para el DSO y BRP: El piloto español del proyecto Invade

Comunicación presentada al VI Congreso Smart Grids

Autores

• Vera Palma Costa, Innovation Assitant, Estabanell y Pahisa Energía
• Ramón Gallart Fernández, Innovation Chief Officer, Estabanell y Pahisa Energía
• Pau Lloret Gallego, CITCEA-UPC, Universitat Politècnica de Catalunya
• Pol Olivella Rosell, CITCEA-UPC, Universitat Politècnica de Catalunya
• Sara Barja Martínez, CITCEA-UPC, Universitat Politècnica de Catalunya
• Íngrid Munné Collado, CITCEA-UPC, Universitat Politècnica de Catalunya
• Roberto Villafáfila Robles, CITCEA-UPC, Universitat Politècnica de Catalunya

Resumen

Dado al creciente número de generación distribuida de fuentes renovables (DER) instalada, se está transformando el lado de la generación mostrándose como una fuente de energía más variable e intermitente, la cual necesita ser gestionada adecuadamente. Además, el lado de la demanda se está volviendo más activo, lo que enfatiza el empoderamiento y el compromiso de los consumidores, al mismo tiempo que están apareciendo nuevos perfiles de consumo, en gran parte provocados por los vehículos eléctricos. Todos estos cambios están obligando al sistema eléctrico a evolucionar y transformarse para hacer frente a estos nuevos retos. Por todas estas razones, el manejo adecuado de la flexibilidad disponible, tanto en el lado de la generación como en el de la demanda, debe compensar la incerteza de las fuentes renovables y el aumento del consumo con nuevos tipos de cargas sin comprometer el estado de la red. Precisamente, el objetivo del proyecto INVADE se centra en ofrecer servicios de flexibilidad para reducir la factura eléctrica, evitar congestiones en la red de distribución y reducir los desequilibrios del portfolio del Balance Responsible Party (BRP) o comercializador, haciendo especial incapié en el uso de vehículos eléctricos y baterias para la obtención de flexibilidad. Uno de los casos de uso analizado es el de una batería instalada en la red de distribución que ofrece servicios de forma simultánea al Operador del Sistema de Distribución (DSO) y al BRP o comercializador.

Palabras clave

Smart Grids, Flexibility, Innovation, Congestión, Balance Responsability Parties, DSO

Introducción del concepto

La presencia de una generación distribuida más intermitente, el empoderamiento de los consumidores y las nuevas cargas eléctricas, como los vehículos eléctricos, están forzando la evolución del sistema eléctrico. La generación centralizada, despachable y predecible proporcionó flexibilidad a nivel de transporte al sistema eléctrico para equilibrar la generación y la demanda. Ahora, el creciente número de generación renovable distribuida instalada está transformando el lado de la generación en una fuente de energía más variable e intermitente que necesita ser gestionada adecuadamente. Además, el lado de la demanda se está volviendo más activo, lo que enfatiza el empoderamiento y la participación de los consumidores. La gestión adecuada de la flexibilidad disponible, tanto en la generación como en la demanda, puede ayudar a compensar la falta de certeza de las fuentes renovables. Varios estudios e instituciones han tratado de abordar este problema y han propuesto su propia metodología y mecanismos para implementar la gestión de flexibilidad.

La Comisión Europea publicó tres mandatos para promover el proceso de estandarización de las Smart Grid. Uno de estos mandatos, el M/490, tiene como objetivo apoyar el despliegue de la red inteligente europea, y bajo su paraguas, se están abordando los problemas de flexibilidad a nivel europeo para tratar de estandarizar su desarrollo.

Según CENELEC, CEN y ETSI [1], los usuarios de la red pueden proporcionar flexibilidad con su producción, almacenamiento y consumo, que luego pueden usarse para diferentes servicios directamente o a través de un mercado de flexibilidad. La Figura  muestra el modelo conceptual de este flujo de flexibilidad. También define el rol de operador de flexibilidad (FO) como una función integrada que agrupa las pequeñas flexibilidades de los clientes o usuarios de la red para utilizarlas en la red o en los mercados de energía. Aunque su nombre y tareas específicas pueden variar según la referencia, su responsabilidad principal es actuar como intermediario entre un proveedor y un usuario de flexibilidad.

Bajo el mismo marco, el Grupo de Expertos 3 (EG3) – Recomendaciones regulatorias para el despliegue de redes inteligentes del Grupo de Trabajo de Redes Inteligentes que fue creado por la Comisión Europea identificó los roles para proporcionar y usar flexibilidad en [2]. Aquí el operador de flexibilidad se denomina agregador, ya que su función principal es agregar la carga o generación de varias unidades de demanda y/o generación/producción. De hecho, en otras referencias como en IEC 62913-1, también se conoce como agregador de flexibilidad. Bajo esta visión, la función del agregador está estrechamente relacionada con la función del proveedor, que ofrece ofertas de suministro de energía y flexibilidad. En ese sentido, el rol de proveedor de servicios de agregación puede ser asumido por un agregador externo o por un proveedor de energía.

La Figura muestra las relaciones entre los roles del mercado para proporcionar flexibilidad. Los prosumidores, mediante su propia flexibilidad de consumo o diferentes formas de generación y almacenamiento distribuidos, pueden proporcionar flexibilidad a través de contratos de compra flexibles. El BRP está a cargo de los desequilibrios del mercado de intercambio de energía. Cualquier uso de flexibilidad iniciado por un agregador externo podría dar lugar a una situación desajustada para el BRP y el proveedor, si no se tiene en cuenta adecuadamente en el proceso de liquidación. Por esa razón, el BRP desea establecer mecanismos de ajuste financiero para evitar que se incurra en costos injustos por el cumplimiento de sus requisitos de equilibrio, especialmente si una solicitud de flexibilidad de un tercero no beneficia la posición de equilibrio del BRP. Además, los DSOs deberían tener la oportunidad de usar servicios de flexibilidad para mitigar posibles conflictos con la operación de la red de distribución.

De manera similar, la Fundación Universal Smart Energy Framework (USEF) creó un marco detallado para proporcionar un diseño de mercado integral para el comercio de uso flexible de energía [3][4]. USEF presenta un nuevo mecanismo de coordinación basado en el mercado, que está alineado con los procesos actuales y se adapta a los mercados existentes. Bajo este marco, el operador de flexibilidad nuevamente se denomina agregador.

De forma similar, en [5] se define el funcionamiento del mercado de flexibilidad. El modelo de interacción completo se puede ver en la Figura 3. El modelo combina la cadena de valor de suministro actual con la cadena de valor de flexibilidad. Los roles en la cadena de valor de suministro son responsables de proporcionar energía, y los roles en la cadena de valor de flexibilidad son los únicos responsables de proporcionar flexibilidad. El agregador tiene un papel central dentro de la cadena de valor de la flexibilidad, ya que es responsable de adquirir la flexibilidad de los prosumidores, agregándolos en una cartera, creando servicios que aprovechan la flexibilidad acumulada y ofreciendo estos servicios de flexibilidad a diferentes mercados, sirviendo a diferentes actores del mercado. A cambio, el agregador recibe el valor que crea con la flexibilidad en estos mercados y lo comparte con el prosumidor como un incentivo para cambiar su carga. A través del agregador, los prosumidores ganan acceso a los mercados energéticos.

Como se puede ver en estos ejemplos, la gestión de la flexibilidad es un tema candente y hay algunas iniciativas en curso que intentan estandarizar y proporcionar una comprensión común del uso de la flexibilidad en la red de distribución. A pesar de esto, todavía hay temas abiertos o bajo investigación y desarrollo sobre este tema. Los más relevantes son:

• Estrategias de optimización: La estrategia de optimización no se puede estandarizar y será diferente para cada operador de flexibilidad en función de sus propios requisitos y características.
• Mercado específico y modelos de negocio: Existen varias posibilidades con respecto a futuros diseños de mercado y productos relacionados con la energía que afectarán la gestión de la flexibilidad. Por esa razón, es necesario desarrollar modelos de negocio apropiados que permitan un uso flexible y aporten valor a todos los participantes involucrados.
• Marco reglamentario adecuado: Hay algunas iniciativas legislativas en curso para facilitar la introducción de redes inteligentes que aborden los códigos y regulaciones de redes nacionales y europeas. Esto afectará el desarrollo de modelos de negocio y casos de uso relacionados con la gestión de la flexibilidad.

Se debe crear un nuevo marco regulatorio adecuado para impulsar el uso de la flexibilidad. Especialmente, faltan definiciones estándar de medidas de flexibilidad y casos de referencia. Estos puntos se han abordado a lo largo del proyecto INVADE.

Concepto del Operador de Flexibilidad

Según CEN-CENELEC-ETSI [1], el operador de flexibilidad (FO) es un rol que combina las pequeñas flexibilidades de los clientes o usuarios de la red para utilizarlos en la red o en los mercados de energía. Por su aplicabilidad al contexto europeo, se han identificado dos fuentes como referencias clave para definir los servicios ofrecidos dentro del proyecto INVADE: el modelo USEF [3][4] y las conclusiones y consejos sobre implementación de flexibilidad del Grupo de Expertos 3 (EG3) [2]. La Tabla  muestra los servicios de flexibilidad ofrecidos por INVADE, clasificados según el cliente de estos servicios.

El FO es un rol independiente que puede ofrecer sus servicios de flexibilidad al BRP, DSO, TSO o clientes finales. Además, el papel de FO puede ser desempeñado por diferentes agentes actuales como el BRP o permanecer como un nuevo agente independiente. La cartera del FO puede estar compuesta por diferentes recursos energéticos distribuidos y pueden organizarse en comunidades locales de energía. Los servicios ofrecidos a cada uno de ellos pueden ser diferentes y pueden estar sujetos a algunas restricciones. Aunque bajo este enfoque, varios FO pueden ofrecer sus servicios al mismo BRP y un FO puede ofrecer sus servicios a varios BRP, en la implementación del proyecto se puede suponer que solo hay un FO que ofrece sus servicios a un solo BRP y todos los proveedores de flexibilidad pertenece a la misma cartera de BRP. Lo mismo sucede en el caso de proporcionar servicios de flexibilidad al DSO, ya que todos los proveedores de flexibilidad estarán conectados al mismo DSO y deben agruparse por zonas de red o comunidades locales de energía. El enfoque del sistema propuesto es de igual a plataforma, lo que significa que el FO actúa como un intermediario centralizado entre un proveedor de flexibilidad y un usuario de flexibilidad.

Según el modelo comercial [6], es necesario interactuar con otras plataformas intermedias entre el FO y las fuentes de flexibilidad. La Figura 44 expone todas las posibles interacciones consideradas en el proyecto INVADE agrupadas en dos categorías: aguas arriba para usar la flexibilidad e interacciones aguas abajo para proporcionar flexibilidad. Las interacciones anteriores son entre el BRP/DSO y el FO, y se centran en definir la necesidad de utilizar la flexibilidad. Por el contrario, las interacciones posteriores incluyen interacciones del FO con el proveedor de flexibilidad, y su objetivo es proporcionar flexibilidad. Los proveedores de flexibilidad pueden ser recursos energéticos (DER) directamente o mediante una plataforma de terceros que agregue varios DER. De acuerdo con este enfoque, el FO actúa como un proveedor de servicios cuya plataforma puede verse como una plataforma de alto nivel que tiene interfaces para interactuar con otras plataformas actuales que tiene acceso directo a fuentes de flexibilidad. Además, las decisiones de control se toman de forma centralizada en base a contratos e información previamente compartida

El Piloto español

El proyecto INVADE dispone de 5 pilotos distintos que pretenden demostrar el potencial de los diferentes casos de uso desarrollados dentro del proyecto. En concreto, el piloto ubicado en Granollers y coordinado por EPESA se basa en el uso de una batería centralizada de 200 kWh instalada en el lado de baja tensión de un centro de transformación (CT) para proporcionar servicios al DSO local (EPESA) y al BRP/Comercializador (Mercator). La comercializadora, que también es propietaria de la batería instalada, desempeña el papel de FO en este piloto. La Figura 5. muestra su diagrama genérico de interacción. De esta manera, de los servicios que aparecen en la Tabla , solamente se utilizan los servicios ofrecidos al DSO y al BRP.

Para el DSO, la flexibilidad se utiliza para mejorar la capacidad del sistema de distribución de integrar energía renovable y distribuida. La batería se utilizará para reducir las congestiones de la red de media tensión incluyendo los transformadores de distribución. Además, la batería mejora la calidad de suministro eléctrica en el área de validación, permitiendo crear una isla eléctrica para seguir suministrando cargas críticas, que en el caso del piloto corresponde al centro de control de EPESA. Para el BRP, la flexibilidad tiene como objetivo reducir los desequilibrios del BRP dentro de su cartera para evitar cargos por desequilibrio.

La programación derivada para planificar, ejecutar y resolver el uso de la flexibilidad se representa en la Figura 6. En este caso, la batería es el único recurso flexible utilizado, pero el funcionamiento seria el mismo para un número superior de fuentes de flexibilidad. Las tareas de programación se ejecutan cada 15 minutos. La secuencia de las acciones es la siguiente:

• En primer lugar, la batería envía su estado de carga y se calcula el uso por defecto de la batería. En este caso, la línea base es cero ya que la batería solo se usa para servicios agregados al DSO y BRP.
• A continuación, el DSO recibe valores medidos de la red de su propio sistema SCADA. Estos valores se utilizan para realizar un flujo de cargas para identificar si habrá congestiones en la red en los próximos períodos. Si se detectan futuras congestiones, se realiza un flujo de cargas optimo (Optimal Flexibility Power Flow, OFPF) para identificar la flexibilidad necesaria en los próximos períodos. Luego, el DSO envía una solicitud de flexibilidad al FO si es necesario.
• Del mismo modo, el BRP recibe las previsiones de cartera y estima los desequilibrios futuros. Si es necesario, envía una solicitud de flexibilidad al FO.
• El FO recibe todas las solicitudes de flexibilidad y establece una priorización de acuerdo con el estado de la red. Dada su criticidad, las peticiones del DSO siempre tienen más prioridad que las peticiones del BRP.
• Antes de programar la flexibilidad, el FO verifica la cantidad de flexibilidad disponible de la batería.
• Finalmente, se produce el plan de flexibilidad que contiene todas las señales de gestión que se enviarán más adelante a la batería. Con este plan se confeccionan las ofertas de flexibilidad para dar respuesta a las peticiones recibidas.
• Las ofertas deben ser aceptadas antes de ser aplicadas. Si es necesario, el plan de flexibilidad puede volver a calcularse si se envían nuevas solicitudes o las ofertas enviadas son denegadas.

Una vez que se ha aplicado el plan de flexibilidad, el proceso de liquidación audita lo que sucedió durante cada período y entrega la facturación del servicio de flexibilidad activado. En la actualidad, el comercializador Mercator solo participa en el mercado diario para administrar su cartera. Dentro del piloto INVADE, la batería y la interacción con el FO se utilizan para simular la optimización de la cartera buscando el equilibrio sin participar en el mercado y, por lo tanto, analizar la posibilidad de obtener beneficios económicos al activar la flexibilidad para reducir los desequilibrios de la cartera del BRP. La metodología utilizada para crear valor en este caso se basa en la adaptación de las herramientas informáticas existentes del BRP y la interacción posterior con la plataforma INVADE a través del FO. Aún así, la herramienta de pronóstico del BRP calcula predicciones por cada hora de la demanda de energía de sus clientes. Durante este tiempo, la predicción más reciente está en comparación con el anterior, y se identifica la cantidad de energía por la cual el BRP podría desviarse del consumo real. Posteriormente, el BRP hace una predicción del sentido del desvío del sistema eléctrico para el período correspondiente, a fin de identificar si la solicitud de flexibilidad debe enviarse o no. Este escenario tiene la intención de evaluar si hay un beneficio económico para que el BRP aumente la frecuencia de sus predicciones y cubra la brecha entre el cierre del mercado intradiario continuo y la entrega física de electricidad a la red.

Conclusiones

Para introducir un FO en el escenario actual, EPESA necesita un nuevo rol dentro de su organización que actúe como FO. En este sentido, hay tres clientes clave de Mercator como FO: el BRP, el DSO y el propietario de la infraestructura crítica. Del total de la capacidad de la batería, la mitad se reserva para proporcionar respaldo a la infraestructura crítica, mientras que la otra mitad se utiliza para proporcionar servicios al DSO y BRP.

Los BRPs participan en un mercado altamente competitivo y es probable que se beneficien en su negocio de los servicios del FO. Mercator, operando como FO puede proporcionar servicios al BRP para evitar penalizaciones y así, ofertar de manera óptima. Sin embargo, los DSOs son actores pasivos que están altamente regulados por el gobierno y que, por ejemplo, por ley no se les permite poseer almacenamiento. Al mismo tiempo, están obligados a proporcionar suministro seguro y de calidad a la electricidad. Por lo tanto, un FO puede ser un perfecto nuevo rol que actúe de intermedidor para proporcionar servicios al DSO a través del almacenamiento.

Con la puesta en práctica de un piloto real, el proyecto INVADE pretende acelerar la actualización de los recursos de gestión de la red eléctrica y demostrar así que las tecnologías y soluciones actuales ya están disponibles. No obstante, existen algunas barreras como las regulatorias que deben solucionarse para dar respuesta a los nuevos retos que exige la transición energética.

Agradecimientos

Este proyecto ha sido posible gracias a la financiación del programa H2020 de la Unión Europea con el Grant Agreement No 731148, así como el esfuerzo realizado por todos los socios de este consorcio que han trabajado para hacer realidad un proyecto lleno de retos.

Referencias

• CENELEC-CEN-ETSI Joint Working Group on Standards for Smart Grids, SG-CG / M490 / L Flexibility Management – Flexibility Management Overview of the main concepts of flexibility management. Smart Grid Coordination Group, 2014 [Online]. Available.
• Sánchez-Jiménez, K. Stamatis, M. Kollau, M. Stantcheva, E. Busechian, P. Hermans, D. Guzeleva, G. E. Abrandt, W. Friedl, P. Mandatova, and J. Stromback, Regulatory Recommendations for the Deployment of Flexibility. Smart Grid Task Force – Expert Group 3: Regulatory Recommendations for Smart Grids Deployment, 2015 [Online]. Available.
• Universal Smart Energy Framework (USEF), “USEF: The framework explained,” 2015 [Online]. Available.
• Universal Smart Energy Framework (USEF), “USEF: The framework specifications,” 2015 [Online]. Available.
• Sumper, Micro and Local Power Markets. Wiley, 2019. ISBN 2019 9781119434504.
• A. Bremdal, “D3.1 Stakeholders Engagement Plan,” no. 731148. INVADE project, 2017.