Comunicación presentada al IV Congreso Smart Grids:
Autores
- Juan Rico, Deputy Head of Energy Sector, Atos
- Martin Wagner, Investigador Senior, Atos
- Ugo Stecchi, Investigador Senior, Atos
- Guadalupe Rodríguez, Investigadora Senior, Atos
- Begoña Molinete, Responsable de Proyectos, Clúster de Energía del País Vasco
- Uxue Goitia, Ingeniera de Proyectos, Clúster de Energía del País Vasco
Resumen
El actual cambio de paradigma que se está produciendo en el sector de la energía viene marcado por dos aspectos fundamentales, las tecnologías emergentes, tanto en generación como almacenamiento, y la digitalización de todos los elementos. SHAR-Q proporciona una solución que fomenta la interoperabilidad de los dispositivos finales y además habilita la creación de sistemas distribuidos. De esta manera se empodera al usuario final, dando mayor peso en el sistema a aquellas entidades cuyas capacidades compartidas pueden causar grandes beneficios al resto. Además, la gestión de todas estas nuevas capacidades, que rompen la linealidad de la cadena de valor, demanda proveedores de servicios que orquesten el uso de dichas capacidades. Este trabajo describe la plataforma SHAR-Q diseñada, así como los entornos donde será testeada, incluyendo aspectos claves del sistema energético en los próximos años como son la movilidad eléctrica, los prosumidores, las pequeñas plantas de generación y cómo éstas se ven beneficiadas por la inclusión de sistemas de almacenamiento creando nuevos entornos distribuidos.
Introducción
La velocidad de desarrollo de tecnologías transformadoras de la última milla energética está transformando el tradicional status quo en el sector energético (McCarty et al 2016) y, en consecuencia, motivando cambios en la tradicional cadena de valor de la energía. No obstante, pese a que estas tecnologías están cada vez más presentes y son más asequibles, hay muchas barreras que limitan el impacto que pueden tener. Las oportunidades proporcionadas por la Internet de las Cosas (IoT), el despliegue de medidores inteligentes (EC 2014) y la digitalización de todos los aspectos de la vida, aportando una mayor granularidad en el conocimiento de los patrones de consumo de los usuarios finales, deben ser aprovechadas y trasladadas en forma de servicios a todos los actores. Sin embargo, la falta de estándares dominantes hace que esa disponibilidad de información se vea limitada por el uso de formatos no comunes (Asín 2016).
Por otro lado, el desarrollo de soluciones basadas en la nube (Vrins, J. & Lawrence, M., 2017) mantiene como eje director delos procesos a los actores tradicionales del sector energético, no obstante, como se ha presentado en múltiples foros, el rol que asumirán los prosumidores cambiará radicalmente la relación de los usuarios con las distribuidoras y comercializadoras de energía y podrán establecerse nuevas relaciones comerciales con diferentes actores en varios niveles (Mouat 2016).
Ante este escenario se abren múltiples retos. En algunos de ellos, como en el caso de la evolución de los roles que serán asumidos por los actores, la Comisión Europea ya ha trabajado dentro de su plan estratégico para el futuro de la unión energética. Sin embargo, aún hay muchas necesidades que deben cubiertas para alcanzar los objetivos de sostenibilidad del sistema de energía. Para ello, en este trabajo se presenta una plataforma que promueve maximizar la eficiencia de los sistemas energéticos generando un ecosistema justo en el que los usuarios tienen siempre el control del uso que se va a hacer de la energía generada y almacenada por ellos.
Descripción de la solución
El objetivo de SHAR-Q es diseñar e implementar un marco de colaboración descentralizado y distribuido que permita a los diferentes actores del ecosistema energético establecer relaciones directas generando una red que maximice las posibilidades del uso compartido de las capacidades de generación de energías renovables y de almacenamiento energético. La propuesta tecnológica se basa en un Gateway interoperable y abierto que proporciona una API abierta que conecta los recursos que pueden participar de un sistema Smart de gestión como EES (Electrical Energy Storage) y RES (Renewable Energy Sources), operados por diferentes actores dentro del marco de colaboración que establece la plataforma SHAR-Q.
La aproximación técnica de SHAR-Q está diseñada para dar respuesta a varios retos y de esta manera simplificar el proceso de adopción de esta tecnología.
- Uso de tecnologías abiertas → la API del gateway abierto del proyecto facilita el desarrollo de adaptadores para la gestión de recursos energéticos a tres niveles: consumo, almacenamiento y generación.
- Interoperabilidad → el gateway está complementado por la figura de los adaptadores, cuya misión es facilitar la integración de nuevos elementos en el entorno distribuido traduciendo desde formatos privados a estándares comunes y abiertos.
- Seguridad-Privacidad → tanto la seguridad como la privacidad son dos ejes primarios sobre los que gira la solución de SHAR-Q tanto a nivel de protección de datos y acceso a la plataforma, como la sencillez en la gestión de los derechos que otorga cada propietario.
- Colaboración descentralizada en el ecosistema → los algoritmos de gossip permiten distribuir la información por toda la red con un impacto mínimo sobre los recursos disponibles, tanto de disponibilidad de red, como de consumo de energía.
- Valorización de las capacidades de producción y almacenamiento → la generación de un ecosistema en el que los servicios sean la base del valor permite entregar mejor calidad de servicio para los usuarios de SHAR-Q además de permitir el desarrollo de nuevos modelos de negocio más inclusivos.
Los actores participantes serán provistos de la capacidad de gestionar su contribución al entorno colaborativo de energía gracias al interfaz web basado en las características de los portales web de redes sociales. El usuario decidirá con quién quiere compartir sus recursos, tanto en generación a través de energías renovables como su capacidad de almacenamiento. Habilitado por el gateway abierto e interoperable de SHAR-Q, cualquier dispositivo con capacidades de comunicación y gestión de comandos “smart” puede conectarse usando los adaptadores disponibles o bien desarrollados usando la API disponible. Los extremos de la red P2P, conocidos como vecindarios virtuales, actúan como entidades lógicas para la compartición de los recursos expuestos. Los actores implicados pueden ser usuarios finales, prosumidores, empresas distribuidoras, gestores de carga, generadores de energía renovable… Además de todas las entidades involucradas directamente en el intercambio de energía, este nuevo enfoque implica la aparición de dos nuevos grupos, los proveedores de plataforma para el acuerdo de intercambios y los proveedores de los servicios que habilitan este nuevo paradigma. La aparición de estos nuevos roles no obliga a la inclusión de nuevas entidades ya que dichos roles pueden ser asumidos por empresas que están actualmente en la cadena de valor.
Uno de los principales retos que afronta SHAR-Q es sobreponerse a la inherente heterogeneidad provocada por la variedad de dispositivos y por la falta de estándares dominantes para estos nuevos elementos. La solución adoptada por el proyecto se basa en la utilización de ontologías comunes sobre las cuales se aplicarán adaptadores cuya misión es la adaptación de modelos de información particulares hacia otros comunes de manera que la información de los atributos de cada dispositivo pueda fluir entre ambos extremos sin requerir nuevos esfuerzos ya que son los adaptadores quiénes se encargan de facilitar la información en formatos comunes y conocidos por los participantes en una transacción.
Metodología
La metodología de trabajo definida para el proyecto se basa en cuatro fases:
- Diseño de las características de la plataforma SHAR-Q: en esta fase ya concluida, se han definido los elementos funcionales, el rol de cada uno de los actores afectados por la misma y los modelos de negocio previos que facilitarán la sostenibilidad de este componente.
- Implementación de la plataforma y servicios de valor añadido: consiste en el despliegue de las funcionalidades definidas en la fase anterior en un elemento funcional que permita la gestión distribuida de los recursos energéticos.
- Test de la solución en el laboratorio: en esta fase se llevarán los desarrollos realizados hacia entornos de laboratorio que permitan la validación de las características, así como la evaluación del rendimiento e interoperabilidad de la solución.
- Despliegue de SHAR-Q en entornos reales: esta última fase se basa en el despliegue de los componentes desarrollados en entornos reales, en los que se pondrá en valor tanto la plataforma como los servicios.
Las tres primeras fases comprenden las actividades de diseño, implementación y validación típicas de los proyectos ICT, por eso en esta comunicación desarrollaremos con más detalle los pilotos por el valor que aportan no sólo a nivel técnico, sino que también desde el punto de vista de desarrollo de nuevos esquemas de negocio.
Las localizaciones de demostración elegidas son:
- Alcoutim (Portugal): el foco de este piloto se centra en el testeo de las sinergias derivadas de la compartición de la capacidad de almacenamiento de energía distribuida con la capacidad de producción de una planta fotovoltaica. Como eje primario, el piloto enfatizará el uso de la plataforma para mejorar el conocimiento sobre las posibilidades que la gestión distribuida de recursos energéticos tiene para el autoconsumo.
- Meltemi (Grecia): en este caso se testeará el impacto de la colaboración entre el vehículo eléctrico como fuente de almacenamiento móvil y la red de distribución. Para ello se integrará tecnología V2G para explotar las baterías de estos vehículos como elemento bidireccional, que aporta tanto movilidad para los vehículos como estabilidad para la red.
- ecoEnergyLand (Austria): en esta localización se busca empoderar a los usuarios con capacidades de producción y facilitar su contribución a la red de distribución, además de la explotación de las sinergias derivadas de la coexistencia de múltiples redes de energía. Además, el avanzado despliegue de energías renovables en la región y su concepción como isla energética, permitirán el desarrollo de modelos de negocio innovadores no restringidos al uso de energía eléctrica.
La variedad geográfica de los pilotos seleccionados obedece a criterios que maximicen la validación de la plataforma. Esta validación no se circunscribe únicamente a los aspectos técnicos y funcionales de la misma, su foco es mucho mayor cubriendo elementos clave como el marco regulatorio presente en cada uno de los países involucrados, las diferentes condiciones meteorológicas y los patrones de consumo variables a aplicar en cada uno de ellos.
La integración de smart-meters y almacenamiento energético con la gestión de recursos distribuidos permitirá incrementar la eficiencia energética en las zonas de los pilotos a través de los servicios y herramientas que provee la plataforma SHAR-Q. El alcance de los test llegará hasta el punto de la validación del concepto, sin embargo, sí que se trabajará en la adaptación del sistema hacia conceptos alineados con la economía colaborativa.
Retos de los nuevos modelos de negocio
El desarrollo de nuevos modelos de negocio es necesario para evolucionar el mercado energético en paralelo con la aparición de nuevas tecnologías transformadoras tales como el almacenamiento de energía o la proliferación de generación derivada de renovables. Además, desde SHAR-Q se busca explotar el concepto de redes entre extremos sin dependencia de entidades centralizadoras. Es por ello que en la definición de estos nuevos modelos de negocio debemos incluir todas las entidades involucradas; desde el consumidor hasta las empresas energéticas, incluyendo también aquellas empresas encargadas de la gestión de la plataforma SHAR-Q y la provisión de servicios a través de ella. Adicionalmente, el reto para una plataforma como SHAR-Q reside en valorizar la provisión de interoperabilidad, elemento fundamental en el desarrollo de la colaboración entre entidades, pero cuyo valor normalmente queda oculto detrás del servicio que lo explota.
Gestión de recursos energéticos distribuidos
Uno de los mayores retos existentes en la actualidad es realizar un correcto dimensionamiento de la red de provisión de energía, así como disponer de la capacidad suficiente para satisfacer la demanda de los usuarios. En este escenario, y asumiendo las bondades de los sistemas de generación basados en renovables, los proveedores de almacenamiento tienen la capacidad de ayudar a las empresas distribuidoras mediante el almacenamiento de energía que es puesta posteriormente a su disposición. Además, la capacidad de generación mediante energías renovables, que puede verse incluida dentro de los diferentes puntos de la red, permite una mayor flexibilidad, pero a su vez, exige una mayor capacidad de control y gestión en tiempo real.
Este escenario de colaboración lógica ofrece grandes beneficios tanto al proveedor de almacenamiento, que puede hacer un uso óptimo de sus baterías, al usuario con capacidad de generación, y a las distribuidoras, que de esta manera reducen su dependencia de las plantas de generación tradicionales. Sin embargo, los requerimientos que se imponen son varios:
- Identificación de los diferentes elementos con capacidad de almacenamiento, y capacidades expuestas por cada elemento.
- Precio de la energía consumida por los distribuidores para alimentar a otros usuarios.
- Fijar las prioridades de los usuarios en cuanto al consumo y exposición de energía; esta colaboración no puede resultar en perjuicio para el proveedor de la infraestructura de almacenamiento.
El uso de una plataforma como SHAR-Q cuyo foco es la provisión de interoperabilidad entre componentes de diferentes fabricantes permite crear valor para múltiples actores. Por una parte, los fabricantes de dispositivos de generación o almacenamiento ofrecerán a sus clientes la posibilidad de colaborar en un entorno mayor y de esta manera, permitirles reducir los tiempos de amortización de las inversiones, pudiendo llegar a generar beneficios. Como hemos comentado anteriormente, permitirá a las distribuidoras, actores técnicos de la red, dimensionar de forma apropiada explotando las capacidades individuales y reduciendo los costes de despliegue y mantenimiento notablemente. Además, el desarrollo de servicios de valor añadido puede ser asumido por muchos actores, unos focalizados en campos de su conocimiento específico (predicción meteorológica) o bien basados en la gestión de los recursos distribuidos (generación de micro-comunidades), y a un mayor nivel, servicios operados por las utilities beneficiando a usuarios y a ellos mismos mediante micro-trading de energía.
Servicios de valor añadido a través de la plataforma
La provisión de servicios a través de la plataforma permite alcanzar un mayor número de usuarios gracias al concepto de interoperabilidad, que elimina las barreras que puedan imponer los fabricantes de dispositivos. SHAR-Q genera con ellos grandes oportunidades que permiten desde la gestión de pequeñas infraestructuras de usuarios finales, hasta redes de distribución mucho más complejas. Adicionalmente, se puede conseguir aportar servicios de muy diversa naturaleza, desde casos sencillos como la optimización del consumo energético local de un usuario hasta el desarrollo de comunidades que colaboran siguiendo un modelo distribuido y en las que la contribución de cada elemento dentro de la red queda claramente registrada para realizar una justa y correcta facturación para cada participante. Como se ha comentado anteriormente, los servicios no están restringidos únicamente al sector energético, existen otros mercados laterales que pueden verse favorecidos por este enfoque, tales como servicios meteorológicos que permiten identificar las mejores horas de producción por renovables o servicios de mantenimiento predictivo por el uso que se les dé a los equipos desplegados.
Conclusiones
La transformación del mercado de la energía es imparable en todas sus facetas: transformación tecnológica, evolución del ecosistema, cambio en los patrones de consumo e incluso variación de la propia topología unidireccional de la red. Esto, sin embargo, no debe suponer un riesgo para todos los actores involucrados en la cadena de valor tradicional. La digitalización, asimismo, trae consigo nuevas oportunidades que deben ser explotadas, tanto en uso y consumo de los datos generados a través de plataformas, centralizadas o distribuidas, como en la provisión de servicios que no comprometan la seguridad de soluciones conectadas.
Este trabajo presenta cómo a través de un enfoque de provisión de un servicio horizontal, como es la interoperabilidad, es posible habilitar y generar beneficios para los actores del mercado de la energía y crear nuevos roles que deben ser asumidos por las entidades con las competencias necesarias. Esto no excluye a las empresas de energía tradicionales, si bien es obligatoria su evolución en paralelo con la disponibilidad de la energía y las prioridades regulatorias fijadas en el marco de la Unión Europea. Finalmente, dado que el núcleo de esta solución es la plataforma habilitadora de este nuevo escenario, es necesario que tenga un modelo de negocio que permita la sostenibilidad de la solución, dado que los beneficios que reporta la misma afectan a todos los actores de la red. Por ello, SHAR-Q busca su sostenibilidad basándose en un reparto proporcionado a los beneficios obtenidos por su uso, cargando en menor medida a los usuarios finales y con un mayor peso a los que demandan mayores recursos de la propia plataforma.
Agradecimientos
Este trabajo forma parte del proyecto SHAR-Q que ha recibido financiación del programa Marco de la Comisión Europea Horizonte 2020 para Investigación e Innovación bajo el Grant Agreement 731285.
Referencias
Asín, A. 2016, Smart Cities 2.0: El Reto de la Interoperabilidad para la democratización, Congreso Smart Cities.
McCarty B et. al, 2016, Energy a sector in transformation, Ernst & Young.
Woos, L. & Marritz, R., 2015, Key Trends Driving Change in the Electric Power Industry, The Edison Foundation.
European Commission, 2014, Report From The Commission Benchmarking smart metering deployment in the EU-27 with a focus on electricity.
Asmus, P., 2017, Virtual Power Plants and DER Management Systems, Navigant Research.
Vrins, J. & Lawrence, M., 2017, Unleashing Utility Innovation in an Energy Cloud Future, Navigant Research.
Mouat, S., 2016, A new paradigm for energy utilities: the rise of the prosumer, Schneider-Electric blog.
https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/high-level-meeting-interoperability-create-internet-energy (18 septiembre de 2017).
http://europa.eu/rapid/press-release_IP-16-4009_en.htm (18 septiembre 2017).