Hacia un nuevo modelo energético basado en energías renovables, eficiencia energética y redes eléctricas inteligentes centradas en el consumidor final

Comunicación presentada al III Congreso Ciudades Inteligentes:

Autoras

• Lola Alacreu García, Jefe de proyecto, ETRA I+D
• Ana María Arias, Jefe de proyecto, ETRA I+D

Resumen

En esta ponencia se presentan un conjunto de soluciones y tecnologías centradas en el empoderamiento del consumidor final y destinadas a aumentar la inteligencia, estabilidad y seguridad de la red eléctrica europea mediante un mayor uso de tecnologías de almacenamiento, un aumento en la participación de energías renovables y un impulso en el despliegue del vehículo eléctrico y su infraestructura de recarga. Se proveen servicios de valor añadido que favorecen la participación activa de todos los actores del mercado eléctrico, dando mayor poder y protección al ciudadano –que se convierte en prosumidor- a través de mecanismos innovadores e interoperables de monitorización y control de la red, pasando de un paradigma en que la generación es centralizada y basada en combustibles fósiles a otro en el que la generación es distribuida y basada en energías renovables. Las innovadoras soluciones propuestas están siendo validadas por 4000 usuarios en 10 pilotos tanto en España como en el resto de Europa.

Palabras clave

Smart Grids, Energías Renovables, Almacenamiento, Movilidad Eléctrica, Ciudadano, Prosumidor, Decision Support System

Introducción

La Unión Europea se ha comprometido a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 20% en 2020 y en un 40% en 2030 respecto a 1990 y a alcanzar una cuota de renovables del 20% en 2020 y al menos un 27% en 2030. Estos objetivos tienen como finalidad ayudar a los países de la Unión Europea a alcanzar un sistema energético más competitivo, seguro y sostenible. Para ello, cambios sustanciales, cualitativos – tanto en términos de tecnología como de modelos de negocio – son necesarios para que las mejoras conseguidas hasta el momento sean sostenibles y altamente escalables en el tiempo para que se puedan cumplir los ambiciosos objetivos de la UE.

En este contexto, varios proyectos europeos de I+D+i han desarrollado y demostrado nuevas herramientas y tecnologías que permitirán a todos los ciudadanos europeos beneficiarse de una red de distribución más segura y estable, fomentando la integración de fuentes de energía renovable distribuidas, el despliegue a gran escala del vehículo eléctrico y una mayor participación del consumidor/prosumidor en el mercado energético.

Soluciones al alcance de las Smart Cities y sus actores

Desde hace más de 10 años, ETRA ha venido impulsando y desarrollando, en el contexto de los programas FP7 y H2020, innovadores proyectos de eficiencia energética y redes inteligentes en Smart Cities. A través de un clúster de proyectos, se ha contribuido a la construcción de un nuevo modelo energético centrado en el consumidor final y basado en energías renovables, eficiencia energética y redes eléctricas inteligentes. Este modelo se basa en un conjunto de soluciones y tecnologías que permiten aumentar la inteligencia, estabilidad y seguridad de una red eléctrica combinando un incremento en el uso de tecnologías de almacenamiento, una mayor participación de energías renovables en el mix eléctrico y la integración de infraestructura de recarga favoreciendo así, entre otras cosas, el despliegue a gran escala del vehículo eléctrico.

En concreto, este nuevo modelo energético integra mecanismos innovadores de gestión de la demanda que facilitan la participación activa, la protección y el empoderamiento de los consumidores y prosumidores europeos (tanto domésticos como industriales) a través de la generación flexible de renovables, el autoconsumo y el almacenamiento de energía.

De igual forma, promueve la smartificación de la red de distribución mediante tecnologías avanzadas de monitorización y control en tiempo real de datos variables de generación y consumo; y a través de la integración de Virtual Power Plants (VPP) o microgrids que permiten la agregación de diferentes unidades de energía distribuida y la gestión integrada y optimizada de las mismas.

Adicionalmente, integra sistemas de almacenamiento de energía renovable tales como baterías o acumuladores de calor; y servicios de electromovilidad y gestión de carga del vehículo eléctrico que ofrecen la posibilidad de usar la batería de los mismos como sistemas de almacenamiento o VPP.

Este artículo se centra en la descripción de cómo los diferentes actores del ecosistema energético pueden beneficiarse de la adopción de un enfoque holístico que permite una participación sistemática e integrada de todos los actores del sistema promoviendo al mismo tiempo sinergias entre los mismos.

Operadores de la red de distribución (Dsos)

En el marco del nuevo modelo energético, los DSOs y operadores de microgrids se benefician de herramientas avanzadas que permiten controlar, gestionar y monitorizar la red de distribución (considerando una creciente participación de renovables) y por tanto, mejorar la flexibilidad, estabilidad y seguridad de la misma. Como ejemplo, dentro del proyecto WiseGRID liderado por ETRA se desarrollará y demostrará un cuadro de mandos para la Gestión, Control y Mantenimiento de la red de distribución que proveerá a las DSOs de herramientas de supervisión, de ayuda a la toma de decisiones, de control y optimización de operaciones, permitiendo así una fácil integración de recursos de energía distribuidos y heterogéneos. Adicionalmente, el cuadro de mandos permitirá a las DSOs detectar fallos, auto protegerse y auto-reconfigurar la red de manera robusta para restablecer el suministro de manera automática, sin la intervención de una inteligencia central (auto-recuperación o self-healing).

Cuadro de mandos para la Gestión, Control y Mantenimiento de la red de distribución

El cuadro de mandos para la Gestión, Control y Mantenimiento de la red de distribución representa el punto de acceso para el operador de la red de distribución al conjunto de funcionalidades y servicios ofrecidos por el proyecto.

El componente principal de este sistema es una interfaz web que engloba todas las funcionalidades requeridas para una gestión y explotación de la red de distribución de forma eficiente, como por ejemplo: la gestión de contadores inteligentes, el control e información de cortes de suministro, información geoespacial y gestión de activos, gestor de mantenimiento y operarios, gestión de información de y al cliente, entre otros. Todos estos servicios se encuentran integrados en una única interfaz de usuario lo que permite al operador de red monitorizar y controlar la red de distribución desde distintas perspectivas.

Este cuadro de mandos se basa en estándares existentes para interactuar con elementos de la red de distribución y contadores inteligentes, por lo que es compatible con cualquier equipo o servicio que cumpla con estos estándares.

El nuevo y avanzado contador inteligente con funcionalidades extendidas (SLAM)

La Unión Europea tiene como objetivo sustituir antes del año 2020 al menos el 80% de los contadores actuales por contadores inteligentes, por lo tanto, se están convirtiendo en el equipamiento que más abundan en las redes de distribución. En el marco del proyecto NOBELGRID liderado por ETRA se presenta una nueva solución con funcionalidades extendidas basada en el concepto de contador inteligente desagregado – Unbundled Smart Meter (USM). La arquitectura del USM es una sistematización donde las funcionalidades del contador inteligente se agrupan adecuadamente en dos componentes integrados:

a)     Smart Metrology Meter (SMM), un contador inteligente con servicios de metrología y otras funcionalidades fijas, así como funcionalidades en tiempo real estricto, que actúa como una «caja negra» con datos almacenados que pueden ser eliminados solamente después de un tiempo requerido, y,

b)    Smart Meter eXtension (SMX), una extensión del contador inteligente que proporciona funcionalidades y servicios energéticos avanzados, proporcionando beneficios a todos los actores de la red, y principalmente al consumidor y prosumidor final.

Ciudadanos

Otra de las formas de crear redes más eficaces y sostenibles, es empoderar al prosumidor de manera que participe activamente en el mercado de la energía. Para ello, se ha creado una aplicación para que los usuarios finales de las ciudades, tanto domésticos como pequeños comercios, monitoricen y controlen su consumo y producción (prosumidores) en tiempo real, permitiéndoles participar activamente en el mercado eléctrico local de la Smart City (programas de respuesta a la demanda). De esta manera, el prosumidor podrá hacer uso de la energía cuando esta sea más limpia y barata.

Aplicación para la monitorización y gestión de uso de la energía para consumidores finales

Esta aplicación ofrece, tanto a consumidores como prosumidores domésticos e industriales, en tiempo real, la visualización de datos de energía y recomendaciones para mejorar su eficiencia energética, maximizar el uso de energías renovables y minimizar la factura eléctrica, según el perfil del usuario. La aplicación también ofrece la opción de compartir experiencias con otros consumidores para fomentar la cooperación ciudadana y promover la participación activa de estos usuarios a través de programas de respuesta la demanda, ya sea para beneficiarse de precios más económicos, contribuir a la estabilidad de la red o consumir energía más limpia.

Los consumidores podrán monitorizar, controlar y gestionar su consumo energético y la producción a través de distintas métricas e indicadores. Estas métricas e indicadores se basarán en mediciones en tiempo real derivadas de la información disponible en la red y en los contadores inteligentes. La información que se muestra incluye consumo, producción y almacenamiento propio en tiempo real, estado de dispositivos inteligentes de la casa, así como pronóstico de temperatura, mix de la energía, intensidad de CO2 en la red, tarifas de precios, etc.

En el marco del proyecto WiseGRID se desarrollarán funcionalidades extendidas de esta herramienta que permitirán a los consumidores finales convertirse en actores más activos en el mercado de la energía. Algunas de las funcionalidades ofrecidas por la herramienta son: alertas, tips e información de precios para reducir la factura eléctrica, control remoto de dispositivos inteligentes y sistemas de energía distribuidos desplegados en el hogar como paneles fotovoltaicos, baterías, puntos de carga de vehículo eléctrico, etc.

Más de 2.700 usuarios demostrarán las soluciones WiseGRID y NOBELGRID en 8 pilotos a gran escala durante al menos 15 meses involucrando más de 65 baterías, 50 bombas de calor, 180 vehículos eléctricos, 40 estaciones de recarga, 200 SLAMs y en total más de 70MWh de energías renovables incluyendo eólica, fotovoltaica e hidráulica.

Empresas de servicios de energía (ESEs)

El escenario ideal para una ESE es aquel en el que puede conseguir optimizar los servicios prestados mientras se cumplen los objetivos establecidos con los clientes. En el marco del proyecto europeo BESOS, liderado por ETRA, se desarrolló un sistema de soporte a la toma de decisiones (DSS) para ofrecer una gestión coordinada de las infraestructuras públicas en Smart Cities y al mismo tiempo ofrecer a los ciudadanos información que promueva la sostenibilidad y la eficiencia energética.

El uso de este tipo de soluciones permite al operador de una ESE a cargo de una infraestructura obtener un valor añadido a la hora de valorar su gestión del sistema y de tomar decisiones sobre sus activos. El análisis de los datos es fundamental a la hora de evaluar el estado de un sistema. Para este propósito es necesario por un lado el despliegue de sensores de lectura allá donde no existan, y por otro ser capaz de integrarse con los sistemas ya existentes para poder extraer información de los mismos.

Una vez disponibles los datos, son necesarias herramientas de alto nivel que sean capaces de analizar la información recibida y presentarla a la ESE de manera que le sea de ayuda en la toma de decisiones de su día a día. La agregación de estos datos, su análisis individual y en conjunto, la caracterización de situaciones que se repiten a lo largo del tiempo o la reducción de costes mediante algoritmos de optimización son algunos de los mecanismos que proporcionan al operador del sistema la información necesaria para decidir qué cambios debe realizar para mejorar el servicio.

Ciudades

Los municipios son los princípiales consumidores energía, la cual es imprescindible para prestar servicios de calidad a los ciudadanos (p.ej. alumbrado público). En este contexto, se han desarrollado herramientas que permiten a los ayuntamientos monitorizar y supervisar a los diferentes proveedores de servicios y ESEs que están trabajando con ellos, de modo que se garanticen unos determinados niveles de calidad. Estos niveles suelen quedar fijados en Service Level Agreements (SLA) acordados previamente con el proveedor de servicios y que pueden ser evaluados continuamente para comprobar su grado de cumplimiento.

El seguimiento de estos SLAs es clave para determinar la calidad de los servicios que se proveen a los ciudadanos, así como para detectar cuanto antes posibles desviaciones de los mismos. Cuando los objetivos establecidos son concretos y cuantificables, es deseable que la Smart City provea de mecanismos para poder evaluar con cifras su cumplimiento.

Las soluciones desarrolladas permiten el seguimiento a alto y bajo nivel de los acuerdos entre propietarios de la infraestructura (en este caso, las ciudades) y los proveedores de servicios, de modo que ambas partes dispongan de herramientas con las que hacer valer lo previamente acordado o, en caso contrario, presentar pruebas sobre la falta de cumplimiento.

Las soluciones del proyecto BESOS se demostraron entre 2013 y 2016 en dos ciudades piloto – Barcelona y Lisboa – con resultados muy satisfactorios. Cabe destacar la implicación de más de 150 usuarios, 56 edificios, 2 plantas de generación de energía eólica de entre 40 y 50 MW cada una; más de 150 puntos de recarga de vehículo eléctrico y, por último, los sistemas de alumbrado y tráfico de las ciudades.

Conclusiones

A través de todas las soluciones diseñadas, desarrolladas y demostradas en diferentes proyectos europeos de I+D+i promovidos por ETRA, se pretende promocionar e incentivar nuevos modelos de redes de distribución, que contribuyan a generar un mercado eléctrico más competitivo y eficiente, ayudando a la vez a resolver graves problemas sociales, como el aumento de la polución, la dependencia de los combustibles fósiles y la pobreza energética.

Además, los proyectos pretenden abrir nuevos mercados en el campo de las Smart Grids, fomentando y promoviendo la competitividad de la industria europea y produciendo un impacto positivo en los modelos de negocio e innovación de las empresas participantes, contribuyendo a la creación de puestos de trabajo, el acceso a nuevos servicios energéticos para los ciudadanos y las organizaciones, el ahorro de CO2, y el fomento de las energías renovables.

Se trata de un ecosistema integrado que, basado en un enfoque innovador para la gestión de las redes de distribución de energía, establece las piedras angulares de la futura Smart Grid.

Para más información sobre los desarrollos y pruebas de los proyectos, se pueden visitar las páginas web: WiseGRID, NOBELGRID y BESOS

Agradecimientos

Queremos ofrecer nuestros agradecimientos a todos los colaboradores de los proyectos WiseGRID, NOBELGRID y BESOS.

Referencias

• Entregable D4.1. Specification of the Unbundled Smart Meter (NOBELGRID, 2016).
• Entregable D9.1. G3M Framework functionalities specification and design (NOBELGRID, 2016).
• Entregable D11.1. EMA App functionalities specification and design (NOBELGRID, 2016).
• Description of work (Annex 1). WiseGRID 2016
• Entregable 5.1.2 DSS cockpit and Business Balanced Score Card v2 (BESOS, 2016)
• Entregable 6.2 Demonstration Activities (BESOS, 2016)