Netfficient: Eficiencia económica y energética para las Smart Communities en la actualidad a través de tecnologías integradas de multi almacenamiento

Comunicación presentada al I Congreso Ciudades Inteligentes:

Autores

• Francisco José Viejo Payán, R&D Project Manager, AYESA AT (Área de Smart Solutions)
• Martín Huerta Gómez de Merodio, Director de Smart Grids, AYESA AT (Área de Smart Solutions)

Resumen

NETFFICIENT es una solución que pone a prueba las tecnologías de almacenamiento de energía de última generación y ya maduras (TRL5-TRL6) para demostrar la eficiencia energética y económica que aportan estas tecnologías a las SmartCities, integrándolas en una red eléctrica real aprovechando sinergias entre ellas y con la generación distribuida, la red eléctrica inteligente y los ciudadanos. Se realiza demostración en entorno real de casos de uso como escenarios una amplia gama de aplicaciones y funcionalidades asociadas al almacenamiento eléctrico, definiendo los modelos de negocio viables y donde es conveniente financiación y realizando propuesta de cambios en las regulaciones europeas. El proyecto está llamado por la CE a ser una de las guías para la implantación de las tecnologías de almacenamiento a nivel europeo. Las actividades de difusión y aprovechamiento de resultados garantizarán la absorción por el mercado de las tecnologías de la unidad de almacenamiento.

Introducción

El proyecto se centra en la gestión inteligente de los almacenamientos de energía desde un enfoque holístico: desde un punto de vista técnico (generación, transporte, distribución y consumo), económico (casos de negocio, maximización de beneficios), social (el compromiso con los ciudadanos), y un punto de vista normativo (lanzando nuevas propuestas de regulaciones y políticas europeas sobre varios aspectos del almacenamiento). Su objetivo es desarrollar soluciones para ciudades pequeñas, grandes ciudades y para las áreas aisladas y poco conectadas, de una manera factible y económicamente viable. El proyecto pretende ser un referente a la hora de potenciar la implantación de las energías renovables y ayudar al desarrollo de economías de bajo carbono, ser reproducido por terceras partes y llegar a conclusiones acerca del apoyo que los sistemas de almacenamiento distribuidos deberían recibir por parte de la CE, para impulsar la economía de bajo carbono europea.

Se cree que uno de los principales grupos de interés necesarios para desarrollar soluciones integrales de almacenamiento de energía para smart-cities serán las empresas de servicios energéticos (en adelante ESCO, Energy Services Companies). Debido a las grandes inversiones requeridas y al amplio período de ROI, es necesario elaborar modelos de financiación viables y dar soporte a los diferentes «casos de uso «, simplificando la gestión tecnológica de modo que los diferentes grupos de interés puedan centrar sus esfuerzos en su propio negocio (análisis de energía, provisión de soluciones, adaptar sistemas a implementaciones concretas, instalaciones, etc.). Por tanto, el proyecto no se centra en proporcionar complejas soluciones de energía para las grandes comunidades, sino en la prestación de múltiples soluciones sencillas y comercialmente viables que sean vendidas por las empresas a sus clientes. Estas empresas trabajan en la instalación inicial y en el mantenimiento, empleando la financiación aportada por el cliente, así como usando la inversión proveniente de las ESCOs, produciendo así un ahorro para los clientes y recuperando la inversión y beneficios acordados a partir de los ahorros obtenidos.

Este proyecto está claramente enmarcado dentro de la política de energía y medio ambiente de la UE (el mercado interior, los años 2020 y 2050 como objetivos y las prioridades de infraestructura) y también contribuye de manera decidida al concepto europeo de smart-grid y energy-smart-cities en cuanto a bajos y medios voltajes. Para cada «caso de uso”, se demostrará cómo el uso de las tecnologías de almacenamiento, de forma aislada o como medio para impulsar las energías renovables, proporcionará una importante reducción de las emisiones de CO2.

Descripción de la solución

Contexto

El bienestar de los ciudadanos en Europa hoy en día, y cada vez más durante los próximos años, depende de un funcionamiento fiable, económico y eficiente de un gran número de redes de distribución interconectadas, que suministran energía eléctrica, calefacción y energía de refrigeración. La generación de energía eléctrica, la calefacción y la refrigeración están profundamente ligadas a las emisiones de CO2 que conducen al cambio climático. Esto debe ser tenido en cuenta no sólo por el bienestar de nuestros descendientes sino para su supervivencia. Recursos de energía renovables, tales como la energía eólica o solar, ofrecen una gran oportunidad a la hora de reducir las emisiones de CO2 y aumentar la eficiencia de la generación de energía eléctrica. La naturaleza fluctuante de la generación de energías renovables ha de ser abordada mediante el uso de nuevas y distribuidas tecnologías de almacenamiento. En este contexto, una gestión más eficiente de la red eléctrica, la generación de energía y el uso de la misma se plantean como una necesidad.

Descripción de NETFFICIENT

Este nuevo concepto de almacenamiento energy-smart-city se desarrollará en la isla alemana de Borkum, en el noroeste del país. En este contexto, la motivación del proyecto NETFFICIENT es implementar una smart-city real que facilite la integración de los elementos de casos de uso más comunes, en el ámbito del almacenamiento y la generación renovable. La siguiente figura ilustra los diferentes componentes del proyecto:

Los objetivos medibles, concretos y alcanzables por parte de este proyecto son:

• Objetivo 1: Desarrollar y probar, en un entorno real, casos de uso de sistemas de almacenamiento de energía, con una alta replicabilidad y con casos de negocio rentables para todas las partes interesadas.
• Objetivo 2: Desarrollar un Sistema Central de Monitorización de Energía que sea usado por las empresas de cara a gestionar la energía de los dispositivos de almacenamiento (Storage Devices, en adelante SD) de sus asociados.
• Objetivo 3: Fortalecer la gestión de la red de distribución por parte de los operadores de servicios de distribución (en adelante DSO, Distribution Services Operators), suministrando sistemas de control para integrar herramientas de gestión y de apoyo a las decisiones, y que permitan la integración de la generación renovable y sistemas de almacenamiento en red.
• Objetivo 4: Buscar diferentes estrategias de negocio que permitan una implantación más sencilla de las tecnologías de almacenamiento de energía en el mercado eléctrico.
• Objetivo 5: Promover soluciones de almacenamiento con tecnología de última generación.
• Objetivo 6: Formular propuestas tanto en el ámbito social como en el económico a los reguladores, a fin de reducir las barreras al despliegue del almacenamiento distribuido para los casos de uso definidos.
• Objetivo 7: Desarrollar el Análisis de Ciclo de Vida / Coste del Ciclo de Vida de los sistemas de almacenamiento utilizados en el proyecto.

La estrategia para alcanzar los objetivos esperados consiste en el desarrollo de casos de uso independientes analizando cuestiones técnicas, económicas y sociales, y reforzando cada actor de los casos de negocio. Se aplicarán las mejores técnicas para asegurar casos rentables y, por tanto, la repetibilidad. Cada caso de uso constará de tres actores: el consumidor o usuario avanzado (que será el propietario de los SDs), las ESCOs y los DSOs. Cada caso de uso de los sistemas de almacenamiento se desplegará en uno de estos dos modelos: «stand-alone-storage-owner» (sistema de almacenamiento autónomo), en el cual es el propietario quien adquiere y administra por sí mismo los sistemas de almacenamiento, y que estarán integrados con el DSO en la capa de control; o «ESCO-guided-storage-owner» (sistema controlado a través de una ESCO), en el que la ESCO orienta y ayuda al propietario del almacenamiento a que saque el mejor rendimiento de sus SDs y medios de generación distribuida.

En base a estas premisas, el proyecto se define como un banco de pruebas para que los casos de uso sean más fácilmente aplicables y replicables, y para que sean utilizados como una guía para los propietarios del almacenamiento y las ESCOs, de cara a mejorar sus casos de negocio y metodologías. Los casos de uso y negocio se utilizarán como pautas a seguir por cualquier ESCO europea o cualquier propietario de almacenamiento, a través de las tareas de difusión. Se realizarán nuevas investigaciones en diferentes campos tecnológicos para que sean aplicables en la red, desarrollando nuevos algoritmos de predicción y colaboración entre entidades. Las investigaciones mejorarán las tecnologías de control y almacenamiento, enfocadas a maximizar los beneficios de sus casos de negocio, y de esta manera maximizar el impacto del proyecto. En resumen, se pretende definir la cadena de valor en el almacenamiento de energía en los casos de uso más comunes, y dotar herramientas que creen negocio rentable para las partes interesadas:

• Propietarios de almacenamiento: Ciudadanos y entidades en general.
• Servicios públicos: los operadores de sistemas de distribución (DSOs).
• ESCOs.
• Los responsables políticos.

Para alcanzar todos estos objetivos, se ha planificado un año de pilotaje del concepto de energy-smart-city en un contexto real, y que abarque una serie de casos de uso con tecnología de alto nivel. Se han definido los paquetes de trabajo, las tareas y los responsables necesarios, todos ellos enfocados a tener el mayor impacto posible en el mercado europeo de la energía y el Análisis de Ciclo de Vida.

Metodología

En AYESA AT, se cree que la eficiencia y la eficacia que se necesita para conseguir un nivel óptimo de calidad en el trabajo y servicios ofrecidos, debería dedicarse a obtener una respuesta rápida, flexible y operativa a las demandas realizadas por los clientes y/o los mercados. Por tanto, se entiende que la confluencia de las metodologías más efectivas en este sentido permitirá alcanzar estos objetivos. Así, se ha adaptado a las necesidades específicas del proyecto la metodología ágil Scrum, además de las mejores prácticas en Gestión de Proyectos recomendadas por el PMI (Project Management Institute).

Las prácticas ágiles, cada vez más extendidas, son idóneas en proyectos en los que es necesaria la visualización de resultados a corto plazo, donde los requisitos pueden ser cambiantes y donde la innovación, la competitividad y la productividad son fundamentales. La integración continua o la estandarización del código mediante herramientas de automatización (aplicadas al software de testeo), son algunas de las buenas prácticas relacionadas con este enfoque ágil, y este proyecto se beneficiará del uso de ellas.

Por otro lado, el proyecto se dividirá, analizará y desarrollará usando la metodología de casos de uso aplicados. Todos los casos de uso serán implementados usando reglas de negocio reales en el distrito de Borkum. Se ha elegido este lugar debido a que una de sus características es que el DSO controla casi toda la red y también tiene influencia sobre la generación de energía, entre otras circunstancias útiles.

Por tanto, con el fin de evaluar la plataforma correctamente en un amplio rango de escenarios reales, se han definido los siguientes casos de uso: Neutralización de picos y colaboración en servicios secundarios del mercado; Hogares; Construcción; Alumbrado público; y Red integral de calefacción del distrito.

Resultados Esperados

Avance más allá del estado del arte

Los principales avances más allá del estado del arte propuestos por NETFFICIENT son:

• Desarrollo y validación de un enfoque general sobre la transformación lucrativa de una red de distribución eléctrica a un subsistema activo de energía, capaz de mejorar la eficiencia y proveer servicios secundarios al sistema de energía. Este enfoque incluirá SDs integrados. El papel fundamental en la gestión y comercialización de dichos sistemas será desempeñado por la ESCO.
• Implementación de una estrategia de Gestión Energética para la red de distribución eléctrica, adecuada para operar en el mercado eléctrico, y que permita la aplicación del concepto de Planta de Energía Virtual tanto en micro-grid como en smart-grid.
• Desarrollar nuevas soluciones tecnológicas que otorguen un rol importante dentro del mercado energético a los sistemas de almacenamiento, demostrando así el buen funcionamiento de las últimas tecnologías que no han sido testeadas aún en entornos reales: energía cinética/híbrida y almacenamiento en baterías (mejorando experiencias pasadas, como la referencia nº 1).

Impactos medioambientales y socioeconómicos

Reducción de CO2

Durante el período de pilotaje, se estima el siguiente ahorro en emisiones de CO2:

Reducción en el uso de combustibles fósiles

El proyecto mostrará cómo el almacenamiento local puede ser usado para reducir emisiones de carbono, impulsar el avance de la generación renovable y disminuir la dependencia de producción de combustible fósil en Borkum. Además, se analizará cómo este hecho podría ser replicado en otros lugares de Europa y cuantificar dicha reducción de emisiones de CO2, ya sea en el equivalente de barriles de petróleo o metros cúbicos de gas ahorrados.

Los esfuerzos dedicados a reducir las altas tasas de dependencia de gas y petróleo en Europa deberían ser intensificados, especialmente en aquellos estados miembros más dependientes. La combinación de fuentes de energía verde y tecnologías de almacenamiento contribuyen a mejorar la independencia energética de Europa, reduciendo las importaciones de recursos fósiles:

Mejores oportunidades de negocio para las ESCOs

Se proveerá un modelo de negocio claro y definido, con KPIs medibles, que apoyen a las ESCOs en su labor de implantar y/o explotar nuevos sistemas de almacenamiento.

Como resultado del proyecto, las ESCOs dispondrán de una herramienta para gestionar la energía, la economía y las preferencias de sus clientes de cara a dar un mejor servicio y obtener un mejor ROI.

Sólo en España, hay 1.006 (1.120M€) ESCOs registradas en el Ministerio de Industria, Energía y Turismo, y se estima que existen más de 15.000 ESCOs (15.000M€) en toda Europa. Se prevé que este mercado crezca un 10% con todas estas herramientas puestas a la venta, y que se reflejará en un incremento de 1.500M€ de nuevos negocios para las ESCOs europeas.

Recomendaciones de regulación

A través de recomendaciones a las autoridades reguladoras (objetivo 6), se darían los siguientes efectos:

• Sugerir cambios en el marco regulatorio que incentiven a los sistemas distribuidos de almacenamiento de energía a ofrecer servicios secundarios: esta acción tendrá impacto en los planes y proyectos definidos por la CE en el ámbito de los sistemas de almacenamiento en la smart-grid.
• Proponer nuevas reglas de negocio que permitan competir por la venta de servicios secundarios. Esta acción tendrá impacto en la regulación añadiendo competitividad al mercado.
• Proveer directivas a los fabricantes de vehículos eléctricos para que se considere al almacenamiento distribuido como una «segunda vida útil». Esta acción tendrá un gran impacto desde el final mismo del proyecto. En 2020, se prevé un total de vehículos de 7,2 millones (ref. nº 4). Esto supone que esos 7.2 millones de vehículos dispondrán de una batería VE de segunda vida con un uso residual de energía de unos 30KWh, y con una vida estimada de 4 años más de vida.

Conclusiones

El proyecto implementará y testeará tecnologías de almacenamiento local las cuales hayan alcanzado un nivel TRL 5-6 en una red eléctrica real, y desarrollará herramientas ICT para explotar las sinergias entre ellas, la smart-grid y los ciudadanos. La demostración en este entorno real vendrá determinada por cinco casos de uso, que cubran escenarios de bajo y medio voltaje y un amplio rango de aplicaciones y funcionalidades. Se definirán modelos de negocio viables para los casos, y se harán propuestas de cambios en regulaciones. Las actividades de difusión y explotación garantizarán que los resultados del proyecto sean absorbidos por el mercado de tecnologías de almacenamiento.

Los resultados esperados del proyecto son:

• Un sistema de gestión que sirva a las ESCOs para gestionar la energía de los SDs de sus socios.
• Sistemas de control que integren la gestión y herramientas de soporte a la decisión, que permitan la integración de generación renovable, previsión y sistemas de almacenamiento dentro de la smart-grid.
• Soluciones de almacenamiento innovadoras:
  • KESS (Sistema de Almacenamiento de Energía Cinética).
  • HESS (Sistema de Almacenamiento de Energía Híbrida – KESS + baterías de ion-Li).
  • Baterías de segunda vida de vehículos eléctricos.
  • Tecnologías híbridas caseras (Súper Condensador + baterías de ion-Li).
• Modelos de negocio que permitan una implantación más fácil de las tecnologías de almacenamiento de energía dentro del mercado eléctrico.
• Propuestas de cambios a las autoridades reguladoras en el ámbito social/económico, que permitan reducir las barreras al desarrollo del almacenamiento distribuido para los casos de uso definidos.
• Análisis del Ciclo de Vida / Coste del Ciclo de Vida de los sistemas de almacenamiento usados.

Este proyecto producirá los impactos esperados por la call de H2020 así como en materia medioambiental y socioeconómica, como por ejemplo reducción de las emisiones de carbono y disminución de la dependencia de combustibles fósiles de la UE. Más aún, el proyecto concede a las ESCOs un papel principal en el despliegue y explotación de las soluciones de almacenamiento. El consorcio prevé la creación de una ESCO con el fin de explotar los modelos de negocio testeados tras la finalización del proyecto. Finalmente, el consorcio debe cumplir los requisitos de esta acción innovadora, con miembros industriales sólidos, Pymes innovadoras, organizaciones investigadoras, expertos, DSOs y una smart-city resultante.

Referencias

• Información acerca de proyectos conectados en red de almacenamiento de energía, y las políticas estatales y federales del gobierno de EEUU. Fuente: Energy Storage Exchange
• Herramienta de conversión de gas a kWh. Fuente: Utilities Savings
• ESCOs estimadas en toda Europa. Fuente: Observatorio Inmobiliario
•  Impacto del Vehículo Eléctrico

Nota: Este artículo fue presentado y publicado en el Libro de Comunicaciones del I Congreso Ciudades Inteligentes.