En este post desarrollaremos cómo la flexibilidad que aportan elementos como el vehículo eléctrico, las bombas de calor, los sistemas de almacenamiento, etc., pueden dar valor añadido a diferentes agentes del sistema eléctrico
Revisaremos qué servicios puede ofrecer la agregación de flexibilidad a los distintos agentes que intervienen en el sistema. Algunos de estos servicios son compatibles entre sí y, por tanto, la agregación de flexibilidad podría ofrecer dos o más servicios compatibles simultáneamente a más de un agente. En otros casos, los servicios ofrecidos podrían ser incompatibles y la regulación local, el proveedor de agregación o el mercado tendrán que elegir. En los párrafos siguientes se explicarán los productos que la agregación de flexibilidad puede ofrecer a los distintos agentes del sistema y el valor añadido para cada cliente concreto.
Valor de la flexibilidad para los gestores de redes de distribución
El grado en que las empresas de distribución de electricidad pueden controlar lo que ocurre en sus redes es aceptable en el nivel de alta y media tensión, pero realmente bajo o inexistente en muchos casos en las redes de baja tensión. En algunas circunstancias, los centros de transformación de potencia que conectan la red de baja tensión con la de media tensión disponen de cambiadores de tomas que les permiten regular en cierta medida la tensión de salida del transformador en función de la carga de las líneas de baja tensión a las que dan servicio. Sin embargo, el número de operaciones que pueden realizar este tipo de dispositivos es muy limitado ya que, en la mayoría de los casos, deben realizarse manualmente y, una vez que se cambia una toma, ésta permanece en esa posición durante un largo periodo de tiempo, por lo que este mecanismo no es aceptable en un contexto en el que la dinámica de variación de la carga provoca rápidas fluctuaciones en el nivel de tensión. Algo parecido podría decirse del uso de baterías de condensadores que inyectan potencia reactiva en el sistema elevando su tensión. Por un lado su uso no está muy extendido y sus mecanismos de control no permiten una regulación rápida y continua de la potencia reactiva inyectada.
Otra cuestión a tener en cuenta es la posible sobrecarga de las líneas y del transformador de potencia. Hay que tener en cuenta que en muchos casos la red de distribución de baja tensión en entornos urbanos tiene una topología muy compleja que permite ser reconfigurada, distribuyendo así la carga de unos centros de transformación de potencia a otros, es decir, una determinada línea puede ser alimentada (no simultáneamente) desde dos o más centros de transformación de potencia, lo que permite resolver algunas congestiones. Sin embargo, de nuevo, en la mayoría de los casos, esta reconfiguración es manual y una vez realizada tiende a permanecer estática durante meses o años, por lo que esta técnica tampoco responde a los requerimientos de control dinámico necesarios para gestionar recursos distribuidos como vehículos eléctricos, paneles solares, baterías... con alta variabilidad.
En este sentido, hay que decir que los recursos distribuidos no sólo aportan flexibilidad en el sentido de que pueden variar su potencia o desplazar su consumo en el tiempo, sino que una característica común es que se conectan a la red a través de convertidores cuyo catálogo de funciones es muy amplio. Tanto los vehículos eléctricos de carga simple o bidireccional, como las bombas de calor, los sistemas de acumulación, los sistemas fotovoltaicos y otros recursos se conectan a la red a través de convertidores que permiten una variación muy rápida de las condiciones de trabajo. Normativas como la propuesta por el IEEE en su Norma 1547 sobre los requisitos de los convertidores para la interconexión de recursos distribuidos a la red [1], o los avances realizados por el grupo de trabajo WG17 del comité técnico TC57 de la IEC para adaptar la norma IEC 61850 sobre sistemas para la automatización de las compañías eléctricas ya incluyen este tipo de funcionalidades para los convertidores inteligentes [2]. Una descripción detallada de las funcionalidades mencionadas va más allá del alcance de este documento y puede encontrarse en la literatura en documentos como el propuesto por el (Electric Power Research Institute) EPRI en su informe sobre "Common Functions for Smart Inverters" [3]. En resumen, podríamos decir que las funcionalidades descritas son las tecnologías habilitadoras para la implementación de todo el conjunto de productos y servicios que los recursos flexibles pueden ofrecer a las distribuidoras y también al resto de agentes del sistema. De esta forma el valor que la agregación de flexibilidad puede ofrecer a la operación de un sistema de distribución son los siguientes:
- Gestión de la congestión: En el caso de que los recursos agregados se concentren en una zona geográfica de distribución concreta, la agregación de flexibilidad podría coordinar los recursos de forma que se garantice un punto de operación del distribuidor por debajo de la sobrecarga. Un ejemplo sería la carga coordinada de vehículos eléctricos, que evitaría los picos de carga y reduciría así la necesidad de inversiones en mantenimiento y mejora de la red por parte del distribuidor. Normalmente, el pico de demanda en una red de baja tensión, dependiendo del perfil del consumidor, puede producirse al mediodía o por la noche. El distribuidor debe disponer de la infraestructura necesaria para hacer frente a estos picos de carga, que normalmente duran muy poco tiempo, y esto supone operar la mayor parte del tiempo con una infraestructura sobredimensionada. La agregación de la flexibilidad permitiría resolver la congestión de las infraestructuras mediante la coordinación de la flexibilidad y contribuiría así a aumentar la calidad del suministro, al tiempo que permitiría a las empresas distribuidoras ahorrar en inversiones en infraestructuras.
- Regulación de la tensión: Como se ha mencionado anteriormente, los mecanismos de regulación de tensión de los que disponen actualmente las distribuidoras son muy escasos y tienen una dinámica lenta en el mejor de los casos. En este caso, cabe mencionar que los dispositivos distribuidos vuelven a disponer de un activo infrautilizado que permite regular la tensión, que es el convertidor presente en los sistemas de generación solar, en los sistemas de acumulación, en algunos sistemas de recarga de vehículos eléctricos, etc. Los convertidores de conexión a red utilizan la corriente nominal durante periodos muy cortos de tiempo, en el caso de los generadores solares, por ejemplo, como mucho utilizarán esa corriente máxima para inyectar potencia activa en la hora de máxima radiación de un día soleado, el resto del tiempo estarán funcionando por debajo de su capacidad nominal. En este caso, esta capacidad puede utilizarse para inyectar potencia reactiva "gratuitamente" para el propietario del activo, de forma que se ejerza un control local de la tensión en la red de distribución. Cabe señalar que se ha puesto el ejemplo del convertidor solar porque en caso de un pico de demanda en un día nublado o por la noche que provoque grandes caídas de tensión, podría utilizarse toda la capacidad de los convertidores solares para inyectar reactiva y elevar la tensión de la red. Además, en el caso de las redes de distribución, dada la elevada relación R/X (resistencia/reactancia), también existe una alta correlación entre el consumo/inyección de potencia activa con el nivel de tensión, por lo que también podría implementarse un control de tipo Volt-Watt en los convertidores. Este control evitaría el aumento o disminución excesiva de la tensión por sobreinyección o sobreconsumo de recursos distribuidos y en este caso, este tipo de control podría y debería instalarse en sistemas de recarga de vehículos, sistemas V2G, bombas de calor, etc.
En este caso hay que tener en cuenta que en algunos casos la agregación de flexibilidad puede no ser compatible con los servicios de gestión de la congestión prestados al distribuidor, es decir, el BRP puede demandar un aumento de consumo al agregador pero este aumento de consumo es incompatible con evitar la congestión en una determinada zona de distribución. En estos casos, deben existir mecanismos para priorizar las órdenes de aumento o disminución de potencia de un agregador cuando ofrece productos simultáneamente a BRPs y distribuidores [4].
Valor de la flexibilidad para el equilibrio
Según la naturaleza de la flexibilidad, los servicios que la agregación de flexibilidad puede proporcionar a los proveedores de servicios de compensación (BSP) son claros:
- Control primario: para este modelo, la agregación de flexibilidad podría configurar los recursos distribuidos para responder de forma muy rápida y automática a los cambios de frecuencia de la red. Esto no plantea ninguna dificultad técnica, ya que los convertidores utilizados para interconectar el recurso distribuido con la red disponen de sistemas PLL (Phase Locked Loop) que les permiten sincronizarse con la red y, por tanto, estimar las variaciones de frecuencia. En el caso de los vehículos eléctricos, en caso de detectar una caída de la frecuencia de la red, el cargador podría cortar automáticamente la carga y ayudar así a restablecer la frecuencia y sostener el sistema. Si los vehículos también estuvieran equipados con tecnología V2G, también podrían reaccionar ante una caída de la frecuencia inyectando energía. Hay que tener en cuenta que la energía gestionada en la regulación primaria es relativamente pequeña porque su duración no supera unos segundos, por lo que los tiempos de carga de los vehículos en el ejemplo descrito no se verían afectados.
- Control secundario: la señal de activación de la flexibilidad se generaría automáticamente en un sistema de control central que impondría la activación del aumento o disminución de potencia por zonas. En este caso, la potencia a aumentar o disminuir también debería mantenerse durante cortos periodos de tiempo determinados por la duración de los periodos de liquidación de desbalances (15 minutos), de forma que la activación de este servicio no supondría, en principio, una pérdida relevante de confort para los proveedores de flexibilidad en la gran mayoría de los casos. En otras palabras, el mero hecho de retrasar 15 minutos el encendido o apagado de una bomba de calor o la carga de un vehículo eléctrico no tendría prácticamente ningún impacto sobre el usuario final.
- Regulación terciaria: El modelo de negocio de proporcionar flexibilidad para participar en la regulación terciaria es muy similar al descrito en para la regulación secundaria pero en este caso el tiempo de respuesta es mayor y la potencia a subir o bajar debe mantenerse en el tiempo durante un periodo más largo. El que gestiona grandes cantidades de flexibilidad podría escalonar órdenes de corta duración de subida/bajada de potencia a los diferentes dispositivos que gestiona, haciendo que la acción dure globalmente las dos horas requeridas pero sin causar pérdidas de confort a los propietarios finales de la flexibilidad.
En el caso de los servicios prestados para el equilibrado, puede haber incompatibilidades con los servicios prestados a los gestores de redes de distribución en caso de que los servicios se ofrezcan simultáneamente a ambos agentes....
Productos específicos para prosumidores o consumidores activos
El prosumidor es el protagonista y proveedor último de la flexibilidad.
Aparte de los beneficios que los prosumidores puedan tener por la prestación de los servicios antes mencionados, la gestión de la flexibilidad puede beneficiar directamente a los prosumidores. Estos servicios son los siguientes [4; 5]:
- Optimización del tiempo de uso: Las tarifas que los minoristas ofrecen a sus clientes tienen, en algunas ocasiones, precios variables en los distintos periodos del día y, en algunos casos, estos precios pueden incluso variar dinámicamente en tiempo real. La flexibilidad puede aprovecharse para conocer las capacidades y hábitos del cliente para desplazar la mayor carga posible de los periodos de precios altos a los de precios bajos y hacer así que el consumidor obtenga el máximo beneficio de su flexibilidad reduciendo su coste energético.
- Control de la potencia máxima: Un término muy importante en la mayoría de las tarifas eléctricas que ofrecen las comercializadoras es el llamado término de potencia o la tarifa de capacidad que representa el coste de la disponibilidad de En otras palabras, el usuario pagará más cuanto mayor sea la potencia máxima que pueda consumir. En muchos casos, el término de potencia representa una parte muy importante de la tarifa y el usuario sólo alcanza esta potencia en situaciones concretas, es decir, cargando el vehículo coincidiendo con un pico de consumo en el hogar. Supongamos que un usuario dispone de un generador fotovoltaico, un sistema de acumulación y un vehículo eléctrico. Supongamos también que el excedente de energía generado por el panel fotovoltaico durante el día se utiliza para cargar la batería y que ésta empieza a descargarse a las 19.00 horas porque el consumo eléctrico del hogar empieza a aumentar. A las 22 horas, el vehículo eléctrico comienza a cargarse pero la batería ya está descargada por lo que toda la potencia del vehículo más la de la vivienda tiene que obtenerse de la red, lo que supone un pico elevado e implica la necesidad de aumentar el término de potencia de la tarifa y con ello el coste total. Gestionar esta flexibilidad permitiría cargar la batería durante el día pero no empezar a descargarla a las 19 horas sino esperar a que el vehículo demandara potencia a las 22 horas y descargar la batería contra el vehículo, de esta forma el impacto del vehículo sería menor y el usuario podría reducir el término de potencia de la tarifa. Este es sólo uno de los innumerables ejemplos que se pueden dar.
- Autoequilibrado: Similar al producto anterior y disponible para aquellos prosumidores que dispongan de una capacidad flexible significativa, las técnicas de autoequilibrio permitirían gestionar todos los recursos flexibles del prosumidor de forma integrada y óptima, teniendo en cuenta los precios de compra y venta de energía, las capacidades y los hábitos de consumo.
- Aislamiento controlado: En el caso de redes débiles con problemas de calidad eléctrica, como microcortes o problemas de subtensión o sobretensión, la agregación de flexibilidad podría aislar intencionadamente al consumidor de la red y hacerlo autosuficiente durante un cierto periodo de tiempo.
[1] "IEEE Draft Standard Conformance Test Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Energy Resources with Electric Power Systems and Associated Interfaces", IEEE P1547.1/D9.8, diciembre de 2019, pp. 1-283, 2019.
[2] T. C. 57 IEC, "IEC 61850: Communication networks and systems for power utility automation," International Electrotechnical Commission Std, vol. 53, p. 54, 2010.
[3] Common Functions for Smart Inverters: 4th Edition, EPRI, Palo Alto, CA, 2016, 3002008217.
[4] P. Olivella-Rosell, P. Lloret-Gallego, Munné-Collado, R. Villafafila-Robles, A. Sumper, S. Ottessen, J. Rajasekharan, y B. Bremdal, "Local Flexibility Market Design for Aggregators Providing Multiple Flexibility Services at Distribution Network Level", Energies, vol. 11, p. 882, 2018.
