Metodología para la optimización del beneficio de la respuesta de la demanda en consumidores industriales: caracterización por procesos y aplicación

Abstract

[ES] En la actualidad, existe una creciente necesidad de cambiar el modelo energético global basado en combustibles fósiles por un modelo cien por cien renovable, proceso conocido como "transición energética". Sin embargo, la mayoría de los recursos de generación renovables no son gestionables y presentan una fuerte variabilidad en su producción de energía difícilmente predecible, lo que requiere de un sistema eléctrico más flexible para poder operarse de forma segura. Por otro lado, las tecnologías de la información y la comunicación han evolucionado rápidamente como resultado del proceso de digitalización y de los continuos desarrollos en este campo, permitiendo a sectores como el eléctrico evolucionar hacia nuevos modelos más avanzados como las "redes inteligentes". Todo esto hace que la respuesta de la demanda (capacidad de modificar la forma de consumir energía en función de una señal externa) pueda ofrecerse como un recurso valioso a los operadores del sistema eléctrico, permitiendo a los consumidores más activos reducir su coste energético, lo que aumenta su competitividad y ayuda a la transición energética. La presente tesis tiene como objetivo general el desarrollo de una metodología y de las herramientas de apoyo necesarias que permitan fundamentalmente plantear soluciones destinadas a la resolución de las barreras más importantes en relación con la participación de los recursos flexibles en la operación del sistema eléctrico. Asimismo, permiten determinar la estrategia óptima de participación de grandes y medianos consumidores en productos y mercados en los que los recursos flexibles sean económicamente competitivos y técnicamente fiables. Este objetivo se ha abordado mediante el cumplimiento de cuatro objetivos específicos, que se han traducido en la realización de un conjunto de modelos, metodologías y herramientas que dan cumplimiento a cada uno de ellos. En este sentido, la tesis se ha dividido en cuatro desarrollos interrelacionados a partir de sus resultados. En primer lugar, se ha propuesto una novedosa arquitectura conceptual del sistema eléctrico para integrar los futuros mercados de electricidad, destinada a establecer un marco de referencia más adecuado para la explotación de los recursos energéticos distribuidos y de demanda. En segundo lugar, se ha elaborado una metodología para la estandarización y validación de los recursos flexibles que pueden ofrecer los consumidores, y que podría servir como base para la creación de un proceso de certificación de productos de demanda. En tercer lugar, se ha desarrollado una primera herramienta de planificación a medio plazo que, partiendo de la caracterización y evaluación técnico-económica de los recursos flexibles obtenida con la metodología anterior, permite ayudar a los propios consumidores a evaluar la rentabilidad asociada a las diferentes estrategias de participación en un mercado de operación específico utilizando sus procesos de consumo flexibles. Por último, se ha llevado a cabo una segunda herramienta destinada a optimizar la programación de la operación para el día siguiente de los recursos de demanda de un determinado consumidor participando en un mercado previamente seleccionado a partir de los resultados de la herramienta anterior y, por tanto, ofreciéndole en definitiva el apoyo técnico y las herramientas necesarias para maximizar el beneficio asociado a dicha participación. Las metodologías y herramientas desarrolladas han sido validadas mediante su aplicación a un caso de estudio compuesto por tres consumidores industriales pertenecientes a segmentos con una elevada replicabilidad en Europa (industria papelera, industria cárnica y centro logístico de producto refrigerado). Los resultados de la tesis permiten afirmar que se ha dado un paso relevante dentro de la investigación en este campo para ayudar a la implantación de sistemas eléctricos sostenibles mediante una participación

[CA] En l'actualitat, existeix una creixent necessitat de canviar el model energètic global basat en combustibles fòssils per un model cent per cent renovable, procés conegut com a transició energètica. Per a dur-ho a terme, és important tindre en compte que la majoria dels recursos de generació renovables no són gestionables i presenten una forta variabilitat en la seua producció d'energia difícilment predictible, la qual cosa fa necessari que el sistema elèctric haja de ser més flexible per a poder operar-se de manera segura. D'altra banda, les tecnologies de la informació i la comunicació han evolucionat ràpidament a conseqüència del procés de digitalització i dels continus desenvolupaments en aquest camp, la qual cosa ha permés a sectors com l'elèctric evolucionar cap a nous models més avançats com les xarxes intel·ligents. Tots aquests canvis fan que la resposta de la demanda (capacitat de modificar la manera de consumir energia en funció d'un senyal extern) puga oferir-se com un recurs valuós als operadors del sistema elèctric, permetent als consumidors més actius tindre una oportunitat per a reduir el seu cost energètic, podent ser més competitius i ajudar en la transició energètica. La present tesi doctoral té com a objectiu general el desenvolupament d'una metodologia i de les ferramentes de suport necessàries que permet fonamentalment plantejar solucions destinades a la resolució de les barreres més importants en relació amb la participació dels recursos flexibles en l'operació del sistema elèctric. Addicionalment, permeten determinar l'estratègia òptima de participació de grans i mitjans consumidors en productes i mercats en els quals els recursos flexibles siguen econòmicament competitius i tècnicament fiables. Aquest objectiu general s'ha abordat mitjançant el compliment de quatre objectius específics, que s'han traduït en la realització d'un conjunt de models, metodologies i ferramentes que donen compliment a cadascun d'ells. En aquest sentit, la tesi s'ha dividit en quatre desenvolupaments interrelacionats a partir dels seus resultats. En primer lloc, s'ha proposat una nova arquitectura conceptual del sistema elèctric per a integrar els futurs mercats d'electricitat, destinada a establir un marc de referència més adequat per a l'explotació dels recursos energètics distribuïts i de demanda. En segon lloc, s'ha elaborat una metodologia per a l'estandardització i validació dels recursos flexibles que poden oferir els consumidors, i que podria servir com a base per a la creació d'un procés de certificació de productes de demanda. En tercer lloc, s'ha desenvolupat una primera ferramenta de planificació a mitjà termini que, partint de la caracterització i avaluació tecnicoeconòmica dels recursos flexibles obtinguda amb la metodologia anterior, permet ajudar als mateixos consumidors a avaluar la rendibilitat associada a les diferents estratègies de participació en un mercat d'operació específic utilitzant els seus processos de consum flexibles. Finalment, s'ha dut a terme una segona ferramenta destinada a optimitzar la programació de l'operació per a l'endemà dels recursos de demanda d'un determinat consumidor participant en un mercat prèviament seleccionat a partir dels resultats de la ferramenta anterior i, per tant, oferint-li en definitiva el suport tècnic i les ferramentes necessàries per a maximitzar el benefici associat a aquesta participació. Les metodologies i ferramentes desenvolupades han sigut validades mitjançant la seua aplicació a un cas d'estudi compost per tres consumidors industrials que pertanyen a segments amb una elevada replicabilitat a Europa (indústria paperera, indústria del sector carni i centre logístic de producte refrigerat). Els resultats de la tesi permeten afirmar que s'ha realitzat un pas rellevant dins de la investigació en aquest camp per tal d'ajudar a la implantació de sistemes d'energia elèctrica sosteni

[EN] The ever-increasing need for electricity in our global and advanced society, along with the requirements to preserve the environment, have forced a fast growth of the use of primary renewable sources to produce it. The process of replacing the current fossil primary sources with renewable ones to produce electricity is known as the "Energy Transition". This transition is conditioned for the highly volatile, intermittent, and unpredictable nature of renewable energy sources. In this sense, two options exist to ensure the security of supply in power systems with a high share of renewable generation: either very robust, redundant, and expensive electricity systems with overcapacity or an electricity system with new and enhanced flexibility resources. Fortunately, relevant and advanced parallel developments in the technology, mainly in the control, information and communication fields have allowed the digitalization of the electricity supply systems towards the "smart grid" paradigm. One of the pillars of smart grids is the opportunity that arises for energy consumers to reduce the cost of their energy bill by modifying the electricity consumption. According to external inputs (e.g. prices), consumers can provide to energy markets and system operators competitive "Demand Response Resources" (DRR) that will significantly enhance the required system flexibility to facilitate the transition to a decarbonized system. The thesis's main objective is to develop a new methodology as well as the necessary associated models and tools to overrun the main barriers that prevent the participation of large and medium electricity consumers in the electricity supply activities. Additionally, these tools allow determining the optimal strategy for the participation of large and medium electricity consumers in products and markets where flexible resources can be economically competitive and technically reliable. Four complimentary and correlated sub-objectives have been fulfilled to address the main objective. First, the thesis proposes an original conceptual architecture for future Smart-Markets in order to establish a more suitable framework for DRR trading and implementation. Second, the research aims to solve the need to have "firm" DRR in the way that DRR can be considered reliable resources. This has been dealt with in the second sub-objective where a new methodology to standardize and validate the DRR offered by the customers has been developed and justified. This methodology can be used to regulate a "certification" process for DRR. The two final sub-objectives are related to provide the customer with valuable knowledge and tools to make feasible the DRR offers generation in the long and short term. The third sub-objective is related to the need for the DRR provider to plan in the medium term (a few years ahead) the strategy for the demand participation and assess the necessary investments. A planning tool has been developed to meet that objective. Finally, the last sub-objective deals with the need of the customer to program the operation of their demand resources in the short term (one day ahead at most) by optimizing all the available resources and prices. Consequently, complementary to medium-term planning tool, a day-ahead optimization tool has been created for that purpose. All methodologies and tools researched in this Ph.D. have been validated through its application to three different industrial environments and customers in sectors with high replicability all over Europe: a paper factory, a meat processing factory, and logistic centres with high freezing and refrigerating needs. The results and justified conclusions allow stating that a relevant step in the research of the implementation of more sustainable energy systems has been produced by enhancing more committed and dynamic participation of the demand side resources.