Análisis y evaluación de las oportunidades de flexibilidad de la demanda en consumidores con capacidad de generación fotovoltaica: aplicación a sectores residenciales y comerciales

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. El desarrollo de las energías renovables para alcanzar un escenario sostenible en el horizonte 2030-2050 ha provocado un incremento de la variabilidad y rigidez del sistema eléctrico. Por ello, la integración de las renovables tiene que ir de la mano de un aumento de la flexibilidad del sistema, tanto en la generación como en la demanda. Las políticas de Respuesta de la Demanda se han orientado tradicionalmente a grandes consumidores, pero para que la integración se realice de forma eficiente, hay que incluir también al sector residencial, ya que explica aproximadamente el 27% del total de la energía consumida en la Unión Europea. El objetivo principal de esta tesis doctoral es el estudio y desarrollo de nuevas herramientas para la gestión de la generación y el consumo de los llamados prosumidores (consumidores que a la vez producen su propia energía). Los grupos objetivo son consumidores de los segmentos residencial y comercial, y algunos mercados de energía. Los sistemas de generación estudiados son de tipo fotovoltaico, y se ha considerado también la utilización de sistemas de almacenamiento tanto directos (baterías, supercondensadores) como indirectos (almacenamiento térmico). El trabajo engloba el análisis y la integración de las herramientas para la planificación, operación y evaluación de la Respuesta de la Demanda por parte de los consumidores y agregadores, así como su participación en los mercados de energía. Se han desarrollado modelos de cargas físicamente basados (PBLM), así como modelos de predicción del consumo y la generación renovable a corto plazo (STLF). Asimismo, se han obtenido las líneas base de consumo (CBL) que permiten la medida y verificación de las acciones de Respuesta de la Demanda, para su posterior evaluación y remuneración por parte del mercado y los operadores del sistema eléctrico. Por último, se han aplicado los modelos de Respuesta de la Demanda al sistema eléctrico ferroviario. Se ha evaluado la instalación de sistemas de almacenamiento para aprovechar el frenado regenerativo de los vehículos y la aplicación de políticas de Respuesta de la Demanda que mejoren la eficiencia energética de este sector. Los resultados se presentan en forma de 5 artículos científicos publicados en revistas indexadas. Todos ellos demuestran que la Respuesta de la Demanda puede mejorar la flexibilidad del sistema eléctrico y la eficiencia energética de los consumidores, obteniéndose beneficios tanto a nivel individual (usuarios) como colectivo (sistema eléctrico). La Respuesta de la Demanda puede jugar un papel clave en el desarrollo de los futuros sistemas y mercados de energía, pero para ello es necesario un marco legislativo estable, un aumento de las inversiones, una mayor implicación de todos los agentes involucrados y el apoyo de la tecnología. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The development of renewable energy sources to achieve a sustainable scenario in the 2030-2050 horizon has led to an increase in the variability and rigidity of the Electricity Systems. Therefore, the integration of renewables should be related to an increase in the flexibility of the system, both in generation and demand sides. Demand Response policies have traditionally been oriented towards large consumers, but the residential sector should also be included as it accounts for approximately 27% of the total energy consumed in the European Union. The main objective of this Ph.D. is the study and development of new tools for the management of the generation and consumption of the so-called prosumers (consumers who produce their own energy). The target groups are customers in the residential and commercial segments, and some "special" consumers who normally are not participating actively in energy markets. The generation systems studied are photovoltaic, and the use of both direct (batteries, supercapacitors) and indirect (thermal storage systems) has also been considered. The work includes the analysis and integration of tools for the planning, operation, and evaluation of Demand Response by consumers and aggregators, as well as their participation in energy markets. Physically-Based Load Models (PBLM) and Short-Term Load and Generation Forecasting models (STLF) have been developed. For the measurement and verification of Demand Response, Customer Baselines (CBL) have been obtained in order to evaluate and calculate the incentives to be paid by the Energy Markets and the System Operators. Finally, Demand Response models have been applied to the railway electricity system. The installation of energy storage systems to take advantage of the regenerative braking of vehicles and the application of Demand Response policies to hotel loads to improve energy efficiency and demand flexibility in this sector have been evaluated. The results are presented in 5 scientific papers published in indexed journals. All of them demonstrate that Demand Response can improve the flexibility of the electricity system and the energy efficiency of consumers, with benefits at both the individual (users) and collective (electricity system) level. Demand Response can play a key role in the development of future energy systems and markets, but this requires a stable legislative framework, increased investments, greater involvement of all stakeholders, and technology support.