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AGENTE INTEGRADOR DE RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS EN EL NIVEL DE DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO COLOMBIANO LUIS ALEJANDRO ARIAS BARRAGÁN UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE DOCTORADO EN INGENIERÍA ÉNFASIS EN CIENCIA DE LA INFORMACIÓN Y EL CONOCIMIENTO BOGOTÁ, D.C. 2019 2 AGENTE INTEGRADOR DE RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS EN EL NIVEL DE DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO COLOMBIANO Tesis de grado para optar por el título de Doctor en Ingeniería Presentada por: M.Sc LUIS ALEJANDRO ARIAS BARRAGÁN Director: PhD EDWIN RIVAS TRUJILLO Co-Director: PhD FRANCISCO SANTAMARÍA PIEDRAHITA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE DOCTORADO EN INGENIERÍA ÉNFASIS EN CIENCIA DE LA INFORMACIÓN Y EL CONOCIMIENTO BOGOTÁ, D.C. 2019 Comisión de Doctorado Esta tesis, titulada “AGENTE INTEGRADOR DE RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS EN EL NIVEL DE DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO COLOMBIANO”, escrita por Luis Alejandro Arias Barragán, ha sido aprobada en cuanto a estilo y contenido intelectual. Hemos leído esta tesis y la aprobamos, ______________________________________ Doctor Jurado 1 ______________________________________ Doctor Jurado 2 ______________________________________ Doctor Jurado 3 _____________________________________ Doctor EDWIN RIVAS TRUJILLO director ______________________________________ Doctor FRANCISCO SANTAMARIA Codirector Fecha de la defensa: 10 de junio de 2019 4 ©Derechos de Autor 2019 de Luis Alejandro Arias Barragán Todos los derechos reservados. Dedicatoria Gracias a Dios por fortalecerme cada día. A mis padres, Alcira y José Nubier por la vida. A mi esposa Eusebia, mis hijos María Alejandra y Juan David, por su compañía, comprensión, amor y apoyo permanentes en este tiempo de formación donde el aprendizaje, la búsqueda incesante de soluciones y la voluntad férrea por perseverar en las metas fueron y seguirán siendo el principal sentido de nuestras vidas A mis hermanos: Viviana y Elver quienes me dieron su aliento y oración en este proceso de formación. 6 Agradecimientos A Dios por la oportunidad de realizar mis sueños y la bendición de seguir soñando aún más. A los Doctores, Edwin Rivas y Francisco Santamaría, directores de la tesis por su paciencia y sus sabias enseñanzas durante todo mi proceso doctoral. A todos los miembros que hacen parte del Doctorado, quienes me ayudaron en lo académico y administrativo. A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, institución que me apoyo en todos los aspectos. A todos mis estudiantes y a todos aquellos otros que contribuyeron de alguna manera con la realización de este proyecto. 7 Lista de siglas y abreviaturas AI Agente integrador DDV Demanda desconectable voluntaria DER Recursos energéticos distribuidos CPP Precio pico crítico GD Generación distribuida IP Internet protocol MEM Mercado eléctrico mayorista OpenADR Open Automated Demand Response Communication Standards OR Operador de red RD Respuesta de la demanda PG Potencia Gestionable SI Sistema Interconectado SPV Sistema Fotovoltaico UML Lenguaje de Modelado Unificado ASIC Administrador del sistema de intercambios comerciales CAC Comité asesor de comercialización CAPT Comité asesor de planeamiento de la transmisión CND Centro Nacional de Despacho CNO Consejo Nacional de Operación CREG Comisión de Regulación de Energía y Gas SIC Superintendencia de Industria y Comercio SSPD Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios UPME Unidad de Planeamiento Minero Energético 8 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION ............................................................................ 19 1.1 Antecedentes .................................................................................. 21 1.2. Objetivos ....................................................................................... 23 1.3. Pregunta e hipótesis de la investigación ....................................... 23 1.4. Metodología y organización de la tesis ......................................... 24 2. MARCO DE REFERENCIA ............................................................ 27 2.1. Integración de recursos energéticos distribuidos .......................... 27 2.1.1. Aspectos técnicos en la Integración de DER ......................... 28 2.1.2. Estrategias de Integración de DER ........................................ 30 2.1.3. Incentivos a los DER.............................................................. 34 2.2. Respuesta de la Demanda ............................................................. 37 2.3. Venta de excedentes de energía a partir de GD ............................ 43 3. AGENTE INTEGRADOR DE RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS ...................................................................................... 49 3.1. Parámetros técnicos y económicos ............................................... 49 3.1.1 Parámetro técnico ............................................................... 49 3.1.2 Parámetros económicos...................................................... 51 3.2. Módulos funcionales del AI de DER ............................................ 54 3.3. Modelamiento UML de los módulos funcionales del agente integrador .............................................................................. 60 3.3.1 Diagramas de Casos de Uso para el AI .............................. 61 3.3.2. Diagramas de Clases para el agente Integrador ..................... 64 3.3.3. Diagramas de secuencia para la operación del agente integrador 66 3.4. Lineamientos para el contrato de gestión de DER entre los usuarios y el agente integrador ............................................................ 72 4. PLATAFORMA DE ACCESO EN EL ESPACIO DE COMPUTACIÓN EN LA NUBE ............................................................ 77 4.1 Roles de los actores de la plataforma ............................................. 77 4.2 La operación de la plataforma para el manejo de las transacciones económicas y técnicas ........................................................... 83 5. TRANSACCIONES COMERCIALES DE LOS SERVICIOS DE DESCONEXIÒN DE POTENCIA A PARTIR DE RD Y DE EXCEDENTES DE ENERGÍA CON GD ............................................... 91 5.1. Transacción comercial del servicio de desconexión de potencia gestionable a partir de RD ..................................................... 91 9 5.1.1. Formulación matemática del problema de optimización para la comercialización del servicio de desconexión ..................................... 94 5.1.2. Formas de participación de usuarios en el servicio de desconexión de potencia gestionable a partir de RD ........................... 95 5.2. Transacciones comerciales con los excedentes de energía entre el AI y el OR ................................................................................. 100 6. CASOS DE ESTUDIO .................................................................... 103 6.1. Evaluación de costo del servicio de desconexión de potencia a partir de RD para diferentes formas de participación de los usuarios. ............................................................................................. 103 6.2. Inclusión de GD en el programa de RD por incentivos ....... 112 6.3. Venta de excedentes en usuario autogenerador con potencia de 0.1- 1 MW ...................................................................................122 7. CONCLUSIONES GENERALES .................................................. 130 8. APORTES ....................................................................................... 133 9. RECOMENDACIONES Y FUTUROS TRABAJOS ..................... 135 10. REFERENCIAS .............................................................................. 137 11. ANEXOS ......................................................................................... 152 11.1. ANEXO 1 .................................................................................. 152 11.2. ANEXO 2 .................................................................................. 155 11.3. ANEXO 3 .................................................................................. 161 10 Lista de tablas Tabla 2.1 Cuadro comparativo de principales estrategias de integración de recursos energéticos distribuídos ............................................................. 33 Tabla 2.2 Mecanismos para incentivar la promoción de recursos energéticos distribuidos............................................................................ 35 Tabla 3.1 Parámetros técnico y económico que el agente integrador tiene en cuenta durante su operación ................................................................ 54 Tabla 4.1. Lista de requerimientos principales para la plataforma .......... 81 Tabla 5.1. Forma de la matriz de asignaciones de participación de los usuarios en el servicio de desconexión a partir de respuesta a la demanda .................................................................................................................. 96 Tabla 5.3 Formas de venta de excedentes de energía de acuerdo con la legislación colombiana vigente en 2018 ................................................ 100 Tabla 5.4. Propuestas para la venta de excedentes de energía a partir de generación distribuida ............................................................................ 102 Tabla 6.1. Intervalos de capacidad del agente integrador para pruebas . 104 Tabla 6.2 Costos fijos, potencia instalada y potencia gestionable por usuarios .................................................................................................. 105 Tabla 6.3. Costos variables, 𝐶𝐹𝑖 𝑈𝑆𝐷/𝑘𝑊ℎ ......................................... 105 Tabla 6.4. Valores del vector de demanda para 𝐷ℎ ≤ 0.25 𝑃𝑇𝑚 (*) .... 105 Tabla 6.5. Valores del vector de demanda para 𝐷ℎ ≤ 0.5 𝑃𝑇𝑚 (*) ...... 105 Tabla 6.6. Valores del vector de demanda para 𝐷ℎ ≤ 0.75 𝑃𝑇𝑚 (*) .... 106 Tabla 6.7 Matriz de asignación para la participación de los usuarios para KMAXi =4 ................................................................................................ 108 Tabla 6.8. Matriz de asignación para estrategia combinada de generación distribuida y respuesta de la demanda .................................................... 109 Tabla 6.9. Resumen de la evaluación de costo del servicio de desconexión de potencia a partir de respuesta de la demanda para las diferentes formas de participación de los usuarios ............................................................. 111 Tabla 6.10 Características de las líneas de la red de distribución utilizadas ................................................................................................................ 112 Tabla 6.11. Parámetros de potencia para las cargas de la red IEEE-34 utilizada .................................................................................................. 113 Tabla 6.12. Parámetros característicos de los usuarios para el escenario de prueba ..................................................................................................... 114 Tabla 6.13. Horas de participación de los usuarios de acuerdo con su contrato de interrumpibilidad para un día particular .............................. 115 Tabla 6.14. Evaluación del perfil de tensión de la red en el escenario base, con los recursos de respuesta de la demanda y con los recursos de respuesta de la demanda y generación distribuida ................................................. 120 11 Tabla 6.15 Parámetros del usuario ......................................................... 122 Tabla 6.16. Consumo mensual del usuario autogenerador ..................... 123 Tabla 6.17. Características de sistema fotovoltaico del usuario ............. 124 Tabla 6.18. Promedios de radiación solar mensual y de energía generada ................................................................................................................ 124 Tabla 6.19. Balance energético de la energía entregada por la planta de 140,9 kWp. ............................................................................................. 125 Tabla 6.20. Ingresos por venta de excedentes para formas de remuneración propuestas ............................................................................................... 128 Tabla 8.1 Publicaciones realizadas durante el desarrollo de tesis doctoral ................................................................................................................ 134 Tabla 8.2 Participación en congresos ..................................................... 135 12 Lista de figuras Figura 1.1 Perspectivas de desarrollo para redes y sistemas eléctricos ... 20 Figura 1.2 Metodología y organización de la tesis .................................. 25 Figura 2.1 Integración de recursos energéticos distribuidos .................... 30 Figura 2.2. Temas relacionados con la respuesta de la demanda ............. 39 Figura 2.3. Línea de tiempo de las normativas sobre autogeneración en Colombia 1994-2018................................................................................ 46 Figura 3.1 Estructura del agente integrador de recursos energéticos distribuidos ............................................................................................... 56 Figura 3.2 Estructura del mercado eléctrico desde el punto de vista organizacional, incluyendo agente integrador de recursos energéticos distribuidos ............................................................................................... 59 Figura 3.3 Diagrama general de caso de uso para la administración del agente integrador de recursos energéticos distribuidos ............................ 61 Figura 3.4 Diagrama de caso de uso para el ingreso al sistema del agente integrador de los recursos energéticos distribuidos (Actor 0). ................. 62 Figura 3.5. Diagrama de casos de uso para la gestión de usuarios que agrupa el agente integrador .................................................................................. 63 Figura 3.6. Diagrama de caso de uso para el manejo de transacciones económicas con el operador de red .......................................................... 65 Figura 3.7. Diagrama de clases de la estructura del agente integrador y los actores del sistema ................................................................................... 66 Figura 3.8. Diagrama de secuencia para la operación de registro de usuarios de la red .................................................................................................... 67 Figura 3.9. Diagrama de secuencia para la transacción de servicios al operador de red a partir de respuesta a la demanda ................................. 69 Figura 3.10. Diagrama de secuencia para la gestión de usuarios y sus recursos energéticos distribuidos ............................................................. 70 Figura 3.11 Diagrama de secuencias para la oferta de excedentes de energía al operador de red a partir de generación distribuida de los usuarios ...... 71 Figura 1.12 Diagrama de flujo de lineamientos para contratos de recursos energéticos distribuidos entre el agente integrador y los usuarios ........... 73 Figura 3.13 Mapaconceptual de la forma como se realiza el control de la potencia gestionable para un usuario que participa en un programa de respuesta de la demanda ........................................................................... 76 Figura 4.1. Mapa conceptual de las herramientas de software utilizadas en la implementación de la plataforma de acceso ......................................... 78 Figura 4.2. Diagrama de clases de los actores de la plataforma de manera detallada ................................................................................................... 80 Figura 4.3. Diagrama de flujo para el diseño de la plataforma de acceso de usuarios .................................................................................................... 82 13 Figura 4.4. Diagrama de flujo para la oferta de productos energéticos del agente ........................................................................................................ 84 Figura 4.5. Diagrama de caso de uso general para la plataforma de integración de los recursos energéticos distribuidos ................................ 85 Figura 4.6. Diagrama entidad-relación para la base de datos diseñada para la plataforma de acceso............................................................................. 87 Figura 4.7. Interfaz gráfica principal de la plataforma de integración ..... 88 Figura 4.8. Despliegue de los roles de actores de la plataforma de integración ................................................................................................ 89 Figura 4.9. Interfaz para ingreso de datos de usuarios agrupados por el agente integrador ...................................................................................... 90 Figura 6.1. Red IEEE-13 nodos para prueba .......................................... 104 Figura 6.2. Potencia desconectada por cada usuario ante una demanda de desconexión de hasta el 25 % de capacidad del agente integrador de respuesta de la demanda. Sin restricciones en la participació ................ 107 Figura 6.3. Potencia desconectada por cada usuario ante una demanda de desconexión de hasta el 25 % de capacidad del agente integrador de respuesta de la demanda. Con restricciones en la participación para KMAXi = 4 ............................................................................................. 108 Figura 6.4. Potencia desconectada por cada usuario ante una demanda de desconexión de hasta el 25 % de capacidad del agente integrador de respuesta de la demanada. Con restricciones en la participación para KMAXi = 4 a través de matriz de asignación ........................................ 109 Figura 6.5. Participación de los usuarios mediante la estrategia combinada de generación distribuida y respuesta de la demanda ............................. 110 Figura 6.6. Costos para diferentes formas de participación de los usuarios con desconexiones de 50 %, 75 % y 100 % de la capacidad total de potencia gestionable del agente integrador ........................................................... 111 Figura 6.7. Red de pruebas IEEE-34 nodos para el programa de respuesta de la demanda con inclusiòn de generación distribuida .............................. 113 Figura 6.8. Curvas de consumo base, con utilización de recurso de respuesta de la demana y con utilización combinada de los recursos de respuesta de la demanda y generación distribuida para los usuarios que participan del programa de respuesta a la demanda en la hora 22:00 .... 117 Figura 6.9. Perfil de tensión del sistema para la hora 22, en el escenario base y cuando se implementa la respuesta de la demanda ..................... 119 Figura 6.10. Participación de generación distribuida en respuesta de la demanda y su impacto en el mejoramiento del perfil de tensión............ 121 Figura 6.11. Consumo promedio diario .................................................. 123 Figura 6.12. Radiación solar diaria promedio y consumos de los días de la semana .................................................................................................... 126 14 Figura 6.13. Proyección de ingresos por sustitución de energía y venta de excedentes para el usuario analizado de acuerdo con el marco normativo vigente para venta de excedentes ........................................................... 127 Figura 6.14. Proyección de ingresos por sustitución de energía y venta de excedentes para el usuario analizado con estrategia de venta de excedentes al costo de kWh no consumido .............................................................. 128 15 RESUMEN La integración de recursos energéticos distribuidos (DER, por sus siglas en inglés) en redes de distribución presenta una dispersión con una baja apropiación de estos en la gestión de los recursos energéticos por parte del operador de red (OR) (Niknam, Ranjbar y Shirani, 2005; Bouffard y Kirschen, 2008; Levin y Thomas, 2016. De igual forma, se observa un desarrollo incipiente de los mecanismos de integración de DER, los cuales básicamente están centrados en soluciones en lo concerniente a la autogeneración y, generalmente, están ligados a proyectos aislados, caracterizados por baja sostenibilidad y por ofertar ocasionalmente algunos servicios auxiliares a las redes eléctricas (Ilic, Black y Prica 2007; Yano et al. 2012; Faria et al., 2014; Dietrich et al., 2015; Yang, Zhang y Xiao, 2015). La presente tesis doctoral se ha enfocado en proponer un AI de DER en el nivel de distribución del sistema eléctrico, lo que permite una integración económica y tecnológica de ellos, mediante de su participación como oferentes de excedentes de energía y servicios para la red. Metodológicamente, se realizó el diseño de la estructura y la funcionalidad del AI de DER propuesto por medio de herramientas de modelamiento como el UML (Lenguaje de Modelamiento Universal). El modelamiento matemático para los costos de los productos energéticos que puede ofertar el AI a la red: servicios de desconexión de potencia y venta de excedentes de energía, se ha realizado a partir de la configuración de problemas de optimización del tipo entero-mixto, teniendo en cuenta los aspectos normativos vigentes en los ámbitos nacional e internacional. En cuanto al comportamiento estocástico de algunos recursos DER se ha hecho uso de funciones de distribución de probabilidad tipo Weibull y los criterios de Adisson-Dassler. Finalmente, aspectos ligados al control automático de procesos sobre los DER fueron simulados con software de automatización: Fluid SIMM 3.6, Matlab 2016 y Gxdeveloper 3.2. La verificación se realizó con ayuda de Digsilent 15.1, DSS-SIMM 2012 y Power World 2007. Como productos o resultados de la tesis doctoral se encuentra el diseño del AI en una plataforma de acceso en el espacio de computación en la nube y el planteamiento formulaciones matemáticas y problemas de optimización para la venta de los excedentes de energía a partir de GD y para la venta de los servicios de desconexión de potencia con RD que se ofertan al OR. De la misma manera, se diseñaron diferentes formas de participación de los usuarios con sus DER en la oferta de productos energéticos a la red. 16 La integración de los DER a través del AI propuesto ha mostrado la viabilidad de su participación activa en tareas concretas de aplanamiento de la curva de demanda, la respuesta ante picos de demanda y el mejoramiento de los perfiles de tensión en la red. Como conclusión general, la tesis doctoral diseñó un AI de DER que se incorporara en la red eléctrica en calidad de actor dentro de la gestión que se realiza a nivel de distribución y comercialización de manera conjunta con el operador de la red y prestando servicios a este. Dicho AI estará inicialmente adscrito al comercializador, pero puede llegara manejarse en forma de un ente independiente si llega a ser necesario en un futuro cercano. Palabras clave: agente integrador, recursos energéticos distribuidos, generación distribuida, respuesta de la demanda, mejoramiento del perfil de tensión, servicios al operador de red, plataforma de integración de DER, despacho de energía de excedentes, demanda desconectable voluntaria, mecanismo de segmentación de la red. 17 ABSTRACT The integration of distributed energy resources (DER) in distribution networks presents a dispersion with a low appropriation of them in the management of energy resources by the OR (Niknam, T., Ranjbar AM, Shirani AR 2005) (Bouffard and Kirschen 2008) (Levin and Thomas 2016). Likewise, an incipient development of the mechanisms of integration of DER is observed, which are basically focused on self-generation solutions and generally linked to isolated projects, characterized by low sustainability and by occasionally offering some auxiliary services to electricity networks (Ilic, Black & Prica 2007, Yano et al., 2012; Faria et al., 2014; Dietrich et al., 2015; Yang, Zhang & Xiao 2015). The present doctoral thesis has focused on proposing an integrating agent of DER in the level of distribution of the electrical system, allowing an economic and technological integration of them, through their participation as suppliers of surplus energy and services for the network. Methodologically, the design of the structure and functionality of the DER integrative agent was proposed through modeling tools such as the UML (Universal Modeling Language). The mathematical modeling for the costs of the energy products that the integrating agent can offer to the network: power disconnection services and sale of surplus energy has been made from the configuration of optimization problems of the integer-mixed type, having take into account the normative aspects in force at national and international level. Regarding the stochastic behavior of some DER resources, Weibull probability distribution functions and the Adisson-Dassler criteria have been used. Finally, aspects linked to the automatic control of processes over DER were simulated with automation software: Fluid Simm 3.6, Matlab 2016 and Gxdeveloper 3.2. Verification was carried out with the help of DIGSILENT 15.1, DSS-SIMM 2012 and Power Word 2007. As products or results of the doctoral thesis is the design of the integrating agent, of an access platform in the cloud computing space and mathematical formulations and optimization problems have been proposed for the sale of surplus energy from GD and for the sale of power disconnection services with RD that are offered to the OR. In the same way, different forms of user participation have been designed with their DER in the supply of energy products to the network. 18 The integration of the DER through the proposed integrating agent has shown the viability of their active participation in concrete tasks of flattening the demand curve, the response to peak demand and the improvement of the voltage profiles in the network. As a general conclusion, the doctoral thesis has designed an integrating agent of DER that will be incorporated into the electricity network as an actor within the management carried out at the level of distribution and commercialization jointly with the operator of the network and providing services to this. Said integrating agent will initially be assigned to the marketer, but may be managed in the form of an independent entity if it becomes necessary in the near future. Keywords: integrating agent, distributed energy resources, distributed generation, demand response, management web platform, surplus energy dispatch, voluntary desconectable demand, segmentation mechanism. 19 1. INTRODUCCIÓN Actualmente, en las redes energéticas se cuenta con la inclusión de elementos de generación distribuida (GD), apoyados en fuentes de energía renovables y no renovables; sistemas de almacenamiento de energía; elementos para el control de la calidad de la energía o su compensación, como filtros; y programas de respuesta de la demanda (RD) (Ruiz-Romero et al. 2014). Normalmente, la GD, los RD y los sistemas de almacenamiento se agrupan bajo el concepto de recursos energéticos distribuidos (DER) (Wei, Jie y Qing 2012; Huang et al. 2012). La gestión energética es interpretada como la optimización en el uso de la energía, con lo cual se busca su uso racional y eficiente, sin disminuir el nivel de prestaciones y el grado de satisfacción por parte los usuarios. Mediante la gestión energética se mejora en aspectos de calidad, confiablidad y seguridad de la red eléctrica. La masificación de los DER en las redes supone escenarios de mayores exigencias para la gestión de la red, en gran parte, por características como la estocasticidad de los DER y su cambio dinámico de roles de consumidores a los prosumidores o usuarios administradores de su consumo, autogeneradores y suministradores de servicios y de energía para la red (Giuntoli y Poli, 2013). La gestión de los recursos energéticos es el principal componente que se enmarca dentro de las perspectivas de desarrollo de las redes eléctricas. En la figura 1.1. se observa que la gestión de los recursos de RD y de las fuentes de GD ocupan un lugar importante en las tendencias futuras para las redes eléctricas (International Energy Agency, 2014). La integración de DER en redes de distribución puede ayudar en la operación de la red desde los puntos de vista técnico y económico, así como ante fallos, mantenimientos u otras contingencias de la red. Además de aspectos técnicos, la integración de DER se encuentra dentro de los compromisos adquiridos por parte de muchos gobiernos a nivel mundial desde el punto de vista medioambiental (Bauen,2006; Palizban, Kauhaniemi y Guerrero 2014; Lopes et al., 2007; ONU, 2015). 20 Retiro de plantas a base de carbón Gestión de recursos solares por en redesPV de Distribución Gestión de la Demanda Integración de Generación Distribuida Fuentes de potencia Reactiva Integración en el transporte de vehículos eléctricos Integración de plantas de generación a base de gas Confiabilidad en las Microredes Almacenaje de Energía Integración progresiva de eólicas y solares Figura 1.1 Perspectivas de desarrollo para redes y sistemas eléctricos Fuente: adaptado de Conferencia Internacional del capítulo Power and Energy, de IEEE (2014). 21 Los DER posibilitan que los usuarios de la energía eléctrica sean oferentes de energía y de servicios auxiliares en cuanto a la distribución, (Ackermann, Andersson y Söder 2000; Bruckner, Morrison y Wittmann, 2005; Ackermann, 2007; Congreso de Colombia, 2014). Frecuentemente se coordina la gestión de los DER a partir de agentes denominados agregadores integradores, los cuales participan en negociaciones dentro de mercados energéticos, ese es el caso de los REP (Retail Electricity Providers) (Fotouhi Ghazvini et al., 2015). Los REP pueden gestionar los riesgos del mercado mediante el empleo de los programas de RD (respuesta a la demanda), así como el uso de sus activos de generación y almacenamiento en la red de distribución para atender a los clientes (Bae et al. 2014). Los programas RD realizan la gestión sobre cierta cantidad de potencia denominada potencia gestionable que el usuario o grupo de usuarios consideran pueden llegar a desconectar en ciertas horas del día y que redunda en una disminución del consumo para toda la red (Hayes et al., 2014; Safamehr y Rahimi-Kian, 2015). La integración de los DER en las redes electricas es una tendencia de desarrollo de gran perspectiva presente y futura para el sistema eléctrico engeneral, en la cual la presente tesis doctoral ha decidido profundizar a partir de la propuesta de un AI de DER en la que convergen aspectos técnicos y económicos beneficiosos, tanto para los operadores de la red como para sus usuarios. 1.1 Antecedentes Estudios del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), de la Agencia Internacional de Energía (International Energy Agency, 2013) y de otros autores como Notton et al. (2011), Wierzbowski y Olek (2014), Mallikarjun y Lewis (2014) y Trümper et al. (2014) señalan una tendencia en la integración de los DER en la red eléctrica con mayores niveles de penetración o participación en esta última (Kassakian et al., 2011). Como consecuencia de la revisión de la literatura científica se puede concluir que hay un desarrollo incipiente de los mecanismos de integración de los DER, puesto que básicamente están centrados en soluciones a nivel de autogeneración y, generalmente, están ligados a proyectos aislados, caracterizados por baja sostenibilidad y por ofertar ocasionalmente algunos servicios a las redes eléctricas, que incluyen compensación de reactivos, balance de flujos de potencia, 22 cobertura de picos de sobredemanda entre otros (Ilic, Black y Prica, 2007; Yano et al., 2012; Faria et al., 2014; Dietrich et al., 2015; Yang, Zhang y Xiao, 2015). En relación con la integración de los DER en las redes de distribución, en la literatura científica se ha propuesto el desarrollo de herramientas como modelos, algoritmos y estrategias, que responden a funciones objetivo variables en el tiempo y con criterios de evaluación técnico, económicos, social, normativo y medio ambiental (Sismotto y Hage 2005; Sadeghi, Larimian y Molabashi, 2012; Di Somma et al., 2015). La Agencia Internacional de Energía (International Energy Agency, 2014) señala “La mejor integración de todos los elementos de los sistemas eléctricos hará las operaciones más complejas, pero también mejorará el funcionamiento, la eficiencia y la resiliencia, y optimizará los recursos energéticos y las inversiones”. Por lo tanto, la planeación de la red de distribución se está orientando a incluir los DER como parte de portafolios energéticos de las empresas de distribución (Ruiz R. et al., 2013; De Olivieri et al., 2014; Chen et al., 2015; Zahurul et al. 2016). Un aspecto importante en la integración de los DER lo constituye el marco normativo; este se encuentra en una dinámica de desarrollo constante dentro de la legislación internacional. Entre los cambios o las tendencias se encuentra la promoción de incentivos regulatorios para la puesta en marcha de soluciones energéticas apoyadas en DER; otros aspectos se centran en los incentivos financieros y económicos para la adquisición de la tecnología y la posterior venta de productos energéticos a partir de DER; finalmente, la tendencia menos desarrollada está ligada a incentivos de tipo social y político (United Nations, 2015). Para el caso de Colombia, en la estructura de la producción energética actual no existe un ente que articule la participación de los usuarios con DER y que les permita entrar a ofertar energía y servicios —la cobertura de picos de demanda y el mejoramiento del perfil de tensión— de forma que se brinden beneficios económicos y técnicos tanto para el usuario como para el operador de la red; esto se debe a que, en la actualidad, la provisión de los servicios para la red se realiza mediante inversiones propias en infraestructura o bien subcontratando con otras empresas, por lo general, de tipo privado (CREG-242, 2017; Quintero, 2013). 23 1.2. Objetivos Objetivo general Proponer un agente integrador (AI) de recursos energéticos distribuidos en el nivel de distribución del sistema eléctrico colombiano, para su participación como oferente de energía y servicios para la red. Objetivos específicos Objetivo 1. Diseñar la estructura del AI de los DER para que pueda convertirse en oferente de excedentes de energía en el sector de distribución y de servicios para el operador de red. Objetivo 2. Plantear una plataforma de acceso en el espacio de cloud computing para el manejo de la información de la red, las transacciones del nivel de distribución, para que faciliten la integración de DER y su interacción con el AI. Objetivo 3. Adaptar una estrategia para la transacción bilateral de servicios de desconexión de potencia y de excedentes de energía en el ámbito de distribución a través del AI. 1.3. Pregunta e hipótesis de la investigación La pregunta de investigación de la presente tesis doctoral es la siguiente: ¿Cómo estructurar un agente que permita integrar a los DER 1 para que participen como oferentes de energía en un nivel de distribución en el Sistema Eléctrico de Colombia, y como oferentes de servicios para el operador de red? Para abordar dicho cuestionamiento se ha propuesto una hipótesis general cuyo planteamiento en el siguiente: “Mediante el AI propuesto se puede lograr la integración horizontal de los DER, en el nivel de distribución del sistema eléctrico colombiano, como oferentes de energía y servicios para la red”. 1 En el presente proyecto DER, hace referencia exclusivamente a RD y GD. 24 1.4. Metodología y organización de la tesis La tesis doctoral propone un agente integrador de DER, en adelante denominado AI cuyo análisis implica aspectos técnicos de la red eléctrica y también involucra el procesamiento de datos para la gestión de la información técnica y económica de la red mediante una plataforma de integración. La metodología de la tesis se desarrolló a partir de los tres objetivos específicos planteados, los cuales tienen como base la implementación de fases que involucren una continua fundamentación teórica, a la par con el diseño de los bloques que componen el AI y sus diferentes interacciones con la red y el operador de la red a nivel técnico y económico. De manera particular, para el primer y segundo objetivo se utilizó la metodología de diseño UML (Unified Modelling Language por sus siglas en inglés). En el modelamiento UML fueron diseñados los casos de uso, los diagramas de clase y diagramas de secuencia. El objetivo dos requirió realizar diagramas entidad-relación para la plataforma de acceso de los usuarios y la base de datos involucrados en el proceso de gestión de usuarios. El objetivo tres tomó como base los lineamientos económicos y jurídicos de normativas internacionales. Se abordaron los marcos legales vigentes en Colombia al momento presente para proponer formas de transacción económica de los excedentes de energía y servicios de desconexión de potencia que se le ofertan al operador de la red. En la figura 1.2 se plasma un resumen de la metodología llevada a cabo, como se estructuraron los objetivos específicos que dieron pie al objetivo general, así como los artículos derivados que dan soporte a la tesis doctoral. El presente documento se estructura en seis capítulos, incluida la introducción, -- en los que se presentan los antecedentes del tema, los objetivos, la pregunta y la hipótesis de la investigación, así como la metodología desarrollada abordada de acuerdo con el paradigma holístico (Londoño y Marín, 2014). El capítulo 2 aborda el marco de referencia y se exponen los temas de integración de DER, las normativas legales en el contexto internacional y nacional que incentivan el desarrollo de los DER (GD y RD). Adicionalmente, se abordan aspectos relacionados con RD, GD y los diferentes tipos de usuarios, mercados y servicios en que pueden participar. 25 Figura 1.2 Metodología y organización de la tesis Fuente: elaboración propia. 26 En el capítulo 3 se presenta el diseño de la estructura del AI de los DER que facilite ser oferentesde energía, producto de excedentes generados a partir de GD en el nivel de distribución y servicios para la red (mejoramiento del perfil de tensión en los nodos de la red y la cobertura de picos de demanda), que se ofertan al OR o distribuidor. El capítulo 4 propone una plataforma de acceso en el espacio de computación en la nube para así manejar la información de la red, las relaciones entre los actores del sistema (usuarios, AI y OR) en el nivel de distribución, los cuales facilitan la integración de los DER y la interacción entre todos los actores. En el capítulo 5 se presentan estrategias para la transacción bilateral de energía a nivel de distribución y de servicios para la red mediante el ambiente integrador. Para la venta de excedentes de energía a partir de GD, se proponen estrategias para su comercialización; de igual forma, se proposieron estrategias para ofrecer potencia gestionable, en el marco de un programa de respuesta de la demanda por incentivos, tomando como referencia las normativas vigentes tanto internacionales como nacionales. Se propone una estrategia para la oferta combinada de recursos de RD con GD. Las estrategias para la venta de energía a partir de GD y de servicios con RD abordan aspectos tanto técnicos como económicos en lo que respecta a las transacciones que se establecen con el operador de la red. Por último, en el capítulo 6 se plantean casos de estudio utilizando escenarios de pruebas las redes IEEE de 14 nodos y 34 nodos, con cargas dimensionadas de acuerdo con los consumos habituales de usuarios comerciales e industriales, involucrando tecnologías de la información mediante el diseño de una plataforma web encargada de la gestión de usuarios poseedores de DER, del recibo de pedidos del operador de la red y de la evaluación técnico-económica del proceso de oferta de servicios mediante el uso de los DER. 27 2. MARCO DE REFERENCIA En este capítulo se realiza una aproximación conceptual de los temas involucrados en el desarrollo de la investigación: “Integración de recursos energéticos distribuidos, generación distribuida, respuesta de la demanda y el marco normativo de DER (RD y GD) en Colombia”. 2.1. Integración de recursos energéticos distribuidos La revisión de la literatura especializada sobre mecanismos de integración para DER evidencia el desarrollo de herramientas de evaluación económica, donde se plantean funciones de costo para GD a partir de los cambios en los flujos de potencia y en la tensión (Pudjianto et al., 2007). En Ackermann (2007) y Ghofrani-jahromi et al. (2008) se plantea el desarrollo de mecanismos que ajusten la elasticidad de los precios de energía en mercados energéticos con DER. Así mismo, evalúan la forma como RD se convierte en un factor reductor del poder centralizado de los mercados no liberalizados. Por otra parte, en Zhu y Tomsovic (2007) se formulan estrategias para optimizar los flujos de potencia durante el despacho económico de la energía y la oferta de servicios auxiliares en las redes de distribución. Para ello incluyen DER para la minimización de las pérdidas en mercados de corta duración. Andersen et al. (2008) utilizan estrategias de cogeneración mediante bombas de calor ligadas al aprovechamiento de las pérdidas que se presentan al conectar DER, debido a sus fluctuaciones de potencia y tensión. Bracale et al. (2012) exponen el proyecto Atlantide del Ministerio de Energía de Italia, cuyo objetivo es la interacción con el mercado para la toma de decisiones en función al estado de los DER presentes en la red, con el fin de minimizar costos. Los recursos son centralizados en un DMS (Distributed Management System), los DER no son propiedad de los usuarios; el modelo de gestión es de propiedad del operador de la red. La función de costos del proyecto Atlantide analiza: minimización de pérdidas, costos por almacenamiento, costos por generación de GD, costo de compensación reactiva, costo por integración de la demanda. Por su parte, Wierzbowski y Olek (2014) proponen una estrategia de coordinación entre el mercado energético, la energía provista por la red y la GD para redes de media tensión. En su investigación se destaca la comparación entre escenarios que 28 consideran flujos de potencia para la red abastecida de manera convencional, así como escenarios híbridos de GD y empresas de distribución, pero sin balances de potencia activa y reactiva. Por último, se realiza una integración entre la GD y las empresas de distribución, realizando balance de flujos de potencia. Las GD intervienen para disminuir los niveles de potencia que entrega la empresa distribuidora, pero no se cuenta con mecanismos de RD en el análisis. Las GD y los recursos DER pertenecen a las empresas de distribución y permiten disminuir la energía que aportan las empresas a la red. Desde el punto de vista económico, la integración de los DER posibilita que el OR pueda disminuir las inversiones en infraestructura de cableado y transformadores para atender una demanda en expansión. De acuerdo con lo anterior resulta importante analizar escenarios de variabilidad en la demanda, inclusión de vehículos eléctricos y de sistemas de almacenamiento de energía en la operación que el operador de la red deberá realizar a futuro. Para ello, autores como Van Zoest et al. (2014) afirman que se tienen tres pilares fundamentales para la futura gestión e integración en las redes: La gestión del lado de la demanda, los sistemas de carga de vehículos eléctricos y los sistemas inteligentes de almacenamiento. 2.1.1. Aspectos técnicos en la integración de los recursos energéticos distribuidos (DER) Desde el punto de vista técnico se encuentra documentación científica sobre cómo integrar las fuentes de energía renovables, en cuanto generación, y en calidad de suministradores de energía para la red. El objetivo principal es servir de respaldo ante excesos de demanda, con el fin de asegurar la estabilidad de la red a la hora de suministrar electricidad, a partir de diversas fuentes renovables como la fotovoltaica, eólica y mareomotriz (Lund, 2005; You y Segerberg 2013). A fin de facilitar la integración de los DER, se plantean estrategias de adaptación de los flujos de potencia en las líneas de transmisión y la red, en general, a partir de FACTS (Flexible AC Transmission System), los cuales están encargados de subsanar las fallas que provocan las instalaciones DER en la red. Así mismo, se plantea una estrategia de adaptación que se enfoca en facilitar el despacho energético, incluyendo elementos de GD tales como: fotovoltaica, eólica, microturbinas y celdas de combustible junto a sistemas de almacenamiento como baterías, para abastecer usuarios industriales, comerciales y residenciales (McDonald, 2008). 29 Casolino et al. (2012) y Tan et al. (2013) proponen técnicas para determinar la forma de integración de DER a través de redes de carga locales y algoritmos para determinar la ubicación óptima de la energía renovable en una red. Para ello, utilizan métodos convencionales como la lógica difusa, el flujo óptimo de potencia y programación no lineal mezclada, junto a otras alternativas como algoritmos de colonias de hormigas o de abejas y algoritmos imperialistas colectivos. Así mismo, se proponen parámetros de evaluación como el TEF (factor técnico económico) para los DER, que evalúa las pérdidas y los desbalances de potencia que se presentan en la red cuando se inicia la generación suministrada por la GD a la red. A través del TEF se busca evaluar el impacto a nivel técnico y medioambiental de los DER en función a modelos de arribo estocástico de estos a la red (Moghimi et al., 2013). Los beneficios de la integración de los DER, ligados al ahorro energético, el control de tensión y el flujo de potencia enla red son analizados mediante modelos matemáticos como los coeficientes de correlación de Gray, que evalúan las pérdidas de las fuentes y las líneas en escenarios de alta penetración de DER (Wang et al., 2015), y permiten la disminución de los impactos nocivos de los DER mediante la utilización de transformadores inteligentes, capaces de modificar sus parámetros en forma dinámica (Carne et al., 2014). Con respecto al ahorro de energía se cuenta con experiencias exitosas de control directo de cargas a nivel eléctrico y en suministro de agua caliente, que hacen parte de mecanismos de RD, con operaciones centralizadas en el OR (Chua et al., 2011; Negnevitsky y Wong 2014). La integración de los DER puede ocasionar problemas de estabilidad de los convertidores DC-AC al acoplar los elementos de GD, para lo cual se han planteado soluciones que buscan reducir los niveles transitorios durante los procesos de conexión de DER, con lo cual se realiza una adecuación de la impedancia de entrada del convertidor mediante la inyección de una señal de estabilización activa en el bucle de control de convertidor (Sajjad Seyedalipour y Adabi 2016). 30 2.1.2. Estrategias de integración de recursos energéticos distribuidos En la figura 2.1 se muestran algunas de las principales estrategias de integración para los DER desde el punto de vista tecnológico como son los sistemas Scada (Supervisory Control and Data Acquisition), las microrredes y las plantas virtuales de potencia (VPP). Figura 2.1 Integración de recursos energéticos distribuidos Fuente: elaboración propia. 2.1.2.1. Integración con Sistemas Scada Los sistemas Scada son utilizados en labores de gestión; reciben datos de dispositivos sensores que monitorean el estado de las subestaciones y dispositivos de protección que puedan alterar sus alcances en función a la conexión o la desconexión de elementos de GD, ya sea aguas arriba o aguas abajo de los barrajes principales, y que resulta imprescindible para índices altos de penetración de GD en la red (Nair y Zhang, 2009). Los Scada son utilizados en la planificación de las redes asignando la potencia eléctrica óptima a cada unidad de generación, minimizando los costes de funcionamiento de producción. Cuando la producción de energía se realiza gracias a un sistema híbrido con fuentes renovables y convencionales, la reducción al mínimo de los costos funcionales conduce a la minimización de la energía convencional (Figueiredo y Martins, 2010). En la actualidad, una buena parte de la gestión de redes que incluyen DER a gran escala se apoya en sistemas Scada, compuestos básicamente por software para la 31 toma de decisiones, interfaces hombre-máquina con módulos de accesibilidad y controles locales y remotos para las comunicaciones, a menudo soportados en redes Ethernet. Los objetivos principales de los Scada son la vigilancia y el control de la tecnología a partir del seguimiento de los parámetros eléctricos y no eléctricos del sistema híbrido de la producción y el consumo de electricidad a partir de fuentes de energía renovables. De igual forma, se realiza el control sobre los elementos de toma de decisiones que hacen parte del Scada (Dumitru y Gligor, 2012). 2.1.2.2. Integración con microrredes Una microrred es un sistema discreto de energía eléctrica a pequeña escala, que puede estar desconectado (modo aislado) o conectado a la red (modo interconectado) y consiste en fuentes renovables y tradicionales interconectadas entre sí. Adicionalmente, las microrredes cuentan con sistemas de almacenamiento y pueden realizar control sobre la demanda de los usuarios (Soshinskaya et al., 2014; Xiaoyan, Tianqi y Xueping, 2012). La GD surgió bajo el paradigma de que los flujos de potencia solo van de las subestaciones de distribución hacia los consumidores, pero nunca en dirección opuesta. Dicha interpretación pone de manifiesto la necesidad de un control y una arquitectura de gestión que permita la integración tanto de la microgeneración — a partir de las GD— como de los programas de manejo activo de respuesta de la demanda en el sistema eléctrico convencional. Una solución es evaluar la GD y las cargas asociadas como un subsistema o microrred. En Dobakhshari, Azizi y Ranjbar (2011) se aborda la gestión de la red de distribución que integra DER, por medio de microrredes desde la perspectiva de redes autónomas de energía caracterizadas por alto nivel de penetración de recursos distribuidos de energía, que participan en un mercado de precios en tiempo real. La operación de estas redes autónomas se realiza sin un operador central y se fundamenta en las redes públicas de comunicación. Las microrredes resultan una estrategia bastante interesante, sobre todo, si se muestran como soluciones integrales para energía no solo de suministro eléctrico, sino también de gas y calefacción (Ramírez, Chica y Arias, 2013). Karabiber et al. (2013) y Palizban, Kauhaniemi y Guerrero (2014) analizan la gestión de la microrred enfocándose en el problema de mantener la sincronización de la microrred cuando pasa de modo interconectado a modo aislado, lo que 32 resulta vital en el momento de evaluar la estabilidad de los puntos de operación una vez sea necesaria una reconexión posterior. Para este caso, la gestión es soportada en la observancia de las restricciones técnicas para la interconexión de elementos de GD, parte fundamental de los DER, a la red de distribución y que son tratados ampliamente en el protocolo IEEE 1547 (Basso y DeBlasio, 2011). Al integrar DER mediante microrredes debe analizarse el impacto de la distribución de costos y beneficios entre los agentes participes del mercado: el administrador de la microrred, la red eléctrica regulada, los clientes dentro de la microrred y los clientes que están fuera de la microrred. Una herramienta de análisis usada en microrredes es la teoría de juegos cooperativos donde se evalúan diferentes escenarios de sinergia entre los agentes del mercado (Lo Prete y Hobbs 2016). 2.1.2.3. Integración con plantas virtuales de potencia Las plantas virtuales de potencia (VPP, Virtual Power Plants) se definen como una red o grupo de usuarios interconectados, que combinan fuentes tanto renovables como no renovables de energía, al igual que dispositivos de almacenamiento y usuarios no necesariamente conectados entre sí, que se encuentran descentralizados del sistema general de abastecimiento y que establecen mecanismos de gestión de la energía entre ellos mismos y ante la red (Bignucolo et al., 2006; Asmus, 2010). La VPP puede verse como una planta de energía con una salida horaria definida y unas posibilidades propias de generación que le permiten incluso ofertar en un mercado mayorista, siendo incluidos en procesos de despacho horario diario o de mediodía (Danny Pudjianto et al., 2010; Bayod R., 2009; Giuntoli y Poli, 2013). Andersen et al. (2008) presentan un modelo de gestión para la integración de DER, apoyado en VPP, a partir de arquitectura de software, la cual está orientada a servicios. Se proponen tres escenarios: uno inicial donde la VPP aparece como eje central donde convergen los elementos de DER, que comprenden GD, dispositivos de almacenamiento y controladores para cargas puntuales. Seguido, es propuesto un escenario intermedio, donde se tienen varias VPP auxiliares, que gestionan los DER de cada microrred, y que a su vez son controlados por una VPP central; y un tercer escenario, donde se presenta un sistema de servicios centralizado que involucra los servicios de la VPP y gestiona la información del entorno externo a la red como estado de las troncales adyacentes a cada microrred, el estado 33 meteorológico y sus previsiones para las fuentes de GD y los precios de la energía en tiempo real. Sowa et al. (2014)utilizan las VPP como estrategias de integración para unidades descentralizadas de tipo eólico y fotovoltaico, y ofrecen multiplicidad de servicios para un pool de mercados de electricidad, abordada mediante un análisis técnico- económico de cada unidad de GD y su consumidor asociado. La versatilidad de las VPP permite que integren, además de usuarios poseedores de DER, elementos de la red como plantas de procesamiento de residuos, lo que permite establecer clúster económicos y energéticos en el marco de proyectos económicos, social y medioambientalmente sostenibles (Arias, Rivas y Vega, 2014; Schäfer et al., 2015). Las VPP facilitan la integración de los DER, lo que permite subsanar en gran medida inconvenientes ligados a la incertidumbre en el comportamiento de la GD, gracias al manejo paralelo de tecnologías asociadas a sistemas de almacenamiento, y mecanismos de RD. La facilidad de adaptación de las VPP permite que participen en mercados de tipo DAM (day ahead market: mercado de día anterior) y en mercados de tipo BM (balancing real time market: mercado de balance en tiempo real) (Dietrich et al., 2015). En la tabla 2.1, se presenta un cuadro comparativo de los sistemas Scada, microrredes y VPP como estrategias de integración de los DER. Tabla 2.1 Cuadro comparativo de principales estrategias de integración de recursos energéticos distribuídos Factor Sistemas Scada Microrredes Plantas virtuales de potencia Objetivo Control de dispositivos de GD, ocasionalmente de RD. Control/Integración de DER en la red. Gestión/control e integración de DER. Rango de aplicación Elementos de la red. Sectores locales de la red. Sin restricción Infraestructura Elementos de control, sensors. Dispositivos AMI, medidores de flujo, tecnología de comunicaciones. Dispositivos AMI, medidores de flujo, tecnología de comunicaciones, enlaces con el mercado. Operación Centralizada Con la red o en forma aislada. Centralizada o descentralizada. 34 Enfoque Eficiencia técnica de elementos de la red. Eficiencia energética de la microrred. Eficiencia energética y económica de la red. Elementos funcionales Control de GD, administración de mecanismos de RD. Control de GD, control de almacenamiento y RD. Coordinación/ Control de GD, RD, sistemas de almacenamiento, elementos compensadores, integración de vehículos eléctricos. Fuente: elaboración propia. Los modelos de gestión para las nuevas redes deben posibilitar, además de la integración, una sinergia total entre los operadores de la red, los entes de regulación, los usuarios que pueden aportar energía a la red, los que pueden almacenar energía y los usuarios convencionales, partiendo el hecho de que sus funciones dentro de la red pueden llegar a intercambiarse en una dinámica de juego que será dictada tanto por parámetros internos de la red como la disminución de pérdidas y el flujo óptimo; así como parámetros externos ligados a fluctuaciones del mercado energético. En la integración de los DER deberán considerarse aspectos como el cambio en la negociación por el pago de los kWh generados y consumidos por los usuarios, quienes ahora tienen la posibilidad de autogenerarse, el monitoreo y el control de las variables energéticas de los sistemas de fuentes alternativas y renovables, con su inherente aleatoriedad, el mantenimiento de la infraestructura y aspectos normativos que afectan a la red. 2.1.3. Incentivos a los recursos energéticos distribuidos La revisión de información documental en torno a los diferentes incentivos políticos, económicos y sociales que ofrecen algunas legislaciones internacionales en procura de la promoción de las fuentes alternativas de energía muestran un panorama bastante alentador. Programas como el 20/20/20, formulado por la Comunidad Económica Europea que propone para el 2020 una reducción del 20 % de emisiones de gases efecto invernadero, y que la matriz energética esté compuesta por un 20 % de energías renovables es un ejemplo de que existe un compromiso por promover las fuentes renovables como una opción real y sostenible de generación. Las políticas de incentivos a las energías renovables han tenido un desarrollo caracterizado por un gran dinamismo, encontrando que hacia el 2014 cerca de 138 países del mundo ya contaban con políticas de apoyo a este tipo de energías (Brower et al., 2014). 35 Al analizar la literatura especializada sobre el tema, se señala en forma general la existencia de políticas regulatorias, tales como tarifa de alimentación (feed-in tariff en inglés) con la cual las empresas de distribuidoras de energía pagan a los productores de energía renovable una tasa garantizada por unidad de electricidad, lo que garantiza su acceso prioritario a la red eléctrica (Environmental and Energy Study, 2010). Existen los pagos premium con los cuales el nivel de pago se basa en una prima ofrecida por encima del precio de mercado de la electricidad para quienes producen con energía renovable. Esta prima puede ser constante o puede variar en función al mercado y sus fluctuaciones (Georgopoulos and Issaias, 2012). También existen cuotas de obligación eléctrica que describen la cantidad de energía renovable que un usuario puede exigir de la empresa de distribución (Cory, Couture y Kreycik, 2009). Así mismo, se tienen mecanismos comunes como: medición neta, obligaciones o mandatos de transporte, obligaciones de energía térmica, certificados de energía renovable, licitaciones energéticas; al igual que incentivos fiscales y de financiamiento como: reducciones en impuestos por venta de energía a partir de renovables, pagos por generación de energía, exenciones tributarias, subsidios y amortizaciones aceleradas entre otros (REN21, 2017). La tabla 2.2. registra algunos de los mecanismos para incentivar las energías renovables de mayor utilización y aceptación en las legislaciones internacionales de acuerdo con la revisión realizada por entidades como el Banco Mundial, la Agencia Internacional de Energía, el Concilio Mundial de Energía Renovable y la Red de Políticas de Energía Renovable para el siglo XXI (Renewable Energy Policies Network for 21th century-por sus siglas en ingles). Tabla 2.2 Mecanismos para incentivar la promoción de recursos energéticos distribuidos Mecanismo Descripción Sistema de licitación competitiva Subsidio a inversionistas privados. Licitación. Impuestos a los combustibles fósiles Impuesto de carbono. Penalización por uso de combustibles fósiles. sistemas de precios verdes Usuarios que quieren energía limpia, certificados de energía renovable. Certificados comerciables de energía renovable Se venden por separado de la electricidad. Cubren el régimen de cuotas u obligaciones. Precios garantizados feed in Precio garantizado de compra a la empresa que produce con prelación a la renovable. Créditos tributarios, exenciones o reembolsos Exención de impuesto de consumo, devolución de IVA, créditos a los impuestos de inversión. 36 Subsidios, concesiones y reembolso de capital Subsidios a la inversión y producción. Fondos nacionales de apoyo a energías alternativas. Conciencia pública Concientización sobre los beneficios de las renovables. Productos con etiqueta do de “hecho con energía limpia”. Compras del gobierno Es un cliente para empresas de distribución con sistemas de energías renovables. Programas voluntarios Impuestos opcionales de los consumidores para promover renovables. Financiación por terceros Créditos bancarios con el gobierno o fondos especiales como garantes. Investigación y desarrollo Enfoque en el avance tecnológico de gobierno y particulares. Electrificación rural Promoción en zonas no interconectadas. Obligaciones / portafolio estándar Porcentaje de renovables en la ofertade generadores y comercializadores. Medición neta Venta de excedentes a la red, medidores bidireccionales son la base. Fuente: elaboración propia. El análisis del marco normativo de apoyo a las energías renovables en Colombia indica las siguientes leyes: Ley 697 del 2001: se fomenta el uso racional de la energía eléctrica y la implementación de energías alternativas, para así poder asegurar el abastecimiento energético oportunamente, mediante, la implementación de fuentes renovables de energía. Mediante el Decreto 3683 dek 2003 se reglamenta la Ley 697 del 2011. Resolución CREG 097 del 2008: se aprueban los principios generales y la metodología para establecer los cargos por uso y sus aclaraciones, ya que la afectación en continuidad de energía en cada uno de los circuitos en los que se implementan la GD y AGPE (autogeneración a pequeña escala) puede llevar a modificar de manera negativa los indicadores regulatorios que definen el cargo reconocido al OR por administración, operación y mantenimiento (AOM). El cambio de los parámetros eléctricos en los equipos de red del SDL (sistema de distribución local) al incluir masivamente la GD, tales como corriente corto circuito y variaciones en tensiones de línea, pueden derivar en reducción de su vida útil o incluso en averías muy frecuentes. Ley 1715 del 2014: tiene por objetivo promover la implementación de fuentes de energía no convencionales, principalmente las que son de tipo renovable, esto con 37 el fin de integrarlas en el sistema interconectado nacional y así proveer energía a los sitios que actualmente no se encuentran interconectados al sistema. La Ley 1715, en sus artículos 11, 12, 13 y 14, plantea incentivos económicos como lo son deducción de impuesto sobre la renta, depreciación acelerada, privilegio en gravámenes arancelarios y exclusión de bienes y servicios de IVA, para las diferentes entidades que puedan estar interesadas en gestionar proyectos que involucren fuentes de energía no convencionales (Congreso de Colombia, 2014). Resolución CREG 121 del 2017: su objetivo es regular los aspectos operativos y comerciales de la integración de AGPE y GD al Sistema Interconectado Nacional (SIN). En esta resolución se aclara que la integración en Colombia se hará de forma gradual, lo anterior basado en argumentos que generalizan la integración de la GD en tres etapas: la integración moderada de los recursos de generación con la red existente, integración total y desarrollo de marcados de energía localizados (CREG, 2017). La resolución CREG 066 del 2017, anexo de la resolución 121 detalla varios aspectos técnicos y comerciales en el que se nombran los siguientes efectos sobre la red: regulación de tensión, reversión de flujos de potencia, limites térmicos, corrientes de corto circuito, coordinación de protecciones, calidad de potencia y operación en isla. 2.2. Respuesta de la demanda La respuesta de la demanda (DR) se define como el conjunto de estrategias para influir en el consumo de energía de los diferentes participantes del mercado energético mediante incentivos o precios (Klaassen et al., 2017). Existen diferentes revisiones bibliográficas que abordan la DR y partiendo de los mecanismos de remuneración, programas complementarios y la relación con los DER (Ibrahim et al., 2017), logrando caracterizar los aspectos de DR y sus tendencias. En la figura 2.2 se ve un diagrama de bloques sobre la respuesta de la demanda y sus diferentes tendencias. Dentro de los temas que se consideran estrechamente relacionados con la respuesta de la demanda fueron analizados los siguientes: remuneración, usuarios, servicios, mercados, programas complementarios, recursos energéticos distribuidos. Un análisis a profundidad de los temas antes mencionados se detalla en Arias, Rivas y Santamaría (2018), donde se destaca que en los recursos energéticos distribuidos se presenta una tendencia hacia la integración de la GD y sistemas de almacenamiento con los programas de DR en la adaptación o la creación de nuevas 38 redes inteligentes, en procura de proponer soluciones energéticas robustas caracterizadas por su escalabilidad, adaptabilidad, robustez y sostenibilidad (figura 2.2.). En Colombia se han adoptado mecanismos de la respuesta de la demanda, dentro de la ley de energías renovables (Ley 1715 del 2014). Las disposiciones de esta ley se reglamentaron mediante el Decreto 2492 del 2014 que contribuye a la competitividad y hace participe a los usuarios finales o clientes en la formación del precio de la energía eléctrica. Este decreto obliga a la CREG a diseñar cargos que remuneren las actividades de transmisión y distribución, tarifas horarias o canasta de tarifas de forma que permitan incentivar económicamente el uso más eficiente de la infraestructura y la reducción de costos de la prestación del servicio. Adicional a esto, la CREG deberá diseñar mecanismos en la fórmula tarifaria que permitan que al usuario final o cliente le lleguen señales horarias. De igual forma, la UPME deberá considerar criterios de respuesta a la demanda dentro del Plan Energético Nacional, el Plan de Expansión de Referencia y el Plan Indicativo de Expansión de Cobertura de Energía Eléctrica (UPME, 2013). 39 LA GENERACIÓN DISTRIBUIDA LOS SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO tales como RECURSOS ENERGÉTICOS DISTRIBUIDOS tiene una estrecha relación con LAS REDES INTELIGENTES LA OPTIMIZACIÓN DE LOS SISTEMAS ENERGÉTICOS LA RESPUESTA DE LA DEMANADA es utilizada para SERVICIOS A LA RED como MEJORA EN PERFILES DE TENSIÓN FIABILIDAD DEL SISTEMA ELÉCTRICO RECORTES DE PICOS ESTABILIDAD DE TENSIÓN LOS MERCADOS ENERGÉTICOS en los que puede participar tales como MERCADO DE ENERGÍA MERCADO DE SERVICIOS AUXILIARES MERCADO DE RESERVA MERCADO DE CAPACIDAD es calificada por TIPO DE USUARIOS tales como RESIDENCIALES INDUSTRIALES COMERCIALES MECANISMOS DE REMUNERACIÓN tales como los de PRECIOS INCENTIVOS Figura 2.2. Temas relacionados con la respuesta de la demanda 40 Para la participación en el mercado mayorista, la CREG deberá diseñar los mecanismos necesarios para que los usuarios, voluntariamente, puedan ofertar reducciones o desconexiones de demanda en el mercado mayorista con el objetivo de dar confiabilidad al Sistema Interconectado Nacional, respaldar obligaciones de energía firme, reducir los precios en la Bolsa de Energía y los costos de restricciones. La remuneración de los agentes que reduzcan o desconecten su demanda deberá cumplir el criterio de eficiencia económica Estas iniciativas se complementaron con varias normas por parte de la CREG que reforman el esquema energético, dándole a la demanda un lugar importante dentro de la gestión energética mediante políticas como las tarifas horarias y la desconexión voluntaria de la demanda. Dentro de las principales legislaciones se tienen: La tarificación horaria por parte de la CREG siguiendo los lineamientos de las leyes 142 y 143 de 1994, en las que se exponen principios tarifarios de eficiencia económica, transparencia, simplicidad, solidaridad y redistribución mediante la calidad del servicio, establece el costo unitario de la energía eléctrica que viene implementándose desde su formulación en la Resolución 031 de 1997 y realiza su ajuste posterior con la Resolución 119 del 2007. Es así como con la Resolución 031 de 1997 se aprueban las fórmulas generales que les permiten a los comercializadores de electricidad establecer los costos de prestación del servicio a usuarios regulados en el Sistema Interconectado Nacional, se han tenido las siguientes modificaciones: Artículo 7º: derogación de la obligación de obtener aprobación del costo base de comercialización con la Resolución CREG 007 de 1999, artículo 4°. Artículo 8°: modificación del alcance del costo de comercialización conResolución CREG 007 de 1999, artículos 1° y 3°. Artículo 10°: derogación de la actualización de los costos y las tarifas con la Resolución CREG 112 2001, artículo 3°. Anexo 1.2.2: modificado el costo promedio por uso del Sistema de Transmisión Nacional (STN) con la Resolución CREG 043 de 1999, artículo 8°. La Resolución 240B del 2015 plantea tomar de la fórmula del costo unitario de la energía eléctrica, en sus componentes de generación, transmisión y distribución, e implementar la tarificación horaria a diferencia de la tarificación mensual que se tiene en la actualidad. 41 Paralelo a estas normativas, el Ministerio de Minas y Energía promulgó las resoluciones 41430 del 2015 y 40634 del 2016, las cuales prorrogan y crean diferentes campos de trabajo dentro del Programa de Uso Racional y Eficiente de Energía (PROURE), que buscan reducir el consumo de energía y la demanda energética en Colombia. Uno de estos proyectos destacados es la normalización y el etiquetado de eficiencia energética, con la cual el Gobierno de Colombia elimina barreras para la comercialización masiva de electrodomésticos, balastos y motores industriales y así los ciudadanos puedan comparar equipos de similares características y elegir el que, de acuerdo con sus necesidades, presente menor consumo de energía y mejor desempeño de eficiencia. La regulación de RD llegó con la Resolución 098 del 2014 como proyecto de resolución de carácter general “Por el cual se regula la Respuesta a la Demanda para el mercado diario en condiciones de escasez”. Luego, con la Resolución 011 del 2015 de la CREG se dio la regulación del programa de respuesta de la demanda para el mercado diario en condición crítica. Partiendo de estas resoluciones se comenzó a trabajar en la activación del programa de respuesta de la demanda en el pre despacho ideal y el ajuste de la verificación horaria del programa de Demanda Desconectable Voluntaria (DDV) con la Resolución 025 del 2016 y las aclaraciones y los ajustes de las resoluciones 042 y 049 del 2016 (CREG, 2016). Ya con la Resolución 029 del 2016 se buscó promover el ahorro voluntario de energía creando un sistema tarifario diferencial que establecía los costos de la prestación del servicio de energía eléctrica a usuarios regulados en el SIN, iniciativa que finalizó con la Resolución 051 del 2016 y quedó en fase de estudio. Las políticas de respuesta a la demanda también se encuentran ligadas a las políticas económicas, las cuales dependen de la elasticidad del precio de la demanda. Este es empleado para describir la respuesta del uso de la energía eléctrica ante cambios de precio. Los clientes no regulados son los principales participes de los programas de respuesta a la demanda, ya que son ellos los que usan la electricidad como un insumo para producir bienes, o para prestar servicios a diferentes comunidades y por su alto consumo o demanda pico realizan negociaciones directas con las empresas comercializadoras, estableciendo tarifas de energía asociados a la comercialización y generación a largo, mediano y corto plazo, donde a mayor elasticidad, y mayor respuesta de la demanda. 42 Otra de las propuestas presentadas por el gobierno colombiano fue la resolución CREG 076 del 2013 “Demanda Desconectable Voluntaria (DDV) ajuste a liquidación”, la cual tiene como objetivo analizar el proceso de liquidación de la Demanda Desconectable Voluntaria como anillo de seguridad del cargo por confiabilidad. Esta resolución le permite a un generador que anticipe que su energía no es suficiente para cumplir con sus obligaciones de energía firme, podrá negociar con los usuarios, por medio de su comercializador, la reducción voluntaria de la demanda de energía. La Resolución CREG 025 del 3 de marzo del 2016, resolución por la cual se adopta el procedimiento que utilizará el Centro Nacional de Despacho para la activación del programa de Respuesta a la Demanda RD en el predespacho ideal, el cual fue establecido en la resolución CREG 011 del 2015. La Resolución 025 presenta los objetivos para reglamentar los procedimientos de: Activación del programa RD para el mercado critico en condición crítica, RD, en el despacho ideal. Ajuste de la verificación horaria del programa de la Demanda Desconectable Voluntaria DDV. Procedimiento transitorio que flexibiliza la medición de los programas de la DDV y RD, con el objeto de incentivar la participación de la demanda en estos programas. El marco normativo de Colombia con respecto al RD se ha caracterizado por un gran dinamismo durante los últimos años y se espera que pueda hacer realidad una injerencia directa de los usuarios en la planeación y la administración del sistema eléctrico. No obstante, el mercado energético en Colombia se encuentra en mora de implementar una serie de medidas que permitan dinamizar en forma más ágil su desarrollo: En primera instancia se debe disminuir el umbral para pertenecer al mercado no regulado, ya que desde el 2000 no se modifica el umbral de 55 MWh (Resolución CREG 131/1998). Esto permitiría que usuarios propietarios de pequeñas empresas y agrupaciones de usuarios residenciales pudieran, en dado caso, acceder a mejores tarifas y tener una participación más activa en las negociaciones con los operadores de red. En segunda medida se debe migrar a mercados organizados regulados (MOR) con lo cual se da la posibilidad a escenarios de mayor competitividad. Por otra parte, se deben establecer mecanismos para que la demanda pueda participar en la 43 conformación del precio de la energía y también oferte servicios a la red tal y como pasa en mercados de Alemania, Inglaterra, Singapur y California (Kumar y Jayantilal, 2011). Propender al desarrollo de redes inteligentes que permitan integrar tecnología de las redes energéticas con sistemas de comunicaciones y redes de control automatizado junto a sistemas de gestión y administración de parámetros tanto técnicos como económicos y medioambientales. En consecuencia debe masificarse la participación de la GD en las fases de generación, transmisión y distribución de la cadena energética(Wojszczyk, 2012). Por último, abrir la posibilidad a la implementación de mercados intradiarios para servicios complementarios y para el abastecimiento en tiempo real (Vargas, Palma y Moya 2001; Heydarian-forushani y Shafie-khah, 2011). 2.3. Venta de excedentes de energía a partir de generación distribuida En la revisión de los marcos normativos internacionales más representativos sobre la venta de excedentes de energía se encuentran los siguientes lineamientos generales. En el mercado de energía norteamericano cuando el sistema DER produce energía que excede las necesidades del cliente, esa energía puede ser vendida en el sistema de distribución. Las ventas al servicio público interconectado podrían ocurrir bajo un acuerdo de medición neta, un valor de tarifa solar, una tarifa de alimentación, un contrato de tipo Purpa (Public Utility Regulatory Policies Act), o como una venta mayorista negociada. Purpa es una ley federal promulgada en 1978, como reacción a una crisis energética; esta ley fue implementada por las comisiones de servicio público del Estado para los servicios de electricidad regulados por la tarifa. Con este esquema de pago por excedentes los distribuidores deben pagar la energía a un valor promedio del ahorro que tienen al no comprar a un generador convencional (Pechman, 2016). En los mercados energéticos asiáticos resulta común que la comercialización de excedentes se realice de acuerdo con el esquema Feed-in Tariff o tarifa de alimentación (FIT). El FIT, o tarifa regulada, es una política de suministro energético que promueve la generación de energía renovable, con un precio mínimo garantizado por KWh durante un periodo estipulado. En
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