Efficient implementation and potential benefits of demand response in electricity distribution networks

Abstract

En un futuro cercano, la respuesta de la demanda (Demand Response, DR) podría traer enormes beneficios a las redes de distribución eléctrica y cambiar drásticamente la forma en que los distribuidores (Distribution System Operators, DSOs) operan y planifican sus redes. Si los DSOs pudieran contar con mecanismos a través de los cuales aprovechar la flexibilidad de la demanda de los consumidores conectados a la red (bien a través de tarifas o incentivos explícitos), podrían llevar a cabo estas tareas de una forma más inteligente y eficiente. A través de estos servicios, es previsible que pudieran evitar congestiones y sobrecargas, gestionar de una forma más eficiente las faltas y las interrupciones de suministro e incluso reducir las pérdidas. Ante la previsión de futuras condiciones de estrés en la red, en el largo plazo estas estrategias podrían traducirse en la reducción o en el retraso de inversiones en expansiones de capacidad. En esta tesis se estudian la viabilidad y los beneficios económicos potenciales de la respuesta de la demanda como un recurso de flexibilidad para una gestión activa de las redes de distribución. También se analizan las posibles implicaciones de una hipotética implantación de mecanismos de gestión activa de la demanda como un recurso distribuido al alcance del DSO desde una perspectiva múltiple: el consumidor, la red de distribución y el marco regulatorio. Desde la perspectiva del consumidor, se propone una metodología original para caracterizar empíricamente y de forma probabilista la flexibilidad de una población de consumidores a partir de una muestra representativa. El objetivo es que dicha metodología pueda ser utilizada por un gestor de la demanda, o agregador, como herramienta de apoyo en la toma de decisiones en un contexto de aplicación real. Mediante la aplicación de técnicas de regresión cuantílica, se propone obtener una parametrización de las funciones de distribución de la flexibilidad individual de cada consumidor condicionada a una serie de factores controlables y ambientales, que permiten la partición de la población por tipos de flexibilidad y la definición de reglas de clasificación a través de características que definen a los consumidores, así como la definición de novedosas medidas de riesgo. Asimismo, se aplica la metodología propuesta en un caso de estudio basado en un piloto real desarrollado en España. Desde la perspectiva de la red de distribución, se propone una metodología de evaluación de los beneficios económicos que implicaría la utilización de la gestión activa de la demanda en las redes de distribución a través de la reducción de los costes de inversión para expandir la capacidad de las redes. Dicha metodología se basa en la utilización de un Modelo de Red de Referencia (RNM) y es aplicada a un caso de estudio basado en redes representativas de España y datos de consumo reales. Finalmente, se revisa el marco regulatorio que afecta a la aplicación de la gestión de la demanda a nivel de red en entornos de competencia en los que la actividad de distribución, monopolio natural, queda separada de otras actividades, como en los países europeos. En dicho análisis, se identifican las principales barreras regulatorias y se revisan las principales recomendaciones para permitir el desarrollo de la DR en redes de distribución en el futuro. Se particulariza el análisis en un conjunto de países europeos: España, Italia, Alemania, Francia, Reino Unido y Suecia.Demand response (DR) could drastically change the way Distribution System Operators (DSOs) operate their networks. Provided DSOs could procure flexibility services from consumers, they could count on an additional tool to operate and plan their networks more actively and efficiently. Making use of DR services (either through smart tariffs or explicit incentives), they would possibly be able to reduce network losses, avoid network congestions or better manage network faults and outages. If grid constraints were visible in the long term, DSOs could partially avoid or defer reinforcement investment costs. This thesis studies the feasibility and the potential economic benefits of demand response as a flexibility resource for an active management of distribution networks. Furthermore, it analyzes the potential economic and regulatory implications of the implementation of DR at distribution network level from a threefold perspective: the consumer, the network and the regulatory environment. From the perspective of the consumer, this thesis presents an original empirical methodology to characterize the uncertainty and the variability of the load flexibility of an entire population of consumers in response to economic incentives with the aim of assisting DR providers in real implementation cases. For this purpose, Quantile Regression (QR) is applied on real data to fit a concise and parametric representation of individual conditional distribution functions of flexibility of single consumers. This detailed parameterization allows for an easy partition of the sample of consumers into different categories and the definition of classification rules based on consumer-specific characteristics, which allow the classification of the larger population from which the sample has been taken. From the perspective of the distribution network, the mechanisms that would allow DSOs to incorporate DR procedures into their network operation and planning strategies are explored. Furthermore, a methodological approach based on a Reference Network Model (RNM) is presented to quantify the potential economic benefits that DR could bring to distribution grids and applied to a case study for Spanish distribution networks. The centre of the methodology is the quantification the potential ability of DR as a resource to defer planned distribution investments by alleviating local peak capacity. It becomes evident that the economic value of DR would be very dependent on local network characteristics, such as the network configuration and the congestion level, the expected load growth and location of consumers providing flexibility, among others. Finally, the regulatory environment affecting the implementation of DR at distribution level in deregulated systems is analyzed. The main regulatory barriers that could slow down its successful development in the near future are identified from a European perspective. The analysis is particularized in a set of six countries: Spain, Italy, Germany, France, Great Britain and Sweden. A series of general regulatory recommendations in specific areas (smart metering, DSO remuneration, network tariff design, DR provider regulation and consumer protection) are provided to allow and incentivize network operators to count on DR as a valid flexibility resource for an active and efficient network operation and planning.