Explorando la aplicación de blockchain para la provisión de servicios de balance mediante VEs

Abstract

El siguiente trabajo introduce el caso de uso de la tecnología blockchain aplicada a la gestión de vehículos eléctricos que, de forma agregada, proporcionan un producto de balance a la red eléctrica. El estudio resulta de especial interés pues ofrece una solución innovadora y eficaz en un contexto marcado por el crecimiento de la demanda eléctrica mundial y la emergencia climática. El documento comienza con la descripción del contexto energético actual. Se hace referencia al concepto de mix energético y se muestra cómo las energías renovables tienden a sustituir a los combustibles fósiles. Esta tendencia deriva en una evolución del sistema eléctrico, que se aleja del tradicional esquema vertical. Surgen las Smart Grids, redes que incorporan tecnologías de la información para optimizar procesos y operaciones, lo que resulta en sistemas eléctricos más eficientes que se adaptan fácilmente a la generación renovable. La siguiente etapa del trabajo consiste en definir las dos tecnologías principales que intervienen: recursos de energía distribuidos y blockchain. Se comienza comentando el marco europeo en políticas climáticas en el que aparecen los recursos de energía distribuidos. Estos recursos tienen la posibilidad de aportar flexibilidad a la red eléctrica. Para ello nace un nuevo agente en el sistema eléctrico, el agregador, que reúne la potencia necesaria para participar en servicios de red. Esta acción está regulada a través de una serie de productos específicos para servicios de red. Por otro lado, la tecnología blockchain propone una estructura de datos ideal para la gestión de transacciones. Las principales características de la misma son transparencia, inmutabilidad y automatización. Del mismo modo se discuten los diferentes tipos de blockchain, mecanismos de consenso y algunos conceptos técnicos importantes. A continuación, se introduce la tecnología Vehicle-to-Grid, la cual permite al vehículo eléctrico verter energía a la red y viceversa, convirtiéndolo así en parte activa del sistema eléctrico. Se expone el estado del arte de la técnica, así como el marco legal relativo a los servicios de balance en el sistema eléctrico peninsular español. Adicionalmente se define el concepto de esquema de coordinación y se realiza un estudio de las relaciones entre los agentes involucrados en el caso en el que un conjunto de vehículos eléctricos proporcionen un producto de red. Se distinguen dos escenarios diferentes: el lugar de carga es el domicilio particular; el lugar de carga es un edificio público. Estas relaciones se muestran a través de esquemas que recogen el flujo de información, energía y dinero entre los agentes. Posteriormente, se procede a determinar en qué transacciones y etapas del proceso tiene sentido la aplicación de la tecnología blockchain. Se particulariza para el escenario segundo, en el que la carga se realiza en un edificio público. La metodología empleada consiste en un examen detallado de cada una de las transacciones para seguidamente justificar el empleo o no de esta tecnología, teniendo en cuenta las ventajas que aporta. La siguiente etapa consiste en la presentación de la oportunidad de negocio existente en torno al desarrollo a una plataforma que utilice blockchain para gestionar vehículos eléctricos que, de forma conjunta el servicio de balance al sistema. Se argumenta la elección de la Ciudad Grupo Santander y Ciudad BBVA, como lugares de carga óptimos en los que desarrollar el proyecto. Se emplea la plantilla de gestión estratégica Business Model Canvas, con el fin de definir socios, recursos y actividades clave, profundizar la propuesta de valor y analizar el segmento de clientes, así como canales de comunicación y relación con los mismos. En el siguiente apartado se realiza un estudio orientativo de los ingresos y costes del proyecto, calculando también la rentabilidad del mismo. Por último, teniendo en cuenta los resultados obtenidos, se presentan las conclusiones del trabajo. Como principal resultado se obtiene que la aplicación de blockchain sirve para tener un registro de la energía intercambiada y los pagos a los usuarios para cada producto de balance. Asimismo, se describen varias líneas futuras de investigación relacionadas con el proyecto, tales como un modelo económico más detallado o el impacto de un proyecto de este tipo en la red de distribución.

This thesis introduces the use case of blockchain technology applied to the management of electric vehicles that, in aggregate, provide balancing services to the system. The study is of special interest as it offers an innovative and effective solution in a context marked by the growth of world electricity demand and the climate emergency.

The document begins with the description of the current energy context. The first section described the energy mix and it is shown how renewable energies tend to replace fossil fuels. This trend leads to an evolution of the system, which departs from the traditional vertical scheme. Smart Grids emerge, grids that incorporate information technologies to optimize processes and operations, resulting in more efficient electricity systems that are easily adapted to renewable generation.

The next stage of the work consists in defining the two main technologies involved: distributed energy resources and blockchain. At first, the European framework on climate policies in which distributed energy resources appear is discussed. These resources have the possibility of providing flexibility to the grid. For this, a new agent will play a role in the electricity system, the aggregator, which gathers the necessary resources to participate in grid services. This action is regulated through a series of specific products for grid services. On the other hand, blockchain technology proposes an ideal data structure for transaction management. The main characteristics of it are transparency, immutability and automation. Similarly, the different types of blockchain, consensus mechanisms and some important technical concepts are discussed.

Next, Vehicle-to-Grid technology is introduced, which allows the electric vehicle to pour energy into the grid and vice versa, thus making it an active part of the electricity system. The state of the art of the technique is exposed, as well as the legal framework related to balance services in the Spanish peninsular electricity system. Additionally, the concept of the coordination scheme is defined and a study of the relationships between the agents involved is carried out in the case in which a group of electric vehicles provides a grid product. Two different scenarios are distinguished: the charging place is the home and the charging place is a public building. These relationships are shown through schemes that collect the flow of information, energy and money between agents.

Subsequently, it is determined in which transactions, stages of the process the application of blockchain technology makes sense. It is particularized for the second scenario, in which the charging is carried out in a public building. The methodology used consists of a detailed examination of each of the transactions and the justification of the use or not of this technology, taking into account the advantages it provides.

The next stage consists of presenting the existing business opportunity around the development of a platform that uses blockchain to manage electric vehicles that in aggregate facilitate the provision of balancing services. The choice of Ciudad Grupo Santander and Ciudad BBVA is argued as the optimal charging places in which to carry out the project. The strategic management template Business Model Canvas is used in order to define partners, resources and key activities, deepen the value proposition and analyze the customer segment, as well as communication channels and relationships with them. In the following section, a brief study of the project's income and costs is carried out, also calculating its profitability.

Finally, taking into account the results obtained, the conclusions of the paper are presented. The main result is that the blockchain application allows to have a record of the energy exchanged and the payments for each balancing product. Furthermore several future lines of research related to the project are described, such as a more detailed economic model or the impact of a project of this kind in the distribution grid.