Estudio de rendimiento, eficiencia energética y rentabilidad de las instalaciones de autoconsumo particulares enfocado desde el punto de vista del sistema eléctrico

Abstract

El autoconsumo eléctrico se define como la capacidad de producir, consumir y gestionar la energía generada en una instalación propia con o sin acumulación de la misma. El objetivo principal de este proyecto es el de analizar el impacto que poseen las tecnologías de autoconsumo en el conjunto del sistema eléctrico nacional. El estudio de los impactos se ha abordado analizando las características de las diferentes tecnologías que componen el marco actual del sector del autoconsumo. El análisis se ha realizado en un enfoque cualitativo y se ha centrado en los aspectos de carácter técnico que afectan a la red de distribución y su relación con las tecnologías de autoconsumo. Para cuantificar los impactos se ha procedido a la elaboración de un modelo de tres redes de distribución persiguiendo la mayor representatividad de la configuración del sistema eléctrico. La plataforma de simulación ha sido la de Simulink perteneciente al programa informático de Matlab. Se ha empleado la biblioteca de “Simscape Power Systems” para el desarrollo del modelo. Los escenarios de simulación han sido: Un primer escenario correspondiente a una zona urbana con consumo residencial y comercial, un segundo escenario rural con consumo principalmente residencial y un tercer escenario de un polígono industrial. En su elaboración se han modelado las curvas de generación de las tecnologías, las curvas de consumo de los tres principales consumidores y los elementos de la red. Para cada escenario se diferenciaran cinco niveles de simulación:  Nivel 0: Primer nivel sin existencia de tecnologías de autoconsumo. Únicamente los consumos.  Nivel 1: Nivel en el que se introducen las tecnologías de autoconsumo en el escenario sin posibilidad de almacenamiento en baterías.  Nivel 2: Nivel similar al anterior pero con introducción de almacenamiento en baterías.  Nivel 3: Nivel formado únicamente por tecnología de autoconsumo solar fotovoltaica sin almacenamiento en baterías.  Nivel 4: Nivel similar al anterior pero con almacenamiento en baterías. Cada nivel poseerá cuatro simulaciones diferentes combinando los casos de un día festivo y laboral típico y las estaciones de verano e invierno. Los resultados arrojados por las estiman el potencial máximo de penetración del autoconsumo con un grado de penetración del 35% en términos energéticos con tecnologías mixtas y un 55% con tecnología solar fotovoltaica. Se recoge una clara reducción del índice de pérdidas eléctricas producidas en la red con reducciones de entre dos y tres puntos porcentuales en los escenarios con autoconsumo implantado. En la comparación de los diferentes niveles y escenarios, se ha observado que las redes urbanas e industriales apenas han presentado incompatibilidades. En la red rural se han superado los límites de las tensiones y de las potencias nominales de los elementos de la red, especialmente en las horas centrales del día en los que la generación fotovoltaica alcanza su máximo. Esto plantea la posibilidad de realizar reformas en estas redes. En los tres escenarios se ha comprobado que la implantación de tecnologías de almacenamiento reduce en gran medida los impactos anteriormente descritos. En lo que se refiere a la operación del sistema el potencial de estas tecnologías no se completará hasta que no se desarrolle un control más activo de los consumos de los particulares. El proyecto finaliza con un análisis económico y un estudio legislativo. El análisis económico se emprende desde dos enfoques. El primero de ellos se ha centrado en el impacto económico en el consumidor particular y el segundo en el impacto producido en el sistema. En los dos enfoques se utilizan los resultados obtenidos en el modelo de simulación. enfoques se utilizan los resultados obtenidos en el modelo de simulación. iii A partir del estudio económico se ha podido comprobar la rentabilidad de las diferentes tecnologías para el consumidor. Las tecnologías han presentado buenos resultados de rentabilidad amortizándose las inversiones en periodos menores de 15 años siendo la tecnología solar fotovoltaica la más rentable. En el estudio aplicado sobre el sistema se ha comprobado la ineficacia de la estructura tarifaria para afrontar los costes del sistema en un marco en el que se reduce la energía demandada por los consumidores. En los primeros años de implantación será necesaria la creación de una nueva estructura en la tarifa que permita la correcta transición entre el contexto actual y el contexto futuro. El contexto legal se caracteriza por su escasa madurez existiendo puntos en la regulación que pueden ser revisados para mejorar la implantación del autoconsumo a nivel nacional. Uno de los puntos principales es la imposibilidad actual de compartir una instalación de autoconsumo entre varios usuarios ya que la ley obliga a que el titular propietario de la instalación y el consumidor sean la misma persona jurídica. En una situación como la española en la que la mayor parte de los núcleos de población están formados por bloques de viviendas esto constituye un importante freno al desarrollo.

Self‐consumption is defined as the capacity of an user of producing, consuming and managing its own electric power with or without accumulation of it. The main objective of this final degree project is to analyze the impact that the selfconsumption technologies have on the Spanish electric grid. The impact’s research has been tackled analyzing the characteristics of the different technologies which compound the current setting of the self‐consumption sector. This analysis has been carried out from a qualitative point of view and it is been focused in the technical aspects which affect the distribution network and its relation with selfconsumption technologies. In order to quantify the impacts the project proceeds with the creation of a simulation model of three different distribution networks. Each network pursues the maximum similarity with the configuration of the actual electric network. The platform used for the simulations has been Simulink from the Matlab software. It has been also used the library “Simscape Power Systems” included in the software. The first network corresponds to an urban area with residential and commercial demand. The second one corresponds to a rural area with residential demand and the third one corresponds to an industrial state. The generation curves of each technology, the demand profiles of each consumer and the elements of the networks have been modeled as well. For each distribution network the following five simulation levels will be run:  Level 0: The first level without self‐consumption facilities installed in the network. It only consists of demand.  Level 1: Level with self‐consumption facilities installed in the network without the introduction of accumulation devices (batteries).  Level 2: Level with self‐consumption facilities installed in the network with the introduction of accumulation devices (batteries).  Level 3: Level with self‐consumption facilities formed by only photovoltaic installations without the introduction of accumulation devices (batteries).  Level 4: Level with self‐consumption facilities formed by only photovoltaic installations with the introduction of accumulation devices (batteries). For each level four simulations will be carried out combining the cases of a labor and a holiday day and the summer and winter seasons. The results of the model show the maximum potential of penetration of selfconsumption technologies in the grid. The penetration index reaches the number of 35% in energy terms for the cases with mixed self‐consumption technologies and the number of 55% for the cases with only photovoltaic technology. A clearly reduction in the power losses can be also found in the simulations. In those networks with self‐consumption the reduction in the energy losses was between 2 and 3 (percent) lower compared to the networks without self‐consumption. In the comparison between the different levels it has been noticed that the urban and industrial grids have barely shown incompatibilities. On the other hand the rural grid have shown problems with the voltage control and the nominal power of the networks, especially in the midday hours when the photovoltaic generation reaches its maximum. These problems set up the possibility of making future alterations in the grid in case self‐consumption is introduced. The accumulation devices have proven their ability to reduce the impacts previously described. In relation with the operation of the system it must be said that the self‐consumption technologies will not reach its maximum potential until it is not develop a more active control of the consumer’s demand. The project concludes with an economical analysis and a legislative study. The economical study is developed from two approaches. The first approach has been focused in the economical impact and profitability that self‐consumption technologies have on the particular consumer. The second approach has been focused in the economical impact that these technologies have on society and the system. Thanks to the economical study it has been possible to verify the profitability of these new technologies for the particular consumer. The results are good and show that most installations are repaid in periods of time smaller than 15 years. The photovoltaic technology has been the most profitable. The second approach has shown the inefficiency of the current tariff configuration to afford the costs of the system in a scenario where the electric demand of the consumer suffers a drastic reduction. It will be needed the creation of a new tariff structure which will be able to assure the proper transition between the current and the future contexts. The legislative study shows that the current legislation is very recent. Some points of the regulation can be revised in order to improve the implantation of the selfconsumption in the country. The point which states that the owner of the generation facility cannot share the generation between his neighbors becomes a topic of particular interest since most of the residential areas in Spain are formed by block of apartments.