Electricity wholesale impacts of aggregation of electric vehicles

Abstract

El sector energético está sufriendo importantes cambios, estos cambios no sólo están afectando a la forma en la que generamos la energía, cambiando de los combustibles fósiles a energías renovables y sostenibles medioambientalmente, sino que van más allá; son cambios en como consumimos la energía que necesitamos, en el comportamiento energético de los consumidores. Se pretende que en esta nueva transición energética el consumidor se convierta en un agente activo más y una gran forma de hacerlo es a través de los recursos distribuidos que pueden instalar. Uno de estos recursos distribuidos son los coches eléctricos con una batería capaz de almacenar energía, lo que da lugar a posibilidades que antes los consumidores no tenían. Por este motivo, y debido a la preocupación que suscita la futura penetración y evolución de los vehículos eléctricos se están realizando varios estudios acerca de que beneficios se pueden extraer de la operación eficiente de la carga y descarga de las baterías de los vehículos eléctricos y que efectos pueden tener sobre las redes de distribución. Las baterías de estos vehículos podrían proporcionar beneficios varios a la red y los usuarios, entre ellos, la reducción de la volatilidad de precios gracias a la capacidad de almacenar energía barata para cubrir necesidades en periodos de precios más altos. Sin embargo, la señal de precio que reciben los consumidores residenciales, y, por tanto, los dueños de los vehículos, tiene más componentes que el simple coste de producción de la electricidad. En la tarifa española se añade un término volumétrico para la recuperación de partes del coste de la red, tanto de distribución como de transporte. Se ha encontrado que esta tarifa distorsiona la señal de precios que reciben los consumidores, no promoviendo su flexibilidad y evitando que se pueda beneficiar el sistema de la capacidad de almacenamiento de los vehículos eléctricos. Sí que es cierto que la tarifa implementada actualmente en el sistema español incentiva, y así se ha comprobado, la carga durante las horas nocturnas y penalizando la carga durante el día evitando que los precios suban. Esta tarifa también intenta incentivar que se pueda almacenar parte de la energía consumida por la noche para reducir los precios en las horas punta del día, pero la diferencia de precios que finalmente ve el consumidor no promueve tal comportamiento salvo en horas con precios muy elevados. En la tesis se realiza el análisis con otra tarifa presentada en (Castro Cerdas, 2016) la cual se llegó a la conclusión de que era más eficiente y menos distorsiva mientras que a la vez permitía recuperar los costes de la red. Con esta tarifa se ha encontrado que ciertamente hay una ligera distorsión, ya que se penaliza con un término de capacidad las horas en las que el consumo horario que asume un coste marginal de largo plazo y se asigna en horas puntas del sistema cuando las redes tienen menos margen disponible, pero al no haber un término volumétrico que aplique a todas las horas la distorsión es menor y la señal de precios que ven los consumidores es más eficiente, lo cual incentiva que se consuma en las horas de menor coste y se produzca en las de mayor coste para así reducir la volatilidad de los precios y siendo posible reducir la factura eléctrica. También se ha realizado un análisis teniendo en cuenta dos posibilidades con dos estructuras de fijación de precios diferentes: nudo único, en la que los precios marginales de todos los nudos son iguales y de precios nodales, donde cada nudo tiene su propio precio marginal. Tras este análisis se ha comprobado que el nudo único distorsiona el comportamiento de los vehículos eléctricos a la hora de generar y consumir energía. Con este sistema de fijación de precios, el vehículo eléctrico ya no puede aprovechar la diferencia de precios que se acrecienta por el efecto de las pérdidas modeladas de manera cuadráticas al flujo entre nudos para obtener beneficio, sino que solo se fija en al margen de precios que haya dentro de su propio nudo. Aun así, la distorsión que crea el sistema de nudo único es mucho menor que el creado por la tarifa española, por ello se propone un paso intermedio entre la solución más eficiente (precios nodales y tarifa eficiente) y la actual (tarifa española con sistema de precio único). Este paso intermedio se basa en un sistema de precio único, pero con la tarifa eficiente.

The energy sector is changing importantly, but these changes do not occur uniquely in the generation of the energy we use by changing from fossil fuels to more sustainable and cleaner energy sources. The changes are also occurring at demand level, in the way consumers use the energy they demand and the behavior of the demand. With the new energy transition that is taking place the idea is that consumers become active agents and a way to start doing this is through the distributed energy sources that they have access to and can install. One of these distributed sources are electric vehicles, with a battery capable of storing energy and delivering new possibilities for the behavior of consumers. For this reason and due to the increasing worry that the future penetration of electric vehicles in the distribution grid, many studies are being made to assess the impact of the vehicles in the system and which benefits we can extract from the correct and efficient operation of electric vehicles. Batteries from the vehicles are an important asset for the system since they allow to store cheap energy to later on give it back to the system in hours of higher prices. In the current situation, EVs don’t have the possibility of injecting energy back to the grid, manufacturers still don’t offer this possibility and the necessary procedures from utilities and aggregators have not still been adapted The price signal experienced by final consumers has more components than the production cost of the energy, these components aim to recover the network costs and other regulated costs. In the Spanish case a volumetric charge is included in the access tariff to recover part of the network and other regulated costs. This component has been found to be distortive for the behavior of EVs, not promoting its flexibility. The Spanish access tariff specifically implemented for EV charging accomplishes its objective in the way that consumption from EVs is mainly incentivized at night hours when the wholesale price and the volumetric charge are lower, penalizing EV charging at high price hours by increasing the tariff volumetric component at those hours. Despite that, in this thesis has been analyzed that the spread in prices observed in the Spanish market until now would not be enough to compensate for battery losses and the degradation effect that batteries would experience. In addition to the previously described study, in this thesis another analysis has been made with the tariff design presented in (Castro Cerdas, 2016). This design is more efficient and less distortive than the current design and at the same time allows to recover the network costs. The efficient design recovers 20% of the network costs with a peak demand charge to the consumers and the other 80% and the other regulated costs as a fixed charge with no volumetric component. In this second case, there is still some distortion with the efficient tariff due to the penalization included at the hours with higher EV demand, but by not being a volumetric term at every hour the distortion is lower and the energy price signal is less distorted., This incentivizes to consume more energy, i.e. charge the batteries, at the lowest price hours to later on deliver it back to the grid when prices reach a sufficiently high level, reducing price volatility. Finally, in the thesis has been carried out an additional study, comparing two different energy pricing schemes: single node pricing and locational marginal prices (nodal pricing). From this study, it has been concluded that the single node pricing distorts the behavior of the agents when generating and consuming energy more than nodal pricing. With single node pricing, electric vehicles cannot take advantage of price differences that would be experienced with nodal prices. In particular, price differences s between the transmission system where most generation is connected and the aggregator node located at distribution where EVs are connected. As final conclusion, the distortion created by adopting a single node pricing is much lower than the one created by the current Spanish tariff, therefore this thesis recommends an intermediate solution to be implemented. This intermediate solution between the most efficient design (efficient network tariff and nodal energy prices) and the current system (Spanish access tariff and single energy price) would be based on a system where the efficient network tariff is implemented but the pricing scheme in Spain would continue to be single node pricing,