Plantas virtuales de energía para la integración de fuentes renovables de generación distribuida en sistemas con demanda de agua y energía

Resumen

Las instalaciones de bombeo de agua para riego son grandes consumidores de energía eléctrica además de ser un complejo sistema de gestión de agua. España es el país de la Unión Europea con mayor extensión para el regadío con casi 4 millones de hectáreas, destacando Aragón con una superficie de 415.998 hectáreas. No obstante, la agricultura se está enfrentando a serios problemas. Por un lado, como consecuencia del cambio climático, los periodos de sequía son cada vez más frecuentes y la disponibilidad de agua para el regadío agrícola se está reduciendo. Además, España se sitúa como uno de los países de la Unión Europea con el mayor coste de electricidad, debido entre otras razones por los costes regulados que afectan especialmente a los consumos estacionales, como es el caso de los sistemas de bombeo de agua para riego que concentra su consumo principalmente entre los meses de mayo a septiembre. La obligación de contratación de la potencia eléctrica para todo el año sin la posibilidad de modificarla durante el mismo perjudica seriamente a este sector. Para reducir el coste de suministro eléctrico, las comunidades de regantes están invirtiendo en instalaciones de generación renovable. La rápida penetración de estas fuentes de generación en el marco de un mercado eléctrico cada vez más competitivo requiere de nuevas tecnologías y sistemas de operación para hacer frente a los nuevos retos técnicos y económicos derivados de la integración óptima de los recursos disponibles. Las plantas virtuales de energía aparecen, así como ejes claves para hacer posible esta integración. Dada la tendencia actual de generar energía de forma distribuida es primordial el control conjunto de las unidades de producción para conseguir el mayor rendimiento del sistema. Esta tesis doctoral realizada por compendio de publicaciones pretende ofrecer soluciones a los problemas planteados anteriormente. El objetivo principal de esta investigación es el estudio, desarrollo y aplicación de nuevos modelos de operación óptima integrada de la generación y el consumo de energía eléctrica junto con las infraestructuras de agua de los sistemas generales de regadío, integrando los recursos de producción eléctrica, la demanda horaria de electricidad y la gestión del agua mediante el modelado matemático de una planta virtual de energía que participa en el mercado eléctrico mayorista para maximizar el beneficio de operación. En primer lugar, se realiza una clasificación y evaluación de los trabajos publicados en los últimos años sobre el modelado de plantas virtuales de energía con participación en distintos tipos de mercados eléctricos. La clasificación se basa en los criterios más relevantes para el modelado, tales como el objetivo del problema, el tipo de problema matemático y método de resolución, los tipos de mercados eléctricos y la aplicabilidad del modelo a casos reales de estudio. Además, se identifican los retos todavía pendientes en este campo de estudio, entre los que destaca la aplicación simultánea de varias estrategias de compra-venta de energía de la planta virtual de energía en los distintos mercados energéticos, además de la utilización de técnicas de inteligencia artificial con el fin de proporcionar al modelo de planta virtual de energía un método de aprendizaje capaz de garantizar un margen de anticipación en sus decisiones. Posteriormente, para analizar el alcance real de la gestión de energía de acuerdo al diseño y operación de una planta virtual de energía, se desarrolla y aplica un nuevo modelo matemático de despacho horario técnico-económico a un gran sistema energético real de bombeo de agua para riego agrícola con recursos de producción renovable que evacuan directamente su producción a la red de distribución (centrales hidroeléctricas y un parque eólico), plantas de autoconsumo fotovoltaico asociadas a cada estación de bombeo y demanda eléctrica para maximizar el beneficio de operación conjunto de la planta virtual de energía. El comportamiento del modelo se ilustra para un año entero. Como ampliación del modelo anterior y afrontar el complejo reto de gestión eficiente del binomio agua-energía en las instalaciones de bombeo de agua, se desarrolla y aplica un nuevo modelo de despacho horario con la integración de los recursos energéticos e hídricos para la optimización de los costes de energía y de los cargos por demanda máxima en un gran sistema de regadío para un año entero, convirtiéndose en un modelo de tipo no lineal mixto-entero. A partir de los resultados obtenidos, el modelo con integración de la gestión del binomio agua-energía consigue aumentar el autoconsumo de energía renovable y ahorrar costes de suministro eléctrico al reducir la potencia contratada anualmente en los periodos horarios con mayor coste energético. Por otra parte, la aplicación de fuentes de energía renovable debe considerar el acoplamiento de la producción de electricidad con la demanda de energía eléctrica de las estaciones de bombeo y contemplar las limitaciones técnicas de las instalaciones hidráulicas de bombeo, almacenamiento y distribución del agua. Por tanto, por último, se propone el desarrollo de un modelo matemático de despacho a corto plazo con gestión técnica y económica para obtener la programación horaria óptima de los equipos de bombeo, minimizando los costes de operación de una estación real de bombeo de agua con autoconsumo fotovoltaico, sujeto a las restricciones eléctricas e hidráulicas de los sistemas de bombeo, y garantizando la demanda de riego. A partir de los resultados obtenidos, se puede comprobar que gracias a la combinación de instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo y variadores de velocidad se consigue maximizar el porcentaje de energía autoconsumida y así, reducir los costes energéticos de la estación de bombeo además de mejorar la gestión del agua. En definitiva, esta tesis doctoral pone de manifiesto la importancia de desarrollar estrategias de gestión óptima de fuentes de generación eléctrica renovable e infraestructuras de agua para minimizar los costes energéticos y mejorar la eficiencia energética.