Optimización del autoconsumo de electricidad fotovoltaica: El sistema GEDELOS-FV

Como es bien sabido, en una instalación fotovoltaica conectada a la red convencional —formada por el generador fotovoltaico, el inversor y las protecciones y elementos de medida asociados—, la variabilidad temporal del recurso solar, unida al desacoplo existente entre la generación y el consumo locales limitan, en general, el porcentaje de autoconsumo alcanzable a la correlación temporal existente entre generación y consumo. En este artículo presentamos los resultados de un proyecto que ha demostrado que mediante el uso de estrategias de gestión innovadoras basadas en tecnologías actualmente disponibles es posible elevar considerablemente los niveles de autoconsumo de usuarios residenciales.

Se conoce como Gestión de la Demanda Eléctrica (GDE) el conjunto de acciones cuyo objetivo común es influir sobre el uso que los consumidores hacen de la electricidad, de forma que se produzcan los cambios deseados, tanto para producir un ahorro de energía como para aumentar la eficiencia, ya sea en el ámbito individual como en la curva de demanda agregada (J.I. Pérez et al., 2005). La combinación de la GDE con tecnologías de acondicionamiento de potencia de última generación (inversores de conexión a red combinados con sistemas de almacenamiento eléctrico de pequeña escala y control activo de la interfaz de red) conduce a un nuevo concepto llamado ‘Gestión Activa de la Demanda Eléctrica’ (GADE) que no sólo permite optimizar el uso de la electricidad fotovoltaica, sino que puede proporcionar beneficios para otros consumidores conectados a la misma red de distribución (a través de estrategias cooperativas) así como para la propia red (por ejemplo, para contribuir a su estabilidad en respuesta a comandos procedentes del operador de la red).

Los consumidores residenciales pueden ser los primeros beneficiados del uso de estrategias de GADE mediante el uso de tecnologías de control que faciliten (automaticen) las tareas de gestión de la demanda sin comprometer la satisfacción de sus necesidades y preferencias. Actualmente la GADE está incrementando sus posibilidades de implementación debido a la aparición en el mercado de electrodomésticos y dispositivos electrónicos con capacidad de monitorización y control. No obstante, su desarrollo plantea los siguientes retos:

- Desde una perspectiva de la ingeniería fotovoltaica, es necesaria la supervisión y gestión del sistema en tiempo real, así como predicciones de generación a corto plazo (por ejemplo, en un horizonte a 24 horas).

- Desde una perspectiva de la ingeniería de control, se debe disponer de capacidad de controlar parte de la demanda, de forma que pueda ser modificada en función de diferentes variables de estado que influyen en la misma, teniendo en cuenta además información proveniente de la producción local y de la red eléctrica.

Estos retos han motivado el desarrollo del proyecto ‘Gestión de la Demanda Eléctrica Doméstica con Tecnología Solar Fotovoltaica’ (GEDELOS-FV, financiado por el Plan Nacional I+D+i 2004-2007), llevado a cabo en la Universidad Politécnica de Madrid, algunos de cuyos resultados se presentan en este artículo.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de un sistema fotovoltaico conectado a la instalación interior de un consumidor doméstico, la cual cuenta con un pequeño sistema de acumulación eléctrica (baterías). En la figura se pueden observar las potencias de interés, donde las flechas indican el sentido positivo de las mismas.

Para maximizar el uso de la electricidad fotovoltaica, se considera que el sistema de almacenamiento sólo puede cargarse con electricidad proveniente de la generación local, no permitiéndose la carga procedente de la red eléctrica. Por otro lado, también se considera que la descarga sólo puede producirse para suministrar a la demanda local, no siendo posible entregar electricidad proveniente del sistema de almacenamiento a la red eléctrica.

Con el objetivo de evaluar el aprovechamiento local de la generación fotovoltaica, se define el Factor de autoconsumo (ξ) como la fracción de la electricidad demandada por las cargas que es abastecida por la generación local, tanto directa como indirectamente:

donde E_{pv, l}, representa la electricidad fotovoltaica que alimenta directamente a las cargas, E_{bat, l} es la electricidad extraída de las baterías y entregada a las cargas, y E_l es la electricidad consumida por las cargas.

El sistema GEDELOS-FV es un ejemplo de valor añadido de la electricidad fotovoltaica que combina tecnología fotovoltaica híbrida de última generación con estrategias de Gestión Activa de la Demanda Eléctrica. Su principal objetivo es abastecer las necesidades eléctricas del usuario optimizando el uso de la generación local, para lo cual se combinan dos estrategias principales: 1) modificar el patrón de consumo para integrarlo en la medida de lo posible con el patrón de generación local, y 2) gestionar el sistema de almacenamiento para almacenar los excedentes de generación y su uso posterior en horas de baja o nula generación.

La Figura 2a muestra la estructura general del sistema GEDELOS-FV a nivel de bloques, en el que se distinguen el sistema fotovoltaico, sistema de control, cargas y sensores asociados, así como los elementos con los que interactúa el sistema (el usuario y la red eléctrica). En la figura se señalan mediante flechas azules los flujos de energía entre los distintos elementos susceptibles de generar electricidad (sistema fotovoltaico, baterías o red eléctrica) o consumirla (cargas, baterías y red eléctrica). Las flechas negras indican el sentido en que los distintos elementos intercambian información: puede verse cómo GEDELOS FV recibe información desde todos los elementos y proporciona información a los actuadores (control distribuido) y al propio usuario de la vivienda. Por último, las flechas rojas indican el sentido en el que viajan los comandos de actuación: GEDELOS FV es el encargado de actuar sobre el resto de elementos, en paralelo con las demandas del usuario a las que se dota de máxima prioridad, y que pueden transmitirse a través del sistema o comunicarse directamente a las cargas.

El sistema ha sido desarrollado en el prototipo de vivienda solar ‘Magic Box’ (Figura 2b), que representó a España en el concurso internacional Solar Decathlon 2005. Está dotado de un generador fotovoltaico de 7 kWp distribuido en 4 planos de captación (12º, 25º, 39º y 90º) y 6 ramas independientes conectadas a inversores tipo ‘string’, un banco de baterías de 36 kWh conectado a un inversor-cargador de 5 kW, una pequeña estación meteorológica y elementos de medida (contador). La vivienda dispone además de electrodomésticos típicos de una casa altamente electrificada: lavadora, secadora, lavavajillas, frigorífico, congelador, vitrocerámica, horno, iluminación y equipos audiovisuales. Las cargas de mayor consumo (lavadora, lavavajillas y secadora) son controladas remotamente utilizando una pasarela residencial que opera en un bus PLC (Power Line Communication), y se consideran ‘diferibles’, en la medida en la que el usuario podría permitir su ejecución desplazada en el tiempo. Por el contrario, el resto de cargas son consideradas ‘no diferibles’ y su ejecución se realiza en respuesta a la demanda del usuario (por ejemplo, iluminación).

Por encima del sistema fotovoltaico, almacenamiento y cargas anteriormente descritos, los cuales constituyen la parte hardware del sistema, se encuentran una serie de herramientas software que supervisan el funcionamiento de los componentes del sistema y controlan los flujos de potencia y energía:

- En el nivel de supervisión se ha desarrollado un bloque de predicciones que proporciona estimaciones horarias de la producción fotovoltaica en las próximas 24 horas, basadas en predicciones de radiación solar y temperatura provenientes de la Agencia Española de Meteorología junto con modelos que consideran las características particulares de la instalación fotovoltaica.

- En el nivel del control de cargas, el control de la demanda de la vivienda es llevado a cabo por un planificador compuesto por una parte distribuida y otra centralizada. La parte distribuida está dividida en agentes: cada agente representa un electrodoméstico controlable, contiene información sobre el consumo del mismo (la curva de demanda de, por ejemplo, poner una lavadora en un determinado programa), las órdenes que puede realizar y un módulo de comunicaciones encargado en comunicarse con los demás agentes. Así, cada agente produce una planificación temporal de acuerdo con las preferencias y necesidades del usuario, el estado del sistema y las predicciones de generación fotovoltaica. La parte centralizada del planificador recibe y evalúa las planificaciones de los diferentes agentes, escogiendo finalmente una de acuerdo al objetivo de maximización de autoconsumo para, posteriormente, enviar las órdenes de actuación a los electrodomésticos en los momentos adecuados.

- Asimismo, se ha desarrollado un controlador de batería de alto nivel, el cual determina el uso indirecto de la electricidad fotovoltaica y con ello los flujos de potencia en la vivienda, de acuerdo al objetivo energético planteado y asegurando que no se producen cargas procedentes de la red o descargas hacia esta (M. Castillo, 2010). Este controlador permite también limitar mediante software la capacidad utilizable de la batería, lo que permite trabajar con distintos tamaños del sistema de almacenamiento.

Con el objetivo de llevar a cabo experimentos de larga duración y con diferentes parámetros de funcionamiento del sistema GEDELOS-FV se ha desarrollado un simulador que modela el comportamiento eléctrico de la vivienda. Se han realizado simulaciones basadas en un perfil real de generación anual. Como patrón de consumo se ha fijado una demanda diaria de 11 kWh, con una distribución típica de un día laborable en una familia española, donde la mayoría del consumo se produce en las últimas horas del día (REE, 2010; Figura 4a) y en la que la parte diferible y, por tanto, controlable representa el 22% del consumo diario. Además, para que la generación sea comparable a la demanda en términos anuales, el perfil de generación ha sido atenuado a un generador de 5,6 kWp. La Figura 3 muestra los resultados de las simulaciones realizadas. Se ha representado el factor de autoconsumo (ξ) en función de la capacidad del sistema de almacenamiento, para lo cual se ha simulado el funcionamiento anual del sistema sin GADE para distintas capacidades (curva verde), así como con la funcionalidad de GADE activada (curva roja). Nótese que la capacidad se muestra normalizada por el consumo diario, representando los días de autonomía que proporciona:

Del análisis de estas curvas se deduce:

- En ambos casos existe una primera región (capacidades de hasta aproximadamente un día de autonomía), para la cual el autoconsumo experimenta un importante crecimiento con la capacidad. Para capacidades elevadas ambas curvas se saturan, mostrando el límite de autoconsumo anual alcanzable.

- Un punto relevante de las curvas es el de C_n=0, es decir, en ausencia de almacenamiento. En el caso de no existir GADE, el autoconsumo alcanza aproximadamente un 33% (ξ=0.33), siendo este el denominado ‘autoconsumo natural’ derivado de la correlación temporal generación-consumo. En presencia de GADE el autoconsumo se incrementa hasta un valor próximo al 50% (ξ=0.47).

- Los incrementos en autoconsumo como resultado de la aplicación de estrategias de GADE no son constantes: para pequeños valores de capacidad (C_n<0,5) la mejora es superior al 30%, y pasa a disminuir conforme aumenta la capacidad de las baterías (incrementos del 23%, 6% y 2% para valores de C_n=0,5, 0,8 y 1 respectivamente). Ello se debe a que conforme mayor es el sistema de almacenamiento, más cantidad de electricidad fotovoltaica puede ser consumida de forma indirecta y, por tanto, menor será el efecto de la correlación temporal entre la demanda eléctrica y el perfil de generación.

Por otra parte, se ha realizado una campaña experimental de medidas durante 1 año completo, con el objeto de validar el funcionamiento del sistema en condiciones reales de operación. Para ello, en los casos en los que se han utilizado el sistema de almacenamiento, este se ha dimensionado para proporcionar medio día de autonomía (C_n=0,5 - 6 kWh), y se ha considerado un consumo diario de 10 kWh ±10%.

La Figura 4 muestra varios días con una generación fotovoltaica similar (días soleados) y distintas configuraciones del sistema GEDELOS-FV: sin batería ni GADE, sin batería y con GADE, con batería y sin GADE y con batería y GADE. En la Tabla I se muestra el autoconsumo diario obtenido, así como las principales variables energéticas, donde el signo positivo o negativo de 2 de ellas (E_bat y E_red) está relacionado con el sentido de los flujos respectivos (véase Figura 1). Así, valores de E_bat<0 se refieren a la electricidad introducida en las baterías, y valores de de E_bat>0 son relativos a la electricidad proporcionada por estas; del mismo modo, E_red0 implica electricidad inyectada en la red y E_red>0 electricidad suministrada por esta.

Como puede observarse, en ausencia de almacenamiento la Gestión activa de la demanda permite duplicar el autoconsumo diario (del 32 al 63%), disminuyendo asimismo los intercambios con la red eléctrica. El uso del almacenamiento permite almacenar el excedente de generación (generación fotovoltaica – demanda) utilizando distintas estrategias. En el día sin GADE, por ejemplo (Figura 4c), se puede observar un ejemplo de carga a potencia constante hasta el mediodía solar, momento en el las baterías absorben puntualmente el excedente de generación para volver a cargarse a potencia constante. En cambio, en el día con GADE (Figura 4d) las baterías se han programado para cargar constantemente el excedente de generación hasta que llegan a su nivel de carga máximo permitido, momento en el que se interrumpe la carga para proteger a las baterías frente a fenómenos de sobrecarga. En este caso, la energía intercambiada con las baterías en el ciclo de carga-descarga es inferior al día sin GADE, incrementándose así la eficiencia global del sistema. En términos de autoconsumo diario se observa también un incremento del 4%.

En la misma tabla se incluyen los resultados de experimentos realizados con almacenamiento y GADE en días típicos del año. Como puede observarse, los valores de autoconsumo oscilan entre el 38 y el 97% para una generación fotovoltaica entre 3 y 24 kWh, equivalente a valores de productividad final diaria de entre 0,6 y 4,3 kWh/kWp.

Como conclusiones principales de este proyecto, se puede afirmar que el sistema GEDELOS-FV ha demostrado la complementariedad de estrategias de gestión de la demanda y sistemas de almacenamiento locales de pequeña capacidad para optimizar el autoconsumo en instalaciones fotovoltaicas ubicadas en viviendas. Ello exige la integración de distintos ámbitos de ingeniería (fotovoltaica y de control), dada la complejidad del problema; no obstante, el resultado constituye un incremento del valor añadido de la tecnología fotovoltaica, cuyo reconocimiento determinará la facilidad con la que estos sistemas logren integrarse en las denominadas ‘Redes inteligentes’.

En la actualidad, los autores de este trabajo continúan sus investigaciones con el objetivo de identificar el potencial de autoconsumo alcanzable mediante estrategias como las aquí descritas aplicadas a distintos tipos de usuarios y emplazamientos. Asimismo, estamos introduciendo mejoras en el carácter distribuido del sistema a través del desarrollo de procedimientos de predicción de la generación fotovoltaico que no requieran del suministro de datos externos, así como mediante la posible complementariedad que ofrecen sistemas de almacenamiento de gran interés potencial, como es el caso del vehículo eléctrico.

En este sentido, se ofrece la colaboración con actores y usuarios de la industria fotovoltaica a través de proyectos piloto que deseen optimizar la gestión de la generación y el consumo locales, en pos de contribuir a la transformación del sistema eléctrico actual en uno en el que prime el aprovechamiento de los recursos renovables y en el que todos los usuarios ─no solo los grandes consumidores─ desempeñen un papel activo.

Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia Español (Plan Nacional I+D+I 204-2007) como parte del proyecto “Gestión de la Demanda Eléctrica Doméstica con Tecnología Solar Fotovoltaica” (referencia ENE2007-66135). Los autores quieren agradecer a los fabricantes de los componentes fotovoltaicos (SMA-Ibérica), electrodomésticos (Siemens) y equipos eléctricos (Orbis) su ayuda en el soporte técnico y a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación por su ayuda en la construcción y mantenimiento del prototipo “MagicBox”.

Referencias

J.I Pérez Arriaga, L.J. Sánchez, M.Pardo, ‘La gestión de la demanda de electricidad’, Ed. Fundación Alternativas, Madrid (2005).

M. Castillo, ‘Optimización del uso de tecnología fotovoltaica en entornos residenciales’, Master en Energía Solar Fotovoltaica, E.T.S.I. Telecomunicación (2010), Universidad Politécnica de Madrid.

Eclareon, ‘PV Grid parity monitor. October 2012’ (2012).

Red Eléctrica de España, ‘Guía de consumo inteligente’ (2010).