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COSTES DE IMPLEMENTACIÓN DE LA INFRAESTRUCTURA SMART GRID EN EL FUTURO SISTEMA ELÉCTRICO

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Academic year: 2021

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COSTES DE IMPLEMENTACIÓN DE LA INFRAESTRUCTURA

SMART GRID EN EL FUTURO SISTEMA ELÉCTRICO

Autor: Quevedo Silveira, María José Director: Frías Marín, Pablo

Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas

RESUMEN DEL PROYECTO

En este proyecto se presenta un estudio sobre la implantación de las Redes Inteligentes o Smart Grids. El estudio analiza las razones que han incitado el cambio de las tradicionales redes pasivas a las Smart Grids, los requerimientos de las smart grids, con el coste que ello supone. La gran contribución de este proyecto es precisamente el estudio de los costes de implantación, puesto que es relativamente sencillo encontrar información acerca de qué es una smart grid y qué beneficios proporciona, pero en cambio, apenas hay valoraciones económicas con las que se pueda contrastar si realmente es beneficiosa una renovación de la red. En el estudio de costes se han definido tres escenarios en los que varía el grado “smart” que se introduce en la red, y finalmente se analiza la inversión económica que precisa la implantación de las smart grids en el sistema eléctrico español. Esto permite valorar la forma más adecuada de introducirlas, ya que el desembolso que se necesita para una implementación absoluta es muy elevado y se deben dar pasos progresivamente. Por otro lado, para poder llegar al estudio de los costes, se han valorado cuáles son los elementos susceptibles de cambio. Con ellos se consigue automatizar y controlar la red de una manera eficiente y segura. Para entender el desarrollo del proyecto se describen los siguientes apartados:

SMART GRIDS: las smart grids suponen la evolución del sistema eléctrico actual, de manera que se puedan integrar las acciones de todos los usuarios (consumidores y generación) conectados al mismo y se asegure una eficiencia y sostenibilidad del sistema eléctrico, con pocas pérdidas y un alto nivel de calidad y seguridad del servicio. La integración de los clientes se lleva a cabo por medio de contadores inteligentes y un interfaz de comunicaciones que permite un intercambio de información bidireccional. Por un lado los consumidores reciben señales horarias del precio de la electricidad y también la posibilidad de consumir la energía de diversas fuentes, esto les permite reducir su factura al desplazar la demanda a las franjas horarias más económicas. Por otro lado, las compañías eléctricas podrán reducir los picos de las curvas de consumo y habrá una mayor oferta.

A través de las smart grids se obtiene un sistema eléctrico más eficiente y sostenible, y además se garantiza la calidad de servicio. Las smart grids permiten tener un mayor control de la red, y al conocer el estado de cada punto del sistema, se pueden localizar las faltas y responder con una mayor rapidez. Otro punto de vital

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importancia es la posibilidad de integrar energía renovable y nuevas fuentes de electricidad como es el coche eléctrico, lo que dará una gran flexibilidad a la red, contribuyendo a la reducción de las emisiones de CO2 y disminuyendo los costes de

consumo.

REQUERIMIENTOS PARA LA SMART GRID: para la identificación de los equipos necesarios se ha realizado una investigación de todos los elementos de automatización, telegestión, control y protección de la red. Además, se han buscado los equipos más desarrollados hacia una smart grid (los catálogos más interesantes se incluyen en el anexo del proyecto) así como los últimos avances en software de seguridad. Se ha obtenido una lista de equipos y su coste, y se ha estudiado su ubicación en la red, quedando divididos en cuatro categorías: demanda de baja tensión, automatización de los centros de transformación y red, demanda de media tensión, y automatización de los centros de transformación y sistemas eléctricos. DESCRIPCIÓN DE LOS ESCENARIOS DE ESTUDIO: se han definido tres escenarios de integración en los cuáles se contempla un grado progresivo de implantación de las smart grids, tanto en media como en baja tensión. Se han diferenciado los costes por cada nivel de voltaje, teniendo en cuenta que la red de alta tensión se considera ya automatizada.

En primer lugar en cuanto a baja tensión, para la baja integración se toma la instalación del 30% de los sistemas de comunicaciones, así como de los elementos de control, medida y monitorización de las cargas en cada vivienda, imprescindibles para poder incorporar una participación activa de los clientes en su consumo, y registrar la información enviada por los mismos. Se contempla también un 15% de integración de interruptores telecontrolados y seccionadores inteligentes que permiten la conexión y desconexión automática de las cargas, y un 15% de medida en la salida de los transformadores de los centros de transformación que ayudan a controlar los consumos en los diferentes puntos de la red. Esta situación mejora con la media integración ya que el número de sistemas de comunicaciones, y elementos de medida y control instalados en los puntos de consumo pasa a ser el 60%. El número de interruptores telecontrolados, seccionadores inteligentes y medida de los transformadores de baja tensión pasa a ser 40%, con lo que se automatiza el 40% de los centros con las características señaladas. El alto grado de integración supone una completa implantación de las smart grids con un 100% de los puntos de consumo y centros de transformación automatizados.

Estas mismas hipótesis se repiten para media tensión, con los mismos porcentajes de integración. Las principales diferencias son la introducción de detectores de paso de falta direccional (situados en cada poste de las líneas de media tensión) que localizan las faltas a lo largo de las líneas, y el cambio del sistema de medida y control en las viviendas que pasa a ser una infraestructura que combina la medida y las telecomunicaciones necesarias para una hacer una red inteligente. Cada

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escenario supone una introducción progresiva de la automatización y telegestión del sistema eléctrico. Con un bajo nivel de integración, los beneficios vienen principalmente derivados del control del consumo, con un medio nivel de integración, se mejora la calidad del servicio al tener un mayor telecontrol y protección de la red en su conjunto, y con un 100% de integración se obtienen todos los beneficios comentados en la introducción.

RESULTADOS MÁS RELEVANTES DEL ESTUDIO: se han obtenido los costes por cada grado de integración y nivel de tensión, y se han considerado los distintos tipos de redes de distribución: rural disperso, rural concentrado, red urbana y semi-urbana. Se ha obtenido un coste mucho mayor en baja tensión y en concreto para el caso de redes urbanas. Esto se debe a que el número de consumidores en este nivel de tensión y tipo de red es mucho mayor. En cuanto a las redes rurales, el número de clientes es mayor en el rural concentrado que en el rural disperso y esto es aún más acusado en baja tensión ya que se multiplican los consumos. En media tensión, otra causa del incremento del coste para el rural concentrado es el aumento de centros de transformación que se requieren para este tipo de red, y que por tanto, tendrán que ser automatizados. Según el grado de implementación los costes aumentan porque el número de equipos necesarios va en aumento y se contempla cada vez un mayor número de puntos de consumo gestionados con una smart grid. PRINCIPALES CONCLUSIONES: la integración de una Smart Grid es imprescindible en una sociedad en la que la principal fuente de energía es la electricidad. Para dar paso a un uso eficiente de las energías renovables, se requiere que éstas se introduzcan en la red, y se permita su uso en todos los niveles de tensión. Una primera aproximación ofrecida en el proyecto es la implantación total (alta integración) de las smart grids en las redes rurales (tanto dispersas como concentradas), así como una baja implementación en las redes urbanas y semi-urbanas. Con ello, se obtiene un coste de 20,8 miles de millones de euros que supone aproximadamente el 30% del coste total para una implementación completa en todo el territorio español, y cuyo valor asciende a 66,85 miles de millones de euros. El siguiente paso será aumentar el grado de integración en las redes urbanas y semi-urbanas hasta conseguir progresivamente la implementación completa. Además, como complemento al análisis realizado habría que estudiar los beneficios que se obtienen en cada uno de los escenarios, y así poder evaluar si es rentable o no hacer frente a la inversión que supone una Smart Grid. El Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), en su último proyecto de estimación de costes y beneficios de una Smart Grid, considera que los costes requeridos en Estados Unidos para integrar redes inteligentes en las redes de distribución son entre 240 y 340 miles de millones de euros, mientras que los beneficios son entre 1.5 y 2 millones de millones de euros. En línea con estas conclusiones, podría considerarse que una Smart Grid es un cambio eficiente que redundará en mejoras para clientes, empresas eléctricas y la construcción de un mundo más sostenible.

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IMPLEMENTATION

COSTS

OF

A

SMART

GRID

INFRASTRUCTURE IN FUTURE ELECTRICITY NETWORKS

SUMMARY OF THE PROJECT

This project develops a study of smart grids, from the analysis of the reasons that have encouraged the network change, to the smart grids requirements with the cost that implies. The main contribution of the project is the implementation costs study, because is relatively easy to find a lot of analysis on the qualitative contribution of smart grids, however there are scarcely economic valuations which work as a reference to contrast if it is truly beneficial to renew the electric grid. At the costs study it has been defined three scenarios in which it vary the grade of smart integration introduced in the grid, and it is finally analysed the necessary investment to implement a smart grid in Spain. This allows valuating the most appropriate way to introduce them because the investment derived from a full implementation is really high and the steps must be progressively taken. Furthermore, it has been evaluated the necessary elements to change in order to build a controlled and automated smart grid. In order to understand the project’s development there are described the following sections:

SMART GRIDS: they are an evolution of the actual electric system, so it is possible to integrate the actions of all the users (consumers and generators) that are connected at the same time, and to ensure the efficiency and sustainability of networks without loses and a high grade of security and quality service. The integration of the consumers is possible through smart meters and a communication interface which allows a two-ways information exchange. In one hand, the clients receive constantly price signals and the possibility to consume the power from different energy sources. By this way, electricity consumers can reduce their bills, moving its demand to the most economic hours of service. On the other hand, distributors can reduce peak loads and reduce its investments, and electric companies can offer a bigger bidding range.

One of the key benefits of smart grids is the improvement of the efficiency of the electric system, which guarantees quality service. Smart grids provide a complete network control, knowing each system point it is possible to localize faults and accelerate system response. It will be installed telecontol systems which restore the service. Another important point is the possibility to integrate renewable energy and new electric sources like electric cars, which offer a great flexibility to the grid, contributing to the CO2 emissions reduction and decreasing consumption

costs.

REQUIREMENTS FOR SMART GRIDS: in order to identify the necessary equipment, it has been made an investigation of the range of automation, teleprocessing, control and protection devices. In addition, it has been searched

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the most developed devices aimed to cover smart grid specifications (the most interesting brochures are included at the datasheets of the project) and the last advances in security software. Is has been obtained a table with a list of the devices elected with their cost, and it is been studied its localization in the grid, differentiating four categories: low voltage demand, automation of transformer stations and the grid, medium voltage demand and automation of transformer station and electric systems. It has not been considered the communication systems’ cost because it is normally much lower than the equipment and infrastructure costs.

DESCRIPTION OF THE THREE SCENARIOS: It has been defined three scenarios of integration where it is considered a progressive grade of smart grids implementation, at low and middle voltage. The costs are divided for each voltage level, considering that the high voltage network is already automated considering that its consumption points are much lower than in higher voltage levels.

At low voltage and low integration grade, it has been considered the installation of the 30% of the management and communication systems, as well as the smart meters and appliances with grid-ready functionality. These systems are essential for the clients’ consumption control and the registration of data sent by clients. Also, it is considered the 15% integration of remotely control switches and intelligent reclosers, which provide the automated connection and disconnection of loads (these connections can be programmed by clients), and the installation of the 15% of the measurements at low voltage transformers of the transformer stations, which allow the control of the different grid consumption points. This situation improves with the middle integration, because the number of smart meters, appliances with grid-ready functionality, and management and communication systems becomes the 60%, and furthermore, the number of remotely control switches, intelligent reclosers and measurements at low voltage transformers is a 40% of the total, which means that it is automated the 40% of transformer stations with the above characteristics. This ensures the 40% of the monitoring, control and protection of the stations. High integration level contemplates the total implementation of smart grids with a 100% of the consumption points and transformer stations automated.

The same hypotheses are used for the medium voltage installations, using the same integration percentages. The main differences are in one side, the introduction of directional crossing detectors faults (situated at the posts of middle voltage grids) which locate the faults through the network, and the use of an Advanced Metering Infrastructure that measures, registers data and communicates with the whole system. Actually, each scenario implies a progressive introduction of the automation and teleprocessing of the electric system. With a low integration level, the main benefits are derived by the consumption control of clients and with

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a middle integration level, it improves the quality service by a higher telecontrol and protection of the grid as a whole, and the 100% integration implies all the benefits commented at the introduction.

THE MOST RELEVANT RESULTS OF THE STUDY: it has been obtained the costs for each integration grade and voltage level, and it has been considered the different kinds of distribution grids: dispersed rural, rural clusters, and urban and semi-urban networks. It has been obtained the biggest cost at low voltage, and specifically at urban grids, due to the number of clients at this voltage level which is the one that increases more. At rural networks, the number of consumers is bigger at rural clusters than at dispersed rural. At middle voltage grids, another cause of the costs’ increase for the rural clusters is the boost of transformer stations required for this kind of network that would have to be automated. Depending on the implementation grade, the costs increase because the number of the necessary devices and the consumption points managed by a smart grid grow. MAIN FINDINGS: the smart grid integration is indispensable in a society where the main source of energy is electricity. Following an efficient use of renewable energies, it is required to introduce them at every voltage level. In addition, employing electric cars will be an alternative really favourable for the self-supply of clients who will be able to consume electric energy from their batteries. On the other hand, quality service is a target really pursued by distribution companies due to the high costs derived by faults. These weaknesses disappear with smart grids, resulting controlled, flexible and secure networks. A first approximation offered in the project is the full implementation (high integration) of smart grids at rural areas (considering both dispersed and rural clusters), and a low integration grade at urban and semi-urban grids. By this way it results a cost of !28,3 thousands of millions, which represents the 30% of the total costs of a full implementation in Spain, and whose value is !64,25 thousands of millions. The next step will be to increase the integration grade at urban and semi-urban networks until achieve gradually a complete implementation.

At this study it has not been made a study of the benefits, so this is a pending task. But looking to a cost benefit analysis made by The Electric Power Research Institute (EPRI) the investment needed to implement a fully functional smart grid in the U.S. electricity system ranges from !240 to !340 thousands of millions, resulting in benefits between 1.5 and 2 millions of millions. So extrapolating this idea to the project’s study case, it seems that implementing a smart grid is an effective spending, and the main difficulty is to demonstrate that the investment makes sense. This is the reason why there are a lot of smart grids’ pilot projects developed trough the European Union and the United States, with the aim of obtaining results that guarantee the recovery of the investment.

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