Nuevas técnicas para modelizar y analizar la vulnerabilidad de infraestructuras críticas de energía interdependientes

La interdependencia entre las redes de gas y electricidad es motivo de preocupación debido a la creciente utilización del gas para la generación de electricidad en centrales de ciclo combinado y al uso de energía eléctrica de los compresores en la red de gas. Estas redes están sujetas a riesgos de interrupción del suministro derivados de posibles problemas técnicos o amenazas intencionadas. Por lo tanto, resulta conveniente modelizar y analizar la vulnerabilidad de estas infraestructuras críticas de energía interdependientes.En esta tesis doctoral se presenta, en primer lugar, una metodología para analizar conjuntamente los flujos de electricidad y gas. El conjunto de ecuaciones no lineales que representan la operación del sistema de potencia se resuelve utilizando el método de Newton-Raphson, mientras que las ecuaciones en la red de gas se resuelven utilizando el enfoque de transformada análoga-lineal. Se presentan dos casos de estudio para demostrar la simplicidad de la metodología propuesta. Los resultados obtenidos se verifican contra el método Newton-Raphson tradicional con el fin de comprobar la solución alcanzada, encontrando un buen desempeño de la metodología conjunta aplicada. La aplicación del enfoque propuesto permite el análisis de la vulnerabilidad de las infraestructuras energéticas interdependientes. También, se desarrolla una metodología para evaluar la vulnerabilidad estructural de las redes de energía eléctrica y gas acopladas, considerando interdependencias en el proceso de fallos en cascada. La vulnerabilidad se evalúa empleando el índice de desconexión de carga y las medidas de centralidad de vulnerabilidad geodésica e impacto en la conectividad. El estudio muestra una elevada correlación entre el índice de desconexión de carga y el índice de vulnerabilidad geodésica. De esta manera, la teoría de grafos puede usarse como sustituto de los enfoques de flujos de carga que demandan un conocimiento detallado de los parámetros eléctricos e hidráulicos de los sistemas bajo estudio y son computacionalmente más intensivos que los métodos estadísticos de grafos. Como resultado, se propone un nuevo método para estimar la vulnerabilidad de las redes de energía eléctrica y gas conjuntas utilizando el índice de vulnerabilidad geodésica. Asimismo, se estudia el comportamiento de las redes de electricidad y gas natural de España, tanto de manera separada como conjunta. Los resultados muestran que la red de gas natural es menos robusta que la red eléctrica y que la red acoplada es más vulnerable que la red eléctrica ante fallos aleatorios y deliberados. Además, eliminar los nodos más fuertemente conectados de los dos sistemas independientes resultaría una estrategia de ataque eficaz para el rápido colapso de las infraestructuras acopladas interdependientes. Por último, se evalúa la robustez estructural de los planes de expansión de las infraestructuras de electricidad y gas natural en España. Los casos de estudio corresponden a las principales inversiones propuestas por los operadores de los sistemas en 2015-2020. Los resultados demuestran que la construcción de algunas instalaciones para la expansión de ambas redes no mejora la robustez estructural de la red acoplada; sin embargo, cuando se tiene en cuenta todo el programa de inversión se produce una mejora relativa de hasta un 6% con respecto al caso base. La metodología propuesta en esta tesis corrobora que la aplicación de la teoría de grafos es adecuada para analizar la planificación de activos de una infraestructura energética crítica, requiriendo únicamente la topología y el programa de inversiones para evaluar el desempeño de la red acoplada en caso de fallos en cascada. En suma, esta tesis doctoral pone de relieve la importancia de que los sistemas energéticos se aborden como redes acopladas debido a sus fuertes interacciones. Una perturbación en un sistema puede no ser crítica si las infraestructuras están separadas, pero dado que ambas redes son interdependientes, el impacto resultante podría causar fallos en el otro sistema. En otras palabras, las interdependencias aumentan el impacto de las perturbaciones.<br /

Techno-economics aspects of wind energy deployment.

La necesaria investigación sobre reducción de costes de la tecnología de producción de electricidad a partir del recurso eólico debe partir de los elementos que más impactan la formación del precio de esa energía. Por ello, el objetivo de este estudio doctoral es explorar e investigar algunos de los aspectos tecno-económicos que más influyen en el desarrollo y la comercialización de la energía eólica, y evaluar su impacto en la misma tecnología.Mi trabajo sigue dos líneas principales, una tecnológica y otra sobre la comercialización global. La primera incluye un análisis de la reducción de tiempo en la instalación de plantas eólicas en el mar, y otro sobre los efectos tecnológicos de la repotenciación de parques eólicos en tierra. La línea sobre comercialización se centra en el análisis de la globalización del sector y en particular de sus dos principales actores, los promotores de parques eólicos y los fabricantes de turbinas, para terminar explorando en profundidad cómo se internacionalizaron estos últimos.Esta investigación se ha basado en datos públicos o proporcionados por entidades que los comercializan, y de una pequeña cantidad de datos comunicados privadamente al autor por su red de contactos en el sector. Diversos modelos han sido usados dependiendo de la necesidad de cada investigación individual. La investigación sobre tiempo de instalación en el mar se modeló con macros de Visual Basic (VB) en MS Excel aplicados a los diferentes hitos de la instalación, de esta forma descubriendo la reducción en tiempo de instalación lograda en el periodo 2000-2017. La investigación sobre el impacto tecnológico de la repotenciación de turbinas eólicas se modeló con VB, Excel y el software de análisis de regresión estadística Minitab. La investigación sobre globalización se basó en contrastar series de datos de forma innovativa, extrayendo conclusiones y descubriendo tendencias que no se habían publicado hasta entonces. Finalmente, el análisis de internacionalización de los fabricantes de turbinas utilizó indicadores ampliamente utilizados en la literatura sobre internacionalización pero que tuvieron que ser adaptados a las particularidades del sector - por ejemplo, el uso de capacidad instalada en lugar de volumen de ventas.Las recientes subastas y licitaciones de electricidad eólica y/o renovable han revelado reducciones de costes muy significativas que se justifican en parte por la reducción en el tiempo de instalación (en el mar) y por el aumento de la producción eléctrica en el caso de la repotenciación (en tierra). Con respecto a comercio internacional y la globalización, esta investigación mostró que los fabricantes europeos de turbinas lideran el mercado global a la vez que están más diversificados y protegidos contra los vaivenes de los diferentes mercados. Es más, han sido capaces de formar cadenas de suministro en muchos países a la vez que mantenían la mayor parte del empleo en Europa.Research supporting cost reduction in wind energy technology benefits from the study of certain elements with strong impact on the formation of the cost of energy. In this context, the objective of this doctoral research is to explore some of the techno-economic aspects influencing wind energy development and deployment and to assess their impact on the technology. The research follows two strings of work: a technology and a deployment string. The former included an analysis of time reduction in the installation of wind farms offshore and another on the technological effects of repowering wind farms onshore. The later focused on globalisation of the sector with a focus on wind farm developers and turbine manufacturers, and then more specifically on the process of internationalisation of the latter. The research collected data from public and commercial sources, and a small amount of confidential data was used that originated from the network of contacts of the author. Varied modelling tools were applied depending on the needs of each of the four individual pieces of research. The article exploring the reduction of the installation time in offshore wind farms used Visual Basic (VB) macros in MS Excel applied to the key milestones of project installation in order to unveil to what extent time reduction had been realised during the period 2000-2017. In the article on the technological impact of repowering, Excel, VB models and statistical regression analysis with Minitab were used in turn. The article on globalisation focused on contrasting data publicly available but not normally investigated together thus unveiling trends not seen previously. Finally, the analysis of internationalisation of wind turbine manufacturers resourced to indicators that, while widely used in the literature, needed to be adapted to the wind turbine manufacture sector. The very significant cost reductions in electricity from wind energy that have surfaced following recent auctions and tenders is justified in part by (offshore) the reduction in the time of installation and (onshore) the increased production from repowering. Regarding trade and globalisation, the research found that European wind turbine manufacturers lead globally while they are more diversified and protected against the ups and downs of the different markets. Moreover, they have been able to grow supply chains in many countries while still maintaining the bulk of the employment at home.<br /

Análisis multicriterio de proyectos de interconexiones eléctricas transfonterizas

La evaluación de los proyectos de infraestructuras eléctricas enmarcados en la planificación de infraestructuras eléctricas europea constituye una compleja tarea de análisis dada la gran cantidad de factores involucrados y existiendo múltiples objetivos, criterios, participantes y alternativas. El objeto del trabajo es aportar una visión integral mediante la consideración de criterios técnicos, económicos, ambientales y sociales para la selección de proyectos mediante un tratamiento multidimensional del problema. En la actualidad la Unión Europea plantea una metodología común de análisis coste-beneficio , resultando en una batería de múltiples indicadores que se supone constituye la base para la selección de los proyectos de interés común (PCI) para la Comunidad. Partiendo de los resultados de la Unión Europea según la aplicación de dicha metodología de ENTSO-E (operador eléctrico europeo) se realiza el análisis de las 4 interconexiones españolas que son PCI aplicando una metodología de análisis multicriterio (Método AHP) para la selección y jerarquización de proyectos.<br /

Comparativa técnico-económica de redes subterráneas de baja tensión e instalaciones de enlace según Normativa Técnica Particular aplicable de empresas distribuidoras de electricidad

A lo largo del presente proyecto final de carrera se ha realizado el estudio comparativo técnico y económico de las diferentes Normativas Técnicas Particulares de las principales empresas eléctricas españolas de distribución en Baja Tensión, que afectan al diseño y montaje de las líneas subterráneas e instalaciones de enlace que forman parte o están conectadas a su red de distribución. Dicho estudio se ha aplicado al diseño de una red de distribución subterránea en baja tensión cuyo fin es suministrar energía eléctrica a un conjunto de edificios así como a la acometida y las instalaciones de enlace de uno de los edificios, adecuando los cálculos a la Normativa Técnica Particular de distintas empresas distribuidoras. Finalmente se ha realizado un estudio de las soluciones obtenidas para cada empresa de distribución, concluyendo con un análisis técnico-económico de los resultados. El objetivo principal del proyecto es implementar una herramienta que agilice el trabajo de ingenieros proyectistas, instaladores electricistas, promotores y empresas constructoras que realicen instalaciones eléctricas en distintas zonas de España y que deban conocer las diferencias existentes entre las Normativas Técnicas Particulares de las principales empresas distribuidoras de baja tensión

Análisis de la aplicación del Real Decreto 900/2015 en instalaciones fotovoltaicas del sector residencial, comercial, agrícola e industrial

Hasta el año 2015, España carecía de una legislación que regulara el autoconsumo. Tras el reclamo por parte del sector fotovoltaico de una normativa que regulara estas instalaciones, y tras la publicación de varios borradores por parte del Gobierno, se publica finalmente el 10 de Octubre de 2015 el Real Decreto 900/2015 por el que se regulan las condiciones administrativas, técnicas y económicas de las modalidades de suministro de energía eléctrica con autoconsumo y de producción con autoconsumo. En la primera parte de este proyecto, se realizará el análisis y explicación del Real Decreto 900/2015. Se detallarán las modalidades de autoconsumo que introduce el RD, las condiciones técnicas que debe cumplir cada autoconsumidor en cada una de las modalidades y las diferencias en relación a titularidad de la instalación, potencia contratada y equipos de medida que debe instalar cada uno de ellos. Se expondrán los cargos fijos y variables que deben afrontar los autoconsumidores con esta nueva legislación y se explicará la forma en que se aplicará cada uno de ellos. Con el objetivo de analizar la influencia económica que tiene el RD 900/2015 en las instalaciones de autoconsumo de las diferentes modalidades de autoconsumo y de diferentes sectores económicos, se analizarán distintas variables económicas que afectarán a los análisis de rentabilidad de la última parte del proyecto. En concreto se obtendrán curvas de carga de diferentes consumidores; se estudiaran los precios de compra de energía que tendrá cada uno de ellos; se calculará el incremento del precio de la energía y del término de potencia anual tras analizar un histórico de datos; se calculará el precio de venta para los casos en los que haya inyección a red; se calculará la pérdida de producción anual de una instalación fotovoltaica y se hará un estudio del precio que tendrá cada una de las instalaciones fotovoltaicas que se analizarán en los estudios de rentabilidad. En otra parte del proyecto se incluirán los estudios de rentabilidad a través de los cuales se analizará la influencia de los cargos fijos y variables para las distintas modalidades de autoconsumo y se estudiará la mejor estrategia que se debe seguir para obtener las mejores rentabilidades en cada una de las instalaciones del sector residencial, comercial, industrial y agrícola. En la última parte, se resumirán las conclusiones obtenidas tras analizar los resultados de los análisis de rentabilidad y la influencia del RD 900/2015 tanto técnica como económica, en las instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo

Diseño energéticamente eficiente de un módulo portátil para emergencias médicas

La escasez de infraestructuras médicas en los lugares donde se producen catástrofes humanas hacen que sea necesaria la disponibilidad de equipos móviles para intervenir en situaciones de emergencia sanitaria. De aquí surge la idea del diseño de un módulo portátil para emergencias, con la finalidad ofrecer asistencia sanitaria y agua potable a la población afectada por estas catástrofes y conflictos. El módulo se ha diseñado buscando la sostenibilidad, aprovechando el recurso solar para el funcionamiento de sus sistemas de potabilización y equipos sanitarios y utilizando contenedores marítimos reciclados para su diseño. Para el desarrollo del proyecto se ha realizado un estudio de los distintos sistemas de atención sanitaria extrahospitalaria existentes en el mercado. Además, se han realizado entrevistas a la directora de un Centro de Salud y a un oficial militar. Basándonos en las conclusiones obtenidas en el análisis previo, se han desarrollado los distintos bloques de los que consta el módulo. Seguidamente se han dimensionado las instalaciones que proporcionarán energía al Módulo.Por un lado la instalación fotovoltaica y por otro lado el grupo electrógeno de apoyo. Debido a que el Módulo Sostenible de Emergencias puede ser utilizado en cualquier localización del planeta en función de las necesidades se ha realizado un análisis de las posibilidades de utilización de las cargas en función de las diferentes latitudes. También se ha diseñado un sistema de potabilización de agua, mediante el cual se cubrirán las necesidades básicas que puedan darse en cualquiera de los escenarios para los que el Módulo está diseñado. En definitiva se pretende ofrecer una herramienta a las distintas ONGs, gobiernos y entidades para afrontar de forma más eficaz y sostenible situaciones críticas como catástrofes naturales y conflictos bélicos

Mecanismo de cooperación y solidaridad en situaciones de crisis de suministro de gas natural en la Unión Europea

Este proyecto nace a raíz de la nueva Regulación 1938/2017 de la Unión Europea sobre medidas a aplicar en situaciones de crisis de suministro de gas y más concretamente en las nuevas formas de cooperación entre Estados miembros UE para asegurar el abastecimiento de gas a los clientes protegidos de un Estado en emergencia de gas: los mecanismos de solidaridad.En los primeros apartados del trabajo se presenta una breve introducción a la situación actual del sistema gasista de la Unión Europea y sus infraestructuras y un estudio más a fondo de los artículos del Reglamento UE 1938/2017 en materia de cooperación entre Estados. El desarrollo del proyecto está fundamentado en un análisis de los distintos Planes de Emergencia de los Estados miembros de la Unión Europea con dos objetivos principales: la extracción y puesta en común de medidas correctivas ante situaciones de emergencia de gas definidas por cada país y el estudio de sus capítulos de cooperación regional y solidaridad. Finalmente, el último apartado consiste en un estudio de las principales infraestructuras europeas, centrado en su evolución durante los últimos 10 años, para observar la repercusión o no del Reglamento en las políticas gasistas de los Estados miembros y sacar conclusiones sobre el estado actual de la cooperación ante crisis de suministro en la UE.<br /

Análisis técnico-económico de alternativas para la reducción del coste del suministro eléctrico en estaciones de bombeo

El presente proyecto trata de explicar la situación del mercado eléctrico español antes y después de la Ley 54/1997. En segundo lugar, más en profundidad, se analizan los principios, legislación y consecuencias de la reforma de los precios llevada a cabo en Agosto de 2013, en grandes consumidores de energía, en concreto de Comunidades de Riegos, en el ámbito de la agricultura (estaciones de bombeo para regadío). En último lugar, trata de analizar dentro de las distintas alternativas del sistema eléctrico español, con cuál de ellas se van a obtener mayores ventajas económicas, así como analizar la posibilidad de incorporar grupos electrógenos para suplir la energía de varios periodos, en el caso concreto de estaciones de bombeo

Modelos matemáticos para la gestión óptima de sistemas transnacionales de gas en situaciones de crisis de suministro

Uno de los dos objetivos principales de la tesis es el diseño de un modelo matemático capaz de simular sistemas complejos de GN transnacionales en situaciones de crisis político-comerciales y en condiciones climáticas severas. El segundo objetivo es analizar la interdependencia de las redes acopladas de GN y electricidad, evaluando los efectos de los cortes de suministros de GN en la producción de electricidad de los países.Inicialmente se realizó un exhaustivo trabajo de revisión bibliográfica para detectar las principales líneas de investigación y trabajos asociados al análisis de la regulación existente, la seguridad energética, la gestión de las crisis energéticas y las técnicas de simulación utilizadas.El resultado de la revisión bibliográfica determinó que se utilizan diversas metodologías de simulación, aunque los modelos basados en las técnicas de Montecarlo son más frecuentes. Por otro lado, las técnicas de optimización son utilizadas para examinar las redes de GN desde un punto de vista económico y de optimización de costes. Así, se optó por la creación de un modelo matemático y una metodología de simulación de redes de gas complejas basadas en técnicas de optimización, debido sus mejores resultados para evaluar escenarios predefinidos que afecten a infraestructuras y suministros para generar una única solución optimizada. El modelo, se publicó en el artículo ¿Assessing the Impact of Investments in Cross-Border Pipelines on the Security of Gas Supply in the EU¿, y trata a cada uno de los países integrantes del sistema como un nodo con capacidad de interactuar con los países vecinos mediante los gasoductos, y con los proveedores externos mediante plantas de GNL y gasoductos de importación.La metodología se aplica al sistema de gas de EU-28 para diferentes escenarios de corte de suministro y condiciones climáticas severas. Los resultados obtenidos tanto para el año 2009 como el año 2017 generan soluciones óptimas de gestión de infraestructuras que maximizan la cobertura de gas en los diferentes escenarios, aunque evidencian vulnerabilidades en la cobertura de la demanda de algunos países y en la saturación de infraestructuras. También se evalúa la interdependencia de las redes acopladas de gas y electricidad, en situación de cooperación o no cooperación de los países del sistema, observándose una mínima influencia de los cortes de gas en la generación eléctrica, para los escenarios estudiados.Los resultados se presentaron en el artículo de congreso ¿Impact assessment of gas shortages on the European power system under extreme weather conditions¿.Adicionalmente, la metodología fue aplicada a diferentes escenarios para evaluar el efecto en la cobertura de la demanda. Inicialmente se evalúa el potencial de la energía hidroeléctrica de bombeo para mejorar la seguridad del sistema eléctrico europeo frente a la escasez de gas en condiciones climáticas y técnicas muy adversas, y los resultados se publicaron en el artículo de congreso ¿Hydro potential to enhance power system resilience under critical gas supply interruptions¿. Por otro lado, se evaluaron los efectos de la mejora en eficiencia energética planteados por Europa para 2030, cuyos resultados fueron presentados en el artículo de congreso ¿Assessment of the robustness of theEuropean gas system to massive gas outages and evaluation of the effect of increased energy efficiency on the security of gas coverage in the different countries?<br /

Identificación de oportunidades de negocio en el mercado eléctrico mexicano

El documento presenta la identificación de oportunidades de negocio que el mercado eléctrico mexicano brinda a los inversores, en los distintos sectores económicos, ahora más que nunca con la aprobación de la reforma energética que se está llevando a cabo en el país. Para ello se ha realizado un exhaustivo estudio del sector eléctrico identificando los Organismo, Instituciones y Entidades que participan en la planificación del Sistema Eléctrico Nacional. A continuación, se ha realizado una descripción del funcionamiento del Mercado desde una perspectiva legal, identificando la legislación eléctrica en vigor. Se han estudiado los procedimientos de conexión de instalaciones de generación con energías renovables y sistemas de cogeneración, analizando las diferentes opciones de generación así como el marco regulatorio vigente dónde están contemplados los mecanismos de contraprestación por la energía eléctrica generada a partir de fuentes renovables de energía y cogeneración. Por otro lado, se estudiarán todas las modalidades de tarifas eléctricas existentes para usuarios y se describirá cada una de ellas. Finalmente, se muestra un caso práctico de realización de un diagnóstico energético que le permite a las empresas reducir sus costes energéticos mediante la optimización de contratación de suministros energéticos, así como conocer la caracterización del reparto de consumos energéticos en las empresas. Para la realización de dicho diagnóstico es necesario el estudio realizado sobre el sector