Aportaciones a la monitorización y predicción del recurso solar para la integración de fuentes renovables en sistemas eléctricos basadas en internet de las cosas

Abstract

Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. La necesidad de lograr una economía descarbonizada para evitar los efectos del cambio climático ha derivado en una serie de compromisos internacionales que obligan a España y Europa a reducir paulatinamente sus emisiones de gases de efecto invernadero hasta alcanzar la neutralidad climática en 2050. Este objetivo solo se puede alcanzar con un nuevo modelo energético basado en una integración masiva de energías renovables. Entre las tecnologías llamadas a convertirse en uno de los pilares de esta descarbonización de la economía se encuentra la energía solar fotovoltaica como consecuencia de su propia madurez tecnológica y la significativa reducción de costes que ha experimentado en los últimos años. Dentro de las instalaciones fotovoltaicas, una de las tipologías que ha recibido un mayor impulso son las instalaciones de autoconsumo ubicadas cerca de los puntos de demanda eléctrica gestionadas por los consumidores que pasan a ser también proveedores de energía y servicios a la red convirtiéndose en los denominados “prosumers“. Esta integración masiva de nuevas plantas de generación distribuida supone un desafío para la gestión de la red eléctrica que, tradicionalmente, ha respondido a un modelo de flujo de potencias unidireccional donde la potencia fluye desde grandes unidades de generación hacia los puntos de consumo, ajustando en todo momento la generación a la demanda y consiguiendo un balance de potencias que permitiese regular y controlar de manera efectiva los valores de tensión y frecuencia dentro de rangos admisibles. El nuevo modelo de generación distribuida basada en renovables requiere de nuevas herramientas y estrategias de gestión para hacer frente a la variabilidad que presentan estas energías renovables por su propia naturaleza y el gran número y dispersión geográfica de instalaciones que requieren una mayor flexibilidad ante nuevos retos en forma de flujo bidireccional de energía. Estas nuevas estrategias de gestión están apoyadas por los grandes avances realizados por las tecnologías de la información y la comunicación (TICs), que se han ido incorporando de forma paulatina de la mano de los operadores de red de cara a recoger diversas variables relacionadas con los estados de las unidades de generación y de los usuarios con objeto de optimizar la distribución y el consumo. En el caso de la fotovoltaica, hasta hace unos años, el coste y la complejidad de los sistemas de monitorización de las instalaciones fotovoltaicas limitaban su uso a las plantas fotovoltaicas de gran capacidad (a partir de 1 MW, tanto por motivos económicos como normativos), pero la aparición y la rápida evolución en el mercado del denominado Internet de las Cosas, IoT por sus siglas en inglés (Internet of Things), ha causado una explosión en la cantidad y variedad de soluciones de bajo costo que podrían permitir la implementación a gran escala de los sistemas de monitorización de manera rentable. Durante el desarrollo de esta tesis, de carácter eminentemente práctico, se ha trabajado en las tres capas que componen un sistema de IoT (percepción, comunicación y aplicación) para proponer un nuevo prototipo de gestión y comunicación de instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo basado en estándares abiertos y soluciones de bajo coste. En la capa de percepción se han desarrollado y evaluado varios prototipos de sistemas de monitorización de acuerdo con los requisitos de la norma EC–61724, que describe las pautas generales para monitorizar y analizar el rendimiento de las plantas de energía fotovoltaica. Dentro de la capa de comunicaciones se ha trabajado en integración y evaluación de nuevos sistemas de comunicaciones de bajo coste, gran cobertura y baja demanda de energía (LPWAN) como medio para el intercambio datos en un entorno de Internet de las cosas (IoT). Por último, en la capa de aplicaciones se ha abordado el análisis de modelos de predicción de la generación de energía a corto plazo de estas instalaciones para proporcionar fiabilidad y estabilidad a la red, estudiándose tanto diferentes fuentes de datos de irradiancia para la aplicación de estos modelos como la influencia de los parámetros fundamentales de la red de comunicaciones en sus resultados.