Urban energy systems are an essential part of cities, which require a reliable and abundant supply of electricity and other services (such as water, fuel for transportation or food). On the other hand, the double crisis related to the use of fossil fuels, the availability crisis and the pollution crisis, require the prompt implementation of a renewable energy transition. The analysis of urban electrical uses and their relation with the resources of the territory, the economy and the environment yields very valuable information to plan the renewable energy transition in urban environments.
The present work contributes to the field of energy transitions with a methodology based on two concepts: Energy Hub (EH) and Virtual Power Plant (VPP). This methodological contribution allows us to analyse the renewable energy flows (intermittent and random) from the top and bottom approaches (Top Down & Bottom Up), in order to diagnose an urban energy system in an integral way.
A simple and inexpensive tool was developed in order to help public utilities perform an efficient data collection and treatment in order to diagnose and manage renewable urban energy system in a geo-referenced environment according to the proposed methodology.
This methodology is applied to Loja, a city of about 200,000 inhabitants located in southern Ecuador, to obtain the relation between its electricity use and the generation from the neighbouring Villonaco Wind Power Plant, the first wind farm in continental Ecuador with a power rating of 16.5 MW. The city is electrically relatively isolated, at the end of a branch of the National Interconnected System (SNI), which entails a certain vulnerability. The integration of the wind farm reduces this vulnerability, as it provides an energy autonomy that ranges from 40% to 60% on a yearly average, and cuts down greenhouse gas emissions by 25,000 MgCO2/year from the previous 62,000 MgCO2/year.
The electric flows of Loja are analysed for a period of one year using measured data. The results of this analysis lead to a proposal to optimise the electricity network using the infrastructure of the National Interconnected System as an equivalent storage system to manage the generation surpluses. Additionally, the tool is used to study the effect of two expansion scenarios of the Wind Power Plant (28 MW and 33 MW) on the energy grid and autonomy of Loja. Demand response strategies for the industrial sector are also considered in order to reduce peak load and the need for storage or energy imports. This strategy could be extended to commercial and residential users.
Finally, several future research lines are proposed: Integration of urban decentralized generation and storage systems; Experimentation with tools of monitoring and control in real time; Proactive management of energy resources for distribution networks with Virtual Generation Plants; Identification of barriers and engines for the diffusion of new renewable energy services.
Los sistemas energéticos urbanos son una parte esencial de las ciudades. Estas para funcionar requieren un suministro fiable y abundante de electricidad, así como de otros servicios como son el agua, el combustible para el transporte, o los alimentos. Por otro lado, la doble crisis de recursos energéticos fósiles, de disponibilidad y de contaminación, obliga a avanzar en la transición energética renovable. El análisis pormenorizado de los usos eléctricos sus vínculos con los recursos del territorio, la economía y el medio ambiente ofrece una información muy valiosa para proyectar la transición energética en entornos urbanos. El presente trabajo pretende contribuir al campo de las transiciones energéticas en base a una metodología que combina dos conceptos: el Multiportador de Energía (Energy Hub - EH) y las Plantas de Generación Virtual (Virtual Power Plant - VPP). Este aporte metodológico permite analizar los flujos de energía renovables (intermitentes y aleatorios) desde los enfoques ascendente y descendente (Top Down & Bottom Up), con el fin de diagnosticar un sistema energético urbano de forma integral. Se presenta una herramienta sencilla y económica que permite a las empresas de servicios públicos adquirir y realizar un tratamiento eficaz de los datos, con el fin de diagnosticar y gestionar el sistema energético urbano renovable en un entorno georreferenciado siguiendo la metodología propuesta. La metodología se aplica a Loja, una ciudad de unos 200 000 habitantes ubicada al sur de Ecuador, para obtener la relación entre los usos eléctricos y la generación de la Central Eólica Villonaco, la primera planta eólica de Ecuador continental, y que tiene una potencia nominal de 16,5 MW. La ciudad se encuentra relativamente aislada eléctricamente, al final de una rama del Sistema Nacional Interconectado (SNI), lo que conlleva una cierta vulnerabilidad. La integración de la planta eólica reduce esta vulnerabilidad, puesto que proporciona una autonomía energética a la zona urbana que oscila entre el 40 y 60% anual, y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero en unos 25 000 MgCO2/año, sobre los 62 000 MgCO2/año iniciales. Se analizan los flujos eléctricos reales (obtenidos a partir de mediciones) en un periodo de un año, y se propone la optimización de la red utilizando la infraestructura del Sistema Nacional Interconectado como un sistema equivalente de almacenamiento para gestionar los excedentes de generación. Adicionalmente, se utiliza la herramienta para estudiar dos escenarios de expansión de la Central Eólica (de 28 MW y 33 MW) y el efecto que podrían tener en la red eléctrica y la autonomía de la ciudad. También se considera una estrategia de gestión de respuesta a la demanda del sector industrial para reducir la carga de pico y con ello la necesidad de almacenaje o importación de energía. Esta estrategia podría extenderse a los consumos residenciales y comerciales. Finalmente, se proponen varias líneas de investigación futuras: Integración de la generación descentralizada urbana y sistemas de almacenamiento; Experimentación con herramientas de monitorización y control en tiempo real; Gestión proactiva de recursos energéticos para redes de distribución con Plantas de Generación Virtual; Identificación de las barreras y los motores de la difusión de nuevos servicios energéticos renovables.
