Análisis de precios del mercado diario de electricidad español

El trabajo analiza los precios de la electricidad del mercado diario español. En el mismo se realiza un estudio del mercado eléctrico español y sus componentes junto con un análisis de los cambios regulatorios más significativos durante el periodo muestral. A partir de allí, se analiza la muestra a través de los estadísticos descriptivos principales. Luego se presenta un modelo general que es analizado a partir de los resultados empíricos principales obtenidos con su estimación. Finalmente, se realizan ajustes al mismo para obtener un modelo simplificado que se ajuste mejor a lo que se quiere conseguir, que es analizar la evolución de los precios de la electricidad. Los resultados del ajuste arrojan que los precios horarios dependen en su mayor parte de los precios de las horas anteriores. También que el modelo recoge muy bien la estacionalidad mensual y horaria que presenta la muestra. Por otro lado, características de la serie de precios como son la volatilidad y los saltos no quedan bien recogidos por el modelo, lo que lleva a plantearse la búsqueda de modelos alternativos.

Distributed Load Control in Multiphase Radial Networks

The current power grid is on the cusp of modernization due to the emergence of distributed generation and controllable loads, as well as renewable energy. On one hand, distributed and renewable generation is volatile and difficult to dispatch. On the other hand, controllable loads provide significant potential for compensating for the uncertainties. In a future grid where there are thousands or millions of controllable loads and a large portion of the generation comes from volatile sources like wind and solar, distributed control that shifts or reduces the power consumption of electric loads in a reliable and economic way would be highly valuable.

Load control needs to be conducted with network awareness. Otherwise, voltage violations and overloading of circuit devices are likely. To model these effects, network power flows and voltages have to be considered explicitly. However, the physical laws that determine power flows and voltages are nonlinear. Furthermore, while distributed generation and controllable loads are mostly located in distribution networks that are multiphase and radial, most of the power flow studies focus on single-phase networks.

This thesis focuses on distributed load control in multiphase radial distribution networks. In particular, we first study distributed load control without considering network constraints, and then consider network-aware distributed load control.

Distributed implementation of load control is the main challenge if network constraints can be ignored. In this case, we first ignore the uncertainties in renewable generation and load arrivals, and propose a distributed load control algorithm, Algorithm 1, that optimally schedules the deferrable loads to shape the net electricity demand. Deferrable loads refer to loads whose total energy consumption is fixed, but energy usage can be shifted over time in response to network conditions. Algorithm 1 is a distributed gradient decent algorithm, and empirically converges to optimal deferrable load schedules within 15 iterations.

We then extend Algorithm 1 to a real-time setup where deferrable loads arrive over time, and only imprecise predictions about future renewable generation and load are available at the time of decision making. The real-time algorithm Algorithm 2 is based on model-predictive control: Algorithm 2 uses updated predictions on renewable generation as the true values, and computes a pseudo load to simulate future deferrable load. The pseudo load consumes 0 power at the current time step, and its total energy consumption equals the expectation of future deferrable load total energy request.

Network constraints, e.g., transformer loading constraints and voltage regulation constraints, bring significant challenge to the load control problem since power flows and voltages are governed by nonlinear physical laws. Remarkably, distribution networks are usually multiphase and radial. Two approaches are explored to overcome this challenge: one based on convex relaxation and the other that seeks a locally optimal load schedule.

To explore the convex relaxation approach, a novel but equivalent power flow model, the branch flow model, is developed, and a semidefinite programming relaxation, called BFM-SDP, is obtained using the branch flow model. BFM-SDP is mathematically equivalent to a standard convex relaxation proposed in the literature, but numerically is much more stable. Empirical studies show that BFM-SDP is numerically exact for the IEEE 13-, 34-, 37-, 123-bus networks and a real-world 2065-bus network, while the standard convex relaxation is numerically exact for only two of these networks.

Theoretical guarantees on the exactness of convex relaxations are provided for two types of networks: single-phase radial alternative-current (AC) networks, and single-phase mesh direct-current (DC) networks. In particular, for single-phase radial AC networks, we prove that a second-order cone program (SOCP) relaxation is exact if voltage upper bounds are not binding; we also modify the optimal load control problem so that its SOCP relaxation is always exact. For single-phase mesh DC networks, we prove that an SOCP relaxation is exact if 1) voltage upper bounds are not binding, or 2) voltage upper bounds are uniform and power injection lower bounds are strictly negative; we also modify the optimal load control problem so that its SOCP relaxation is always exact.

To seek a locally optimal load schedule, a distributed gradient-decent algorithm, Algorithm 9, is proposed. The suboptimality gap of the algorithm is rigorously characterized and close to 0 for practical networks. Furthermore, unlike the convex relaxation approach, Algorithm 9 ensures a feasible solution. The gradients used in Algorithm 9 are estimated based on a linear approximation of the power flow, which is derived with the following assumptions: 1) line losses are negligible; and 2) voltages are reasonably balanced. Both assumptions are satisfied in practical distribution networks. Empirical results show that Algorithm 9 obtains 70+ times speed up over the convex relaxation approach, at the cost of a suboptimality within numerical precision.

Análisis del mercado eléctrico en Escandinavia: NORD POOL

La electricidad es un elemento muy importante para la sociedad y cada vez se depende más para la vida moderna y el trabajo. Como consecuencia, el consumo de electricidad ha crecido año a año y por lo tanto, la producción también ha aumentado. Esto ha provocado que los países estén interconectados entre sí para poder satisfacer la demanda de electricidad. Esta situación ha llevado a la formación del mayor mercado a nivel global de intercambio de electricidad. Este trabajo tiene como objetivo analizar el mercado eléctrico de los países de Noruega, Suecia, Finlandia y Dinamarca y el análisis de los precios de la electricidad. Los resultados sugieren que los precios de la electricidad son muy volátiles, es por ello que en invierno la media de los precios es más alta y en verano es más baja.

Análisis del mercado eléctrico en Escandinavia: NORD POOL

La electricidad es un elemento muy importante para la sociedad y cada vez se depende más para la vida moderna y el trabajo. Como consecuencia, el consumo de electricidad ha crecido año a año y por lo tanto, la producción también ha aumentado. Esto ha provocado que los países estén interconectados entre sí para poder satisfacer la demanda de electricidad. Esta situación ha llevado a la formación del mayor mercado a nivel global de intercambio de electricidad. Este trabajo tiene como objetivo analizar el mercado eléctrico de los países de Noruega, Suecia, Finlandia y Dinamarca y el análisis de los precios de la electricidad. Los resultados sugieren que los precios de la electricidad son muy volátiles, es por ello que en invierno la media de los precios es más alta y en verano es más baja.

A Model For Residential Adoption of Photovoltaic Systems

The rapid rise in the residential photo voltaic (PV) adoptions in the past half decade has created a need in the electricity industry for a widely-accessible model that estimates PV adoption based on a combination of different business and policy decisions. This work analyzes historical adoption patterns and finds fiscal savings to be the single most important factor in PV adoption, with significantly greater predictive power compared to all other socioeconomic factors including income and education. We can create an application available on Google App Engine (GAE) based on our findings that allows all stakeholders including policymakers, power system researchers and regulators to study the complex and coupled relationship between PV adoption, utility economics and grid sustainability. The application allows users to experiment with different customer demographics, tier structures and subsidies, hence allowing them to tailor the application to the geographic region they are studying. This study then demonstrates the different type of analyses possible with the application by studying the relative impact of different policies regarding tier structures, fixed charges and PV prices on PV adoption.

Una aproximación al sector eléctrico

Español:Este TFG pretende exponer de un modo sencillo el mercado eléctrico español. Se trata de un tema de elevada complejidad y gran extensión. Con el fin de alcanzar una idea clara, hemos decidido centrarnos en los puntos de mayor relevancia. En las secciones siguientes abordamos cuestiones relativas al mercado mayorista (pool) y minorista español así como la incipiente reforma eléctrica llevada a cabo por el Gobierno. Después de una breve Introducción, la sección 2 enumera una serie de términos que se utilizan con frecuencia en esta área. La sección 3 proporciona algunos antecedentes sobre el sector eléctrico. La sección 4 se refiere al mercado mayorista, en el cual se realiza la compra-venta diaria de electricidad. En él participan los productores, los distribuidores y los comercializadores de electricidad, así como los consumidores cualificados de energía eléctrica. Dentro de éste nos encontramos el mercado a plazo (o forward), el mercado diario (o spot) y el mercado a corto plazo (o de ajuste). La sección 5 trata del mercado minorista, su diseño y composición. Aquí, las empresas encargadas de comercializar energía (que compran en el mercado mayorista a las empresas generadoras) se la venden a los consumidores finales. En la sección 6 se aborda la Reforma Eléctrica, aclarando los cambios sufridos desde su implantación. Los hechos más llamativos a este respecto son: la eliminación de las subastas CESUR y el cambio de la Tarifa de Último Recurso (TUR) a un Precio Voluntario para el Pequeño Consumidor (PVPC). Por último, hay una sección final con las principales conclusiones.

Band Engineering in Thermoelectric Materials Using Optical, Electronic, and Ab-Initio Computed Properties

Thermoelectric materials have demanded a significant amount of attention for their ability to convert waste heat directly to electricity with no moving parts. A resurgence in thermoelectrics research has led to significant enhancements in the thermoelectric figure of merit, zT, even for materials that were already well studied. This thesis approaches thermoelectric zT optimization by developing a detailed understanding of the electronic structure using a combination of electronic/thermoelectric properties, optical properties, and ab-initio computed electronic band structures. This is accomplished by applying these techniques to three important classes of thermoelectric materials: IV-VI materials (the lead chalcogenides), Half-Heusler’s (XNiSn where X=Zr, Ti, Hf), and CoSb₃ skutterudites.

In the IV-VI materials (PbTe, PbSe, PbS) I present a shifting temperature-dependent optical absorption edge which correlates well to the computed ab-initio molecular dynamics result. Contrary to prior literature that suggests convergence of the primary and secondary bands at 400 K, I suggest a higher convergence temperature of 700, 900, and 1000 K for PbTe, PbSe, and PbS, respectively. This finding can help guide electronic properties modelling by providing a concrete value for the band gap and valence band offset as a function of temperature.

Another important thermoelectric material, ZrNiSn (half-Heusler), is analyzed for both its optical and electronic properties; transport properties indicate a largely different band gap depending on whether the material is doped n-type or p-type. By measuring and reporting the optical band gap value of 0.13 eV, I resolve the discrepancy in the gap calculated from electronic properties (maximum Seebeck and resistivity) by correlating these estimates to the electron-to-hole weighted mobility ratio, A, in narrow gap materials (A is found to be approximately 5.0 in ZrNiSn).

I also show that CoSb₃ contains multiple conduction bands that contribute to the thermoelectric properties. These bands are also observed to shift towards each other with temperature, eventually reaching effective convergence for T>500 K. This implies that the electronic structure in CoSb₃ is critically important (and possibly engineerable) with regards to its high thermoelectric figure of merit.

Zn-VI/Cu2O Heterojunctions for Earth-Abundant Photovoltaics

The need for sustainable energy production motivates the study of photovoltaic materials, which convert energy from sunlight directly into electricity. This work has focused on the development of Cu₂O as an earth-abundant solar absorber due to the abundance of its constituent elements in the earth's crust, its suitable band gap, and its potential for low cost processing. Crystalline wafers of Cu₂O with minority carrier diffusion lengths on the order of microns can be manufactured in a uniquely simple fashion — directly from copper foils by thermal oxidation. Furthermore, Cu₂O has an optical band gap of 1.9 eV, which gives it a detailed balance energy conversion efficiency of 24.7% and the possibility for an independently connected Si/Cu₂O dual junction with a detailed balance efficiency of 44.3%.

However, the highest energy conversion efficiency achieved in a photovoltaic device with a Cu₂O absorber layer is currently only 5.38% despite the favorable optical and electronic properties listed above. There are several challenges to making a Cu₂O photovoltaic device, including an inability to dope the material, its relatively low chemical stability compared to other oxides, and a lack of suitable heterojunction partners due to an unusually small electron affinity. We have addressed the low chemical stability, namely the fact that Cu₂O is an especially reactive oxide due to its low enthalpy of formation (ΔH_f⁰ = -168.7 kJ/mol), by developing a novel surface preparation technique. We have addressed the lack of suitable heterojunction partners by investigating the heterojunction band alignment of several Zn-VI materials with Cu₂O. Finally, We have addressed the typically high series resistance of Cu₂O wafers by developing methods to make very thin, bulk Cu₂O, including devices on Cu₂O wafers as thin as 20 microns. Using these methods we have been able to achieve photovoltages over 1 V, and have demonstrated the potential of a new heterojunction material, Zn(O,S).

EAEko energia elektrikoaren eskariaren analisi ekonometrikoa

Lan honen helburua, Euskal Autonomia Erkidegoko energia elektrikoaren etxebizitzen eskaeraren analisia egitea da, eta azterketa honetatik ondorio zehatzak atera eta hauek azaltzea. Azterketa hau egiteko, ekonomiari aplikaturiko metodo estatitistikoak erabiliko ditugu, konkretuki metodo ekonometrikoak.

Sistemas fotovoltaicos integrados ao perfil de uso da edificação

Nos últimos anos, o consumo de energia vem crescendo mundialmente nos grandes centros urbanos, e esforços na área de eficiência energética estão sendo implantados, a fim de reduzir o consumo no horário da ponta e interrupções da rede. O aproveitamento das fontes renováveis, como o fotovoltaico em uma edificação se torna um atrativo a mais para a matriz energética num momento em que o país prima pela universalização dos serviços de energia e a classificação de edifícios comerciais, de serviço e públicos, além dos residenciais quanto à eficiência energética através do Procel Edifica (RTQ-C e RTQ-R). Os sistemas fotovoltaicos podem configurar perfis de uso nas edificações de modo a gerar energia para consumo próprio ou ligado à rede e ainda ter influência na arquitetura do prédio com revestimento: os perfis podem está em telhados, fachadas ou janelas, amenizando em alguns casos a carga térmica no prédio com sombreamento arquitetônico. Hoje, com o avanço da tecnologia no setor de armazenagem é possível, o atendimento com segurança e eficiência a uma edificação ou direcionar esta armazenagem a uma demanda específica como o atendimento à demanda de ciclo profundo, tais como, iluminação externa e recarga de veículos elétricos. Partindo da premissa de sistemas interruptos de energia, UPS, uso de fonte secundária como FV, baterias e Flywheel é apresentado uma forma de melhor gerenciar a energia armazenada, podendo estender a vida útil da bateria e conseqüentemente de todo o sistema fotovoltaico na edificação. Esta forma de armazenar energia proporciona um serviço de uso contínuo sem percepção das interrupções da rede com garantia de 20 anos, tal qual o módulo fotovoltaico, com esta proposta as perdas de energia elétrica na edificação serão atenuadas, pois a eletricidade será utilizada de forma eficiente e inteligente. O ponto de partida do estudo de caso no prédio do IBAM são os sistemas fotovoltaicos com geração distribuída (mini-redes) conectados à rede que são instalados para fornecer energia ao consumidor, complementando a quantidade de energia demandada, caso haja algum aumento do consumo de energia na edificação, ou ainda utilizar o sistema fotovoltaico na hora da ponta e interrupções do sistema da rede no período fora da ponta. A estocagem inercial por meio do Flywheel tem um papel fundamental nesta mini-rede (Flywheel, bateria VRLA, UPS, inversor e STS), pois a sua utilização pode ser apontada como uma inovação tecnológica quanto à regulação de tensão no sistema de energia elétrica, além de preparar a edificação para o smart-grid. Esta configuração de acumulação de energia permitiu a analise do deslocamento desta energia armazenada para o consumo no horário de ponta, mudando o conceito de sistemas fotovoltaicos autônomos no meio urbano e rural no país. Este conceito de armazenagem se confirma então como um aporte na eficiência de energia na edificação, podendo carrear economia de energia substancial, além de proporcionar uma confiabilidade no serviço de energia, com um baixo retorno do investimento e com uma garantia de funcionamento com pequena ou nenhuma manutenção durante o período de vida de 20 anos.

Planta de generación de energía eléctrica de 5MWe mediante lodos de EDAR

[ES]Este proyecto pretende plantear una solución viable y que, por tanto, resulte económicamente rentable, para la gestión de los lodos de depuradora generados en una estación de tratamiento de aguas residuales. Así, este documento se centrará, por una parte, en realizar un acercamiento al mundo de la depuración de aguas residuales y en estudiar los distintos procesos y tratamientos que se llevan a cabo en una depuradora, y por otra, planteará la valorización energética de los lodos mediante su combustión en una planta de generación de energía eléctrica como la solución al problema de gestión que suponen, no sin antes haber valorado las distintas alternativas posibles en cuanto a la salida que se les podría dar a estos fangos. De esta forma, la base del proyecto, una vez se haya optado por la alternativa de la valorización energética como la opción a desarrollar, consistirá en plantear los principios y fundamentos necesarios para el diseño de la planta de generación de energía eléctrica mediante lodos de depuradora que se pretenderá instalar. Se realizará, por tanto, una descripción de la planta generadora de electricidad detallándose el proceso que se llevará a cabo en la misma. Asimismo, se realizará el dimensionamiento de los diferentes equipos que tomarán parte en dicho proceso. Para finalizar, se planteará el estudio económico y de rentabilidad del proyecto que constituirá la creación de una planta de generación eléctrica mediante lodos, con el fin de comprobar el grado de viabilidad del mismo, y se analizarán los posibles riesgos a los que puede exponerse un proyecto de este tipo.

Planta de generación de energía eléctrica mediante orujillo de 3 MWe

[ES]Se estudia el uso del orujillo de aceituna como combustible para generar electricidad con el beneficio de eliminar residuos. Para ello se explicará el proceso de obtención de este, sus características y sus posibles alternativas de valorización comparándolas entre ellas. Posteriormente tras elegir alternativa, se describirán los equipos necesarios para la planta y se realizarán los cálculos termodinámicos de este caso. Finalmente se realizará un presupuesto de la inversión, un análisis de las tareas y uno de los riesgos y por último el análisis de la rentabilidad de la central.

Generación de energía eléctrica por combustión de biomasa forestal mediante ciclo rankine. Central de 2MW

[ES]Este proyecto se centra en el estudio y diseño de una central de generación de energía eléctrica por medio de biomasa forestal. La motivación para la realización de este proyecto reside en la gran importancia que en los últimos años están tomando las energías renovables. El Calentamiento Global es un hecho que durante los últimos años ha llevado a la investigación y desarrollo de las energías alternativas, que frenan o contribuyen al ralentizamiento de este fenómeno. Por su parte la implantación de una planta como la que se estudia a continuación, no solo ayudaría a la reducción de emisiones netas de CO2 a la atmósfera, sino que también tendría numerosas ventajas como son la creación de empleo, la limpieza de bosques, lo que ayuda a la prevención de incendios y plagas, y proporcionaría una independencia energética. Los pasos que se van a seguir en el proyecto son los siguientes:  Explicar el alcance y los objetivos del proyecto. Desarrollar las posibles alternativas que existen para la valorización de la biomasa forestal, incluyendo un resumen de las ventajas y desventajas que cada una presenta. Informe detallado de la alternativa seleccionada, la combustión, que incluye la explicación del proceso en la planta desde que el residuo sale del bosque, hasta la obtención de la energía eléctrica. Análisis económico y rentabilidad de la planta. Realizar el cronograma del proyecto. Por último se realizará un análisis de los posibles riesgos.

Generación combinada a partir de biogás de calor y electricidad

[ES]El análisis y la resolución de casos prácticos engloban la resolución de casos prácticos, el análisis de las alternativas posibles o la resolución de casos concretos. En este trabajo se pretende analizar y resolver un caso concreto, de un proceso de producción de hidrógeno. Una vez expuesto el contexto y el análisis de las alternativas, se procederá a explicar el proceso de obtención y aprovechamiento del hidrógeno. El hidrógeno, se obtendrá a partir de la gasificación d la biomasa. Una vez se haya obtenido la corriente de hidrógeno, esta alimentará a una pila de alta temperatura tipo SOFC, para obtener generación combinada de calor y electricidad.

Photonic and Device Design Principles for Ultrahigh-Efficiency (>50%), Spectrum-Splitting Photovoltaics

The sun has the potential to power the Earth's total energy needs, but electricity from solar power still constitutes an extremely small fraction of our power generation because of its high cost relative to traditional energy sources. Therefore, the cost of solar must be reduced to realize a more sustainable future. This can be achieved by significantly increasing the efficiency of modules that convert solar radiation to electricity. In this thesis, we consider several strategies to improve the device and photonic design of solar modules to achieve record, ultrahigh (> 50%) solar module efficiencies. First, we investigate the potential of a new passivation treatment, trioctylphosphine sulfide, to increase the performance of small GaAs solar cells for cheaper and more durable modules. We show that small cells (mm2), which currently have a significant efficiency decrease (~ 5%) compared to larger cells (cm2) because small cells have a higher fraction of recombination-active surface from the sidewalls, can achieve significantly higher efficiencies with effective passivation of the sidewalls. We experimentally validate the passivation qualities of treatment by trioctylphosphine sulfide (TOP:S) through four independent studies and show that this facile treatment can enable efficient small devices. Then, we discuss our efforts toward the design and prototyping of a spectrum-splitting module that employs optical elements to divide the incident spectrum into different color bands, which allows for higher efficiencies than traditional methods. We present a design, the polyhedral specular reflector, that has the potential for > 50% module efficiencies even with realistic losses from combined optics, cell, and electrical models. Prototyping efforts of one of these designs using glass concentrators yields an optical module whose combined spectrum-splitting and concentration should correspond to a record module efficiency of 42%. Finally, we consider how the manipulation of radiatively emitted photons from subcells in multijunction architectures can be used to achieve even higher efficiencies than previously thought, inspiring both optimization of incident and radiatively emitted photons for future high efficiency designs. In this thesis work, we explore novel device and photonic designs that represent a significant departure from current solar cell manufacturing techniques and ultimately show the potential for much higher solar cell efficiencies.