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fernando-nuno
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Esta charla comenzará con una introducción a las tecnologías actuales de vehículos eléctricos: tipologías, clasificación de baterías, etc. A continuación se realizará un análisis de los retos a los que se enfrenta el sistema eléctrico debido a la integración de nuevos agentes, tales como la generación renovable y los vehículos eléctricos.Se desarrollarán dos partes, la primera dedicada a los aspectos de conexión e impacto del vehículo eléctrico en la red, y la segunda parte ahondará en mecanismos de gestión de la demanda.
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El vehículo eléctrico y su interacción con la red eléctrica
Webinar – Leonardo Energy 8-4-2010
Eduard Valsera (CITCEA-UPC) [email protected]
Miguel Cruz (IREC) [email protected]
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http://www.leonardo-energy.org/espanol/?p=181
ÍNDICE
Parte 1: Análisis del impacto del vehículo eléctrico en la red
1. Introduccióno Tipologías de VE
o Clasificación de baterías
2. Aspectos de conexióno Cargador
o Reabastecimiento de energía
3. Aspectos de movilidado Comportamiento del usuario
o Autonomías de los vehículos
4. Análisis del impacto de los vehículos eléctricos en la redo Objetivo
o Vehículo eléctrico
o Demanda eléctrica
o Análisis determinístico
o Análisis probabilístico
o Conclusiones
2
Parte 2: Vehículo eléctrico y gestión de la demanda
1. Introduccióno Prospectiva y posibles soluciones
2. Gestión de la demandao Mecanismos aplicables: visión general
o Mecanismos aplicables: objetivos
o Mecanismos INDIRECTOS de GdD INDIVIDUAL: tarifas
o Mecanismos INDIRECTOS de GdD INDIVIDUAL: DRPs
o Mecanismos DIRECTOS de GdD INDIVIDUAL
o Mecanismos de GdD a través de un agregador
3. Contexto regulatorio
4. Conclusiones de VE y gestión de la demanda
http://www.leonardo-energy.org/espanol/?p=181
PARTE 1 ANÁLISIS DEL IMPACTO DEL VEHÍCULO ELÉCTRICO EN LA RED
Eduard Valsera (CITCEA-UPC) [email protected]
3http://www.leonardo-energy.org/espanol/?p=181
Introducción:Tipologías de VE
Propulsión eléctrica paralela y potencia eléctrica muy baja
Propulsión tradicional con cambio de marchas
Funciones del ME: Start-Stop y ligera recuperación
Utilizado para optimizar el consumo (5%-10%)
• Propulsión eléctrica paralela y potencia eléctrica aumentada
• Propulsión directa con cambio de marchas
• Funciones del ME: “Boost” y tracción del vehículo (autonomía muy reducida 2-5 km)
• Utilizado para disminuir el consumo (20%-30%)
• Propulsión eléctrica paralela o serie y potencia eléctrica media
• Propulsión directa con cambio de marchas
• Funciones del ME: Hybrid-drive y e-drive
• Autonomía eléctrica media (30-60 km)
• Propulsión eléctrica en serie y potencia eléctrica aumentada
• Sin tracción directa del MT
• Solo función conducción a través del ME
• Autonomía eléctrica elevada (80-120 km)
Micro-Hybrid Full Hybrid Plug-In-Hybrid EV
Fuente: Diagnosi i perspectives del vehicle elèctric a Catalunya. CADS 4
Introducción:Clasificación de baterías
Lead - Acid Ni - Cd Ni - MH Li ion
Cost Low Medium High Very High
Specific Energy (Wh·kg-1) 30 -50 50 -80 40 -100 160
Voltage per cell 2 1.25 1.25 3.6
Charge current Low Very Low Moderate High
Cycle number (charge/discharge)
200 - 500 1000 1000 1200
Autodischarge per month (% of total)
Low (5%)Moderate-High (20%)
High (30%) Low (10%)
Minimum time for charge (h)
8 - 16 1 – 1.5 2 - 4 2 - 4
Activity requirement 180 days 30 days 90 days None
Environmental warning High High Low High
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Aspectos de conexión:Cargador
Los cargadores bi-direccionales permiten vehicle-to-grid (V2G) La opción más sencilla para la recarga de vehículos eléctricos es la de
cargador monofásico y uni-direccional Las cargas trifásicas permiten entregar más potencia que las monofásicas Por motivos de refrigeración de los equipos de recarga, las recargas rápidas
se recomiendan solo con cargador trifásico y con los equipos electrónicos destinados a la recarga fuera del vehículo 6
Aspectos de conexión:Reabastecimiento de la energía del VE
SOLUCIÓN PARA BARCELONA
Conector SHUCKO (CEE 7/4) Hasta 16 A 230 V ± 10% 50 Hz ± 1%
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Aspectos de movilidad:Comportamiento del usuario
Desplazamientos simples (GER)
Desplazamientos diarios (GER)
• 95% de los desplazamientos simples son más cortos de 42 km• 95% de los desplazamientos diarios son más cortos de 150 km
Fuente: Evaluation of Battery Charging Concepts for Electric Vehicles and Plug-in Hybrid Electric Vehicles. Benedikt Lunz, Thomas Pollok, Armin Schnettler, Rik W. De Doncker, Dirk Uwe Sauer
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Aspectos de movilidad:Autonomías de los vehículos eléctricos del mercado
Marca Modelo País Concepto Almacenamiento eléctrico Motorización Distancia media [km]
Venturi Venturi Fetish Austria Electric Car Lithium ion battery Electric Motor, 180 kW 250
Toyota RAV4 Japan Electric Car Nickel metal hydride battery Electric Motor, 50 kW 210
Intuga Intuga Germany Electric car Lead, lithium ion battery Electric motor, 7.5 kW 205
Treffpunkt Zukunft Hotzenblitz Austria Electric car Lead gel, lithium ion battery Electric motor, 12 and 16 kW 205
Subaru R1e Japan Electric Car Manganese lithium battery Electric Motor, 60 kW 200
Think Think City Norway Electric Car Lithium ion, opt. Zebra battery Electric Motor, 100 kW 200
Daimler-Benz A-Class Germany Electric Car Zebra battery Electric Motor, 50 kW 200
Twike Lion-Twike Germany Electric Car Lithium ion battery, up to 20 A Asynchronous motor, 3 kW 200
Aptera Aptera Typ-1e USA Electric Car Lithium ion battery, 10 kWh Electric Motor, 18 kW 190
Smith Electric Vehicles Ampere UK Electric car Lithium ion, lead phosphate, 24 kWh Electric motor, 50 kW 160
Phoenix Motorcars Phoenix SUT USA Electric Car Lithium titanium battery, 35 kWh Electric Motor, 200 kW 160
Duracar Quicc! France Electric Car Lithium ion phosphate battery Electric Motor 150
Lumeneo Smera France Electric Car Lithium ion battery, 10 kWh 2 electric motors, 2 x 15 kW 150
Mitsubishi i-EV Japan Electric car with battery, 16 kWh / 20 kWh Lithium ion battery, 16 kWh / 20 kWh Electric motor, 47 kW 145
Huoyun HY-B22120 China Electric Car Lithium ion battery, 200 A / 400 A Electric Motor, 8.5 kW 140
Mes-Dea SA Panda Elettica Switzerland Electric car Zebra battery, 253 V, 19.2 kWh Electric motor, 30 kW 120
Smart Smart ed Germany Electric Car Zebra, lithium ion battery by 2010 Electric Motor, 30 kW 110
Nice Cars Ze-0 UK Electric Car AGM, lithium ion battery, 18 kWh Electric Motor, 15 kW 100
Mindset AG Mindset Switzerland Electric Car with combustion motor Lithium ion battery Electric Motor 100
CityEL FactFour Germany Electric Car Lead, nickel cadmium, lithium polymer Electric Motor, 4 kW 90
Reva Greeny AC 1 India Electric Car Lead acid battery, 48 V, 200 A 3-phase asynchronous motor, 13.1 kW 80
Fisker Karma USA Electric Car with combustion motor Lithium battery Electric Motor 80
Chevrolet Volt USA Electric Car with combustion motor Lithium ion battery, 16 kWh Electric Motor, 55 kW 64
Volkswagen Golf TwinDrive Germany Electric Car with combustion motor Lithium ion battery, 12 kWh Electric Motor, 50
Toyota Prius Japan Electric Car with combustion motor Lithium ion battery > 13 A Electric Motor 30
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Análisis del Impacto de los Vehículos Eléctricos en la Red
E. Valsera-Naranjo, A. Sumper, P. Lloret-Gallego, R. Villafáfila-Robles, A. Sudrià-Andreu:
Deterministic and Probabilistic Assesssment of the Impact of the Electrical Vehicles on the Power Grid. ICREPQ 2010, 23-25 March 2010, Granada, Spain
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Objetivo
El objetivo es analizar el impacto de la recarga de VE (vehículos eléctricos) en la red.
Modalidades de recarga presentadas
• Carga no controlada• Carga controlada
Simulaciones realizadas desde dos puntos de vista
• Análisis determinístico• Análisis probabilístico
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Vehículo Eléctrico:Curva de carga
Batería Mitsubishi I-MIEV
Autonomía de 145 km 50 Ah 330 V (16 kWh)
Tecnología Li-ión Capacidad inicial del 20 %
Para analizar el impacto de los VEs en la red es necesario un modelo de la curva de carga .
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Vehículo Eléctrico:Modalidades de carga
Modalidades de recarga
Recarga no controlada: El vehículo se empieza a cargar inmediatamente después de ser conectado a la red
Recarga controlada: El vehículo solamente se carga en determinados periodos del día (horas valle).
La forma de recargar los VEs influye notablemente en el impacto que se causa en los niveles de tensión y en la saturación de las líneas
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Vehículo Eléctrico:Curva de movimiento de vehículos
Curva desplazada 2 horas antes
Curva adaptada al número de habitantes de Dinamarca
La curva del movimiento de vehículos se obtiene de la curva de movilidad de Barcelona aplicando las siguientes modificaciones:
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Vehículo Eléctrico:Modelo de carga simultánea
Es necesario un modelo que contemple el hecho de las cargas simultáneas en las simulaciones en régimen estacionario.
Parámetros
PHi Potencia total requerida para la recarga de VE para la hora i
R es la penetración de VE
Pev es la potencia máxima a la que puede cargar el coche
i es el contador asociado a la hora actual
j es el contador asociado a la hora anterior
𝛥vak,k-1 es el aumento de VE entre la hora i y la hora j
Cevk es el estado de la carga del VE 15
Demanda Eléctrica:Curvas de demanda VE
Aplicando el modelo anterior a la curva de movimiento de los vehículos se obtienen las curvas de demanda para ambas modalidades de carga.
(a) Carga no controlada
(b) Carga controlada 16
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p:/
/ww
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l/?
p=
181
Demanda Eléctrica:Curvas de consumo
Para realizar el estudio se escoge el caso más crítico, es decir, el que tiene una demanda más elevada, que corresponde a la curva de invierno (laborables).
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Análisis Determinístico:Perfiles de tensión para la carga no controlada
Niveles de tensión para el nodo SE para diferentes penetraciones de VEs en el caso de carga no controlada.
Niveles de tensión para el nodo extremo de la red para diferentes penetraciones de VEs en el caso de carga no controlada.
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Análisis Determinístico: Perfiles de tensión para la carga controlada
Niveles de tensión para el nodo SE para diferentes penetraciones de VEs en el caso de carga controlada.
Niveles de tensión para el nodo extremo para diferentes penetraciones de VEs en el caso de carga controlada.
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Análisis Probabilístico:Perfiles de tensión para la carga no controlada
Niveles de tensión para el nodo SE para diferentes penetraciones de VEs en el caso de carga no controlada.
Niveles de tensión para el nodo extremo para diferentes penetraciones de VEs en el caso de carga no controlada.
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Análisis probabilístico:Perfiles de tensión para la carga controlada
Niveles de tensión para el nodo SE para diferentes penetraciones de VEs en el caso de carga controlada.
Niveles de tensión para el nodo extremo para diferentes penetraciones de VEs en el caso de carga controlada.
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Conclusiones del impacto del VE en la red
La carga no controlada amplifica la demanda en las horas donde la demanda eléctrica es mayor.
La carga controlada permite un escenario con una alta penetración de VE sin necesidad de renovar la aparamenta.
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PARTE 2VEHÍCULO ELÉCTRICO Y GESTIÓN DE LA DEMANDA
Miguel Cruz (IREC) [email protected]
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Introducción
El miércoles 24 de febrero de 2010, tuvo lugar un recorte en la producción eólica de 1500 MW
La parada se produjo a las 1:40 del 24 de Febrero, cuando la potencia eólica alcanzaba casi los 11800 MW, que suponía el 44.5% de la producción eléctrica.
¿Por qué?
Mínimo técnico de la generación térmica. Imposibilidad de regular la producción
nuclear. Necesidad de evacuación de los embalses.
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Introducción
• En el sistema español, los precios del mercado mayorista (pool) se determinan mediante un mecanismo marginal, en el que la demanda se cubre primero con las centrales más baratas y, a medida que aumenta el consumo, se recurre a las plantas más caras, aunque todas cobran el precio de la última incorporación.
• De esta manera, cuando se produce un fuerte incremento de la generación y la demanda se mantiene baja se puede dar el caso de que sólo participen en el mercado las plantas que ofrecen la energía a cero euros.
Esto se debe a que algunas tecnologías, como la nuclear o la eólica, ofrecen al mercado la
electricidad de forma gratuita para asegurarse de que no van a quedar fuera del pool.
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Introducción
Prospectiva y posibles soluciones
• Incremento de la interconexión con Europa.• Participación activa de los agentes en la operación del sistema: mecanismos de gestión de la demanda y creación de nuevos servicios en la operación del sistema.• Capacidad de almacenamiento: construcción de una mayor capacidad de centrales de bombeo, e integración de nuevas tecnologías a M/P, L/P (p.e. vehículos eléctricos).
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Introducción
Punto de partida proyecto REVE:
La incorporación de puntos de recarga de vehículos eléctricos a la red se puede aprovechar para hacerla más sostenible y más segura. Una de las principales barreras para la implantación de más generación eólica es la dificultad, en determinados momentos, de evacuar toda la energía generada.
Colaboración realizada por IREC:
En este contexto el IREC ha colaborado en el análisis de los mecanismos de gestión de la demanda que se pueden utilizar con tal de fomentar que los vehículos eléctricos se integren en la red de la forma más segura, más eficiente desde el punto de vista económico y más sostenible.
Existe un elevado consenso a nivel internacional acerca del papel jugado por la gestión de la recarga en el desarrollo de los vehículos eléctricos. En el caso concreto de España, se podrían llegar a
introducir 6 millones de VE sin necesidad de nueva infraestructura en caso de que se hiciese de forma óptima [REE, 2009].
Fuente: REE, 2009.
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Gestión de la demanda
Mecanismos aplicables: visión general
Planificación e implementación de aquellas medidas destinadas a influir en el modo de consumir energía, de manera que se produzcan los cambios
deseados en la curva de la demanda. Esta gestión se puede implementar de forma individual para cada usuario, o a través de un agregador.
€
€
€
Operador del Mercado:
Operador del Sistema:
Empresa de servicios
energéticos
ESEAparcamientos públicos
Flotas
Domésticos
Vehículos eléctricos
€
Operador del Mercado:
Operador del Sistema:
Aparcamientos públicos
Flotas
Domésticos
Vehículos eléctricos
INDIVIDUAL AGRAGADOR
•Mecanismos indirectos: señal de precio.•Mecanismos directos: señal de cantidad.
•Participación en los mercados.
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Gestión de la demanda
Mecanismos aplicables: objetivos
La gestión de la demanda de la recarga de vehículos eléctricos permitirá: Maximizar la integración de la generación renovable en el sistema eléctrico: a través de
señales de precio se procurará que los vehículos recarguen a las horas en las que exista una mayor dificultad para evacuar la generación renovable (principalmente eólica).
Minimizar la inversión necesaria en la infraestructura eléctrica: una fijación variable de precios que permita optimizar la utilización del sistema eléctrico.
Ambos objetivos se encuentran ligados puesto que en las horas en las que hay un menor consumo de energía eléctrica (y por tanto la infraestructura se encuentra infrautilizada) existen mayores dificultades para evacuar la energía eólica, y viceversa.
El objetivo final de los mecanismos de gestión de la demanda para vehículos eléctricos será por tanto el desplazamiento de su demanda eléctrica de la punta al valle.
Fuente: REE, 2009
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Gestión de la demanda
Mecanismos INDIRECTOS de GdD INDIVIDUAL: tarifas
Una forma de implementar la GdD individual es a través de tarifas (TOU, CPP y RTP), las cuales basan sus incentivos en la diferenciación de precios en función del periodo horario.
30
Gestión de la demanda
Otra forma de implementar la GdD individual es a través de los denominados Demand Reduction Programs (DRPs), los cuales, a diferencia de las anteriores, consisten en el establecimiento de un precio que cobrará el consumidor por reducir su demanda una cierta potencia.
Mecanismos INDIRECTOS de GdD INDIVIDUAL: DRPs
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Gestión de la demanda
Mecanismos DIRECTOS de GdD INDIVIDUAL
• Consisten en enviar una señal de cantidad a los consumidores, los cuales deben obedecer a cambio de una prima en su contrato de suministro.
• Para los consumidores, los mecanismos indirectos
tienen la ventaja de la elegibilidad, puesto que permiten escoger si efectivamente se consume al precio establecido, o se deja de consumir.
• Para los operadores de la red, los mecanismos directos ofrecen la ventaja de un mayor control, puesto que el control directo de la cantidad da lugar a una respuesta más segura por parte del consumidor en comparación a las señales de precio.
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Gestión de la demanda
Mecanismos de GdD a través de un agregador
Introducción de la participación activa de la demanda de los vehículos eléctricos a través de un agregador, el cual será responsable de gestionar la integración un cierto número de VEs (p.e. 1000 VEs) en los diferentes mercados que se celebran para la operación del sistema.
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Gestión de la demanda
ESTÁNDARES POTENCIALMENTE
INVOLUCRADOS
ORGANIZACIONES POTENCIALMENTE
INVOLUCRADASIEC 61850; ANSI C12.19;
BACnet; OpenADR; ANSI C12.22; DLMS/COSEM; Smart Energy Profile; SAE
IEC TC57 WG17; ZigBee/HomePlug Alliance; NEMA; BACnet; SAE
Con tal de garantizar la efectividad de estos mecanismos, es necesaria la correcta comunicación entre el gestor de la red y los clientes (dispositivos, sistemas informáticos y/o las organizaciones propietarias de ellos).
Requerimientos para la participación de los agregadores de VEs en el sistema
Cumplir con los requisitos de observabilidad y controlabilidad por el OS establecidos en la normativa para las instalaciones de más de 10 MW.
Acreditar que sus previsiones de producción puedan considerarse programas de producción a efectos de la operación del sistema.
Disponer de capacidad para almacenar la energía correspondiente al funcionamiento durante 4 horas a plena potencia.
Cumplir con los requisitos establecidos en los procedimientos de operación en lo que se refiere a respuesta ante perturbaciones de tensión y variaciones de frecuencia del sistema.
Es necesario analizar con profundidad la viabilidad del cumplimiento de cada uno de los requisitos.
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Contexto regulatorio
Precio Total = (Término de Potencia+ Término de Energía) x IE x IVA
Precio libre/ Regulado
Los precios que puedan ofrecer las comercializadoras dependerán de la
tarifa de acceso contratada: para poder facturar la energía es necesario
poder medirla.
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Contexto regulatorio
La única tarifa regulada vigente, por tanto, es la TUR. No es posible, en línea con lo establecido por la Directiva Europea 2003/54/CE el desarrollo de tarifas reguladas específicas para un uso concreto como el VE (tal y como se transpuso para las tarifas especiales de riego o tracción mediante el RD 809/2006).
La posibilidad de desarrollar tarifas eléctricas especiales para la gestión de la demanda queda supeditada por tanto al desarrollo de una tarifa de acceso específica que lo permita. En el caso español únicamente el 8,5% de los clientes conectados en BT están acogidos a algún tipo de discriminación horaria.
Adicionalmente a los mecanismos en BT, la discriminación horaria en MT y la interrumpibilidad en AT (con únicamente 200 abonados), son los otros mecanismos de gestión de la demanda operativos a nivel español.
91,5%
5,4%3,1%
Porcentaje de clientes según tipo de discriminación horaria (en BT).
DH1
DH2
DH3 73,0%
23,0%
Porcentaje de clientes según tipo de discriminación horaria (en MT).
DH3
DH6
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Contexto regulatorio
A pesar de que la Tarifa de Acceso representa aproximadamente un 30% del precio que perciben los consumidores, la implementación de mecanismos indirectos de gestión de la demanda en la Tarifa de Acceso queda limitada en el entorno liberalizado: en el caso español se establece un precio constante en todo el territorio y los precios se fijan con un horizonte temporal anual.
Por tanto, la única vía existente para el desarrollo de tarifas eléctricas que permitan una integración adecuada del vehículo eléctrico, que maximice la integración de renovables y minimice la inversión requerida en la red, consiste en el desarrollo de una nueva tarifa de acceso que permita la aplicación de mecanismos económicos de gestión de la demanda (como los analizados en este documento).
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Conclusiones
1) La implantación de mecanismos de gestión de la demanda permitirá maximizar la integración de generación de origen renovable en el sistema así como minimizar la inversión necesaria en infraestructura.
2) Se han identificado una serie de mecanismos económicos de gestión de la demanda que permitirían obtener los objetivos descritos pero su implantación se encuentra limitada por el entorno regulatorio.
3) Se identifica por tanto la necesidad de desarrollar nuevas tarifas de acceso que permitan la implementación de los mecanismos analizados, evitando la socialización de la tarifa.
4) Asimismo este desarrollo regulatorio debe ir acompañado de una evolución tecnológica de la red en lo referente a la medición y al telecontrol, así como en la introducción de inteligencia en las cargas.
38http://www.leonardo-energy.org/espanol/?p=181
Gracias por su atención.
Eduard Valsera (CITCEA-UPC) [email protected]
Miguel Cruz (IREC) [email protected]
39http://www.leonardo-energy.org/espanol/?p=181