I dagsläget har världen en stadigt växande befolkning och där igenom en stadigt växande energiförbrukning. Med en växande energiförbrukning har det under de senaste åren uppenbarats diskussioner rörande samhällets hållbarhet och miljöpåverkan.  Samtidigt sker det en kontinuerlig teknikutveckling och människan är mer beroende av konstant elförsörjning än någonsin tidigare. Teknologiska framsteg, tillsammans med önskan att sträva mot ett mer hållbart samhälle med hög elleveranssäkerhet, har mynnat ett begrepp kallat smarta elnät. Till följd av att elnätet involverar en stor bransch råder det delad mening över vad som utgör ett smart elnät. Detta har lett till uppkomsten av olika definitioner och modeller av konceptet. I syfte att skapa en övergripande uppfattning har en litteraturstudie utförts för att sammanställa de huvudsakliga områden som utgör det smarta elnätet. För att skapa denna överblick har ett förslag på en övergripande definition framtagits enligt följande: Ett smart elnät är nästa steg i elnätets fortgående utveckling som sker till följd av samhällets ökande förlitlighet på konstant elförsörjning och önskan att begränsa människans miljöpåverkan. Målet är att med hjälp av kostnadseffektiva tekniska lösningar, effektiv teknik och ekonomiska drivkrafter främja införandet av ytterligare förnyelsebar elproduktion, en ökad elanvändning och ett effektivare utnyttjande av elnätet – ett elnät med låga förluster, hög elkvalitet och leveranssäkerhet med elkunder som är mer medvetna och delaktiga i sin elförbrukning än förr. Utifrån denna definition kan man summera smarta elnät till att omfatta två huvudsakliga intressen för samhället – hållbarhet och en ökad leveranssäkerhet. I framtiden förväntas därför elnätet hantera vidare utbredning av förnyelsebar elproduktion och en ökad elanvändning. För att möta denna förväntan har det dels konstaterats att nätkapaciteten behöver öka. Det har visats att en ökad nätkapacitet kan nås genom både tekniska lösningar som energilagring och effektivare komponenter men också icke-tekniska lösningar som politiska drivkrafter och incitament för elkunder att sänka sin maxförbrukning och elförbrukning i överlag i form av efterfrågeflexibilitet. I dagsläget finns inga uppenbara incitament för detta och det anses att reformer på vissa delar av elmarknaden kommer att krävas för att främja utvecklingen mot ett hållbart smart elnät. Samtidigt förväntas elnätet förse kunder med högre elkvalitet och leveranssäkerhet. Dagens elnät utgörs av många långlivade och, i många fall, gamla komponenter och investeringar kommer att behöva göras i moderna skyddssystem och kommunikationsnätverk i sinom tid ifall man vill uppnå nya förväntningar. Därtill förväntas det smarta elnätet omfatta olika typer av kommunikationsnätverk inom skyddssystem, övervakning och mätning. Därför har också information rörande relevanta kommunikationsprotokoll, -medier och -nätverk summerats där olika egenskaper lämpar sig för olika tillämpningar. / Currently the world has a steadily growing population and therefore steadily growing need of energy. With a growing need of energy, discussions regarding society’s sustainability and environmental impact have risen. At the same time modern technology has resulted in society being more dependent on a constant power supply than ever before. Technological advances, together with the desire to become a more sustainable society with high availability of power, have yielded a concept known as the smart grid. Due to the power grid being a huge industry there’s a divided perception regarding what a smart grid constitutes. This has resulted in the appearance of different definitions and models of the concept. Therefore a literary study was done with the purpose of creating an overall perception of the main aspects of the smart grid. To create this overview a proposed definition has been developed that describes the smart grid as mainly sustainable and available. The smart grid is the next step of the power grid’s ongoing development in response to society’s increasing reliability of a constant power supply and the wish for decreasing man’s environmental impact. With cost efficient technical solutions, efficient technology and economic forces the goal is to promote introduction of additional renewable electricity production, increased electricity utilization and a more efficient use of the power grid – a power grid with low losses, high power quality and availability with end-users that are more aware and involved in their power consumption than before. Based on this definition the smart grid can be summarized as two main interests for society – sustainability and a higher reliability. In the future the power grid is expected to cope with an increased introduction of renewable electricity production and an increased use of electrical applications. It has been concluded that the grid capacity has to increase in order to meet these expectations. It’s been shown that an increase in grid capacity can be achieved through technical solutions as energy storage and more efficient electrical components but also through non-technical solutions as political forces and incentives for end-users to lower their peak consumption and overall electricity consumption through demand response. At present there are no clear incentives for this and it’s considered that there is a need for reform of certain parts of the electricity market to promote the development towards a sustainable smart grid. The power grid is also expected to supply end-users with a higher power quality and reliability. The power grid of today consists of long lived and, in many cases, old components and investments in modern protection systems and communication networks are required in due time to meet new expectations. In addition, the smart grid is expected to include different types of communication network within protection systems, monitoring and metering. Information was therefore summarized regarding relevant communication protocols, media and networks where different properties are suitable for different applications.

Kenntnisse über das prinzipielle Verhalten der Lasten und deren Benutzung durch die Endabnehmer sind im Wesentlichen vorhanden. Viele der aktuell notwendigen Untersuchungen benötigen jedoch Zeitreihen elektrischer Lasten, sogenannte Lastgänge. Mit der Synthese von Zeitreihen elektrischer Lasten können unter Berücksichtigung verschiedenster Anforderungen Lastgänge aufgebaut werden, wobei in dieser Arbeit der Fokus auf Haushaltsabnehmer liegt. Wichtige Eingangsdaten für die Lastgangsynthese sind die technischen Kenngrößen der elektrischen Geräte und die sozialen Kennzahlen zur Benutzung der Geräte durch die Endabnehmer. Anhand dieser Eingangsdaten wird die Lastgangsynthese durchgeführt und werden Anwendungsbeispiele dargestellt. Die Entwicklung von klassischen Versorgungsnetzen hin zu aktiven Verteilungsnetzen ist bedingt durch neue Verbraucher, wie Wärmepumpen, Elektroautos, sowie vielen dezentralen Erzeugungsanlagen. Speziell die fluktuierende Einspeisung durch Photovoltaik-Anlagen ist Anlass zur Forderung nach einem Verbrauchs- und Lastmanagement. Mit dem Verbrauchsmanagement wird die Last an die Einspeisung angepasst und das Lastmanagement berücksichtigt zusätzlich die Versorgungssituation des Netzes. Für die Lastgangsynthese werden die Haushaltsgeräte in fünf Geräteklassen unterteilt, für die spezifische Kennzahlen aus technischer und sozialer Sicht angegeben werden. Diese Kennzahlen sind Leistung pro Gerät oder Energieverbrauch pro Nutzung sowie Ausstattungsgrade, Benutzungshäufigkeiten und Zeiten für das Ein- und Ausschalten der Geräte. Damit wird ein neuer Ansatz gewählt, welcher nicht mehr auf die detaillierte Beschreibung des Bewohnerverhaltens beruht, da die Datenbereitstellung dafür äußerst schwierig war und ist. Vorzugsweise in Niederspannungsnetzen sind mit synthetischen Zeitreihen umfangreiche und umfassende Untersuchungen realisierbar. Es gibt verschiedenste Möglichkeiten, die Zeitreihen zusammenzustellen. Mit Lastgängen je Außenleiter können beispielsweise unsymmetrische Zustände der Netze analysiert werden. Zudem können auch Lastgänge für Geräte bzw. Gerätegruppen erstellt werden, welche für Potenzialanalysen des Verbrauchsmanagement essenziell sind. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass viele Berechnungen nicht mehr auf deterministische Extremwerte beruhen, sondern die stochastischen Eigenschaften der Endabnehmer mit den resultierenden Lastgängen berücksichtigt werden. / Distributed generation and novel loads such as electric vehicles and heat pumps require the development towards active distribution networks. Load curves are needed for the appropriate design process. This thesis presents a feasible and expandable synthesis of load curves, which is performed exemplary on residential customers with a period under review of 1 year and time steps of as little as 30 s. The data is collected for up-to-date appliances and current statics examining the way of life. The main focus lies on the input data for the synthesis and distinguishes between technical and social factors. Some thirty home appliances have been analyzed and are classified into five appliance classes by incorporating switching operations and power consumptions. The active power is the key figure for the technical perspective and the data is derived from manufacturer information. For the social perspective six different customer types are defined. They differ in sizes of household and housekeeping. The social key figures are appliance penetration rate and depending on the appliance class the turn-on time, turn-off time, operating duration or cycle duration. The elaborated two-stage synthesis is efficiently implemented in Matlab®. First, artificial load curves are created for each appliance of the households under consideration of the appliance class. In the second step, the individual load curves of the appliances are combined to load curves per line conductor. The algorithms have been validated in the implementation process by retracing the input data in the load curves. Also, the feasibility of the results is shown by comparing the key figures maximum load and power consumption to data in literature. The generated load curves allow for unsymmetrical calculations of distribution systems and can be used for probabilistic investigations of the charging of electric vehicles, the sizing of thermal storage combined with heat pumps or the integration of battery storage systems. A main advantage is the possibility to estimate the likelihood of operating conditions. The enhancement to further appliances and the changeability of the input data allows for versatile further possible investigations.

Tesis por compendio / [ES] En la actualidad, existe una creciente necesidad de cambiar el modelo energético global basado en combustibles fósiles por un modelo cien por cien renovable, proceso conocido como "transición energética". Sin embargo, la mayoría de los recursos de generación renovables no son gestionables y presentan una fuerte variabilidad en su producción de energía difícilmente predecible, lo que requiere de un sistema eléctrico más flexible para poder operarse de forma segura. Por otro lado, las tecnologías de la información y la comunicación han evolucionado rápidamente como resultado del proceso de digitalización y de los continuos desarrollos en este campo, permitiendo a sectores como el eléctrico evolucionar hacia nuevos modelos más avanzados como las "redes inteligentes". Todo esto hace que la respuesta de la demanda (capacidad de modificar la forma de consumir energía en función de una señal externa) pueda ofrecerse como un recurso valioso a los operadores del sistema eléctrico, permitiendo a los consumidores más activos reducir su coste energético, lo que aumenta su competitividad y ayuda a la transición energética. La presente tesis tiene como objetivo general el desarrollo de una metodología y de las herramientas de apoyo necesarias que permitan fundamentalmente plantear soluciones destinadas a la resolución de las barreras más importantes en relación con la participación de los recursos flexibles en la operación del sistema eléctrico. Asimismo, permiten determinar la estrategia óptima de participación de grandes y medianos consumidores en productos y mercados en los que los recursos flexibles sean económicamente competitivos y técnicamente fiables. Este objetivo se ha abordado mediante el cumplimiento de cuatro objetivos específicos, que se han traducido en la realización de un conjunto de modelos, metodologías y herramientas que dan cumplimiento a cada uno de ellos. En este sentido, la tesis se ha dividido en cuatro desarrollos interrelacionados a partir de sus resultados. En primer lugar, se ha propuesto una novedosa arquitectura conceptual del sistema eléctrico para integrar los futuros mercados de electricidad, destinada a establecer un marco de referencia más adecuado para la explotación de los recursos energéticos distribuidos y de demanda. En segundo lugar, se ha elaborado una metodología para la estandarización y validación de los recursos flexibles que pueden ofrecer los consumidores, y que podría servir como base para la creación de un proceso de certificación de productos de demanda. En tercer lugar, se ha desarrollado una primera herramienta de planificación a medio plazo que, partiendo de la caracterización y evaluación técnico-económica de los recursos flexibles obtenida con la metodología anterior, permite ayudar a los propios consumidores a evaluar la rentabilidad asociada a las diferentes estrategias de participación en un mercado de operación específico utilizando sus procesos de consumo flexibles. Por último, se ha llevado a cabo una segunda herramienta destinada a optimizar la programación de la operación para el día siguiente de los recursos de demanda de un determinado consumidor participando en un mercado previamente seleccionado a partir de los resultados de la herramienta anterior y, por tanto, ofreciéndole en definitiva el apoyo técnico y las herramientas necesarias para maximizar el beneficio asociado a dicha participación. Las metodologías y herramientas desarrolladas han sido validadas mediante su aplicación a un caso de estudio compuesto por tres consumidores industriales pertenecientes a segmentos con una elevada replicabilidad en Europa (industria papelera, industria cárnica y centro logístico de producto refrigerado). Los resultados de la tesis permiten afirmar que se ha dado un paso relevante dentro de la investigación en este campo para ayudar a la implantación de sistemas eléctricos sostenibles mediante una participación / [CA] En l'actualitat, existeix una creixent necessitat de canviar el model energètic global basat en combustibles fòssils per un model cent per cent renovable, procés conegut com a transició energètica. Per a dur-ho a terme, és important tindre en compte que la majoria dels recursos de generació renovables no són gestionables i presenten una forta variabilitat en la seua producció d'energia difícilment predictible, la qual cosa fa necessari que el sistema elèctric haja de ser més flexible per a poder operar-se de manera segura. D'altra banda, les tecnologies de la informació i la comunicació han evolucionat ràpidament a conseqüència del procés de digitalització i dels continus desenvolupaments en aquest camp, la qual cosa ha permés a sectors com l'elèctric evolucionar cap a nous models més avançats com les xarxes intel·ligents. Tots aquests canvis fan que la resposta de la demanda (capacitat de modificar la manera de consumir energia en funció d'un senyal extern) puga oferir-se com un recurs valuós als operadors del sistema elèctric, permetent als consumidors més actius tindre una oportunitat per a reduir el seu cost energètic, podent ser més competitius i ajudar en la transició energètica. La present tesi doctoral té com a objectiu general el desenvolupament d'una metodologia i de les ferramentes de suport necessàries que permet fonamentalment plantejar solucions destinades a la resolució de les barreres més importants en relació amb la participació dels recursos flexibles en l'operació del sistema elèctric. Addicionalment, permeten determinar l'estratègia òptima de participació de grans i mitjans consumidors en productes i mercats en els quals els recursos flexibles siguen econòmicament competitius i tècnicament fiables. Aquest objectiu general s'ha abordat mitjançant el compliment de quatre objectius específics, que s'han traduït en la realització d'un conjunt de models, metodologies i ferramentes que donen compliment a cadascun d'ells. En aquest sentit, la tesi s'ha dividit en quatre desenvolupaments interrelacionats a partir dels seus resultats. En primer lloc, s'ha proposat una nova arquitectura conceptual del sistema elèctric per a integrar els futurs mercats d'electricitat, destinada a establir un marc de referència més adequat per a l'explotació dels recursos energètics distribuïts i de demanda. En segon lloc, s'ha elaborat una metodologia per a l'estandardització i validació dels recursos flexibles que poden oferir els consumidors, i que podria servir com a base per a la creació d'un procés de certificació de productes de demanda. En tercer lloc, s'ha desenvolupat una primera ferramenta de planificació a mitjà termini que, partint de la caracterització i avaluació tecnicoeconòmica dels recursos flexibles obtinguda amb la metodologia anterior, permet ajudar als mateixos consumidors a avaluar la rendibilitat associada a les diferents estratègies de participació en un mercat d'operació específic utilitzant els seus processos de consum flexibles. Finalment, s'ha dut a terme una segona ferramenta destinada a optimitzar la programació de l'operació per a l'endemà dels recursos de demanda d'un determinat consumidor participant en un mercat prèviament seleccionat a partir dels resultats de la ferramenta anterior i, per tant, oferint-li en definitiva el suport tècnic i les ferramentes necessàries per a maximitzar el benefici associat a aquesta participació. Les metodologies i ferramentes desenvolupades han sigut validades mitjançant la seua aplicació a un cas d'estudi compost per tres consumidors industrials que pertanyen a segments amb una elevada replicabilitat a Europa (indústria paperera, indústria del sector carni i centre logístic de producte refrigerat). Els resultats de la tesi permeten afirmar que s'ha realitzat un pas rellevant dins de la investigació en aquest camp per tal d'ajudar a la implantació de sistemes d'energia elèctrica sosteni / [EN] The ever-increasing need for electricity in our global and advanced society, along with the requirements to preserve the environment, have forced a fast growth of the use of primary renewable sources to produce it. The process of replacing the current fossil primary sources with renewable ones to produce electricity is known as the "Energy Transition". This transition is conditioned for the highly volatile, intermittent, and unpredictable nature of renewable energy sources. In this sense, two options exist to ensure the security of supply in power systems with a high share of renewable generation: either very robust, redundant, and expensive electricity systems with overcapacity or an electricity system with new and enhanced flexibility resources. Fortunately, relevant and advanced parallel developments in the technology, mainly in the control, information and communication fields have allowed the digitalization of the electricity supply systems towards the "smart grid" paradigm. One of the pillars of smart grids is the opportunity that arises for energy consumers to reduce the cost of their energy bill by modifying the electricity consumption. According to external inputs (e.g. prices), consumers can provide to energy markets and system operators competitive "Demand Response Resources" (DRR) that will significantly enhance the required system flexibility to facilitate the transition to a decarbonized system. The thesis's main objective is to develop a new methodology as well as the necessary associated models and tools to overrun the main barriers that prevent the participation of large and medium electricity consumers in the electricity supply activities. Additionally, these tools allow determining the optimal strategy for the participation of large and medium electricity consumers in products and markets where flexible resources can be economically competitive and technically reliable. Four complimentary and correlated sub-objectives have been fulfilled to address the main objective. First, the thesis proposes an original conceptual architecture for future Smart-Markets in order to establish a more suitable framework for DRR trading and implementation. Second, the research aims to solve the need to have "firm" DRR in the way that DRR can be considered reliable resources. This has been dealt with in the second sub-objective where a new methodology to standardize and validate the DRR offered by the customers has been developed and justified. This methodology can be used to regulate a "certification" process for DRR. The two final sub-objectives are related to provide the customer with valuable knowledge and tools to make feasible the DRR offers generation in the long and short term. The third sub-objective is related to the need for the DRR provider to plan in the medium term (a few years ahead) the strategy for the demand participation and assess the necessary investments. A planning tool has been developed to meet that objective. Finally, the last sub-objective deals with the need of the customer to program the operation of their demand resources in the short term (one day ahead at most) by optimizing all the available resources and prices. Consequently, complementary to medium-term planning tool, a day-ahead optimization tool has been created for that purpose. All methodologies and tools researched in this Ph.D. have been validated through its application to three different industrial environments and customers in sectors with high replicability all over Europe: a paper factory, a meat processing factory, and logistic centres with high freezing and refrigerating needs. The results and justified conclusions allow stating that a relevant step in the research of the implementation of more sustainable energy systems has been produced by enhancing more committed and dynamic participation of the demand side resources. / Rodríguez García, J. (2021). Metodología para la optimización del beneficio de la respuesta de la demanda en consumidores industriales: caracterización por procesos y aplicación [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165574 / Compendio