Según el departamento de energía de los Estados Unidos, la energía transactiva (ET) es un conjunto de mecanismos económicos y de control que permiten el equilibrio dinámico de oferta y demanda en una infraestructura eléctrica, utilizando el valor como parámetro operativo clave [1]. Ciertamente, el equilibrio entre oferta y demanda es un reto en la operación de los sistemas de potencia modernos. Esto se debe a tres cosas: primeramente, a la volatilidad y la disponibilidad de recursos como el eólico y el solar, que dificultan un despacho constante y planificado de energía eléctrica [2]. En los próximos años se espera un incremento en la penetración de tales fuentes de energía renovable para la producción de electricidad, con un crecimiento del 60% para el año 2050 [3]. En segundo lugar, al aumento paulatino de la demanda correspondiente a la electrificación de los sectores de calor y transporte [4]. Y, finalmente, a la descentralización de la producción energética en las redes inteligentes, que está reemplazando al esquema actual de las redes de distribución de energía, jerárquico y controlado de manera centralizada [5], [6]. Esto último se debe el auge de nuevos conceptos como microrredes, comunidades energéticas (CEs), plantas de generación virtual, agregadores, prosumidores, entre otros, que buscan acercar la generación a los lugares de consumo.

Así como los esquemas de operación, los paradigmas de mercados energéticos centralizados parecen quedar cortos, y la idea de mercados localizados, donde el producto a transar es la energía eléctrica (o la energía en general), empiezan a tomar relevancia. Los valores de cambio de esa energía que se transa dependerán de las leyes económicas de oferta y de demanda, pero también de su propia naturaleza que diferencian esta nueva mercancía de las otras. En [7], por ejemplo, se presenta una definición de mercancía como un conjunto de datos sobre la energía a ser transados en un mercado. Bajo estas condiciones nace el concepto de ET, como una solución para equilibrar la red en términos de oferta y demanda [8]. La ET es un enfoque de sistema de gestión de la energía (energy management system), en el cual se establece un mercado transactivo [2], donde la energía se puede intercambiar o comercializar entre prosumidores, consumidores, recursos energéticos distribuidos (REDs) en una microrred e incluso entre microrredes.

Garantizar el flujo de energía y el equilibrio entre oferta y demanda de forma centralizada no es muy fácil, debido a la propiedad sobre las fuentes no convencionales de energía renovable (FNCER) y los recursos energéticos, que se espera estén distribuidos entre varios propietarios generadores o prosumidores. El uso de tecnologías actuales como internet-of-things (IoT) o blockchain permite la ejecución de transacciones energéticas manteniendo la privacidad sobre elementos como la capacidad instalada o el perfil de demanda de los propietarios [9]. Por lo tanto, la operación de sistemas de forma descentralizada suele tener ventajas sobre la optimización de recursos, y la seguridad respecto a la privacidad. Pero la aplicación de esquemas descentralizados, donde los interesados realizan transacciones de forma cada vez más independiente, requiere de la definición clara de las redes que conforman dichos actores y de las reglas con las cuales se relacionan.

Desde un punto de vista comercial, la relación de los actores en red se conoce como mercado energético local (MEL). Según los autores en [10], un MEL puede ser visto como un submercado energético, donde los participantes se integran con fines flexibles, tal como la gestión de restricciones, la optimización del portafolio y el equilibrio del sistema respecto a la oferta y la demanda de energía eléctrica. En palabras de los autores en [11], son mecanismos pensados para incentivar la participación proactiva de los usuarios en los mercados energéticos y la generación de valor económico. De esta última definición, tendría que analizarse si se trata de un mecanismo de incentivos o una potencial necesidad para integrar los sistemas modernos, ya que el concepto tiende a aplicarse con una gran versatilidad. Puede tratarse de la aplicación de mecanismos de respuesta a la demanda, como en [12], de integración de prosumidores al sistema de distribución [13], o la participación de prestadores de servicios diversos, como el almacenamiento [14].

Los MELs, como otros mercados, son el conjunto de relaciones comerciales que vinculan la oferta y la demanda de una mercancía en particular, en este caso, la energía eléctrica. Se trata de la apertura de un nuevo mercado, donde la relación sobre la propiedad se encuentra mayormente distribuida. A su vez, tiende a oponerse a las lógicas del mercado mayorista altamente monopolizado, en el sentido en que incentiva la adopción de FNCER entre los usuarios finales. En este orden de ideas, la ET es el conjunto de mecanismos que hacen posible la relación económica entre comprador y vendedor de los recursos energéticos distribuidos. Para los autores en [4], la relación no se expresa precisamente así. Para ellos, la ET, así como las redes peer-to-peer (P2P), y lo que han llamado community-self-consumption, son diferentes manifestaciones o modelos de aplicación de los MELs. Los autores en [15] y [16], describen una relación entre los MELs y la TE mucho más acorde a la que aquí se mencionó. En [15], se describen estructuras de mercado enfocadas al modelo P2P, siendo este último las manifestaciones de los MELs en un ámbito operativo y transaccional.

Las redes P2P son comúnmente mencionadas en varios trabajos relacionados con ET [4], [10], [16], [17], [18]. Esto se debe a que el contexto de aplicación de ET, generalmente, es la realización de modelos de transacciones entre pares. Teniendo esta relación comercial, una independencia con agentes o entidades intermediarias [17]. Sin embargo, no toda actividad con fines comerciales se hace entre pares en el contexto de la energía transactiva. De acuerdo con la interacción entre los participantes o pares se identifican distintos tipos de mercados: i) mercado descentralizado; ii) mercado basado en la comunidad o centralizado; iii) mercado híbrido o distribuido [19].

Aunque se encuentra mucho el término de la ET y los MELs como incentivos para la adquisición de FNCER entre usuarios finales, su implementación mantiene la lógica del mercado. El fin último es la ganancia económica, y el flujo del beneficio que puede superar las mismas operaciones transactivas de los excedentes de generación, a la compra y venta de servicios adicionales, como el almacenamiento de energía o los servicios de red. Sin embargo, la naturaleza distribuida de la propiedad de los recursos energéticos en los MELs, ponen lógicas a la producción distintas a las de los mercados tradicionales. Un punto importante es la aplicación de conceptos como la economía compartida. En ella es posible que los individuos administren eficientemente los recursos comunes mediante la creación de instituciones bottom-up, donde se establecen reglas y se organiza el uso de los recursos compartidos para la sostenibilidad a largo plazo [20]. Esto hace que la definición del valor sea un parámetro fundamental en la aplicación de ET. El denominado market clearing, que se menciona en algunos trabajos de ET y redes P2P [4], [15], [16], consiste en el establecimiento de los precios de venta de la energía eléctrica que se establecen para mantener el balance entre la oferta y la demanda de energía. Este término se aplica ya hace tiempo en la teoría de mercados.

El valor como una medida unilateral del valor de cambio no es siempre una constante. Algunas veces, el impacto ambiental o social juegan un papel importante. Este concepto es más claro en las CEs, entidades legales basadas en la participación voluntaria de usuarios residenciales, pequeñas y medianas empresas y autoridades locales, con el objetivo principal de proporcionar beneficios ambientales, económicos o sociales en lugar de obtener ganancias financieras [21]. En este caso el beneficio implica la descripción del valor como un elemento que permite el intercambio energético, de modo tal que, el flujo de energía se realiza optimizando parámetros técnicos, económicos, ambientales o sociales. Y, siendo este beneficio un concepto más amplio que la ganancia, tiene sentido que la operación de las redes inteligentes trascienda hacia los sistemas inteligentes, es decir, sistemas compuestos por múltiples vectores energéticos [22]. Estos multi-energy systems (MES) con la aplicación de mecanismos como power-to-gas, combined-heat-and-power, district heating, waste-to-energy, power-to-liquid, entre otros, han probado encontrar ventajas tecno-económicas en la integración de varios vectores energéticos, que las que se encontraba al operarlos de forma separada [23].

Así mismo, ampliar el beneficio de la comunidad podría implicar la incorporación de otros elementos fundamentales para la vida. Por ejemplo, es posible combinar el concepto de energía transactiva con el enfoque del water-energy-food (WEF) nexus para abordar los desafíos de sostenibilidad y vulnerabilidad frente al cambio climático, así como impulsar el desarrollo en comunidades, principalmente localizadas en zonas rurales y aisladas. El nexo agua-energía-alimento se refiere a la relación interconectada entre la producción de alimentos, el uso de la energía y el consumo de agua, lo cual lo convierte en un concepto relevante, dado a que la disponibilidad y el uso eficiente de los recursos de agua y energía son críticos para la seguridad alimentaria y el desarrollo económico. Lo anterior supone la creación de un sistema integral en el que se realizan transacciones energéticas, sostenidas por la definición del valor como un parámetro de evaluación del beneficio de la comunidad, más allá de un indicador de la ganancia neta.

Este documento busca dar un panorama sobre el concepto de la ET, mostrar algunos pilotos que se han desarrollado en el mundo y brindar elementos que logren trascender la idea de la ET, desde los sistemas de potencia, hacia los MELs, la conformación de comunidades energéticas y el nexo WEF. Para ello, la Sección 2. da un recuento de las estructuras de operación y mercado que se siguen comúnmente en la aplicación de la ET. En la Sección 3. se discute la aplicación de ET en el contexto de los MESs y el nexo WEF. Finalmente, en la Sección 4. ofrece un recuento crítico de algunas aplicaciones de ET en Colombia y el mundo.

En un mercado de energía transactiva los participantes se denominan pares, ya que operan a nivel local y son vecinos entre sí. Este mercado de energía se considera como un espacio que permite a distintas entidades (compradores, vendedores) comerciar energía a través de contratos bilaterales, manteniendo así el equilibrio entre la demanda y la oferta. Dependiendo de la interacción entre los participantes, el mercado puede ser completamente descentralizado o full P2P, distribuido o híbrido y centralizado o basado en la comunidad [15]. A continuación, se explican cada uno de estos mercados.

En la ET la definición de la señal económica que permite el establecimiento de un precio de la energía en el MEL tiene un papel protagonista. En la literatura, a tal señal se conoce generalmente como el market clearing price, y se trata del precio de compra/venta de los recursos energéticos compartidos, que permite un balance entre la oferta y la demanda energética [16]. El concepto de market clearing se usa hace mucho tiempo en economía, con el fin de expresar una situación en la que el mercado regula la producción y demanda de cierta mercancía, a través de la definición de un precio.

En lo que respecta a la ET, dicha mercancía es la energía excedente (en el mayor de los casos energía eléctrica) producida a través de FNCER, o servicios energéticos que pueden ser cuantificados. A diferencia del mercado mayorista de energía eléctrica, la energía producida a través de FNCER distribuidas es mucho más volátil, y existen más agentes involucrados.

Hablando de los agentes, en un MEL de energía eléctrica pueden participar: i) prosumidores, que son usuarios propietarios de FNCER capaces de proveer excedentes de energía a la red donde se conectan [18]; ii) generadores distribuidos, que son empresas dedicadas a la generación de energía eléctrica principalmente renovable y de potencias instaladas en el orden de los KW o de algunos pocos MW; iii) microrredes, que son redes de media o baja potencia capaces de auto-sustentarse [14], [32]; iv) agregadores, que son asociaciones de varios usuarios individuales capaces de regular su demanda [23] ; v) plantas de generación virtual, que son asociaciones de varios autogeneradores a pequeña escala, capaces de hacer ofertas considerables de energía; vi) prestadores de servicios de almacenamiento, que son usuarios o asociaciones propietarios de bancos de baterías capaces de almacenar excedentes de energía eléctrica [33]; vii) cargas flexibles, que son usuarios capaces de regular su demanda de acuerdo con señales económicas, pueden ser cargas flexibles: vehículos eléctricos, plantas de generación de hidrógeno, combustible o dispositivos para gestionar calor industrial o residencia; viii) los usuarios del sistema de distribución; ix) comunidades energéticas, de las que se hablará más adelante en esta sección; y x) otros, como operadores de red, prestadores de servicios de red, o prestadores de servicios software-as-a-services.

En los mercados mayoristas, la aplicación del precio de bolsa horario es suficiente para establecer un clear marcket. En un MEL, la volatilidad de las FNCER que son las protagonistas en la conformación de los MELs, complica las cosas. Recursos como la luz solar o el viento, así como la demanda de energía tienen comportamientos no muy fáciles de predecir, lo que implica que un precio como señal que dé equilibrio a un MEL tiende a tener, igualmente, comportamientos poco predecibles [2].

La definición del precio como un parámetro del beneficio económico de la venta de excedentes o servicios relacionados con la energía eléctrica, y el hecho de que la integración de FNCER sea un esfuerzo ambiental en pro de la descarbonización, conlleva a que el valor de la energía en un esquema de ET supere la definición de la ganancia en las operaciones transactivas de energía eléctrica. Como se menciona en [15], la descarbonización y la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), así como la flexibilidad y la eficiencia, pueden ser potenciados a través de la integración de múltiples vectores energéticos en el contexto de la ET. Esto es, la operación global de un sistema compuesto por electricidad, gas, calor, refrigeración, combustibles, almacenamiento de energía, hidrógeno, transporte, etc., que interactúan en un espacio específico, como países, ciudades, distritos, comunidades insulares o incluso edificios. El nombre que se le da este concepto difiere en algunos trabajos, los autores en [23] le denominan MES, en [22] smart energy systems, una noción derivada de smart grids, en [35] se le llama energy hubs, mientras que en otros casos se le nombra energy systems integration, así es para el Energy Systems Integration Group [58], y para el Energy Systems Integration Facility de NREL [59], los MES con la aplicación de mecanismos como power-to-gas, combined-heat-and-power, district heating, waste-to-energy, power-to-liquid, entre otros, han probado encontrar ventajas en la integración de varios vectores energéticos, que las que se encontraba al operar dichos vectores de forma separada [23].

La aplicación de los MES lleva consigo la definición del mayor beneficio, y para ello, la asignación del valor en la operación del sistema es muy importante. En [23], a este ítem se le denomina system assessment y se aborda a través de la exploración en metodologías y criterios de evaluación. Entre ellos, se presentan criterios técnicos, económicos y ambientales, que permiten definir la eficiencia, el desempeño y la viabilidad económica de los MES, es decir, una asignación del valor relativa al contexto. En términos del mercado, o de los MELs que se exploran en el contexto de la ET analizada en este documento, un indicador del valor es el precio en las operaciones transactiva. Ciertamente, el precio es el indicador en el sistema actual del valor de una mercancía [35], y éste, a su vez, un indicativo del beneficio obtenido por una comunidad. En [36] se discute un modelo del flujo de valor en un MES, aunque su aplicación se limita a la definición del flujo monetario entre diferentes actores que se integran en un escenario de ET. Los autores en [32] asignan señales de valor en un MES basadas en el costo de generación, pero limitadas al costo de la energía eléctrica. En [37], se propone una herramienta para identificar criterios de evaluación relativos a la vulnerabilidad del sistema, no se trata de un modelo de ET, pero puede ser útil como parte de la definición del precio.

Siendo la optimalidad en la operación y el beneficio neto dos parámetros fundamentales en la integración de FNCER, un concepto que no puede pasar por alto es el de CEs. Como se mencionó, los autores en [21] las definen como asociaciones de interesados en una localidad, con fines económicos, sociales o ambientales, más allá que financieros. En el contexto de la ET, el concepto aparece como community-based market en [16], donde la asociación se realiza con el fin de realizar transacciones entre los interesados, participar en mercados exteriores y limpiar (clear) el MEL conformado por la comunidad. En [4], se utiliza el término community self-consumption, definiendo una estructura de mercado donde los participantes son cercanos geográficamente, y, su asociación, aparte de las transacciones comerciales que realizan entre ellos, se realiza para satisfacer su propia demanda. Lo autores en [38] comparan el término con el de renewable-energy clusters, y en el encuentran una variedad de aplicaciones, como son: hybrid renewable energy systems, que son sistemas compuestos por FNCER y unidades de almacenamiento, spatiotemporal modelling of renewable energy sources, que son metodologías de planificación de sistemas compuestos por FNCER, o multi-energy systems, autonomous polygeneration microgrids, una aplicación similar al nexo WEF que se trata en la siguiente sección.

Hablando del beneficio, el valor y la comunidad, englobadas en el contexto de la ET, la propiedad tiene un rol en esta discusión. La distribución geográfica de las FNCER y los recursos energéticos implica una distribución en la propiedad de los mismos, es decir, un escenario en el que los recursos son propiedad de más personas. Sin embargo, en algunos contextos se ha demostrado que la gestión individual, derivada de una propiedad parcializada de los recursos, puede repercutir en el decremento de la viabilidad económica y operativa de los sistemas. Por ejemplo, el costo de operación y mantenimiento, y el costo de inversión serían excesivamente altos, si los sistemas de almacenamiento de energía usados en un modelo de ET en [33], fueran propiedad de cada uno de los usuarios. En contraste, muchos de los modelos para la prestación de servicios de almacenamiento hacen uso de la denominada economía compartida (SE, por sus siglas en inglés), donde la propiedad y el beneficio sobre los recursos energéticos se comparte entre varios usuarios [33]. En [39] la relación entre el concepto y la energía renovable es más subjetivo, y la aplicación de la SE se justifica por medio del comportamiento humano. En pocas palabras, cuando un recurso finito es compartido, es explotado como si fuera infinito, pero es posible crear instituciones para regular tal explotación. El trabajo [35] desarrolla el concepto desde el punto de vista económico, con un enfoque discursivo desde la teoría clásica del valor, hasta la presentación de conceptos modernos como el block chain o el backfeed. Sea de una forma u otra, la SE es un concepto incipiente en el estudio de los sistemas energéticos descritos, pero su aplicabilidad tiene un enorme potencial en los modelos de ET, como lo han demostrado en otras plataformas como Uber o Airbnb.

En esta sección se han descrito, a través de una revisión del estado del arte, la relación que existe entre el concepto de ET, y otros términos emergentes, como los MESs, la SE, pasando por las CEs. Aquí se destaca el papel del valor como elemento articulador de los conceptos, y que adquiere relevancia dado el surgimiento de los nuevos mercados y mercancías derivados del uso de la energía (en general) de FNCER. En la siguiente sección se muestra como este elemento articulador puede trascender las lindes de los sistemas energéticos, a un sistema integrado de los tres recursos esenciales para la vida el agua, la energía y la comida.

El nexo de energía, agua y alimentos se refiere a las interconexiones e interdependencias entre los tres recursos esenciales para la supervivencia y el bienestar humano. Por ejemplo, el agua es esencial para el riego de cultivos y la producción de alimentos, y se necesita energía para transportar, procesar y almacenarlos. También se requiere energía para tratar y distribuir agua para el consumo humano, y se necesita agua para la producción de energía, como en centrales hidroeléctricas o para enfriar centrales térmicas. El objetivo de emplear un enfoque del nexo es mejorar la eficiencia en el uso de los recursos, considerando tanto los aspectos sociales como ambientales [41]. Asimismo, este enfoque se aplica en diferentes contextos y escalas para abordar de manera integral los impactos y desafíos relacionados con el agua, energía y alimentos.

El enfoque del nexo se ha convertido en un desafío en literatura actual dado a que requiere de una integración de procesos industriales, sistemas energéticos, desarrollo agrícola y una adecuado suministro de agua. Asimismo, a medida que aumenta la demanda de alimentos y agua, en las próximas décadas son cada vez más las preocupaciones sobre la accesibilidad y disponibilidad de los recursos a largo plazo [41].

Alrededor de 800 millones de personas no tienen acceso al servicio de energía eléctrica, mientras que dos mil millones no cuentan con agua potable, ni una alimentación adecuada a nivel mundial [42]. Además, se espera un incremento en la demanda de agua, energía y alimentos del 50%, 80% y 60% para el año 2050 respectivamente [43].

Por otro lado, en septiembre de 2015 se establecieron los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) como parte de la Agenda 2030 para el desarrollo sostenible [44]. Estos objetivos son un conjunto de 17 metas globales establecidas para abordar los desafíos sociales, económicos y ambientales relevantes para la humanidad. El enfoque del nexo agua, energía y alimentos ha sido cada vez más reconocido por agencias internacionales y la academia como clave para entender la integración de los ODS y fomentar el desarrollo sostenible en el marco de la realización de la Agenda 2030 [45], [46], [47], [48]. De igual manera, este enfoque del nexo debe estar encaminado en apoyar el cumplimiento de tres ODS: 2 (hambre cero), 6 (agua limpia y saneamiento) y 7 (energía limpia y no contaminante) [49].

Uno de los desafíos para abordar el nexo WEF es la naturaleza de los sistemas de energía distribuida. En [50] se estudia la implementación de microrredes en la producción agrícola, con el fin analizar la integración de la producción rural, los DER's y su relación con el nexo. Debido a la flexibilidad operativa de estos sistemas de energía distribuida, se han convertido en alternativas llamativas para la electrificación de comunidades fuera de la red eléctrica [51]. Con la inclusión de nuevas tecnologías como por ejemplo las bombas de riego alimentadas por energía solar y los sistemas agrofotovoltaicos se pueden generar beneficios como la posibilidad a los agricultores de vender excesos de energía solar a la red eléctrica, lo que implica nuevos ingresos y una actividad agrícola más resiliente y amigable con el medio ambiente.

A partir de esto, el concepto de ET puede convertirse en un mecanismo para fomentar la implementación de tecnologías sostenibles en comunidades rurales, abordando factores como la mitigación de emisiones, expansión del uso de fuentes renovables de energía, mayor resiliencia y eficiencia energética, reducción de pérdidas de energía, flexibilidad operativa y electrificación de comunidades remotas. Todo esto encaminado al cumplimiento de los ODS alineados al enfoque del nexo WEF anteriormente mencionados.

En este artículo se ha brindado un panorama general sobre algunos conceptos alrededor del término energía transactiva. Se ha descrito el problema de equilibrio de mercado, como un reto fundamental en la ejecución de este tipo de estructuras, y la definición del precio como parámetro operativo clave. Así mismo, la definición del precio ha llevado a la consideración del valor, partiendo de las necesidades de evaluar económica y operativamente los sistemas energéticos, hasta considerarlo como un elemento propicio para la definición del valor de cambio como parte de las operaciones transactivas. El valor se propone como un término vinculante de sistemas cada vez más intrincados, y el eje operativo y comercial, para su evaluación. En esta revisión, dicha evaluación mantiene un estado incipiente, y requiere de una profundización mayor para el esclarecimiento del valor de la energía, y el establecimiento de las relaciones productivas derivadas del uso de la energía y demás recursos. Por lo pronto, dichas relaciones caen en el concepto de los mercados energéticos localizados, pero tienen el potencial de trascender las lógicas mercantiles, hacia una definición del beneficio comunitario. En este nuevo paradigma de generación y consumo de recursos esenciales para la vida, las nuevas formas de distribución de la propiedad, que son posibles gracias a la tecnología moderna, empiezan tomar papeles relevantes, y cuestionan el carácter individualista de la propiedad sobre los recursos renovables. Estas formas ponen en consideración a las denominadas comunidades energéticas, como esquemas sustentados por conceptos como: el uso compartido de la energía, el beneficio común, el aprovechamiento de los recursos, y la transición energética. Estas son un hito en la construcción de sistemas más eficientes, y social, económica y ambientalmente sustentables.

Por otro lado, se evidencia que el concepto de energía transactiva se ha implementado en varios proyectos piloto en los Estados Unidos y Europa. Asimismo, por parte de América Latina, Colombia ha sido pionero en experimentar con este enfoque. Estos proyectos sirvieron como bancos de pruebas para validar los conceptos derivados de la energía transactiva e investigar el impacto de este nuevo paradigma en los sistemas de potencia existentes. Si bien, por medio de estas experiencias se han mostrado avances prometedores en la adopción de energía transactiva, también se han identificado desafíos e incertidumbres en tecnologías subyacentes como blockchain y sistemas de comunicación y control avanzados. A medida que continua la investigación y el desarrollo, es fundamental abordar estas limitaciones para lograr una transición exitosa a un sistema energético transactivo y sostenible.