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Regulación- Comillas
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
Sistemas de energía eléctrica:Entorno económico y funcionamiento del
INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN TECNOLÓGICA
Entorno económico y funcionamiento del sistema bajo la regulación tradicional
Pablo Rodilla
Maestría en Gestión de la EnergíaMadrid, 7 de Marzo de 2011
Sistemas de energía eléctrica: entorno económico (I)Índice• Introducción: economía de las distintas actividades• Entorno economía de la actividad de generación– Largo plazo– Corto plazo– Tiempo real
2Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
Sistemas de energía eléctrica: Introducción Clasificación de las actividades• Generación
– Tecnologías• Ordinaria y especial
– Actividades• Inversión• Planificación• Operación (y tiempo real)
• Red
• Comercialización– Algunas actividades
• Medida• Facturación
• Coordinación– Operador del sistema
• Programa de producción factible• Intercambios internacionales
3Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
• Red– Tipos de red• Transmisión• Distribución
– Actividades (ambas)• Inversión y construcción• Mantenimiento• Operación
• Intercambios internacionales
En un contexto de mercado además:
• Diseño de mercado mayorista
• Operador del mercado
Entorno económico de la actividad de generación
• Objetivos• Actividades según horizonte temporal– Largo plazo: inversión
4Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– Largo plazo: inversión– Ejemplo de cobertura de la demanda
– Corto plazo: operación (unit commitment)– El tiempo real
El entorno económico: la generaciónCobertura (largo plazo)• Hemos visto que hay diversas tecnologías de generación• Vamos a ver desde el punto de vista económico por qué es óptimo instalar distintas tecnologías
• Vamos a considerar un caso de cobertura muy simple en el únicamente consideraremos dos fuentes de costes para cada tecnología– Los costes anualizados de inversión [€/MW] � I– Los costes variables de producción [€/MWh] � CV
5Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– Los costes variables de producción [€/MWh] � CV• De este modo
I
I + CV*h
h
€/MWh
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura (i)• Ejemplo de cobertura
2500 MW
4000 MW
5000 MW
7000 MW
9000 MW
6Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
Tecnología N C F
Coste Fijo 210 €/kW 114 €/kW 72 €/kW
Coste Variable 6 €/MWh 18 €/MWh 30 €/MWh
500 h 1500 h 4500 h 6000 h 8760 h
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura (ii)
– Comparamos los costes totales de cada tecnología para cada franja• Franja 1: 2500 MW, 8760 h.
– N: 656,4 M€
500 h 1500 h 4500 h 6000 h 8760 h
2500 MW
4000 MW
5000 MW
7000 MW
9000 MW
7Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– N: 656,4 M€• CF = 210 * 2 500 000 = 525 M€• CV = 6 * 2 500 * 8760 = 131,4 M€
– C: 679,2 M€• CF = 114 * 2 500 000 = 285 M€• CV = 18 * 2 500 * 8760 = 394,2 M€
– F: 837 M€• CF = 72 * 2 500 000 = 180 M€• CV = 30 * 2 500 * 8760 = 657 M€
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura• Ejemplo de cobertura•Entonces:
– Franja 1: 2500 MW, 8760 h.• ☺☺☺☺ N: 656,4 M€ ⇒ 29,97 €/MWh
– Franja 2: 1500 MW, 6000 h• ☺☺☺☺ C: 333 M€ ⇒ 37 €/MWh
– Franja 3: 1000 MW, 4500 h
8Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
Franja 3: 1000 MW, 4500 h• ☺☺☺☺ C: 195 M€ ⇒ 43,33 €/MWh
– Franja 4: 2000 MW, 1500 h• ☺☺☺☺ F: 234 M€ ⇒ 78 €/MWh
– Franja 5: 2000 MW, 500 h• ☺☺☺☺ F: 174 M€ ⇒ 174 €/MWh
•Total: 39 400 GWh a 1 592,4 M€: 40,4 €/MWh
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura
5000 MW
7000 MW
9000 MW
F
9Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
N
500 h 1500 h 4500 h 6000 h 8760 h
2500 MW
4000 MW
5000 MW
C
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura• Curvas de coste total
4
4
4.5
5
5.5
6x 10
Cos
te to
tal (
pts/
kW)
nuclear
Curvas de coste total
N
10Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001
1.5
2
2.5
3
3.5
fuel
Horas
Cos
te to
tal (
pts/
kW)
carbonC
F
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura•T1 sustituye a T2 si:
– Luego T1 sustituye a T2 si el número de horas que va a funcionar supera h*
I1 + CV1 * h ≤ I2 + CV2 * h
11Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
•N vs. C:h* = (210 000 – 114 000) / (18 - 6) = 8000 h
•C vs. F:h* = (114 000 – 72 000) / (30 - 18) = 3500 h
(I1 - I2) / (CV2 - CV1) = h*
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6 x 10
fuel
Cos
te to
tal (
pts/
kW)
carbon
nuclear
Curvas de coste total
N
CF
12Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
N
500 h 1500 h 4500 h 6000 h 8760 h
2500 MW
4000 MW
5000 MW
7000 MW
9000 MW
F
C
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001
1.5fuel
Horas
F
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura•Potencia instalada y energía generada por cada tecnología
– N: genera 21 900 GWh:• Genera 2500 MW durante 8760h.
– C: genera 13 500 GWh:
• Genera 2500 MW durante 4500 h• y 1500 MW durante otras 1500 h.
13Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
• y 1500 MW durante otras 1500 h.
– F: genera 4 000 GWh:
• Genera 4000 MW durante 500 h,• y 2000 MW durante otras 1000 h
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura: coordinación hidrotérmica•Tenemos una central hidráulica, con coste de inversión muy alto pero coste variable prácticamente nulo.
•¿Con qué tecnologías compite?
– Hay que tener presente que se trata de una central de energía limitada, y hay que aprovecharla al máximo.
•Ejemplo (central hidráulica)
14Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
•Ejemplo (central hidráulica)
• Potencia máxima: 500 MW.
• Coste Variable: 0 €/MWh• Energía anual: 1500 GWh
•Supongamos que ya hemos llevado a cabo esta inversión hid.– ¿Cuál sería el nuevo parque?
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura: coordinación hidrotérmica•En la franja 1 limita la energía: si genera las 8760 h del año dará una potencia:
2500 MW
4000 MW
5000 MW
7000 MW
9000 MW
15Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– P = 1 500 000/8760 = 171.233 MW
•Con lo que nos ahorramos el coste correspondiente de la N:– CF: 210 * 171 233 = 35,96 M€– CV: 6 * 8760 * 171,233 = 9 M€– Ahorro = 44,96 M€
500 h 1500 h 4500 h 6000 h 8760 h
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura: coordinación hidrotérmica•Despacho en punta
4000 MW
5000 MW
7000 MW
9000 MW
Agua
4750 MW
6500 MW
8500 MW
16Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
•Franja 5: P5 = 500 MW ; 500 h ⇒ E5 = 250 GWh•Franja 4: P4 = 500 MW ; 1 000 h ⇒ E4 = 500 GWh•Franja 3: E3 = 750 GWh; 3 000 h ⇒ P3 = 250 MW
500 h 1500 h 4500 h 6000 h 8760 h
2500 MW
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura: coordinación hidrotérmica
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6 x 10
fuel
Cos
te to
tal (
pts/
kW)
carbon
nuclear
Curvas de coste total
N
CF
17Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
N
C
500 h 1500 h 4500 h 6000 h 8760 h
2500 MW
4000 MW
5000 MW
7000 MW
9000 MW
F
Agua
4750 MW
6500 MW
8500 MW
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001
1.5fuel
Horas
F
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura: coordinación hidrotérmica•Despacho en punta
•Coste fijo: Nos ahorramos instalar– 500 MW de fuel: CF4-5 = 500 000 * 72 = 36 M€– 250 MW de C que cubrimos con agua durante 3000 h, pero las 1500 h restantes se cubren con F (1500h < 3500h): CF3 = 250 000 * (114-72) = 10,5 M€
Coste variable: Ahorramos
18Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
•Coste variable: Ahorramos– CV de F: (500*1500 - 250*1500 )* 30 = 11,25 M€– CV de C: 250 * 4500 * 18 = 20,25 M€
•Ahorro total: 78 M€ (> 44,96 M€)
• La hidráulica se procura despachar EN PUNTA
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura: la energía no suministrada•Hasta ahora hemos considerado que la demanda hay que suministrarla independientemente del coste
•En realidad la demanda (o el regulador en su nombre) no está dispuesta a pagar un precio infinito por la energía, por lo que no todas las inversiones están justificadas– E.g. no tiene sentido instalar una central de Fuel para suministrar 1 kWh al año• El coste de ese kWh sería de 72 (inversión)+ 3 (combustible) €
19Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
• El coste de ese kWh sería de 72 (inversión)+ 3 (combustible) €
•El precio que está dispuesta a pagar la demanda (su utilidad marginal en términos económicos) debe de tenerse en cuenta al calcular la cobertura óptima de la demanda– Este valor suele denominarse “coste o precio de energía no suministrada”
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura: la energía no suministrada•Cobertura óptima con coste de energía no suministrada
– En el ejemplo siguiente, representada por la línea roja
20Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
El entorno económico: la generaciónEjemplo de cobertura: la energía no suministrada•¿Qué pasaría en el caso anterior si consideramos que la emisión de la tonelada de CO2 tiene precio?– Recordemos que: las tasas de emisiones de la nuclear, el ciclo y el carbón son 0, 0.4 y 0.9 T/MWh
•Un último caso de cobertura
Tecnología N C F
21Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– Transición entre Nuclear y Carbón – Transición entre Carbón y Fuel
Tecnología N C F
Coste Fijo 300 €/kW 200 €/kW 0 €/kW
Coste Variable 0 €/MWh 20 €/MWh 50 €/MWh
Entorno económico de la actividad de generación
• Objetivos• Actividades según horizonte temporal– Largo plazo: inversión
22Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– Largo plazo: inversión– Ejemplo de cobertura de la demanda
– Corto plazo: operación (unit commitment)– El tiempo real
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment (operación en el corto plazo)•En el corto plazo (horizonte semanal), las decisiones óptimas de operación dependen de:– Perfil de la demanda• Valores de demanda horaria
– Características técnicas de las centrales eléctricas• Centrales térmicas
– Potencia máxima– Arranques y paradas
23Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– Arranques y paradas– Mínimo técnico (potencia mínima)– Rampa de subida y de bajada
• Centrales hidráulicas y de bombeo– Potencia máxima– Potencia mínima– Límite de energía – Rendimiento del bombeo
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•El operador del sistema debe decidir con qué grupos producir en cada instante, lo que implica– Decidir qué grupos arrancar y para en cada momento– Decidir qué recursos hidráulicos usar en cada momento– Decidir si bombear o no y cuándo
•Un concepto fundamental: el coste marginal– El coste marginal de generación en una determinada hora es igual al
24Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– El coste marginal de generación en una determinada hora es igual al coste de satisfacer una unidad más de demanda en esa hora
•Hay que suministrar energía hasta que la utilidad marginal de la demanda igual el coste marginal de generación
– Normalmente se considera que esta utilidad marginal de la demanda es igual al valor de la energía no suministrada (más de 1000 $/MWh)
( ) ( )d i i iqi i i
Max U q C q−∑ ∑( ) ( )
donde d i ii
i i
dU Q dC qQ q
dQ dq= =∑
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Ejemplo de Unit Commitment térmico básico
– Despacho de mínimo coste basado únicamente en costes variables
•Datos– Demanda: valores horarios
– Centrales térmicas N, C, F
H1 H2 H3 H4 H5
Demanda (MWh) 15 25 35 18 30
25Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– Centrales térmicas N, C, F • Potencia máxima y coste variable de cada central
•Calcular:– Despacho de mínimo coste y coste marginal en cada hora– ¿Cambiarían los resultados si en vez de considerar la curva cronológica considerásemos la curva duración carga (monótona)?
N C1 C2 F
CV (€/MWh) 5 20 30 100
Pmax (MW) 20 8 4 5
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Ejemplo de Unit Commitment térmico básico
N
C1
C2
F
26Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
H1 H2 H3 H4 H5
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Si incluimos un perfil de producción eólica
– ¿Qué pasaría con los costes totales?– ¿Qué pasaría con los precios marginales?
•Si hay una restricción en el sistema por la cual una central de 1 MW y coste variable 500 €/MWh debe de producir todas las horas– ¿Qué pasaría con los costes totales?
27Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
¿Qué pasaría con los costes totales?– ¿Qué pasaría con los costes marginales?
•Si la restricción fuera que la central anterior debe de producir al menos una hora– ¿Cuál sería la forma óptima de cumplir dicha restricción?– ¿Cuáles serían ahora los costes marginales en cada hora?
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Ejemplo de Unit Commitment hidrotérmico basado en c. variables
– Despacho de mínimo coste basado en costes variables– Coordinación hidrotérmica
•Datos• Considérese al demanda y el parque del caso anterior• Considérese también una central hidráulica de las siguientes características– Pmax � 10 MW
28Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
– Pmax � 10 MW– Energía � 11 MWh
•Calcular:– Despacho de mínimo coste y coste marginal en cada hora– ¿Cambiarían los resultados si en vez de considerar la curva cronológica considerásemos la curva duración carga (monótona)?
– ¿Cuál es el valor del agua? (lo que el regulador estaría dispuesto a pagar por tener 1 MWh más de energía en el embalse)
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment
N
C1
C2
F
Hidráulica
•Ejemplo de Unit Commitment hidrotérmico basado en c. variables
29Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
Hidráulica
H1 H2 H3 H4 H5
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Despacho hidráulico de minimización de costes sobre una monónota
•Bajo la hipótesis de que “más demanda implica más coste”• Peak shaving de la demanda
•¿Cómo se despacha el bombeo?•Consignas de uso del agua
Precio
30Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
•Precio•Cantidad•Curva de valor del agua
Reserva en el embalse [al final del periodo]
€
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Unit Commitment con costes variables y restricciones técnicas
– Introducir restricciones de operación complica notablemente el cálculo de los costes marginales y totales• Costes de arranque y parada• Rampas de producción• Mínimo número de horas de funcionamiento• Mínimo técnico• etc.
31Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
• etc.– Para resolver un unit commitment basado en un sistema real es necesario un complejo algoritmo de optimización
•En los próximos ejemplos, vamos a intentar ilustrar las complejidades que surgen al introducir restricciones técnicas
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment• Ejemplo de Unit Commitment térmico con restricciones
– Despacho de mínimo coste basado únicamente en costes variables– Costes de arranque
•Datos
H1 H2 H3
Demanda (MW) 2 2 2
N C F
32Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
• Calcular (centrales paradas en H0)– Despacho de mínimo coste y costes totales– ¿Qué ocurriría si en la H2 tenemos 1MW de producción eólica?• Repetir los cálculos si la demanda es 2-1-2
– ¿más demanda equivale a más coste?
Pmax (MW) 1 1 1
CV (€/MWh) 5 40 100
Coste arranque(€) 100 80 10
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Ejemplo de Unit Commitment térmico con restricciones
– Despacho de mínimo coste basado únicamente en costes variables– Restricción de rampa de las centrales térmicas (máxima diferencia de producción entre dos horas consecutivas)
•Datos H1 H2
Demanda (MW) 4 6
N C F
33Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
•Calcular– Despacho de mínimo coste y coste marginal en cada hora– Idem. si la rampa de N es 5 MW en vez de 0 MW
N C F
Pmax (MW) 3 5 5
CV (€/MWh) 6 18 100
Rampa máxima (MW) 0 2 5
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Ejemplo de Unit Commitment térmico con restricciones de red
– Despacho de mínimo coste basado únicamente en costes variables– Restricción de red
•Datos
H1
Demanda 1(MW) 4
H1
Demanda 2(MW) 5
1 2
34Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
•Calcular– Despacho de mínimo coste y coste marginal• Interconexión de capacidad infinita• Interconexión de 8 MW• No hay interconexión
N_1 C_1 F_1
Pmax (MW) 10 2 5
CV (€/MWh) 0 10 20
C_2 F_2
Pmax (MW) 2 5
CV (€/MWh) 10 20
El entorno económico: la generaciónEl Unit Commitment•Nodo único sin red
35Sistemas de Energía Eléctrica - Pablo RodillaESAN. Madrid, 7 de Marzo de 2011
Fuente: [Javier García González, 2010]