“Fortalecimiento de capacidades para el Desarrollo de ... - MAED... · dividida en una manera...
Transcript of “Fortalecimiento de capacidades para el Desarrollo de ... - MAED... · dividida en una manera...
Ismael ConchaSección de Planeación y Estudios Económicos
Departamento de Energía NuclearOrganismo Internacional de Energía Atómica
Viena, Austria
Primer Taller de coordinaciPrimer Taller de coordinacióón del proyecton del proyecto
““Fortalecimiento de capacidades para el Fortalecimiento de capacidades para el Desarrollo de Sistemas EnergDesarrollo de Sistemas Energééticos Sosteniblesticos Sostenibles””
RLA/0/029RLA/0/029
1919--21 de Marzo 2007, Quito, Ecuador21 de Marzo 2007, Quito, Ecuador
MAED Modelo para el Análisis de la Demanda de Energía
Datos del sector energía (balance de energía)Supuestos del escenario–Socio-económico–Tecnológico
Usos de energía sustituibleEficiencias del procesoCaracterísticas de la carga horaria
Demanda de energía útil o final por sector/combustibleDemanda de electricidadGrado de electrificaciónCarga de electricidad horariaCurvas de duración de carga
MAED
ENTRADA SALIDA
Demanda de Energía
Modelo de simulación (no optimización)
Aplicable a mediano y largo plazo (no para plazo corto)
Basado en el enfoque de escenarios (no econométrico)
MAED
EstructuraMAED
MODULO MAED-d:
Evaluación de la Demanda de Energía
MODULO MAED-el:
Carga Eléctrica y Curva de Duración de Carga
• La estructura del consumo de energía final del país es dividida en una manera consistente, subdividiendo la economía en sectores de consumo mayor y sub-sectores, ejemplo: agricultura, residencial, trasporte, etc.
• El consumo de energía en cada sub-sector es desagregado en una multitud de usos finales, ejemplo: calefacción (servicios, residencial); vapor (industria); cocción (residencial); combustibles fósiles (transporte); etc.
MAEDMetodología
• Está identificado el conjunto de factores sociales, económicos y técnicos que influyen en cada categoría de demanda de energía de uso final• Se construyen los escenarios de desarrollo de factores sociales, económicos y técnicos • La evaluación de la demanda de energía es la resultante en cada escenario
MAEDMetodología Cont
Ecuación Genérica para el Cálculo de la Proyección de la Demanda de Energía
EDFY = (ED/DP)BY * DPFY * CHFY
Demanda de energía futura Parámetro impulsor
de la demanda en el futuro
Demanda de energía específica por unidad de parámetro impuldor en el año base
Refleja la evolución de la demanda de energía específica por unidad de parámetro impusor
MAED
Parámetros impulsores:
VA por industria;
T-km transportado
P-km transportado
Area de piso en sector Servicios
Número de vivendas
Cambios de coeficientes
1
2000 2030
Electricidad por vivienda
Combustible por 100 Km.
Solar por VA
Ecuación Genérica para el Cálculo del Pronóstico de la Demanda de Energía
(Continuación)
VA: Valor Agregado
MAED
Importantes Aspectos de la Metodología del MAED
MAED
• El precio de las formas de energía no se considera explícitamente en el MAED, debe tenerse en cuenta en el establecimiento de los escenario
• El consumo de combustibles fósiles no es dividido en petróleo, gas, carbón (depende de la situación del sistema de suministro y los precios relativos de estos combustibles – factores más allá del alcance del modelo)
• La demanda de energía es calculada en términos de energía útil en los casos que es posible para permitir el estudio de la sustitución del combustibles
Cadena de energética
- diesel - queroseno - gas - electricidad
Extracción Importación
Planta Eléctrica Refinería
Consumidor
PRIMARIO SECUNDARIO FINAL ÚTIL
Conversión ConversiónTransmisión
- petróleo - gas - carbón - agua
- diesel - queroseno - gas - electricidad
- calor - luz - energía mecánica
MAED
Conversión de la Demanda de Energía en Términos de Útil a Final
EDFinal = (1/ Eff) * PEN * EDÚtil
Comb. Fósil 30 %
70 %
Caldera
Calent.Eléct.
Electricidad
100 % Proceso Térmic
o
MAED
Estructura del PIB
PIBPIBTotalTotal
AGRIC. CONSTR MINERIA MANUF ENERGÍA SERVICIO
MaterialesBásicos
MaquinariaEquipo
No-Duraderos Miscelan.
VASEC = GDP * FRACCION SEC
MAED
MAED Demanda de energía por Sectores: INDUSTRIA
Sub-sectores
Mat. Bás.
Uso Específicode Electricidad
Materias primas
SistemaSolar
Comb.Fósiles
No-Comercial
Electricidad BombaTérmica
Calor deCogener.
Comb.Motor
Calefacción centralizada
Heat forThermal Use
MotivePower
Categoría de Energía Final
Uso-final
Agric. Constr. Miner.Equipm. No durad. Miscel.
Heat forThermal Use
MotivePower
Heat forThermal Use
MotivePower
Calor paraUso Térmico
FuerzaMotora
Demanda de Energía por Sectores: TRANSPORTE
PasajeroUrbano
ElectricidadCarbón Combustible Motor
Categoría de Energía Final
Uso-final
CargaLocal Misceláneas
Sub-sectores
AutosAvionesBuses
Trenes
PasajeroInter-ciudad
CargaLarga dist.
AutosPublic
Transport
Camiones Camiones Miscel.Cabotaje
DuctosTrenes
TransportePúblico
MAED
Demanda de Energía por Sectores: SERVICIOS
Uso Específico de Electricidad
SistemaSolar
CombustiblesFósiles
No-Comercial
Electricidad BombaTérmica
Calefaccióncentralizada
Calor paraUso Térmico
AiresAcondicionados
Categoría de
Energía Final
Uso-final
Sector ServiciosSub-sectores
MAED
Demanda de Energía por Sectores: RESIDENCIAL
Uso específicode Electricidad
SistemaSolar
CombustiblesFósiles
No-Comercial
Electricidad BombaTérmica
Calefaccióncentralizada
CalefacciónAiresAcondicionados
Categoría de Energía Final
Uso-final
Sector ResidencialSub-sectores
Calentamiento De
AguaCocción
MAED
Datos de Entrada
Economía Demografía Estilo de Vida Tecnología
• PIB• Tasa de crecimiento del PIB
• Fracciones del sector
• Población
• Tasa de crecimiento
• Urbanización
• Fuerza laboral
• Tamaño de la residencia
• Movilidad
• Tenencia de autos
• Electrificación• Modos de transporte
• Intensidad energética
• Eficiencia• Recorrido• Penetraciones
MAED
Resultados de la MAED-d
Por sectores
Por categoría de energía final
Combus-tibleMotor
Combus-tible Fósil
Electricidad
Calefaccióncentralizada
No-comercialPV
Industria Transporte Servicio Residencial
Demanda de energía Final 20002005
2010
2030
Electricidad MAED-el
MAED
MAED_ELMAED_EL
Determina la demanda de electricidadanualmente (como lo hace el MAED_D para los recursos/fuentes), pero también la demanda de electricidadhora por hora en MW.
MAED_ELMAED_EL
La curva de carga horariadel sistema de generación se transforma en la curva de duración de carga por clasificación de demanda horaria en orden decreciente de magnitud.
Pico
Mínima
8760Horas
MAED_ElMAED_EL
Después la curva de duración de carga es normalizada
Carga (Fracción del pico)1
1
MAED_ELMAED_EL
En la determinación de la carga eléctrica horaria, diaria y semanal a partir de la demanda de electricidad total anual del sector, el modelo tiene en cuenta:• Tendencia de la tasa de crecimiento promedio anual de la demanda de electricidad;• Los cambios en el uso de electricidad por temporada(mensuales o semanales);• Los cambios en el uso de electricidad debido al tipo de día que esta siendo considerado (días laborales, fines de semana, feriados especiales, etc.);• La variación horaria en el uso de electricidad durante el tipo de día considerado.
MAED_ELMAED_EL
El cálculo de la carga horaria en la red eléctrica es ejecutado utilizando varios coeficientes de modulación, que caracterizan los cambios en el uso de electricidad de cada hora particular con respecto al promedio del uso de electricidad
Coeficientes de modulación
• Tendencia de la tasa de crecimiento promedio de electricidad durante todo el año en la semana i
GROWTH- tasa de crecimiento anual promedio de la demanda de electricidad del sector analizado entre el año último previo y el año actual.
MAED_EL
( )⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +=
5226
1001
i
GROWTHiT
Coeficientes de modulación Cont• Coeficientes por temporadas: K(i)
Tiene en cuenta el impacto de la temporada sobre el uso de electricidad de un sector. Para el período de tiempo “i” (ya sea un semestre, un trimestre, un mes, una semana, etc.), K(i) representa el peso promedio de este período en el uso de electricidad total para el año.
53 coeficientes K(i) deben ser suministrados como datos de entrada para cada año de referencia del período de estudio (al menos la primera y/o la última semana no será una semana completa).
MAED_EL
Coeficientes de modulación Cont
• Coeficientes de ponderación diarios: P(i, id)i=1, 53id=1, 7 (día tipo)
Refleja las fluctuaciones del uso de electricidad debido al tipo de día que esta siendo considerado en comparación con un día laborable (=1).
Ejemplo: Sábado pudiera ser =0.8 y domingo =0.7
MAED_EL
Coeficientes de modulación Cont
• Coeficientes horarios: LCS(h, id) h-hora del díaid-día tipo
Pondera el uso de electricidad para las 24 horas del día.
MAED_EL
Metodología para la conversión del uso anual en la carga horaria
8760
2412
168
168 336
Demanda de electricidad
Variaciones anuales por semana
Variaciones semanales por días
Tendencia de crecimiento por semanas
Variaciones diarias por hora
8760
8760
8760
8760
8760
Carga horaria
MW
MW
1
1
1
1
MAED_EL
Curva de Carga Horaria del sistema eléctrico es transformada en la Curva de Duración de
Carga
• La representación cronológica de la demanda de electricidad horaria es ordenada por carga• La duración total de todo el nivel de carga sobre el periodo se calcula• La función del nivel de carga dependiente de su duración es determinada - (Curva de Duración de Carga (LDC))• Ambas cargas y la duración son normalizadas para obtener la Curva de Duración de Carga Normalizada
MAED-el
CURVA DE CARGA HORARIA
CURVA DE DURACIÓN HORARIA
CARGA
MÍNIMA
CARGA (MW) CARGA (MW)
8760 8760
CARGA PICO
CARGA (Fracción del pico)
1
1
Curva de duración de carga
normalizada
Curva de Duración de Carga Normalizada
MAED-EL
MESSAGEMESSAGE(M(Model for odel for EEnergy nergy SSupply upply SSystem ystem AAlternatives and their lternatives and their
GGeneral eneral EEnvironmental impacts)nvironmental impacts)
SALIDA
MESSAGE
ENTRADA
Estructura del sistema de energía (incluyendo ciclo de vida de la planta y equipo)
Flujos de energía del año base y precios
Proyecciones de la demanda de energía (MAED)
Opciones tecnológicas y de recursos y sus perfiles de funcionamiento técnico-económico
Restricciones técnicas y de política
0
100
200
300
400
500
600
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026
TWh
biomassgeothhydronucleargasdieselfuel oilcoal
● Energía primaria y final
● Emisiones y desechos
● Salud e impactos ambientales (externalidades)
● Uso de recursos, terrenos
● Dependencia de la importación
● Requerimientos de inversión
MESSAGE
Modelo de Flujo FísicoPara un vector de demanda de bienes y servicios el modelo asegura suficientes suministros utilizando
los recursos/fuentes y tecnologías disponibles
Basado en criterios específicos el modelo optimiza la expansión y operación del sistema
Los escenarios son desarrollados minimizando los costos totales del sistema energético
MESSAGE
MESSAGE
Criterios:Minimización de los costosMaximización de la gananciaOptimización Multi-objectivos
Técnicas matemáticasProgramación linealProgramación enteraProgramación no lineal
MESSAGE
Sector Sector energenergééticotico en el MESSAGEen el MESSAGEPrimaria Secundaria Final
Bag
azo
Leña
RecursosC
rudo
/ Gas C
rudo
Gas
Com
bust
ible
s fó
sile
sLe
ñay
Car
bón
veg
Elec
tric
idad
Alc
ohol
Demanda
Elec
tric
idad
Pérd
idas
T&D
Gas
de
Ciu
dad
Cru
dotr
ansp
Gas
Tra
nspo
rte
Cha
rcoa
l
Car
bón
veg
tran
sp
Bag
azo
Bag
azo
P
Tran
spor
teG
as
Impo
rtac
ione
s
Ref
iner
ía
Cru
doIm
port
ado
Extr
acci
ónC
rudo
Impo
rtad
o
Gas
olin
aFu
el o
ilD
iese
lC
oke
GLP
Ker
osen
oN
afta
Gas
olin
aav
iaci
ónB
agaz
o
Cen
tral
esTé
rmic
as
Alc
ohol
P
Turb
inas
de G
as
Car
bón
Veg
Leña
Tran
sp
Mot
ores
Hid
roC
C G
as
Cog
ener
ació
nIn
dust
rial
Modelación
Las variaciones de comportamiento en el tiempo durante el año, pueden ser representadas por variaciones en el tiempo y de carga (energía)
Cada año puede ser dividido en varias formas: temporadas, cronológicamente, ordenadas, etc.
El número de variaciones en el tiempo puede cambiar en los distintos años.
MESSAGE
Divisiones del año
ModelaciónMESSAGE
Divisiones del año
DivisiDivisióónn del del aaññoo porpor temporadastemporadas
Temporadas, (Invierno, Verano, etc.)
Días laborables/ no laborables
Horas 64 divisiones posibles
Modelación
Varios energéticos/combustibles pueden ser organizados/agrupados en diferentes niveles parasu fácil y sistemático reconcimiento.
Ejemplos: Gas primario, Electricidad secundaria,Electricidad final,Etc.
MESSAGE
Niveles y Energéticos
Modelación
Todas las tecnologías pueden ser modeladas:• Entradas y salidas múltiples• Variaciones por temporadas• Variaciones de la eficiencia en el tiempo• Variaciones del costo con el tiempo• Límites en la producción• Restricciones en la capacidad de construcción• Penetración en el mercado• Regulaciones ambientales• Las tecnologías renovables se pueden representar con su intermitencia
MESSAGE
Tecnologías
Modelación
• Se pueden vincular las tecnologías renovables con los sistemas de almacenamiento y respaldo• Las plantas híbridas se pueden representar con disponibilidad temporal del recurso renovable• Etc.
MESSAGE
Tecnologías Cont
Modelación
• Límites de control de emisiones puede ser impuesto a plantas individuales o grupos de plantas
• Comercio de emisiones entre generadores/empresas/países, MDL, etc.
MESSAGE
Regulaciones ambientales
MetodologíaMESSAGE
M × X ≥ rM … matriz de coeficientes para las restriccionesX … vector de variablesr … vector del lado derecho para las restricciones
O(X) = [ I – C ] × X → max
O(X) … función objetivoI … IngresoC … Costo
Formulación de la programación lineal
∑∑producciproduccióónn –– ∑∑consumoconsumo ≥≥ 00
Entrada de la tecnología p en el tiempo t
Ecuación linealMESSAGE
Ecuación de balance energético
tptp
pt DX ≥∑ η
ptX
ptη Eficiencia de la tecnología p en el tiempo t
tD Demanda de combustible en el tiempo t
Ecuación linealMESSAGE
Capacidad y nuevas plantas
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+∂≤ ∑
Τ−=t
t
tptptpt YX ητ
ττπη
ptptX η
τY
Electricidad producida por la tecnología p en el tiempo t
Capacidad nueva anual en el tiempo t
τ∂ Número de años en el tiempo t
tη Capacidad existente
Τ Tiempo de vida de la planta en periodos
ptπ Factor de planta
Ecuación linealMESSAGE
Penetración en el mercado
ptptX η Electricidad producida por la tecnología p en el tiempo t
Máximo crecimiento en el periodo t a t+1
Parámetro de arranque (máximo para nuevas tecnologías)
ptptptt
ptptpt sXX +≤ −− 11ηγη δ
tptδγ
pts
Entrada de la tecnología p en el tiempo t-1
Eficiencia de la tecnología p en el tiempo t -1
1−ptX
1−ptη
Flujograma del MESSAGE
MESSAGE
MXG
OPT
CAP
Matrix (region.mps)
Solution (region_scenario.sdb)
Matrix generation(formulation according to given parameters)
Message datastorage
Data (TDB, ADB, LDB, UPD)
Optimization(Solve the problem with standard solver)
CAlculation Program(Generate information for tables and graphs)
Input data (region_scenario.idb)
Message datastorage
tabular and graphical information
ProcedimientoMESSAGE
• El USUARIO construye el sistema energético• El USUARIO introduce los parámetros de entrada• El USUARIO especifica las premisas y restricciones de los escenarios• MESSAGE toma todas las variables y forma una matriz de ecuaciones lineales• MESSAGE resuelve este problema lineal• MESSAGE genera las salidas• El USUARIO investiga las salidas, hace cambios en los escenarios• El proceso se repite…..
SalidasMESSAGE
• Como resultado de la optimización el MESSAGE produce series de valores de todas las variables de decisión• Para cada tecnología:
- Valores de actividad- Valores de capacidad
• Con ayuda del programa de cálculo de salidas o la interfase, ofrece una lista completa de las salidas
SalidasMESSAGE
• Producción y uso de cualquier energético a cualquier nivel de desagregación• Nuevas capacidades requeridas de cada tecnología o proceso• Valores de los subproductos (desechos, contaminantes, etc.)• Costos totales descontados del sistema energético respecto al año base• Costos de O&M• Costos de combustibles• Requerimientos de inversión