Coordinación Integrada de sistemas eléctricos y de gas natural de mediano plazo

Abstract

El creciente aumento mundial del precio de los combustibles líquidos derivados del petróleo ha incentivado la utilización de combustibles alternativos, como es el caso del gas natural (GN). El mismo ha adquirido un papel protagónico en los últimos 10 años, debido a su creciente uso para la generación de energía eléctrica, a través de la incorporación de unidades de generación térmica de gas natural (UGGN). Paralelamente a esto, y debido al desarrollo de nuevas tecnologías de licuefacción y regasificación de GN, transporte de gas natural licuado (GNL) y almacenamiento de GN, se han desarrollado mercados de GN regionales, esperándose para los próximos 10 años importantes expansiones de las redes y construcción de plantas de licuefacción y regasificación, constituyendo así un mercado mundial con una gran dinámica de comercialización, como el de cualquier otro comoditiy. Por lo expuesto anteriormente, hoy en día existe un amplio consenso entre los responsables políticos del sector energético en la realización de una planificación integrada y coordinada de los sistemas energéticos involucrados a fin de lograr un suministro de la energía económico, confiable y ambientalmente sostenible. Desde la perspectiva de la utilización óptima de los recursos energéticos disponibles para una región, la resolución conjunta de los sistemas eléctricos y de GN permite obtener un mejor resultado del sistema integrado que la suma de los resultados obtenidos de manera separada, redundando así en un beneficio para la región. En tal sentido se plantea la necesidad de desarrollar nuevas investigaciones que permitan el tratamiento de los sistemas energéticos en forma conjunta e integrada, optimizando así las decisiones que impactan en los aspectos económicos como así también en el riesgo asociado de los distintos actores involucrados. Este trabajo constituye una investigación dentro de las cuestiones técnicas, económicas y matemáticas relacionadas con la coordinación de los sistemas eléctricos y de gas natural y las incertidumbres más relevantes en el problema. El objetivo principal es desarrollar un marco conceptual general para enfrentar el problema de planificación integrada de sistemas eléctricos y de GN de una manera realista y práctica. Para lograr esta meta ha sido necesario llevar a cabo un conjunto de tareas que se describen en detalle en los diferentes capítulos de este trabajo. Con el apoyo de una minuciosa revisión bibliográfica, en el Capítulo II se describen las investigaciones más recientes relacionadas con el tema con sus características más relevantes, como así también los aspectos relacionados con las incertidumbres que influyen en el problema. Además se describe la influencia en la modelación de los elementos de almacenamiento energético (embalses hidroeléctricos, reservorios de GN) y el valor económico asociado a la reserva del mismo. Así también se presenta un aspecto de suma importancia referido a la integración entre sistemas, en la cual se evidencia la relación entre los precios spot de energía eléctrica y de GN. Al final se expone una breve caracterización del sistema argentino de electricidad y de GN, destacando los aspectos relevantes que se observan en éste y en la mayoría de los sistemas energéticos latinoamericanos, los cuales se tienen en cuenta en este trabajo. Con el objetivo de tener una idea acabada acerca de los principales aspectos en juego en el problema de planificación, en el Capítulo III se presentan las diferentes características y parámetros que deben tenerse en cuenta al momento del planteo inicial para la confección de un modelo de planificación de la operación integrada de sistemas energéticos en forma generalizada y los posibles resultados que pueden obtenerse de la resolución del problema propuesto. De acuerdo al análisis del problema, en este capítulo se define la formulación matemática del modelo de planificación integrado de los sistemas eléctricos y de GN con todos los elementos constitutivos, los parámetros de entrada y las incertidumbres tenidas en cuenta. Para ello se expone en un primer paso la formulación detallada del modelo determinístico de operación sistema eléctrico hidrotérmico de mediano-largo plazo, el modelo de operación del sistema de GN y modelo general planeamiento de la operación integrada de ambos sistemas energéticos. Una vez expuesta la formulación matemática propuesta, se presenta en el Capítulo IV la metodología de solución para el problema de planificación estocástica de la operación integrada de sistemas eléctricos y de GN. En este capítulo se esquematiza su aplicación a través de un diagrama de flujo donde se detallan los datos requeridos por la modelación de los sistemas eléctricos y de GN, los procedimientos considerados y los resultados obtenidos. Además se presentan los métodos de programación matemática utilizados en la resolución del modelo determinístico de planificación de la operación integrada de sistemas eléctricos y de GN, los cuales exhiben características distintivas que pueden ser aprovechados de acuerdo a la necesidad del problema. Finalmente se exhibe el método de Monte Carlo, el cual permite considerar las incertidumbres introducidas en el problema. Habiendo desarrollado el modelo matemático de planificación integrada de recursos energéticos modelados, en el Capítulo V se resuelven 3 ejemplos de estudio los cuales se desarrollan y se analizan detalladamente sus resultados, con el objetivo de poder observar distintos aspectos y cualidades relacionados con la metodología propuesta. Finalmente en el Capítulo VI se describen las conclusiones destacadas de la investigación, los aportes logrados y las futuras investigaciones relacionadas con el tema.

The worldwide increase in the price of petroleum-derived liquid fuels has encouraged the use of alternative fuels such as natural gas (NG). During the last 10 years, NG has taken a leading role in the electric energy supply due to the increasing use of Natural Gas Fired Power Plants (NGFPP) for electricity generation. Simultaneously, the development of new and more efficient technologies in the liquefied natural gas (LNG) supply chain has set the basis for a globalized NG market. Major capacity expansions are expected in LNG liquefaction and regasification facilities, and also in pipeline networks for the next 10 years, which will extent the existing regional markets to a worldwide NG market with a dynamic trading, like any other commodity. There is now a broad compromise among energy policy makers on the implementation of an integrated and coordinated planning of the involved energy systems in order to achieve an efficient, equal, reliable and environmentally sustainable energy supply. From the perspective of the optimal use of available energy resources within a region, the combined optimization of electric power and NG systems enables to reach to a better result than in the case where these energy systems are considered separately, and thus obtaining a benefit for the region. In that sense, there is a need to develop new research to treat the energy systems in an integrated manner, and therefore improving the decisions that impact on the economic aspects as well as in the associated risk of the involved market players. This dissertation constitutes an exploration inside technical, economic and mathematical questions associated with the coordination in the operation of electric power and NG systems, and most relevant uncertainties linked to the problem. The main objective is to develop a complete and general framework for facing the problem of the integrated planning of electric power and NG systems in a realistic and practical manner. To achieve this goal has been necessary to carry out a group of tasks which are described in detail in the different chapters of this work. With the support of a thorough literature review, Chapter II describes the latest research related to the topic including the main characteristics and the uncertainties that have influence in the problem. It also describes the impact of modeling the energy storage facilities (hydroelectric dams, NG reservoirs) and their associated economic values. This chapter also reveals a very important aspect concerning the integration between systems, which shows the relationship between spot prices of electricity and NG. At the end, there is a brief characterization of the Argentine electric power and NG systems, highlighting the main features observed in these systems and in most Latin American energy systems, which are considered in this work. The first part of chapter III presents a detailed analysis and description of the characteristics and parameters which define the general modeling of the longmedium term operational planning of integrated energy systems. The main objectives and the required outcomes that result from solving this problem are also analyzed. According to these bases, the mathematical formulation of the problem is presented including a description of the input data and the adopted modeling to deal with their uncertainties. The complete formulation of the problem results from merging the deterministic long-medium term deterministic operation model of hydrothermal power system and the analogous for the NG system into a single and integrated model of both energy systems. Chapter IV presents the solution method proposed to handle the stochastic operation planning problem of integrated electric power and NG systems. This chapter outlines their application through a flow chart which details the required information on the electric power and NG systems, the proposed procedures and the obtained results. In addition, this chapter presents the mathematical programming methods used to solve the deterministic operation planning model of electric power and NG systems, showing their specific features that can be used according to the problem requirements. Finally, it displays the Monte Carlo method, which allows to deal with the uncertainties introduced in the problem. Chapter V shows the application of the proposed methodology to three case studies which cover different problem size and complexity. The diversity of the case studies allows to analyze the different features of the proposed modeling and solution techniques. A summary of the results and some concluding remarks close this chapter. Finally, chapter VI describes the main conclusions obtained from this research, the contributions made to state of the art in the operational planning of energy systems and some future research related to the topic.