03_070311 SEE_Entorno Económico_Regulación Tradicional v0.6_ Rodilla

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


• 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


– 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


– 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


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


– 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


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


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


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


•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


N

CF


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.


• 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)


•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


– 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


•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


N

CF


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


•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) €


• 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


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


– 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

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


– 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


– 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


– 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


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?


¿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


– 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


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


•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.


• 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


• 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)

•DatosH1 H2

Demanda (MW) 4 6

N C F


•Calcular– Despacho de mínimo coste y coste marginal en cada hora• El coste marginal de generación en una determinada hora es igual al coste de satisfacer una unidad más de demanda en esa 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

Entorno tecnológicoServicios complementarios• En el tiempo real los criterios son más técnicos que económicos• Servicios asociados a la generación necesarios para garantizar la seguridad, calidad y eficiencia del suministro.

• Los fundamentales son:– Control frecuencia-potencia:

• Regulación primaria• Reserva secundaria


• Reserva secundaria• Reserva terciaria• Deslastre de cargas

– Control de tensiones y reactiva.– Reposición del servicio:

• Capacidad de arranque autónomo

• Tradicionalmente integrados del todo en la actividad básica de generación de energía

Entorno tecnológicoControl frecuencia-potencia• Reserva primaria (automática)

– Regulación automática local, proporcionada por los reguladores de velocidad de las turbinas• Mantiene frecuencia• Respuestas en segundos

– Deslastre de cargas

• Reserva secundaria (automática)


– Regulación de carácter zonal proporcionada por los Automatic Generation Control (AGC)

– Tiempo de respuesta 5-15 minutos

• Reserva terciaria (manual)– Regulación manual llevada a cabo por el operador del sistema

• Objetivo: restablecer reservas secundarias– Tiempo de respuesta: superior a 15 minutos

• Frequency and power after a sudden loss in generation

Generation sudden loss

900 s300 s30 s Inertia

Primaryreserve

Entorno tecnológicoControl frecuencia-potencia


sudden loss

Frequency

time

Secondaryreserve

Tertiaryreserve

Alberto Aguilera 23, E-28015 Madrid - Tel.: +34 91 542 2800 - Fax: +34 91 542 3176 - http://www.iit.upcomillas.es

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