La importancia de la modelación en la planeación del sector energético Dr. Sergio M. Alcocer

La importancia de la modelación en la planeación del

sector energético

Dr. Sergio M. AlcocerSubsecretario de Planeación Energética y

Desarrollo Tecnológico27 de septiembre de 2011

Energía y Desarrollo Sostenible

Sociedad

Medio Ambiente

Economía

Instituciones y políticas

• La energía es el motor de la producción de bienes y servicios de todos los sectores de la economía. Es fundamental para la prestación de servicios sociales básicos, la mejora del acceso a la enseñanza y el aumento en los ingresos.

• El suministro de energía requiere múltiples procesos: extracción, producción, conversión, transformación, transporte y distribución. Estos procesos, y la utilización de energía, generan emisiones y productos secundarios no deseados.

• La planeación del sector requiere la intervención de un gran número de entidades públicas y privadas, así como el uso de herramientas que permitan evaluar decisiones de largo alcance, que son determinantes para lograr su compatibilidad con un desarrollo sostenible.

Importancia de los modelos

• El uso de modelos permite adoptar decisiones fundamentadas en el comportamiento esperado de la oferta y la demanda de energía. Proporcionan una base para:

Determinar las opciones y evaluar sus puntos fuertes y débiles.

Comparar las opciones y, por tanto, calcular los costos y beneficios de las aquellas

Examinar los factores limitativos y analizar los límites de los marcos actuales o futuros (financieros, de políticas internas y externas, etc.)

Evaluar los resultados posibles y valorar las posibilidades de éxito a corto y largo plazo.

Manejar grandes volúmenes de datos.

Utilidad de los modelos del sector energético

• Los modelos permiten la búsqueda de equilibrio entre las necesidades (demanda) y los recursos (oferta) de energía, el acceso a servicios energéticos adecuados, a través del mejor suministro disponible.

• Son fundamentales para lograr la seguridad energética de un país.

• El uso de modelos permite evaluar:

Reformas estructurales

Cambios tecnológicos

Seguridad de suministro de energía

Fomento a una producción sostenible

Cambios en las pautas de consumo

Desarrollo de infraestructura y capacidades

Importaciones de recursos energéticos.

Representación de variables

Volatilidad de los precios de referencia. Intensificación de los ciclos económicos. Cambios en la estructura de los

mercados y la regulación.

Exposición a mercados internacionales

Alta intensidad de capital en las principales líneas de negocios.

Activos con impacto en el largo plazo

Refinación Proceso de gas y petroquímica Plantas de generación eléctrica

Procesos productivos complejos intensivos en el uso de capital

Nuevos desarrollos en E&P Estructuras de costos Energías renovables y energía nuclear

Incertidumbres

Crecimiento de la demanda de energía. Cambios en la estructura de la demanda. Múltiples interacciones entre los

participantes del sector.

Satisfacción de demandas en continua evolución

Características del entorno Características del sector

Situaciones complejas y decisiones de gran valor económico

Clasificación de modelos energéticosOptimización/ Simulación

Propósito/objetivoDe demanda

De oferta

De sistemas

Cobertura espacialGlobal

Nacional

Regional

Sectorial

Estatal

Sentido de agregaciónAgregados

Usos finales

Tipos de enfoque

Los modelos de usos finales (bottom-up) y agregados (top-down) son complementarios, ya que responden a distintas preguntas. Su integración permite analizar el impacto de las diferentes políticas, cambios resultantes en precios relativos e ingreso real, sobre el medio ambiente y sobre los distintos sectores de la economía.

El impacto se observa por medio de variaciones en los niveles de demanda de combustibles y energía secundaria.

Usos finales (Bottom-up) Modelos agregados (Top-Down)

Datos con alto nivel de detalle Datos agregados

Permite evaluar el costo-beneficio de tecnologías, programas y políticas individuales

Permite evaluar el costo-beneficio por medio de la producción total de energía y PIB

No necesariamente considera la eficiencia de mercados

Considera eficiencia en mercados

Interacciones entre proyectos y políticas

Interacciones sectoriales

Petróleo y gas natural

Precios de combustibles

Macroeconómico

Escenarios prospectivos

PREMISAS SECUENCIA DE PROYECCIONES

Oferta de Hidrocarburos y consumo de sector petrolero

Principales elementos en la planeación energética de México

Ahorro de energía del sector eléctrico

Medidas y uso eficiente de energía

Programa de autoabastecimiento

Oferta y demanda de electricidad y consumo de combustibles del sector eléctrico

Gas seco y gas LP

Petrolíferos y gas LP

Autoconsumos de petrolíferos y gas seco

PEP PGPB PR

Demanda máxima de electricidad

Requerimientos de capacidad

Combustibles para generación

Pública y Privada Por opción tecnológica

PEP, PGPB, PR y PPQ

Por combustibles a utilizar

Demanda de combustibles

Demanda por sector

Demanda nacional, regional y estatal

Demanda de combustibles por sectores: transporte, industrial, residencial, servicios y eléctrico privado

• Gasolinas• Diesel• Combustóleo• Turbosina• Coque de petróleo• Gas natural• Gas LP

• Transporte• Industrial• Residencial• Servicios• Eléctrico privado

• Total país• Noroeste, etc• México DF, etc

Principales productos

Prospectivade gas LP

Prospectivade petrolíferos

Prospectivade petróleo crudo

Prospectivade gas natural

Prospectiva delsector eléctrico

Políticas Energéticas

Balances prospectivos

• Petróleo• Electricidad• Gasolinas• Diesel• Combustóleo• Turbosina• Coque de

petróleo• Gas natural• Gas LP

Inversiones

• Pozos• Capacidades de

procesamiento de refinación y gas

• Capacidad de generación de electricidad

• Infraestructura de transporte y distribución

Otros

• Potencial de ahorro de energía.

• Infraestructura de importación

Estrategia Nacional

de Energía

Prospectivade renovables

Principales modelos del sector

HidrocarburosHidrocarburos

Eficiencia EnergéticaEficiencia Energética

ElectricidadElectricidad

Energías renovablesEnergías renovables

Oferta de hidrocarburos

MOSNR

Portafolio de proyectosOferta de crudo y gasRiesgo de proyectos

Insumos Modelos ResultadosPropiedades de yacimientos,

Factores de recuperación Riesgo exploratorio, volumen original,

Comportamiento presión-producción de yacimientos

MOSDEC

Modelos técnicos

Documentación y evaluación

Jerarquización cartera

Capacidad de proceso y logística

Proceso de crudo Elaboración e importación de petrolíferos

Precios, demandas, capacidad infraestructura, especificaciones

MOGAS

Modelos locales

Capacidad de proceso y transporte

Balance de gas y líquidos


MOGEO


Jerarquización del portafolio de inversiones

Optimización global de operaciones

Alineación con restricciones de liquidez y endeudamiento


Demanda de hidrocarburos

Autotransporte

Pronóstico de demanda por combustibles:

GasolinaDieselCoque de petróleoTurbosinaCombustóleoGas NaturalGas LP

Por sector: Transporte

AutotransporteAéreo ferroviario

IndustrialResidencial AutogeneraciónServiciosAgropecuario

Pronóstico de demanda regional

Industrial

Residencial

Autogeneración

Transporte Ferroviario

Agrícola

Escenario macroeconómico

Escenarios de precios de combustibles

Proyección regional del parque vehicular por modelo y categoría

Estimación de las eficiencias medias del parque vehicular

Información de consumidores clave de GN

Factores de eficiencia Información de permisos de autogeneración

Información de proyectos de Pemex

Información de consumidores de coque de petróleo

Transporte Aéreo

Servicios

Insumos Modelos Resultados

Oferta de electricidad

WASP

Plan de expansiónReserva del sistemaAño de entrada en operación

Inversiones en capacidadAnálisis de la expansión de la red principal de transmisión

Plan de expansión de mínimo riesgo incorporando incertidumbre de precios de combustibles

Confiabilidad de la red de transmisión

Potencia no suministradaFlujos estabilidad, detalle de obras de transmisión

Expansión de redes de transporte de gas natural

PEGyT

México

Análisis de redes

PEGyT/AR

PEGyT/RTG

Evolución de la demandaParque de generación existente

Proyectos potencialesPrecios de combustiblesParámetros de evaluación

Capacidad hidroeléctricaCurvas de carga por nodo

Proyectos de transmisiónCostos de inversiónCostos de operaciónCostos de falla


Demanda de electricidad

Residencial

Pronóstico de demanda sectorial:

residencial, comercial, alumbrado, bombeos de aguas potables y negras,

riego agrícola, servicio temporal, empresa mediana y gran industria.

Pronóstico de demanda regional

Comercial

Alumbrado

Público

Bombeo

Servicio Temporal

Agrícola

Escenario macroeconómico

Escenarios de precios de combustibles

Escenario de ahorro de electricidad por sector y uso

Criterios de determinación de pérdidas no técnicas

Empresa Mediana

Gran Industria


Eficiencia energética

Impacto de medidas de eficiencia energética:

Transporte Iluminación Equipos del hogar Inmuebles Cogeneración Edificaciones Motores industrialesBombas de agua

Pronóstico de ahorro de demanda de energía (abatimiento)

Estimación del parque vehicular actual, su consumo energético y crecimiento

Estimación del parque de lámparas y evolución con base en su consumo y horas de uso promedio

Estimación del consumo, entrada y salida del parque de equipos del hogar e inmuebles con base en ventas, función de retiro natural e información disponible

Potencial de cogeneración identificado

Parque de edificaciones y estimación de su crecimiento

Estimación del parque de motores actual, su crecimiento y desempeño, tomando en cuenta las ventas de los últimos años

Proyecciones de crecimiento de bombas de agua con base en datos históricos e información disponible

MOAbEn


Energías Renovables

Expansión del parque de generación existente por tecnología.

Las tecnologías renovables consideradas son:

BiogasBiomasaGeotermiaGas de relleno sanitario

Mini y Micro Hidráulica

Solar fotovoltaicaSolar térmicaEólica

Generación por tipo de tecnología.

Evolución de la demanda Parque de generación

existente Detalle hidrológico de

cuencas Definición de potencial de

energías renovables Precios de combustibles Parámetros de evaluación Capacidad hidroeléctrica Capacidad de líneas

principales de transmisión Costos de inversión Costos de operación

Ordena @Plus1/

1/ Actualmente en desarrollo


Modelos de sistema

Capacidad, ubicación geográfica y tipo de tecnologías de nuevas centrales eléctricas.

Niveles de despacho Consumo de combustibles

por tipo y fuente de suministro.

Capacidad y ubicación de infraestructura de transmisión y transporte de gas natural.

Emisiones de GEI del Sector Eléctrico.

Inversiones

Infraestructura actual (capacidades de transformación y transporte de energéticos)

Precios y disponibilidad de energéticos

Demanda eléctrica y de combustibles

Costos de inversión Escenarios de uso de fuentes

renovables en producción de energía eléctrica

Variables económicas

DOSE

Capacidad, ubicación geográfica y tipo de tecnologías de nuevas centrales eléctricas.

Estimación de emisiones de GEI

Impacto de medidas de mitigación en las emisiones de GEI

Balances de energía prospectivos

Requerimientos y uso de energéticos

Requerimientos de infraestructura de transformación

Disponibilidad de recursos (petróleo crudo, GN, carbón, potencial de fuentes renovables)

Capacidades de transformación

Demanda eléctrica y de combustibles por sector

Variables económicas

MEM 70


Comentario final

• La planeación del sector energético de México es un proceso complejo, con distintos niveles de refinamiento

• La elaboración de modelos de varios tipos y distintos niveles de profundidad es indispensable para obtener resultados confiables y oportunos para la toma de decisiones

• Es indispensable la articulación de las entidades participantes, así como el desarrollo de modelos de país.

Reflexión final – Ismael Herrera Revilla

• Universitario comprometido

• Investigador de vanguardia

• Maestro

• Forjador de nuevas iniciativas

La importancia de la modelación en la planeación del

sector energético

Dr. Sergio M. AlcocerSubsecretario de Planeación Energética y

Desarrollo Tecnológico27 de septiembre de 2011

Material de apoyo

Exploración y Producción

Estimar las reservas a descubrir y los pronósticos de producción, documentar el portafolio de proyectos, jerarquización y selección de proyectos.

Objetivo

Sistema de evaluación probabilista, herramientas técnicas de balance de materia y simulación numérica de yacimientos.

Metodología

Corto a largo plazo.Horizonte de planeación

Nivel de detalle:o Proyecto/campoo Proyecto/campo/oportunidado Proyecto/unidad de

inversión

Características generales

Modelos técnicos

Documentación y evaluación


Modelo de Optimización del Sistema Nacional de Refinación

Minimizar el costo de suministro de la demanda de petrolíferos.

Objetivo

Optimización linealMetodología

Corto a mediano plazo.Horizonte de planeación

Programación de operaciones, análisis de inversiones y mejora operativa


MOSNR

Modelo de Optimización del Suministro y Demanda de Energía y Combustibles

Minimizar el costo de suministro de la demanda de energéticos.

Objetivo


Largo plazo.Horizonte de planeación

Optimización de inversiones, diseño de políticas sectoriales


MOSDEC

Modelo de Optimización de las Operaciones de PGPB

Optimizar la distribución de corrientes de proceso y transporte de productos, para satisfacer la demanda de productos.

Objetivo

Modelo de programación lineal estática multiplanta.Metodología

Largo plazo.Horizonte de planeación

Cumplir con restricciones de capacidad, inversión, entre otras, al mínimo costo.

Programación de operaciones, análisis de inversiones


MOGAS

Modelos locales

Corporativo

Maximizar el valor de los hidrocarburos y obtener una cartera jerarquizada y optimizada de proyectos de inversión.

Objetivo

Optimización lineal y estimación estocástica probabilística.

Metodología


Estudios especiales, coordinación interorganismos.


MOGEO


Demanda de hidrocarburos

Autotransporte

Industrial

Residencial

Autogeneración

Transporte Ferroviario

Agrícola

Transporte Aéreo

Servicios

Proyectar la demanda final de combustibles en México.

Objetivo

Metodología bottom-up, modelo microeconómico neoclásico de optimización

Metodología

Largo plazo (16 años) y corto plazo (36 meses).

Incorpora escenarios dela actividad económica, precios al público, ahorro de energía y penetración de tecnologías.

Horizonte de planeación


Pronóstico del consumo nacional de electricidad

Pronosticar el consumo nacional de electricidad por sector.

Objetivo

Modelo econométrico, dinámico, logarítmico.

Metodología

Trayectoria de 30añosHorizonte de planeación

Se basa en el escenario macroeconómico, de población y vivienda, de precios de combustibles, de ahorro de electricidad y criterios de determinación del nivel de recuperación de pérdidas no técnicas


Residencial

Comercial

Alumbrado

Público

Bombeo

Servicio Temporal

Agrícola

Empresa Mediana

Gran Industria

Wein Automatic System Planning

Determinar un plan óptimo de adiciones de capacidad de generación para el sistema eléctrico al mínimo costo.

Objetivo

Algoritmo de programación dinámica. Simulaciones probabilísticas que incorporan efectos aleatorios.

Metodología

Mediano y largo plazos. En CFE se consideran 20 años.


Modelo UninodalCaracterísticas generales

WASP

Modelo de Planificación de Expansión de Generación

Definir planes regionales de expansión de capacidad de generación y de la red principal de transmisión para satisfacer la demanda prevista de manera confiable y a un mínimo costo.

Objetivo

Programación lineal (técnica de partición de Benders)

Metodología

Mediano y largo plazos. En CFE se consideran 20 años.


Las opciones disponibles para la expansión de la capacidad de generación en cada región (nodo), se definen exógenamente a partir de los catálogos de proyectos potenciales de diversas tecnologías.


PEGyT

Modelo México

Minimizar los costos de producción y energía no suministrada.

Objetivo

Simulación Monte Carlo y Programación lineal.

Metodología

Corto plazo.Horizonte de planeación

Generar valores que indiquen la conveniencia de instalar elementos de generación y/o transmisión para reducir costos de producción y el nivel de falla.

Calcular los valores promedio de los costos de producción a un nivel sistema y la potencia no suministrada total y en cada uno de los nodos.


México

Análisis de Redes

Diseñar el Programa de expansión de Trasmisión del sistema eléctrico nacional.

Objetivo

Análisis de flujos de potencia, estabilidad transitoria, estabilidad de voltaje y cálculo de corto circuito

Metodología

Corto, mediano y Largo Plazo


Se modelan todos los elementos del sistema en los niveles de tensión de 69 s 400 kV.


Análisis de redes

Modelo de Planificación de Expansión de Generación con acotamiento de riesgos (AR)

Determinar el tipo de tecnología y capacidad de generación que debe instalarse, así como el momento y la ubicación en donde se instalará.

Objetivo

Técnicas de la optimación matemática: descomposición de Benders, programación Entera-Mixta, Dinámica-Dual, relajación lagrangiana.

Metodología

15 añosHorizonte de planeación

Minimizar el valor presente de los costos de inversión más los costos asociados con la operación.


PEGyT/AR

Modelo de Planificación Integrado de Expansión de Generación y Red de Transporte de Gas

Determina planes multi-anuales de expansión del sector eléctrico, fuentes y redes de transporte de gas natural

Objetivo

Técnica de gradiente condicionado para descomponer el problema y solución con el optimizador PEGyT actual y un problema multietapa, de programación lineal entera-mixta.

Metodología

15 añosHorizonte de planeación

Descompone el problema Integral de Expansión en dos subproblemas de la infraestructura de generación uy transmisión de electricidad y suministro y transporte de gas natural.


PEGyT/RTG

Modelo Bottom-up para Abatimiento de Energía

Estimar el éxito de las medidas de abatimiento.

Objetivo

Modelo Bottom-up, lineal.Metodología

Hasta el año 2030.Horizonte de planeación

Transporte, Iluminación, Equipos del hogar, Inmuebles, Cogeneración, Edificaciones, Motores industriales,Bombas de agua


MOAbEn

Ordena @Plus

Identificar oportunidades estratégicas para sistemas de generación en donde las energías renovables juegan un rol relevante.

Objetivo



Determinar las capacidades de generación y el programa de inversión requerido para abastecer la demanda eléctrica.

Representación detallada de plantas hidroeléctricas, y de escenarios de energías renovables


Ordena @Plus

Desarrollo Óptimo del Sector Energético

Determinar la solución de mínimo costo, para el crecimiento del Sector Energético basado en el crecimiento de la demanda

Objetivo

Programación linealMetodología

Largo plazo. 25 períodos simultáneos. Cada período puede ser un año.


Optimización simultánea de los períodos.


DOSE

Modelo Energético de México al 2070

Evaluar el impacto de medidas de mitigación en las emisiones de GEI, originadas por el uso de combustibles fósiles en el sector para el largo plazo.

Objetivo

Modelo uninodal del tipo energético-ambiental.

Metodología

Actualmente, el horizonte de planeación es a partir de 2007 con escenarios al 2070.


Estructurado en la plataforma LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning System) desarrollada en el Instituto del Medioambiente de Estocolmo.


MEM 70

Modelos utilizados y sus aplicaciones

Metodologías Horizonte típico de aplicación

Nivel de agregación

Principio de metodología

Ventajas/desventajas Modelamiento energético

Modelos econométricos

Corto y mediano plazo (no responde a cambios estructurales)

Botton up / top down

Métodos estadísticos Ventajas: Simplicidad y facilidad de aplicación. Desventajas: Requerimientos de conjuntos consistentes de datos e incapacidad de incorporar cambios estructurales (como nuevas políticas)

Modelos de demanda. Curva de demanda y consumos.

Modelos de uso final (contabilidad)

Mediano y largo plazo Bottom up Foco en servicios que usan energía y luego en características tecnológicas que brindan los servicios energéticos

Ventajas: Se incorporan fácilmente cambios tecnológicos anticipados. Desventajas: Requiere muchos detalles en información de uso final y no presenta comportamiento de agentes.

Modelos de demanda y sistemas. Consumos.

Optimización Mediano y largo plazo Bottom up Típicamente problema de optimización lineal restringida. La oferta debe satisfacer demanda energética exógena. Problema dual entrega valores de energéticos.

Ventajas: Especialmente útil cuando hay opciones tecnológicas. Consistente con análisis de back casting. Desventajas: Supuestos de competencia perfecta , no simula comportamiento real de sistemas, modelos complejos y dato-intensivos.

Modelos de oferta

Fuente: Modelos de planeación energética, Gerardo Bazán y Gilberto Ortiz; Energía a debate, Marzo-Abril 2010.

Modelos utilizados y sus aplicaciones (cont.)

Metodologías Horizonte típico de aplicación

Nivel de agregación

Principio de metodología Ventajas/desventajas Modelamiento energético

Equilibrio parcial y simulación

Mediano y largo plazo

Bottom up Simula comportamiento de productores y consumidores ante señales (precios, ingresos, políticas). Típicamente utiliza enfoque iterativo para encontrar equilibrio de mercado. Precios de energía son endógenos.

Ventajas: No están limitados por óptimo y no asume que la afecta la decisión tecnológica. Desventajas: complejos y dato intensivos, relaciones controversiales y de difícil parametrización.

Modelos de sistema energético

Modelos de equilibrio General computable

Mediano y largo plazo

Top down Intentan representar la respuesta macroeconómica real a políticas, como la sustentabilidad de la energía por otros insumos de bienes de consumo.

Las criticas de este tipo de modelos es que carecen de flexibilidad tecnológica que ofrecen otro tipo de modelos.


Modelos de desarrollo reciente

Corto, mediano y largo plazo

Bottom up Son modelos asociados al desconocimiento del modelo de proceso, típicamente se emplean redes neuronales, sistemas expertos o sistemas fuzzy. Se realiza el entrenamiento (redes neuronales) o etiquetado (fuzzy) a través de datos. La calidad y vigencia de los datos es crucial para el buen funcionamiento de este tipo de modelos

Presentan buen desempeño en condiciones generales, pero no responden a cambios estructurales o tecnológicos. Su estabilidad y observación no esta asegurada.


Fuente: Modelos de planeación energética, Gerardo Bazán y Gilberto Ortiz; Energía a debate, Marzo-Abril 2010.

La importancia de la modelación en la planeación del sector energético Dr. Sergio M. Alcocer

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