Transcript SergioAlcoser - Modelación Matemática y Computacional
La importancia de la modelación en la planeación del sector energético
Dr. Sergio M. Alcocer Subsecretario de Planeación Energética y Desarrollo Tecnológico 27 de septiembre de 2011
Energía y Desarrollo Sostenible
• • • 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.
Sociedad Economía Instituciones y políticas Medio Ambiente
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
Situaciones complejas y decisiones de gran valor económico Características del entorno Exposición a mercados internacionales
Volatilidad de los precios de referencia.
Intensificación de los ciclos económicos.
Cambios en la estructura de los mercados y la regulación.
Características del sector Activos con impacto en el largo plazo
Alta intensidad de capital en las principales líneas de negocios.
Incertidumbres Satisfacción de demandas en continua evolución
Nuevos desarrollos en E&P Estructuras de costos Energías renovables y energía nuclear Crecimiento de la demanda de energía.
Cambios en la estructura de la demanda.
Múltiples interacciones entre los participantes del sector.
Procesos productivos complejos intensivos en el uso de capital
Refinación Proceso de gas y petroquímica Plantas de generación eléctrica
Clasificación de modelos energéticos
Optimización/ Simulación Propósito/objetivo Cobertura espacial Sentido de agregación De demanda De oferta De sistemas Global Nacional Regional Sectorial Estatal Agregados 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)
Datos con alto nivel de detalle Permite evaluar el costo-beneficio de tecnologías, programas y políticas individuales No necesariamente considera la eficiencia de mercados Interacciones entre proyectos y políticas
Modelos agregados (Top-Down)
Datos agregados Permite evaluar el costo-beneficio por medio de la producción total de energía y PIB Considera eficiencia en mercados Interacciones sectoriales
Principales elementos en la planeación energética de México
Oferta de Hidrocarburos y consumo de sector petrolero Escenarios prospectivos
Macroeconómico Precios de combustibles Petróleo y gas natural PEP Gas seco y gas LP Petrolíferos y gas LP PGPB PR Autoconsumos de petrolíferos y gas seco PEP, PGPB, PR y PPQ Medidas y uso eficiente de energía Ahorro de energía del sector eléctrico Programa de autoabastecimiento
Oferta y demanda de electricidad y consumo de combustibles del sector eléctrico
Demanda máxima de electricidad Pública y Privada Requerimientos de capacidad Por opción tecnológica Combustibles para generación Por combustibles a utilizar
Demanda de combustibles por sectores: transporte, industrial, residencial, servicios y eléctrico privado
• • • • • • • Demanda de combustibles Gasolinas Diesel Combustóleo Turbosina Coque de petróleo Gas natural Gas LP • • • • • Demanda por sector Transporte Industrial Residencial Servicios Eléctrico privado • • • Demanda nacional, regional y estatal Total país Noroeste, etc México DF, etc SECUENCIA DE PROYECCIONES PREMISAS
Principales productos
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 Políticas Energéticas Estrategia Nacional de Energía Prospectiva de petróleo crudo Prospectiva de gas LP Prospectiva de petrolíferos Prospectiva de gas natural Prospectiva del sector eléctrico Prospectiva de renovables
Principales modelos del sector
Hidrocarburos Eficiencia Energética Electricidad Energías renovables
Insumos
Propiedades de yacimientos, Factores de recuperación Riesgo exploratorio, volumen original, Comportamiento presión producción de yacimientos Precios, demandas, capacidad infraestructura, especificaciones Precios, demandas, capacidad infraestructura, especificaciones Precios, demandas, capacidad infraestructura, especificaciones
Oferta de hidrocarburos
Modelos
Modelos técnicos Documentación y evaluación Jerarquización cartera
Resultados
Portafolio de proyectos Oferta de crudo y gas Riesgo de proyectos Capacidad de proceso y logística Proceso de crudo Elaboración e importación de petrolíferos Capacidad de proceso y transporte Balance de gas y líquidos Jerarquización del portafolio de inversiones Optimización global de operaciones Alineación con restricciones de liquidez y endeudamiento
Insumos
Demanda de hidrocarburos
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
Modelos
Resultados
Pronóstico de demanda por combustibles: Gasolina Diesel Coque de petróleo Turbosina Combustóleo Gas Natural Gas LP Por sector: Transporte Autotransporte Aéreo ferroviario Industrial Residencial Autogeneración Servicios Agropecuario Pronóstico de demanda regional
Insumos
Evolución de la demanda Parque de generación existente Proyectos potenciales Precios de combustibles Parámetros de evaluación Capacidad hidroeléctrica Curvas de carga por nodo Proyectos de transmisión Costos de inversión Costos de operación Costos de falla
Oferta de electricidad
Modelos
Resultados
Plan de expansión Reserva del sistema Año de entrada en operación Inversiones en capacidad Análisis 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 suministrada Flujos estabilidad, detalle de obras de transmisión Expansión de redes de transporte de gas natural
Insumos
Escenario macroeconómico Escenarios de precios de combustibles Escenario de ahorro de electricidad por sector y uso Criterios de determinación de pérdidas no técnicas
Demanda de electricidad
Modelos Resultados
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
Insumos
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
Eficiencia energética
Modelos
Resultados
Impacto de medidas de eficiencia energética : Transporte Iluminación Equipos del hogar Inmuebles Cogeneración Edificaciones Motores industriales Bombas de agua Pronóstico de ahorro de demanda de energía (abatimiento)
Insumos
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
Energías Renovables
Modelos Resultados
Expansión del parque de generación existente por tecnología.
Las tecnologías renovables consideradas son: Biogas Biomasa Geotermia Gas de relleno sanitario Mini y Micro Hidráulica Solar fotovoltaica Solar térmica Eólica Generación por tipo de tecnología.
1/ Actualmente en desarrollo
Insumos
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 Disponibilidad de recursos (petróleo crudo, GN, carbón, potencial de fuentes renovables) Capacidades de transformación Demanda eléctrica y de combustibles por sector Variables económicas
Modelos de sistema
Modelos
Resultados
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 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
Comentario final
•
La planeación del sector energético de México es un proceso complejo, refinamiento con distintos niveles de
•
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. Alcocer Subsecretario de Planeación Energética y Desarrollo Tecnológico 27 de septiembre de 2011
Material de apoyo
Exploración y Producción
Modelos técnicos Documentación y evaluación Jerarquización cartera
Objetivo Metodología Estimar las reservas a descubrir y los pronósticos de producción, d ocumentar el portafolio de proyectos, j erarquización y selección de proyectos.
Sistema de evaluación probabilista, herramientas técnicas de balance de materia y simulación numérica de yacimientos.
Corto a largo plazo.
Horizonte de planeación Características generales Nivel de detalle: o Proyecto/campo o Proyecto/campo/oportunidad o Proyecto/unidad de inversión
Modelo de Optimización del Sistema Nacional de Refinación
MOSNR
Objetivo Minimizar el costo de suministro de la demanda de petrolíferos.
Metodología Optimización lineal Horizonte de planeación Corto a mediano plazo.
Características generales Programación de operaciones, análisis de inversiones y mejora operativa
Modelo de Optimización del Suministro y Demanda de Energía y Combustibles
MOSDEC
Objetivo Minimizar el costo de suministro de la demanda de energéticos. Optimización lineal Metodología Horizonte de planeación Largo plazo.
Características generales Optimización de inversiones, diseño de políticas sectoriales
Modelo de Optimización de las Operaciones de PGPB
MOGAS Modelos locales
Objetivo Metodología Optimizar la distribución de corrientes de proceso y transporte de productos, para satisfacer la demanda de productos.
Modelo de programación lineal estática multiplanta.
Horizonte de planeación Características generales Largo plazo.
Cumplir con restricciones de capacidad, inversión, entre otras, al mínimo costo.
Programación de operaciones, análisis de inversiones
MOGEO Jerarquización cartera
Corporativo
Objetivo Metodología Horizonte de planeación Características generales Maximizar el valor de los hidrocarburos y obtener una cartera jerarquizada y optimizada de proyectos de inversión.
Optimización lineal y estimación estocástica probabilística.
Corto a largo plazo.
Estudios especiales, coordinación interorganismos.
Demanda de hidrocarburos
Autotransporte Industrial Residencial Autogeneración Servicios Transporte Aéreo Transporte Ferroviario Agrícola
Objetivo Metodología Horizonte de planeación Proyectar la demanda final de combustibles en México. Metodología bottom-up, modelo microeconómico neoclásico de optimización Largo plazo (16 años) y corto plazo (36 meses).
Características generales Incorpora escenarios dela actividad económica, precios al público, ahorro de energía y penetración de tecnologías.
Pronóstico del consumo nacional de electricidad
Residencial Comercial Alumbrado Público Bombeo Gran Industria Empresa Mediana Servicio Temporal Agrícola
Objetivo Pronosticar el consumo nacional de electricidad por sector.
Metodología Modelo econométrico, dinámico, logarítmico.
Horizonte de planeación Trayectoria de 30años Características generales 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
Wein Automatic System Planning
WASP
Objetivo Determinar un plan óptimo de adiciones de capacidad de generación para el sistema eléctrico al mínimo costo.
Metodología Algoritmo de programación dinámica. Simulaciones probabilísticas que incorporan efectos aleatorios.
Horizonte de planeación Mediano y largo plazos. En CFE se consideran 20 años.
Características generales Modelo Uninodal
Modelo de Planificación de Expansión de Generación
PEGyT
Objetivo Metodología Horizonte de planeación Características generales 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.
Programación lineal (técnica de partición de Benders) 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.
México
Modelo México
Objetivo Metodología Horizonte de planeación Características generales Minimizar los costos de producción y energía no suministrada.
Simulación Monte Carlo y Programación lineal.
Corto plazo.
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.
Análisis de Redes
Análisis de redes
Objetivo Metodología Diseñar el Programa de expansión de Trasmisión del sistema eléctrico nacional.
Análisis de flujos de potencia, estabilidad transitoria, estabilidad de voltaje y cálculo de corto circuito Corto, mediano y Largo Plazo Horizonte de planeación Características generales Se modelan todos los elementos del sistema en los niveles de tensión de 69 s 400 kV.
Modelo de Planificación de Expansión de Generación con acotamiento de riesgos (AR)
PEGyT/AR
Objetivo Determinar el tipo de tecnología y capacidad de generación que debe instalarse, así como el momento y la ubicación en donde se instalará.
Metodología Técnicas de la optimación matemática: descomposición de Benders, programación Entera-Mixta, Dinámica Dual, relajación lagrangiana. 15 años Horizonte de planeación Características generales Minimizar el valor presente de los costos de inversión más los costos asociados con la operación.
Modelo de Planificación Integrado de Expansión de Generación y Red de Transporte de Gas
PEGyT/RTG
Objetivo Metodología Determina planes multi-anuales de expansión del sector eléctrico, fuentes y redes de transporte de gas natural Técnica de gradiente condicionado para descomponer el problema y solución con el optimizador PEGyT actual y un problema multietapa, de programación lineal entera-mixta.
15 años Horizonte de planeación Características generales Descompone el p roblema Integral de Expansión en dos subproblemas de la infraestructura de generación uy transmisión de electricidad y suministro y transporte de gas natural.
Modelo Bottom-up para Abatimiento de Energía
MOAbEn
Objetivo Estimar el éxito de las medidas de abatimiento. Metodología Modelo Bottom-up, lineal.
Horizonte de planeación Hasta el año 2030.
Características generales Transporte, Iluminación, Equipos del hogar, Inmuebles, Cogeneración, Edificaciones, Motores industriales, Bombas de agua
Ordena @Plus
Ordena @Plus
Objetivo Metodología Horizonte de planeación Características generales Identificar oportunidades estratégicas para sistemas de generación en donde las energías renovables juegan un rol relevante.
Optimización lineal Corto a largo plazo.
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
Desarrollo Óptimo del Sector Energético
DOSE
Objetivo Metodología Determinar la solución de mínimo costo, para el crecimiento del Sector Energético basado en el crecimiento de la demanda Programación lineal Horizonte de planeación Características generales Largo plazo. 25 períodos simultáneos. Cada período puede ser un año.
Optimización simultánea de los períodos.
Modelo Energético de México al 2070
MEM 70
Objetivo Metodología Horizonte de planeación Características generales 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. Modelo uninodal del tipo energético-ambiental.
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.
Modelos utilizados y sus aplicaciones
Metodologías
Modelos econométricos Modelos de uso final (contabilidad) Optimización
Horizonte típico de aplicación
Corto y mediano plazo (no responde a cambios estructurales) Mediano y largo plazo Mediano y largo plazo
Nivel de agregación
Botton up / top down Bottom up Bottom up
Principio de metodología
Métodos estadísticos Foco en servicios que usan energía y luego en características tecnológicas que brindan los servicios energéticos Típicamente problema de optimización lineal restringida. La oferta debe satisfacer demanda energética exógena. Problema dual entrega valores de energéticos.
Ventajas/desventajas
Ventajas: Simplicidad y facilidad de aplicación. Desventajas: Requerimientos de conjuntos consistentes de datos e incapacidad de incorporar cambios estructurales (como nuevas políticas) Ventajas: Se incorporan fácilmente cambios tecnológicos anticipados. Desventajas: Requiere muchos detalles en información de uso final y no presenta comportamiento de agentes.
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.
Modelamiento energético
Modelos de demanda. Curva de demanda y consumos.
Modelos de demanda y sistemas. Consumos.
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
Equilibrio parcial y simulación Modelos de equilibrio General computable Modelos de desarrollo reciente
Horizonte típico de aplicación
Mediano y largo plazo Mediano y largo plazo Corto, mediano y largo plazo
Nivel de agregación
Bottom up Top down Bottom up
Principio de metodología
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.
Intentan representar la respuesta macroeconómica real a políticas, como la sustentabilidad de la energía por otros insumos de bienes de consumo.
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
Ventajas/desventajas
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.
Las criticas de este tipo de modelos es que carecen de flexibilidad tecnológica que ofrecen otro 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. Modelamiento energético
Modelos de sistema energético Modelos de sistema energético Modelos de sistema energético