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

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T&D

Gas

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Ciu

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Cru

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Gas

Tra

nspo

rte

Cha

rcoa

l

Car

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veg

tran

sp

Bag

azo

Bag

azo

P

Tran

spor

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Impo

rtac

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Ref

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ía

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Extr

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Impo

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Gas

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GLP

Ker

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Gas

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Cen

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P

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Car

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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