tendencia mundial de la electricidad y el costo nivelado (lcoe)

Academia Nacional de la Ingeniería y el Hábitat

Tendencia Mundial de la Electricidad y los Costos

Nivelados (LCOE)

Ing. Nelson Hernández (Energista)Blog: Gerencia y EnergíaLa Pluma CandenteTwitter: @energia21

Noviembre 2015Periódico on line: Energy News

http://gerenciayenergia.blogspot.com/2013/10/energista-energist.html

http://gerenciayenergia.blogspot.com/


http://plumacandente.blogspot.com/

https://twitter.com/energia21

https://paper.li/notienergy/1438442536

La tendencia mundial es crear un mundo electrificado, es decir, todo o casi todo funcionando con electricidad mediante cambios de paradigmas, principalmente, en el sector transporte (cambio motor de combustión interna) y la eliminación de las centrales termoeléctricas a carbón. En otras palabras:

Un mundo consumiendo más energía …pero con menos emisión de CO2

Lógicamente este cambio de paradigma impactara profundamente el modo de obtener la electricidad, la cual debe cumplir con la premisa de menos emisiones de carbono.

A tal efecto, es necesario tener una base común que permita comparación entre las distintas tecnologías generadoras de electricidad, y facilite así la toma de decisiones. En tal sentido, el costo nivelado o costo normalizado o costo equivalente, LCOE, cumple con esta condición.

Infografía: Nelson Hernández

…Tendencia mundial

La Agencia Internacional de la Energía (IEA, por sus siglas en ingles), emitió el 15-06-15, su ultima prospectiva denominada “Escenario de Transición”, en el cual presenta un conjunto de medidas tendientes a mitigar la emisión de CO2.

La prospectiva propone una estrategia a corto plazo, sobre la base de las tecnologías disponibles y de cinco políticas cuantificables:

• Aumentar la eficiencia energética en la industria, los edificios y el transporte.

• Reducir progresivamente el uso de las plantas eléctricas de carbón menos eficientes y la prohibición de su construcción.

• Aumentar la inversión en energías renovables a $ 400 mil millones en 2030.

• Eliminar gradualmente los subsidios al consumo de combustibles fósiles.

• Reducir las emisiones de metano procedentes de la producción de petróleo y gas.


El Escenario de Transición de la IEA

En su última cumbre anual celebrada el 7-8 de junio 2015, estableció como principios básicos, los siguientes:

• Evitar que el calentamiento promedio de la superficie del planeta supere los 2 °C para finales de siglo

• Desacoplar la economía mundial del consumo de combustibles fósiles

• Reducir las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero en un 40 %, con respecto a la de 2009, para el 2050

• Transformar el sector energético para el 2035, movilizando 100 G$ anuales en financiamiento destinado a los países en desarrollo, iniciando en el 2020, para proyectos energéticos sustentables.

El Grupo de los Siete (G7) (*)

Protocolo de Kyoto COP21- Paris(1997) (2015)

(*) Alemania, Canadá, Estados Unidos, Francia, Italia, Japón Reino Unido


• Energía solar en todas partes: La disminución en el costo de la tecnología fotovoltaica impulsará un aumento de 3.7 millardos de $ en inversiones en energía solar, tanto a gran escala y como a pequeña escala.

• Fortalecimiento del PROSUMER: Alrededor de 2.2 millardos de $ irán a proyectos de solar PV en los techos de las viviendas y otros sistemas fotovoltaicos locales, alcanzando la independencia energética

• Demanda disminuida: Las acciones tecnológicas en eficiencia energética en áreas tales como la iluminación y el aire acondicionado, ayudaran a limitar el crecimiento de la demanda de energía mundial. En los países de la OCDE, la demanda de energía será menor en 2040 que la de 2014.

• Competencia fósiles: Decisión basada en abundancia y costo ambiental (LCOE). El carbón, desplazado por gas lutítico e hidratos de metano

• Peligro Climático: La tendencia para el largo plazo – 2040 - , es descarbonizar la matriz energética global con el objeto de controlar el fenómeno de cambio climático

Los 5 cambios que sacudirán, en 10 años, el sistema eléctrico mundial


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8 Carbono Pesca SiembraTierra Urbana Productos forestales Pastoreo

Nro

. de

Tier

ras

disp

onib

les

y de

man

dada

s

11019691868176716661 06

Mundo. Huella ecológica por componente

Fuente: Global Footprint Network Infografía: Nelson Hernandez

Bio capacidad

1.56

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

África

Norte América

Asia Oriental + Pacifico

Europa

Latinoamérica

Asia Meridional

MUNDO

Cuadrante mínimo de Desarrollo

Sustentable

Mundo (2015). Huella ecológica por regiones vs IDH

Fuente: Global Footprint Network / PNUD

Infografía: Nelson Hernandez

Hue

lla e

coló

gica

per

cáp

ita

(gha

)

Índice desarrollo humano (IDH)

0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Hue

lla e

coló

gica

per

cáp

ita

(gha

)

Índice desarrollo humano (IDH)

Alto IDH

Muy Alto IDH

Cuadrante mínimo de Desarrollo Sustentable

Mundo (2015). Huella ecológica vs IDH

Fuente: Global Footprint Network / PNUD


De 170 países analizados, 90 tienen un IDH igual o mayor a 0.7, y 70 tienen una huella ecológica igual o menor a 1.7. Solo 8 están en el cuadrante de desarrollo sustentable

0

10

20

30

40

50 Solar PV

Geotérmica

Eólica Marina

Total Bioenergía

Biomasa

Biogás

Biocarburantes

Eólica Tierra Total Eólica

Total Solar

Total Renovables

Marina

Hidroeléctrica

Solar Térmica

Fuente: IRENA 2015 Infografía: Nelson Hernández

Renovables. Crecimiento Capacidad Instalada (2006 – 2014)

%

Carbón

PetróleoGasNuclearRenovables

39.6 %

12.1 %

18.0 %

18.5 %

11.8 %

12.1 %6.5 %

22.8 %

30.1 %

28.5 %

238 (MBDPE)

2015 2050

Electricidad = 39 %

Electricidad = 49 %

Fuente: IEA 2015 Infografía: Nelson Hernández

Mundo. Demanda Energética (Escenario 2 ºC)

260 (MBDPE)

Renovables: Biomasa, Eólica, Solar, Hidroelectricidad, Geotermal

Total Emisión CO2

Reduc. EficienciaReduc. RenovablesReduc. Captura CO2Reduc. Cambio CombustibleReduc. Nuclear + Otros

10

20

30

40

50

60

0504030201005009590

Historia

Proyección

22.0

28.5

41.1

56.0

21.8 16.

914.0


Mundo. Reducción Emisiones CO2 (Escenario 2 ºC)GTCO2

7.0 %

12.2 %

15.4 %

30.0 %

35.4 %

Otras Renovables

Biomasa

NuclearPetróleo

Gas Carbón2012 2050126.8 (MBDPE)

90.7 (MBDPE)

76.2 %

8.5 %2.8 %12.7

%6.0 %

23.0 %

47.0 %

8.6 %

24.8 %

10.7 %

10.4 %

23.8 %

39.1 % 60.9

%

45.3 %

Emisión CO2Emisión CO2

11.8 GTCO2

4.1 GTCO2


Mundo. Insumos Generación Eléctrica (Escenario 2 ºC)

0

20

40

60

80

100

120

0

10

20

30

40

50

60

50

10

8

6

4

2

4030201000 504030201000

No Hacer Nada ( 6 ºC)

2 ºC4 ºC

Consumo Petróleo (MBD)

Emisión CO2 (GT)(*)

(*) Gasolinas


Mundo. Perspectivas Energéticas Sector Transporte

3.9

8.6

9.6

54

110

121

Petróleo

GasCarbónElectricidad

RenovablesNo RenovablesTransm &Distribuc

HidroelecEólicaSolarBioenergía

40.1

16.7

5.7

40.8 %

24.9 %

34.3 %

2.6 %21.8

%

34.0 %

41.6 %

16.8 %

22.2 % 34.7

%

26.3 %

Total Energía Electricidad Renovables


Mundo. Inversiones en Sector Energía (2014 - 2035) (T$)

T = Tera = 1.000.000.000.000

4000

4500

5000

5500

6000

6500

302520151005

Carbón PetróleoGas

-

-

+

MTCO2

Variación PeriodoGas = + 2105Carbón = - 9400Petróleo = - 4145Neto = - 11440

Fuente: BP 2015 / White House /IEA 2015Cálculos: N. Hernández Infografía: Nelson Hernández

Plan Obama. Estimación Variación Emisión CO2 USA (2015 – 2030)

Gas Petróleo Otros Usos Petróleo Transporte Carbón

Fuente: BP 2015 / White House / IEA 2015Estimación: N. Hernández Infografía: Nelson Hernández

Plan Obama. Balance energético (2015 – 2030)

- 4000

- 3000

- 2000

- 1000

0

1000

Otros Electricidad Total

158109 881 990

269

1155

2422

233

1155

36

2580

MTPE

0.93 MTCD

2.1 MBD

8100 MPCD

El costo nivelado de la electricidad, también conocido como costo normalizado o costo equivalente, (abreviado como LCOE por sus siglas en inglés) es la valoración económica del costo del sistema de generación de electricidad que incluye todos los costos a lo largo de la vida útil del proyecto: la inversión inicial, operación y mantenimiento, el costo de combustible, costo de capital, etc.

En un mundo con tendencia de electrificación masiva dentro de un cambio de la estructura energética mundial el LCOE es una herramienta fundamental para la comparación de los costos unitarios de diferentes tecnologías.

El LCOE es el valor más cercano al costo real de la inversión, tanto en la producción de electricidad en monopolios de mercados regulados de electricidad con garantías de préstamos, como en escenarios de precios regulados en mercados competitivos.

Costo eléctrico nivelado (LCOE)


LCOE =

∑t = 1

nDGI

ttt+ *( 1 – IM ) – IM*

∑t = 1

nE t *( 1 – IM )

I = InversiónG = Gastos O&MD = DepreciaciónE = Energía eléctrica generadaIM = Impuesto sobre la rentan = Horizonte económico

LCOE, es igual a la sumatoria de los I, G y D, descontados a una tasa en el horizonte económico, dividido entre la sumatoria de la E descontada a la misma tasa en el horizonte económico

Costo eléctrico nivelado (LCOE)


Otros O&MCombustibleInversión

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Solar EólicaHidroeGasCarbónNuclear

74

26

6

75

19

28

42

30

29

13

58

85

15

88

12

Fuente: EIA Infografía: Nelson Hernandez

LCOE. Distribución Costos Promedios de Generación

Data de EntradaEjemplo

Inversión Total (M$) 69Capacidad Bruta Instalada(MW) 85Factor de Operación, fracción 0.9O&M fijo, $/Kwh año 7.34O&M variable, $/Mwh 15.5Eficiencia térmica, BTU/Kwh 10850Emisión CO2, Lb/MBTU 117Precio emisión CO2, $/TM 50Horizonte Económico (años) 20Tasa de descuento, fracción 0Impuesto sobre la renta, fracción 0

Data de SalidaInversión $/Kw 812Capacidad Neta(MW) [ventas] 76Generación anual, GWh 666Emisión CO2, TM/MWh 0,577Costo anual fijo, M$ 13,4Costo Variable, M$ 10Costo Emisión CO2, M$ 19.2Total costo, M$ 42.6Costo Nivelado, $/Mwh 73.32

Data calculo LCOE


COSTOINVERSION NIVELADO

TIPO TECNOLOGIA $/Kw $/MWh1 Pequeñas Hidroe 3000 40,452 Hidroelect 2934 54,323 TGA 562 62,184 TG CC 919 66,665 TGA CC 1025 71,196 TG 812 73,307 Orimulsión Turbina (1) 840 76,288 Hidro + Bombeo 5288 77,169 Solar PV 3873 85,0510 Solar PV (desplazam) 3873 93,5011 Solar PV (20 % almacenam) 4233 95,9112 TGA + CC + CCS 2094 110,2713 Eolica Tierra 2210 122,5714 Fuell cell 7100 138,1015 Fuel Oil 3000 143,1016 Carbon Pulverizado 3246 171,2317 Eolica Mar 6230 210,8418 Solar termica 5060 217,7019 TG CC Integral 4400 252,4420 Carbón Gasificado + CCS 5231 264,1021 TG integrada + CCS 7615 264,4622 Nuclear Avanzada 5530 286,9423 Geotermal Binaria 4360 325,7924 Biomasa Cama fluidizada 4100 388,1425 Geotermal 6240 424,5226 Biomasa CC 8150 1110,927 Residuos solidos municipales 8320 1220,6

TG = Turbina a gasA = AvanzadaCC = Ciclo combinadoCCS = Captura de Carbono(1) = Turbina SGT 500

Los costos nivelados mostrados corresponden a valores de inversión y costos de O&M de 2013. Para la emisión de CO2 se contempla un costo de 50 $/TM. Se asume un TIR = 0 (cero) para la evaluación de cada Tipo de Tecnología

Mundo. Costos nivelados promedios generación eléctrica (LCOE)

Cálculos: Nelson HernándezInfografía: Nelson Hernandez

Fuente: EIA / IEA / Lazard / Fraunhofer

Gas Convencional Carbón Pulverizado

Sin Costo Emisión CO2 Con Costo Emisión CO2 171.2

125.2

73.3

41.1

Mundo. LCOE . Impacto de la emisión de CO2 ($/Mwh)

Cálculos: Nelson Hernández Infografía: Nelson HernandezFuente: EIA / IEA / Lazard / Fraunhofer

Inversión Combustible

Inversión Combustible

68

69

70

71

72

73

74

75

76

-15%-10%-5% 0 5% 10%15%

LCO

E ($

/Mw

h)

145

150

155

160

165

170

175

180

185

-15%-10%-5% 0 5%10%15%

LCO

E ($

/Mw

h)

Gas Convencional Carbón Pulverizado

Mundo. LCOE Vs Variación en inversión y precio combustible


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

50 75 100 150 200 250 300

Gas Convencional Carbón Convencional

Mundo. Costos nivelados eléctrico Vs Costo emisión CO2


$/TM CO2

LCO

E ($

/Mw

h)

Eólica Marina

Nuclear Avanzada

Solar Concentrada

Complete Initial R&D for 1 MW to Full-Scale SSP

NASA: Programa de Energía Solar Espacial

2003-2005 2006-2010 2011-2015 2016-20202002

Studies & Proof-of-Concept Technology Research (TRL 2-4)

Technology Research, Development and Test (TRL 4-5)

Dual-Purpose Applications R&D (TRL 4-6)

FY99 FY00 FY01 FY02 FY03 FY04 FY05 FY06 FY07 FY08 FY09 FY10 FY11 FY12 FY13 FY14 FY15 FY16 FY17 FY18 FY19 FY20

Technology Demos (TRL 6-7)

LEGEND R&D Decision Point

Major R&D Pgm Milestone

Strategic R&T Road Map Objective

MSC 310 MW-Class Flight

Demo (TRL 7)

Complete Initial SSP Technology Research for 1-10 MW Class to Full-Scale Systems

Complete Initial R&D for 1 MW to Full-Scale SSP

Technology Testbeds

MSC 1100 kW Class SSP flight demo

50 M Class flight expt.(incl SPG, AR&D, dist.

control)

Component-Level Flight Experiments

Ground Test of SPG/WPT/Other Breadboards

Large structures for large apertures &

solar sails

Component-Level Proof-of-Concept

experiments

High Efficiency

Arrays for S/C

SSP Concept definition complete

Ground Test very large deployable

structures

1 MW Class SSP advanced technology subsystem flight

demo’s (SPG/SEPS/WPT)

10 kW 100 kW 1 MW

High Power SEPS For

Science Probes

Lunar Power, Large SEPS

High-Power GEO CommSats

MSC 210-100 kW SSP

planetary surface demo

SSP Model System Concept(s)

MSC 4+(2020+)

Fuente: Dassault Systems Infografía: Nelson Hernández

Energía Solar Espacial

COSTOINVERSION NIVELADO

TIPO TECNOLOGIA $/Kw $/MWh1 Pequeñas Hidroe 3000 40,452 Hidroelect 2934 54,323 TGA 562 62,184 TG CC 919 66,665 TGA CC 1025 71,196 TG 812 73,307 Orimulsión Turbina (1) 840 76,288 Hidro + Bombeo 5288 77,169 Solar PV 3873 85,0510 Solar PV (desplazam) 3873 93,5011 Solar PV (20 % almacenam) 4233 95,9112 TGA + CC + CCS 2094 110,2713 Eolica Tierra 2210 122,5714 Fuell cell 7100 138,1015 Fuel Oil 3000 143,1016 Carbon Pulverizado 3246 171,2317 Eolica Mar 6230 210,8418 Solar termica 5060 217,7019 TG CC Integral 4400 252,4420 Carbón Gasificado + CCS 5231 264,1021 TG integrada + CCS 7615 264,4622 Nuclear Avanzada 5530 286,9423 Geotermal Binaria 4360 325,7924 Biomasa Cama fluidizada 4100 388,1425 Geotermal 6240 424,5226 Biomasa CC 8150 1110,927 Residuos solidos municipales 8320 1220,6

TG = Turbina a gasA = AvanzadaCC = Ciclo combinadoCCS = Captura de Carbono(1) = Turbina SGT 500

Los costos nivelados mostrados corresponden a valores de inversión y costos de O&M de 2013. Para la emisión de CO2 se contempla un costo de 50 $/TM. Se asume un TIR = 0 (cero) para la evaluación de cada Tipo de Tecnología

Mundo. Costos nivelados promedios generación eléctrica (LCOE)

Cálculos: Nelson HernándezInfografía: Nelson Hernandez

Fuente: EIA / IEA / Lazard / Fraunhofer

Solar EspacialInversión: 40000 $/KwLCOE = 320 $/MWh

Fusión Nuclear (TOKAMAK)

La razón de esta persistencia: El deuterio y litio, cuya fusión ocurre en la planta para producir tritio que es el combustible.. Ambos componentes existen en cantidades ilimitadas en todo el mundo. Un gramo de tritio puede liberar tanta energía como 11 toneladas de carbón.

Nuclear FusiónNuclear FisiónHidroelectricidadOtras RenovablesCarbón

Gas

Petróleo

2090

2050

2040

2030

2020

2010

2005

2000

2080

2070

2060

2100

86

7667

6049

3933

262320

124

105

Fuente: Max Planck Institute Infografía: Nelson Hernández

Mundo. Consumo neto de electricidad (MBDPE)

La tendencia mundial es un mayor consumo de energía, pero con menor emisión de CO2 (reducción energías fósiles) para evitar que el calentamiento promedio de la superficie del planeta supere los 2 °C para finales de siglo

El medio energético preferido será la electricidad con un 50 % de la energía a consumir en el 2050, dirigida a su obtención. El 80 % de la energía eléctrica generada en el 2050 no emite CO2.

Para el 2050, de las energías renovables, la solar será la de mayor uso. Seguida por la eólica y la hidroelectricidad

En un mundo con tendencia de electrificación masiva dentro de un cambio de la estructura energética mundial, el LCOE es una herramienta fundamental para la comparación de los costos unitarios de diferentes tecnologías

Lecciones Aprendidas

Del análisis del LCOE, podemos indicar:• La tecnología más económica para generar electricidad

sigue siendo la hidroelectricidad• Dentro de los fósiles la generación con turbinas a gas es

la más económica• Las modalidades de la tecnología solar PV compite

abiertamente con tecnologías basadas en fósiles• La turbina SGT 500 abre una posibilidad de masificar el

uso de la Orimulsión en la generación eléctrica• La penalización por la emisión de CO2 de las tecnologías

basadas en fósil es una acción positiva en la lucha contra el cambio climático

Para la 2da mitad del siglo XXI, el mundo científico y tecnológico apuesta a la Energía Solar Espacial y a la Fusión Nuclear como la fuentes principales (…algunos dicen que las únicas) para la satisfacción de los requerimientos energéticos de la humanidad.

Lecciones Aprendidas

Academia Nacional de la Ingeniería y el Hábitat

Costos Nivelados Eléctricos (LCOE)

Ing. Nelson Hernández (Energista)Blog: Gerencia y EnergíaLa Pluma CandenteTwitter: @energia21

Noviembre 2015Periódico on line: Energy News

… Muchas Gracias!

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tendencia mundial de la electricidad y el costo nivelado (lcoe)

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