modelación en la planeación del sector energético 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 Instituciones y políticas Medio Ambiente Economía

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 Características del sector Exposición a mercados internacionales Activos con impacto en el largo plazo Volatilidad de los precios de referencia. Intensificación de los ciclos económicos. Cambios en la estructura de los mercados y la regulación. 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 De demanda De oferta De sistemas Cobertura espacial Global Nacional Regional Sectorial Estatal Sentido de agregación Agregados Usos finales

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

Principales elementos en la planeación energética de México Escenarios prospectivos Oferta de Hidrocarburos y consumo de sector petrolero Macroeconómico Petróleo y gas natural Gas seco y gas LP Petrolíferos y gas LP Autoconsumos de petrolíferos y gas seco Precios de combustibles PEP PGPB PR PEP, PGPB, PR y PPQ Medidas y uso eficiente de energía Oferta y demanda de electricidad y consumo de combustibles del sector eléctrico Demanda máxima de electricidad Requerimientos de capacidad Combustibles para generación Ahorro de energía del sector eléctrico Pública y Privada Por opción tecnológica Por combustibles a utilizar Programa de autoabastecimiento Demanda de combustibles por sectores: transporte, industrial, residencial, servicios y eléctrico privado Demanda de combustibles Demanda por sector Demanda nacional, regional y estatal Gasolinas Diesel Combustóleo Turbosina Coque de petróleo Gas natural Gas LP Transporte Industrial Residencial Servicios Eléctrico privado Total país Noroeste, etc México DF, etc PREMISAS SECUENCIA DE PROYECCIONES

Principales productos Balances prospectivos Inversiones Otros Estrategia Nacional de Energía Pozos Capacidades de procesamiento de refinación y gas Capacidad de generación de electricidad Infraestructura de transporte y distribución Potencial de ahorro de energía. Infraestructura de importación Petróleo Electricidad Gasolinas Diesel Combustóleo Turbosina Coque de petróleo Gas natural Gas LP Prospectiva de petróleo crudo Prospectiva de gas LP Prospectiva de petrolíferos Prospectiva de gas natural Políticas Energéticas Prospectiva del sector eléctrico Prospectiva de renovables

Principales modelos del sector Hidrocarburos Electricidad Eficiencia Energética Energías renovables

Oferta de hidrocarburos Insumos Modelos Resultados Propiedades de yacimientos, Factores de recuperación Riesgo exploratorio, volumen original, Comportamiento presión-producción de yacimientos Modelos técnicos Portafolio de proyectos Oferta de crudo y gas Riesgo de proyectos Documentación y evaluación Jerarquización cartera Capacidad de proceso y logística Proceso de crudo Elaboración e importación de petrolíferos Precios, demandas, capacidad infraestructura, especificaciones MOSNR MOSDEC Capacidad de proceso y transporte Balance de gas y líquidos Precios, demandas, capacidad infraestructura, especificaciones MOGAS Modelos locales Jerarquización del portafolio de inversiones Optimización global de operaciones Alineación con restricciones de liquidez y endeudamiento Precios, demandas, capacidad infraestructura, especificaciones MOGEO Jerarquización cartera

Demanda de hidrocarburos Insumos 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 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 Autotransporte Industrial Residencial Autogeneración Servicios Transporte Aéreo Transporte Ferroviario Agrícola

Oferta de electricidad Insumos 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 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 WASP PEGyT México Análisis de redes PEGyT/AR PEGyT/RTG

Demanda de electricidad Insumos Modelos Resultados 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 Escenario macroeconómico Escenarios de precios de combustibles Escenario de ahorro de electricidad por sector y uso Criterios de determinación de pérdidas no técnicas Alumbrado Público Bombeo Gran Industria Empresa Mediana Servicio Temporal Agrícola

Eficiencia energética Insumos Modelos Resultados 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 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) MOAbEn

Energías Renovables Insumos 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. 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 Insumos Modelos Resultados DOSE MEM 70 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 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 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

modelación en la planeación del sector energético 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 21

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 Modelos técnicos Documentación y evaluación Jerarquización cartera Corto a largo plazo. Horizonte de planeación Nivel de detalle: Proyecto/campo Proyecto/campo/oportunidad Proyecto/unidad de inversión Características generales

Modelo de Optimización del Sistema Nacional de Refinación Minimizar el costo de suministro de la demanda de petrolíferos. Objetivo Optimización lineal Metodología MOSNR Corto a mediano plazo. Horizonte de planeación Programación de operaciones, análisis de inversiones y mejora operativa Características generales

Modelo de Optimización del Suministro y Demanda de Energía y Combustibles Minimizar el costo de suministro de la demanda de energéticos. Objetivo Optimización lineal Metodología MOSDEC Largo plazo. Horizonte de planeación Optimización de inversiones, diseño de políticas sectoriales Características generales

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 MOGAS Modelo de programación lineal estática multiplanta. Metodología Modelos locales Largo plazo. Horizonte de planeación Cumplir con restricciones de capacidad, inversión, entre otras, al mínimo costo. Programación de operaciones, análisis de inversiones Características generales

Jerarquización cartera Corporativo Maximizar el valor de los hidrocarburos y obtener una cartera jerarquizada y optimizada de proyectos de inversión. Objetivo MOGEO Optimización lineal y estimación estocástica probabilística. Metodología Jerarquización cartera Corto a largo plazo. Horizonte de planeación Estudios especiales, coordinación interorganismos. Características generales

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 Horizonte de planeación Largo plazo (16 años) y corto plazo (36 meses). Incorpora escenarios dela actividad económica, precios al público, ahorro de energía y penetración de tecnologías. Características generales

Pronóstico del consumo nacional de electricidad Pronosticar el consumo nacional de electricidad por sector. Objetivo Residencial Comercial Alumbrado Público Bombeo Servicio Temporal Agrícola Empresa Mediana Gran Industria Modelo econométrico, dinámico, logarítmico. Metodología Trayectoria de 30años Horizonte 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 Características generales

Wein Automatic System Planning Determinar un plan óptimo de adiciones de capacidad de generación para el sistema eléctrico al mínimo costo. Objetivo WASP Algoritmo de programación dinámica. Simulaciones probabilísticas que incorporan efectos aleatorios. Metodología Mediano y largo plazos. En CFE se consideran 20 años. Horizonte de planeación Modelo Uninodal Características generales

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 PEGyT Mediano y largo plazos. En CFE se consideran 20 años. Horizonte de planeación 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. Características generales

Modelo México México Objetivo Minimizar los costos de producción y energía no suministrada. Objetivo Simulación Monte Carlo y Programación lineal. Metodología México 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. Características generales

Análisis de Redes Análisis de redes Objetivo 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 Análisis de redes Corto, mediano y Largo Plazo Horizonte de planeación Se modelan todos los elementos del sistema en los niveles de tensión de 69 s 400 kV. Características generales

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 PEGyT/AR 15 años Horizonte de planeación Minimizar el valor presente de los costos de inversión más los costos asociados con la operación. Características generales

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 PEGyT/RTG 15 años Horizonte 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. Características generales

Modelo Bottom-up para Abatimiento de Energía Estimar el éxito de las medidas de abatimiento. Objetivo Modelo Bottom-up, lineal. Metodología MOAbEn Hasta el año 2030. Horizonte de planeación Transporte, Iluminación, Equipos del hogar, Inmuebles, Cogeneración, Edificaciones, Motores industriales, Bombas de agua Características generales

Ordena @Plus Identificar oportunidades estratégicas para sistemas de generación en donde las energías renovables juegan un rol relevante. Objetivo Optimización lineal Metodología Ordena @Plus Corto a largo plazo. Horizonte de planeación 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 Características generales

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 lineal Metodología DOSE Largo plazo. 25 períodos simultáneos. Cada período puede ser un año. Horizonte de planeación Optimización simultánea de los períodos. Características generales

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 MEM 70 Actualmente, el horizonte de planeación es a partir de 2007 con escenarios al 2070. Horizonte de planeación Estructurado en la plataforma LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning System) desarrollada en el Instituto del Medioambiente de Estocolmo. Características generales

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 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 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 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.