La importancia de la modelacin en la planeacin

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 Economía 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: q Determinar las opciones y evaluar sus puntos fuertes y débiles. q Comparar las opciones y, por tanto, calcular los costos y beneficios de las aquellas q Examinar los factores limitativos y analizar los límites de los marcos actuales o futuros (financieros, de políticas internas y externas, etc. ) q Evaluar los resultados posibles y valorar las posibilidades de éxito a corto y largo plazo. q 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: q Reformas estructurales q Cambios tecnológicos q Seguridad de suministro de energía q Fomento a una producción sostenible q Cambios en las pautas de consumo q Desarrollo de infraestructura y capacidades q Importaciones de recursos energéticos.

Representación de variables Situaciones complejas y decisiones de gran valor económico Características del entorno Exposición a mercados internacionales Características del sector Activos con impacto en el largo plazo n Volatilidad de los precios de referencia. n Intensificación de los ciclos económicos. n Cambios en la estructura de los n Alta intensidad de capital en las principales líneas de negocios. mercados y la regulación. Incertidumbres Satisfacción de demandas en continua evolución n Crecimiento de la demanda de energía. n Cambios en la estructura de la demanda. n Múltiples interacciones entre los participantes del sector. n Nuevos desarrollos en E&P n Estructuras de costos n Energías renovables y energía nuclear Procesos productivos complejos intensivos en el uso de capital n Refinación n Proceso de gas y petroquímica n Plantas de generación eléctrica

Clasificación de modelos energéticos De demanda Propósito/objetivo De oferta De sistemas Global Nacional Optimización/ Simulación Cobertura espacial Regional Sectorial Estatal Agregados Sentido de agregación 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

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

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 Estrategia Nacional de Energía Prospectiva de petróleo crudo Prospectiva de gas LP Prospectiva de petrolíferos Políticas Energéticas Prospectiva de gas natural Prospectiva del sector eléctrico Prospectiva de renovables

Principales modelos del sector Hidrocarburos Electricidad Eficiencia Energética Energías renovables

Oferta de hidrocarburos Insumos § Propiedades de yacimientos, § Factores de recuperación Riesgo exploratorio, volumen original, § Comportamiento presiónproducción de yacimientos § Precios, demandas, capacidad infraestructura, especificaciones Modelos técnicos Documentación y evaluación Jerarquización cartera MOSNR MOSDEC MOGAS Modelos locales MOGEO 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

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

Oferta de electricidad Insumos Modelos WASP § 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 PEGy. T México Análisis de redes PEGy. T/AR PEGy. T/RTG 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

Demanda de electricidad Insumos Modelos Resultados Residencial 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 § 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

Eficiencia energética 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 Modelos MOAb. En 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)

Energías Renovables 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 1/ Actualmente en desarrollo Modelos Ordena @Plus 1/ 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.

Modelos de sistema 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 Resultados DOSE § 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 MEM 70 § 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, 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. Alcocer Subsecretario de Planeación Energética y Desarrollo Tecnológico 27 de septiembre de 2011

Material de apoyo

Exploración y Producción Objetivo Modelos técnicos Metodología Documentación y evaluación Jerarquización cartera Horizonte de planeación Características generales § Estimar las reservas a descubrir y los pronósticos de producción, documentar el portafolio de proyectos, jerarquización y selección de proyectos. § Sistema de evaluación probabilista, herramientas técnicas de balance de materia y simulación numérica de yacimientos. § Corto a largo plazo. § Nivel de detalle: o Proyecto/campo/oportunidad o Proyecto/unidad de inversión

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

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

Modelo de Optimización de las Operaciones de PGPB Objetivo § Optimizar la distribución de corrientes de proceso y transporte de productos, para satisfacer la demanda de productos. MOGAS Metodología Modelos locales Horizonte de planeación Características generales § Modelo de programación lineal estática multiplanta. § Largo plazo. § Cumplir con restricciones de capacidad, inversión, entre otras, al mínimo costo. § Programación de operaciones, análisis de inversiones

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

Demanda de hidrocarburos Autotransporte Objetivo § Proyectar la demanda final de combustibles en México. Industrial Residencial Metodología § Metodología bottom-up, modelo microeconómico neoclásico de optimización Horizonte de planeación § Largo plazo (16 años) y corto plazo (36 meses). Autogeneración Servicios Transporte Aéreo Transporte Ferroviario Agrícola Características generales § Incorpora escenarios dela actividad económica, precios al público, ahorro de energía y penetración de tecnologías.

Pronóstico del consumo nacional de electricidad Residencial Objetivo § Pronosticar el consumo nacional de electricidad por sector. Metodología § Modelo econométrico, dinámico, logarítmico. Horizonte de planeación § Trayectoria de 30 años Comercial Alumbrado Público Bombeo Gran Industria Empresa Mediana Servicio Temporal Agrícola 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 Objetivo § 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. Metodología § Programación lineal (técnica de partición de Benders) Horizonte de planeación § Mediano y largo plazos. En CFE se consideran 20 años. PEGy. T Características generales § 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.

Modelo México Objetivo México § Minimizar los costos de producción y energía no suministrada. Metodología § Simulación Monte Carlo y Programación lineal. Horizonte de planeación § Corto plazo. Características generales § 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 Objetivo § Diseñar el Programa de expansión de Trasmisión del sistema eléctrico nacional. Metodología § Análisis de flujos de potencia, estabilidad transitoria, estabilidad de voltaje y cálculo de corto circuito Horizonte de planeación § Corto, mediano y Largo Plazo Análisis de redes Características generales § Se modelan todos los elementos del sistema en los niveles de tensión de 69 s 400 k. V.

Modelo de Planificación de Expansión de Generación con acotamiento de riesgos (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. Horizonte de planeación § 15 años PEGy. T/AR 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 Objetivo § Determina planes multi-anuales de expansión del sector eléctrico, fuentes y redes de transporte de gas natural Metodología § Técnica de gradiente condicionado para descomponer el problema y solución con el optimizador PEGy. T actual y un problema multietapa, de programación lineal entera-mixta. Horizonte de planeación § 15 años PEGy. T/RTG Características generales § 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.

Modelo Bottom-up para Abatimiento de Energía Objetivo MOAb. En § 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 Objetivo § Identificar oportunidades estratégicas para sistemas de generación en donde las energías renovables juegan un rol relevante. Metodología § Optimización lineal Horizonte de planeación § Corto a largo plazo. Ordena @Plus Características generales § 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 Objetivo § Determinar la solución de mínimo costo, para el crecimiento del Sector Energético basado en el crecimiento de la demanda Metodología § Programación lineal Horizonte de planeación § Largo plazo. 25 períodos simultáneos. Cada período puede ser un año. DOSE Características generales § Optimización simultánea de los períodos.

Modelo Energético de México al 2070 Objetivo MEM 70 § 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. Metodología § Modelo uninodal del tipo energético-ambiental. Horizonte de planeación § Actualmente, el horizonte de planeación es a partir de 2007 con escenarios al 2070. Características generales § 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 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 datointensivos. 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 sistema energético 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. Modelos de sistema energético Fuente: Modelos de planeación energética, Gerardo Bazán y Gilberto Ortiz; Energía a debate, Marzo-Abril 2010.