Ciencia al descubierto
PEGyT, herramienta para el análisis prospectivo de sistemas eléctricos de generación y transmisión
El sistema para la planeación de la expansión de los medios de generación y transmisión (PEGyT) es una herramienta para el análisis prospectivo de la generación eléctrica; la cual propone planes de expansión para el sistema eléctrico, de recursos de generación convencional, renovable intermitente, medios de almacenamiento de energía y refuerzos de capacidad en la red troncal de transmisión. Como función adicional se identifica la capacidad de generación que, por su baja eficiencia económica, puede ser considerada dentro de programas de retiro. El sistema PEGyT tiene la capacidad de cuantificar, en términos de costos incurridos, las ventajas y desventajas de los programas de expansión de la generación que son capaces de satisfacer las metas de producción a través de energías limpias establecidas en la Ley de la Transición Energética del país, evaluando la utilización de los combustibles fósiles y su impacto al medio ambiente; e identificando los recursos de generación que brindarán la flexibilidad operativa y la reserva. Se presentan las características generales de la versión actual del sistema PEGyT.
Introducción
El sistema PEGyT fue desarrollado por la Gerencia de Análisis
de Redes del Instituto Nacional de Electricidad y Energías
Limpias (INEEL) para la Comisión Federal de Electricidad
(CFE), como una herramienta de apoyo para la preparación
de la estrategia de expansión de la infraestructura de
generación y transmisión del Sistema Eléctrico Nacional
(SEN).
El PEGyT ha demostrado ser una herramienta fundamental
de soporte en el proceso de la planeación a largo plazo de
los sistemas eléctricos, manteniéndose a la vanguardia de
sus competidores debido a su diseño adecuado para el SEN
y especialmente por sus constantes actualizaciones, que se
desarrollan en concordancia con la evolución tecnológica
y de las políticas públicas que impactan en la expansión
del SEN.
Versión actual del sistema PEGyT
Esta versión, entregada a CFE en 2023, fue diseñada con el
fin de incrementar las funcionalidades de la herramienta.
Se actualizó la plataforma tecnológica del sistema y se
desarrollaron extensiones al modelo matemático y a la
metodología de solución, incluyendo la implementación de
nuevos módulos que permiten extender la productividad
y la calidad de sus resultados. Las mejoras se listan a
continuación.
a. Expansión de recursos renovables y medios de almacenamiento.
El PEGyT cuenta con una formulación que optimiza la
expansión de los recursos de generación convencional y
renovable, así como de los sistemas de almacenamiento de
energía (SAE); determinando la cantidad, tipo y ubicación
de la capacidad que se requiere instalar; así como el
momento más oportuno.
Los recursos de generación renovable se modelan conforme
a sus características particulares de potencial regional
e intermitencia expresada en disponibilidad energética
horaria; lo que permite identificar los recursos disponibles
que pueden brindar los requerimientos de flexibilidad
operativa del sistema eléctrico de potencia que se esté
analizando.
Para los SAE, el PEGyT determina cuándo deben almacenar
energía y cuándo funcionar como generadores, respetando
la capacidad de energía que puede ser almacenada o
entregada a la red por hora y considerando las relaciones
de eficiencia que relacionan la energía que entra/sale del
SAE y la que entrega/recibe la red.
b. Optimización del programa de retiros de capacidad.
Se evalúa la aportación de cada una de las unidades que
conforman el parque de generación existente a los costos
de operación y a la reserva requerida, para identificar
como parte del proceso de optimización, a las unidades
que pueden ser retiradas del sistema debido a su baja
eficiencia operativa y económica.
c. Conectividad hidráulica de embalses en cascada.
Las mejoras al modelado del PEGyT incluyen la consideración
de la conectividad hidráulica de los embalses ubicados
en las cuencas del país para obtener simulaciones más
realistas de la generación hidroeléctrica.
d. Procesamiento en paralelo.
Entre las mejoras metodológicas se encuentra la
redefinición del código para que su algoritmo aproveche el
procesamiento en paralelo, elevando la productividad por
el uso de más procesadores.
e. Nueva Interfaz de Usuario.
Para mantener la competitividad del PEGyT se realizaron
mejoras a la interfaz de usuario permitiendo su ejecución
exhaustiva, la definición amigable de casos de estudio y la
explotación expedita de resultados; todo esto, en ambientes
de computación modernos y el uso de esquemas de base
de datos actuales como Oracle y SQLite.
Figura 1. Aspecto de la interfaz gráfica de resultados.
f. Módulo de costos de producción.
Este módulo ofrece resultados detallados de los costos
de producción para horizontes a muy largo plazo. La
metodología considera resolver la optimización de la
producción eléctrica analizando la problemática horaria y
las diferencias mensuales y estacionales de la demanda
y de la disponibilidad energética para un horizonte de 20
años o más.
g. Módulo para la caracterización de la curva de demanda y de la operatividad de
renovables.
La modelación de la intermitencia de las fuentes de
generación renovable va de la mano con la modelación
de las condiciones cambiantes horarias de la demanda. El
módulo de renovables es una funcionalidad independiente
del PEGYT que utiliza la técnica de clustering ?K-Medias
Ponderado? para identificar las correlaciones horarias entre
la demanda y la operación renovable; a fin de modelar de
manera más precisa los factores de planta horarios en
concordancia con la curva de demanda.
h. Módulo de acotamiento de riesgos (AR).
El módulo AR es una funcionalidad estocástica,
independiente del PEGYT, que permite el análisis cuantitativo
de los riesgos económicos por efecto de la incertidumbre de
los precios de los combustibles que afectan directamente
la composición de la mezcla tecnológica óptima para
la expansión del sistema. La metodología utilizada se
apoya en el planteamiento de diversos problemas de
optimización, cuyas soluciones contribuyen a determinar el
plan de menor riesgo económico; determinando, además,
las fronteras eficientes conformadas por los planes de
expansión con la mayor eficiencia económica posible para
cada nivel de riesgo, expresados en términos del máximo
arrepentimiento (criterio de decisión bajo incertidumbre
de Savage).
Ejemplo de resultados
La interfaz de usuario permite visualizar en forma gráfica algunos de los resultados de los planes de expansión obtenidos por el PEGyT, especialmente los relativos a la instalación de capacidad de generación y transmisión, costos de inversión y de operación, consumos de combustibles, participación de las energías limpias; así como el detalle de operación de cada uno de los generadores instalados por grupo de horas de cada mes de cualquier año del horizonte de estudio. Algunos ejemplos de dichos resultados se muestran en las figuras 2 y 3.
Figura 2. Propuesta de capacidad instalada al año 2040.
La Figura 2 muestra un resumen de la capacidad instalada total en el año 2040, que corresponde con la capacidad existente y la propuesta por PEGyT para una expansión hipotética del SEN, que considera una meta de generación eléctrica a través de energías limpias del 44%. El PEGyT presenta como resultados: cantidad, capacidad, tipo de tecnología y localización regional de las unidades a instalar; así como el momento preciso en que dichas unidades deberían entrar en operación. Como refuerzos del sistema eléctrico se consideran las adiciones de generación convencional (térmica e hidráulica), recursos renovables intermitentes, sistemas de almacenamientos de energía y líneas de transmisión.
Figura 3. Evolución de la capacidad instalada.
La Figura 3 representa la evolución del sistema de generación observándose un incremento importante de generación renovable y la incorporación de sistemas de almacenamiento de energía en los últimos años del horizonte de planeación. Para este caso hipotético, para el año 2040 se propone un plan con una participación del 42.4% de capacidad térmica, 41.6% de capacidad renovable, 11.7% de capacidad hidráulica y 4.3% de capacidad correspondiente a sistemas de almacenamiento de energía.
Respecto a la capacidad de generación que el PEGyT propone, la Figura 4 muestra dicha capacidad
acumulada hasta el año 2040, observándose una gran proliferación de generación renovable: solar
(46%) y eólica (35%) impulsadas por la meta de generación a través de energías limpias.
La Figura 5 muestra la contribución de las fuentes de energías limpias y fósiles a la producción
de energía eléctrica; considerando que dichas proporciones son suficientes para satisfacer la
meta prestablecida de generación a través de energías limpias.
Figura 4. Capacidad por región al año 2040.
Figura 5. Producción de energía eléctrica: fuentes limpias vs. fósiles.
La Figura 6 ilustra el detalle operativo en julio del 2040 de la generación térmica, hidráulica,
renovable y del almacenamiento.
Se observa que la intermitencia de la generación renovable es atendida principalmente por
generación hidráulica y en menor medida por generación térmica. Mientras que el almacenamiento
aprovecha los momentos de baja demanda (base) para almacenar energía, preferentemente renovable
y devolverla a la red en las horas de mayor demanda (pico).
La Figura 7 muestra los refuerzos acumulados de transmisión hasta el año 2040, siendo los
enlaces entre las regiones de Lerma-Chetumal, Ixtepec-Temascal y Lerma-Mérida quienes
requirieron de un mayor reforzamiento de capacidad.
Figura 6. Detalle operativo en julio 2040.
Figura 7. Refuerzos de transmisión por enlace.
Conclusiones
La aparición de nuevas tecnologías y los cambios regulatorios orientados a una transición
energética requieren mantener actualizadas las herramientas prospectivas, con la finalidad de
configurar de la manera más exacta posible las características operativas particulares de todos
los recursos de generación disponibles.
Las actualizaciones implementadas en la nueva versión del sistema PEGyT, contribuyen a la
planeación estratégica del SEN,alineado con los postulados de la transición energética de
México, enfatizando la expansión ordenada de energías limpias y generación convencional con
sustentabilidad, seguridad y soberanía energética.
El PEGyT es una herramienta importante en el proceso de la planeación de largo plazo de los
sistemas eléctricos, manteniéndose a la vanguardia por sus constantes actualizaciones que
propician un diseño adaptado para el sistema eléctrico mexicano, en concordancia con la
evolución tecnológica y de las políticas públicas que impactan en su expansión.
Autores:
Julio A. Hernández Galicia, hgalicia@ineel.mx
Elí De la Torre Vega, etv@ineel.mx