Predespacho SING Vf
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Proyecto Estrategia de Expansin de las Energas Renovables en los Sistemas Elctricos Interconectados (MINENERGIA / GIZ) PN: 2009.9061.4
Impacto de Niveles de Penetracin de Energas Renovables No Convencionales (ERNC) en la Operacin del Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) Informe Final
Preparado por:
CENTRO DE ENERGA - FCFM UNIVERSIDAD DE CHILE Santiago de Chile Marzo de 2013
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Informe Final
Impacto de Niveles de Penetracin de Energas Renovables No Convencionales en la Operacin del SING
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Aclaracin Este estudio fue elaborado por encargo de Deutsche Gesellschaft fr Internationale
Zusammenarbeit (GIZ) GmbH como parte del proyecto Estrategia de Expansin de las Energas
Renovables en los Sistemas Elctricos Interconectados, implementado por el Ministerio de Energa
y GIZ en el marco de la cooperacin intergubernamental entre Chile y Alemania. El proyecto se
financia a travs de la Iniciativa Internacional para la Proteccin del Clima (IKI) del Ministerio Federal
de Medio Ambiente, Proteccin de la Naturaleza y Seguridad Nuclear (BMU) de Alemania. Sin
perjuicio de ello, las conclusiones, opiniones y recomendaciones de los autores no necesariamente
reflejan la posicin del Gobierno de Chile. De igual forma, cualquier referencia a una empresa,
producto, marca, fabricante u otro similar no constituye en ningn caso una recomendacin por
parte del Gobierno de Chile o de GIZ. Se autoriza la reproduccin parcial o total, siempre y cuando
se cite la fuente de referencia.
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Impacto de Niveles de Penetracin de Energas Renovables No Convencionales en la Operacin del SING
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Tabla de Contenidos
Resumen Ejecutivo ................................................................................................................................ ix
1. Introduccin ................................................................................................................................... 1
1.1 Antecedentes del Estudio ................................................................................................................. 1
1.2 Motivacin ........................................................................................................................................ 1
1.3 Objetivos y Alcances del Estudio ...................................................................................................... 2
1.3.1 Objetivos generales .................................................................................................................................. 2
1.3.2 Objetivos especficos ................................................................................................................................ 2
1.3.3 Alcances .................................................................................................................................................... 2
1.4 Marco Metodolgico y Contexto General ........................................................................................ 3
2. Planes de Expansin de Referencia ................................................................................................. 7
2.1 Parmetros en Planificacin de la Expansin ................................................................................... 7
2.2 Planes de mnimo Costo y Adecuaciones.......................................................................................... 9
2.3 Despacho Simplificado .................................................................................................................... 12
3. Caracterizacin de Generacin ERNC y Demanda .......................................................................... 15
3.1 Generacin Elica ........................................................................................................................... 15
3.2 Generacin Fotovoltaica ................................................................................................................. 21
3.3 Generacin CSP y Geotermia .......................................................................................................... 25
3.4 Demanda ......................................................................................................................................... 27
4. Metodologa Especfica y Supuestos .............................................................................................. 31
4.1 Planteamiento metodolgico General ............................................................................................ 31
4.2 Anlisis de la Operacin, Suficiencia y Seguridad ........................................................................... 33
4.2.1 Anlisis de la suficiencia .......................................................................................................................... 33
4.2.2 Viabilidad, seguridad y costos de operacin ........................................................................................... 34
4.3 Parmetros y Criterios sobre los mismos ....................................................................................... 35
4.3.1 Generalidades ......................................................................................................................................... 35
4.3.2 Tratamiento de los ciclos combinados ................................................................................................... 36
4.3.3 Disponibilidad de unidades y ajuste de costos ....................................................................................... 36
4.3.4 Aporte a reservas .................................................................................................................................... 37
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4.4 Reservas Operativas del Sistema .................................................................................................... 38
4.4.1 Criterio y supuestos generales ................................................................................................................ 38
4.4.2 Redimensionamiento de reservas .......................................................................................................... 38
4.4.3 Montos de participacin elica y fotovoltaica en reservas .................................................................... 39
4.4.4 Verificacin de gradientes y errores de pronstico a escala horaria ...................................................... 39
5. Resultados: Inversin, Operacin y Costos ..................................................................................... 41
5.1 Muestreo de Planes de Expansin .................................................................................................. 41
5.2 Suficiencia ....................................................................................................................................... 42
5.3 Simulacin de la Operacin con Restricciones .............................................................................. 44
5.3.1 Herramienta de predespacho y despacho anual .................................................................................... 44
5.3.2 Operacin sin restricciones tcnicas ....................................................................................................... 46
5.3.3 Operacin con restricciones tcnicas ..................................................................................................... 48
5.3.4 Efectos sobre el parque trmico ............................................................................................................. 51
5.4 Operacin Segura ............................................................................................................................ 53
5.4.1 Anlisis del desempeo de reservas ....................................................................................................... 53
5.4.2 Resultados de estudios de estabilidad dinmica .................................................................................... 56
5.5 Anlisis de Costos ............................................................................................................................ 59
5.5.1 Costos de operacin ............................................................................................................................... 59
5.5.2 Efecto de incorporacin de almacenamiento ......................................................................................... 60
5.5.3 Estadsticos complementarios ................................................................................................................ 61
5.5.4 Costos adicionales por estabilidad dinmica .......................................................................................... 61
6. Expansin Final, Discusin y Conclusiones ..................................................................................... 63
6.1 Correccin a la Expansin ............................................................................................................... 63
6.2 Sensibilidad de Resultados con el Costo de Inversin en ERNC ..................................................... 65
6.3 Costos y Criterios de Operacin ...................................................................................................... 68
6.4 Seguridad y Suficiencia ................................................................................................................... 69
6.5 Conclusiones Finales ....................................................................................................................... 71
7. Anexo: Reservas para suficiencia y seguridad ................................................................................ 73
7.1 Conceptos en reserva operacional ................................................................................................. 73
7.1.1 Generales ................................................................................................................................................ 73
7.1.2 Reserva de partida rpida y embancamiento ......................................................................................... 75
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7.1.3 Participacin de las ERNC en el control de la frecuencia ........................................................................ 77
7.2 Criterios de reserva actuales en el SING ......................................................................................... 77
7.2.1 Reservas para control primario y secundario de frecuencia .................................................................. 77
7.2.2 Resumen del estudio sobre implementacin de AGC en el SING ........................................................... 79
7.3 Pronstico de generacin elica y solar ......................................................................................... 80
7.3.1 Prediccin de generacin elica ............................................................................................................. 82
7.3.2 Prediccin de energa solar ..................................................................................................................... 85
8. Anexo: Modelacin de la operacin .............................................................................................. 87
8.1 Parque Generador ........................................................................................................................... 87
8.1.1 Parque existente ..................................................................................................................................... 87
8.1.2 Parque proyectado y parmetros ........................................................................................................... 92
8.2 Herramienta de Predespacho ......................................................................................................... 95
8.2.1 Descripcin general ................................................................................................................................ 95
8.2.2 Pruebas y validacin ............................................................................................................................. 100
8.3 Caractersticas de la demanda ...................................................................................................... 102
8.3.1 Proyeccin y costos de falla .................................................................................................................. 102
8.3.2 Participacin de la demanda en la regulacin ...................................................................................... 102
8.3.3 Posibilidades flexibilidad en demanda en el SING ................................................................................ 104
9. Anexo: Referencias ..................................................................................................................... 107
9.1 Acrnimos ..................................................................................................................................... 107
9.2 Referencias bibliogrficas ............................................................................................................. 108
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Listado de Figuras
Figura 1.1: Contexto del problema de integracin masiva de generacin renovable. ..................................................... 3
Figura 1.2: Descomposicin del anlisis por modelos en escala de tiempos. ................................................................... 4
Figura 1.3: Marco metodolgico general del estudio y sus objetivos. .............................................................................. 5
Figura 1.4: Esquema de simulacin de la programacin y operacin. .............................................................................. 6
Figura 2.1: Costos de inversin de tecnologas competitivas usados en la planificacin de la expansin en el
horizonte de evaluacin. ................................................................................................................................. 7
Figura 2.2: Costos variables de operacin distintos de cero usados en la planificacin de la expansin en el
horizonte de evaluacin. ................................................................................................................................. 8
Figura 2.3: Despacho por bloques y capacidad instalada en expansin Slo Trmica el 2020. ...................................... 12
Figura 2.4: Despacho por bloques y capacidad instalada en expansin ERNC optimista el 2020. .................................. 13
Figura 3.1. Generacin elica porcentual por zona. Valor 1 indica generacin al 100% de la capacidad
instalada. ....................................................................................................................................................... 15
Figura 3.2. Distribuciones empricas de generacin horaria elica agregada con datos del Explorador Elico. ............ 17
Figura 3.3. Distribuciones empricas de gradientes en intervalos de 10 min sobre la base de datos de
medicin de viento. ....................................................................................................................................... 17
Figura 3.4. Generacin diaria para cada mes en la forma de curvas de caja. ................................................................. 18
Figura 3.5. Curva de generacin diaria con mayor gradiente de bajada. ....................................................................... 18
Figura 3.6. Curvas de generacin diaria en das con mejor y peor produccin en cada mes. ........................................ 19
Figura 3.7: Produccin elica promedio diario, semanal y estacional. ........................................................................... 20
Figura 3.8: Produccin elica en escala de variacin diaria para cada mes. ................................................................... 20
Figura 3.9: Generacin unitaria para intervalo de 10 minutos. ...................................................................................... 21
Figura 3.10: Generacin para intervalo de 1 hora. ........................................................................................................... 22
Figura 3.11: Ejemplos de generacin agregada en das con presencia nubosa. ............................................................... 23
Figura 3.12: Clasificacin de das con presencia nubosa. .................................................................................................. 23
Figura 3.13: Perfiles de generacin en das con mayor y menor factor de planta mensual ............................................. 24
Figura 3.14: Distribucin de gradientes en generacin fotovoltaica agregada................................................................. 25
Figura 3.15: Ejemplo perfil de generacin fotovoltaica en da con alto gradiente de bajada. ......................................... 25
Figura 3.16: Perfiles de generacin en das con mayor y menor factor de planta mensual ............................................. 26
Figura 3.17: Gradientes de generacin CSP. ..................................................................................................................... 27
Figura 3.18: Curva y duracin de la demanda agregada. .................................................................................................. 28
Figura 3.19: Frecuencia de gradientes horarios de demanda agregada. .......................................................................... 28
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Figura 4.1: Problema de mnimo costo de inversin/operacin. .................................................................................... 31
Figura 4.2: Correccin al mnimo costo de inversin/operacin. ................................................................................... 31
Figura 5.1: Metodologa de solucin de predespachos anuales. .................................................................................... 45
Figura 5.2: Grficos de la ventana de seguimiento de una simulacin. Caso ERNC 100% con restricciones V1.4.......... 45
Figura 5.3: Despachos agrupados por tecnologa en primeras semana 2020. Caso ERNC 100% sin
restricciones. Valores en [MW]. .................................................................................................................... 47
Figura 5.4: Contraste de despachos con y sin restricciones para tercera semana de julio de 2020. Caso ERNC
100%. Valores en [MW] ................................................................................................................................. 51
Figura 5.5: Ciclos operativos de unidades trmicas en primera mitad del 2020. De arriba a abajo Caso
expansin ERNC nivel 100% EF con restricciones V14 y V15 y Caso expansin convencional con
restricciones V14. .......................................................................................................................................... 52
Figura 5.6: Ejemplo de contraste de reserva porcentual disponible para respaldo de inyeccin EF, resultado
del predespacho anual. Caso ERNC nivel 100% (1500 elico, 761 fotovoltaico) .......................................... 55
Figura 6.1: Curvas de costo total para anlisis de la expansin del parque generador al 2020, segn criterio
tcnico de operacin. .................................................................................................................................... 65
Figura 6.2: Curvas de costo total anual para niveles de penetracin e incrementos porcentuales del valor de
inversin en tecnologas ERNC, CSP, elica y fotovoltaica. Caso con restricciones V14_ED. ........................ 66
Figura 6.3: Curvas de costo total anual para niveles de penetracin e incrementos porcentuales del valor de
inversin en tecnologas ERNC, CSP, elica y fotovoltaica. Caso con restricciones V15. .............................. 67
Figura 6.4: Demanda diaria de GNL para generacin el 2020. Nivel EF de 100%, caso con restricciones V14. .............. 68
Figura 7.1: Conceptualizacin del uso de reservas definidas por la NERC. ..................................................................... 74
Figura 7.2: Acciones y coordinacin de los distintos controles de frecuencia. ............................................................... 75
Figura 7.3: Errores de pronsticos para horizontes de muy corto plazo. ....................................................................... 84
Figura 7.4: Errores de pronstico del modelo empleado en Alemania. .......................................................................... 85
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Listado de Tablas
Tabla 2-1: Costos de inversin y operacin de tecnologas y otros parmetros. .......................................................... 8
Tabla 2-2: Expansin del SING, casos convencional y optimistas ERNC. Valores en [MW] ......................................... 10
Tabla 2-3: Costos de expansin del SING, casos convencional y optimistas ERNC. Valores anuales en
[MMUS$] .................................................................................................................................................... 10
Tabla 2-4: Ajustes y restriccin de localizacin de ERNC al ao 2020. ........................................................................ 11
Tabla 3-1: Factores de planta en zonas de trabajo y factor de participacin en la generacin conjunta. .................. 16
Tabla 3-2: Correlacin de la generacin elica entre zonas. ....................................................................................... 16
Tabla 3-3: Frecuencia de das tipo con nubosidad. ..................................................................................................... 24
Tabla 3-4: Caractersticas Planta CSP Andasol I. .......................................................................................................... 26
Tabla 3-5: Caracterizacin mensual de la demanda agregada. Valores en MW y factor de carga mensual. .............. 28
Tabla 4-1: Capacidad elica fotovoltaica en muestreo. .............................................................................................. 32
Tabla 4-2: Participacin de ERNC mxima al 2020 en planes de expansin de muestreo. ......................................... 33
Tabla 5-1: Capacidad instalada ptima al 2020 en planes de expansin. Valores en [MW]. ...................................... 41
Tabla 5-2: Costo anual [MMUS$] de los planes de expansin por niveles. Parte I. .................................................... 41
Tabla 5-3: Costos anual [MMUS$] de los planes de expansin por niveles. Parte II. .................................................. 42
Tabla 5-4: Probabilidades de prdida de carga el ao 2020. Referencia tarifaria y planes. Valores en [%]. .............. 43
Tabla 5-5: Horas con mayor probabilidad de prdida de carga. Referencia tarifaria y planes. Demanda en
[MW], LOLP en [%]. Parte I. ........................................................................................................................ 43
Tabla 5-6: Horas con mayor probabilidad de prdida de carga. Referencia tarifaria y planes. Demanda en
[MW], LOLP en [%]. Parte II ........................................................................................................................ 44
Tabla 5-7: Contraste de participacin tecnolgica en la generacin entre despacho horario y por bloques
de la expansin. .......................................................................................................................................... 48
Tabla 5-8: Cambio en tiempos mnimos en conjunto de restricciones tcnicas V15 (PJM). ....................................... 49
Tabla 5-9: Efecto de las restricciones al despacho en la operacin al 2020. Participacin de cada tecnologa
en el abastecimiento de la demanda para cada parque. ........................................................................... 50
Tabla 5-10: Resultados de aproximacin a errores de pronstico a travs de las estadsticas de perfiles de
generacin. ................................................................................................................................................. 54
Tabla 5-11: Respaldo porcentual en reserva secundaria de 20 min y total, por intervalos de generacin EF.
Caso ERNC 100%. ........................................................................................................................................ 56
Tabla 5-12: Frecuencia de horas con incapacidad para seguir la demanda residual a escala de 10 min.
Valores en nmero de horas al ao. ........................................................................................................... 56
Tabla 5-13: Alternativa de expansin elica a Taltal por limitacin de estabilidad. ..................................................... 58
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Tabla 5-14: Efecto de las restricciones de las medidas correctivas IV en la generacin EF. ......................................... 58
Tabla 5-15: Costos anuales de operacin con restricciones, por componente, caso V14. ........................................... 59
Tabla 5-16: Costos anuales de operacin con restricciones, por componente, caso V15. ........................................... 59
Tabla 5-17: Dimensionamiento de errores en la estimacin del costo operativo anual, caso V14. ............................. 60
Tabla 5-18: Ejercicio con insercin de almacenamiento en el parque, caso V14. ......................................................... 60
Tabla 5-19: Costos marginales, encendidos y reservas EF, caso V14. ........................................................................... 61
Tabla 5-20: Costos marginales, para caso de despachos sin restricciones. ................................................................... 61
Tabla 5-21: Costos de operacin total anual [MMUS$/ao] con restriccin a generacin en Taltal a 600
[MW]........................................................................................................................................................... 62
Tabla 5-22: Costo derivados de las medidas de restriccin a la generacin EF mxima conjunta, para
asegurar una operacin segura. Valores en [MMUS$/ao]. ...................................................................... 62
Tabla 6-1: Costos de inversin y operacin para planes de expansin al 2020 considerando la operacin
con restricciones. Caso V14 (CDEC). ........................................................................................................... 63
Tabla 6-2: Parques al 2020 por niveles de penetracin ERNC evaluados. .................................................................. 64
Tabla 6-3: Niveles de penetracin de mnimo costo en la expansin del SING para incrementos de VI en
ERNC. .......................................................................................................................................................... 67
Tabla 7-1: Tiempos de partida de unidades en el SING ............................................................................................... 76
Tabla 7-2: Evolucin de la Reserva en Giro en el SING ................................................................................................ 79
Tabla 7-3: Horizonte y aplicaciones de los modelos de prediccin ............................................................................. 81
Tabla 7-4: Modelos de prediccin de viento y generacin elica. .............................................................................. 82
Tabla 7-5. Errores de pronstico de generacin elica. .............................................................................................. 84
Tabla 7-6. Revisin de estudios de pronstico de energa solar [29] .......................................................................... 85
Tabla 8-1. Parmetros tcnicos del parque trmico existente carbn. Parte I. ....................................................... 87
Tabla 8-2. Parmetros tcnicos del parque trmico existente carbn. Parte II. ...................................................... 88
Tabla 8-3. Parmetros tcnicos del parque trmico existente Gas Natural. Parte I. ............................................... 88
Tabla 8-4. Parmetros tcnicos del parque trmico existente Gas Natural. Parte II. .............................................. 89
Tabla 8-5. Parmetros tcnicos del parque trmico existente Diesel. Parte I. ......................................................... 90
Tabla 8-6. Parmetros tcnicos del parque trmico existente Diesel. Parte II. ........................................................ 91
Tabla 8-7. Parmetros de las centrales trmicas carbn del parque generador proyectado ..................................... 92
Tabla 8-8. Costos variables proyectados al 2020 por tipo de central trmica ........................................................... 92
Tabla 8-9. Parmetros de turbinas a vapor para las centrales CSP. ............................................................................ 92
Tabla 8-10. Parmetros de la TV para las centrales Geotrmicas. ................................................................................ 93
Tabla 8-11. Tecnologas de almacenamiento y parmetros .......................................................................................... 93
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Tabla 8-12. Ajuste de Costos y Disponibilidad ............................................................................................................... 94
Tabla 8-13: Capacidades de la herramienta y su uso en contraste con lo necesario para la comparacin. ................. 96
Tabla 8-14: Casos de validacin. La diferencia de costos se calcula con respecto a los costos totales
semanales entregados por la programacin del CDEC-SING. ................................................................... 100
Tabla 8-15: Comparacin de resultados del despacho para da jueves del caso 1. .................................................... 101
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Resumen Ejecutivo
En el contexto de la integracin de las ERNC al SING, orientado a travs de una planificacin de la
expansin de mnimo costo de generacin y transmisin, se estudia a travs de herramientas de
simulacin la operacin del sistema. Sobre la base de referencias internacionales, el plan de expansin se
obtiene para un escenario de proyeccin de costos de inversin ERNC a la baja, abarcando un periodo de
20 aos a partir del 2011. Como resultado, se alcanza un nivel importante de penetracin ERNC en la
matriz de generacin, principalmente basada en energa elica y solar, e incluye geotermia, descartando
expansin convencional basada en combustibles fsiles.
La alta penetracin ERNC motiva la necesidad de estudiar en detalle la operacin del sistema, analizando
su viabilidad operacional, los mecanismos para alcanzarla y rescatando una serie de costos no
capturados en el ejercicio de expansin de largo plazo. Estos costos son consecuencia de la naturaleza
variable y estocstica del recurso elico y solar, en conjuncin con las caractersticas tcnicas de los
equipos y limitaciones del parque generador trmico existente en el SING.
El problema se aborda simulando en detalle la operacin del sistema, tomando como referencia el ao
2020, para distintos niveles de penetracin elica y fotovoltaica, con la finalidad ltima de corregir el
plan de expansin original, bajo un escenario de valores de inversin ERNC en extremo bajo. Para ello se
usan diversas herramientas de software y anlisis estadsticos acordes con cada arista particular del
problema.
Las simulaciones de la operacin efectuadas se enmarcan en la bsqueda de una operacin econmica
de mnimo costo que respeta las restricciones tcnicas de las unidades de generacin y criterios
operativos del SING para alcanzar un suministro confiable, bajo los actuales estndares de suficiencia y
seguridad. De esta manera, las simulaciones comprenden predespachos anuales con resolucin horaria,
anlisis de operacin intrahorarios, anlisis de suficiencia sistmica y estudios de estabilidad dinmica
frente a contingencias siguiendo la normativa tcnica vigente.
Los resultados obtenidos indican que planes de expansin al 2020 que incluyan valores en el entorno de
1500 [MW] de capacidad instalada elica y 761 [MW] de fotovoltaica, distribuidos en el norte grande,
son plausibles econmicamente y viables tcnicamente a pesar de las rigideces del parque trmico en el
que se insertan. Si bien en las simulaciones detalladas de la operacin, al respetarse restricciones y
criterios de confiabilidad, se evidencian mayores costos de operacin no capturados en el ejercicio de
expansin, estos no son los suficientemente altos para compensar el ahorro en costos por la expansin
de ERNC. Asimismo, los anlisis de sensibilidad respecto de parmetros y proyecciones de costo sugieren
que las conclusiones se sostienen dentro de los mrgenes de incertidumbre de los mismos. As, el
problema de decisin de expansin de mnimo costo alcanza una zona de indiferencia entre
convencional y ERNC para un incremento de 20% en el valor de inversin ERNC respecto del escenario de
proyeccin base usado.
Lo anterior se explica principalmente en una serie de propiedades y condicionantes identificadas en la
operacin del sistema por debajo y hasta los montos de capacidad instalada elica y solar evaluadas que
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incluye valores en [MW] de 1500 elico, 761 fotovoltaico, 180 CSP y 160 geotermia. Estas propiedades y
condiciones, se resumen en los siguientes prrafos.
Es el parque trmico basado en gas natural el que principalmente absorbe la variabilidad e
incertidumbre de la generacin elica y solar, haciendo innecesario el encendido y apagado de turbinas a
vapor carbn.
La mayor reserva secundaria que demanda la generacin variable y aleatoria se compensa con la reserva
en giro natural que proveen las unidades trmicas cuando la generacin variable sube, consecuencia de
los tiempos mnimos de encendido y mnimos tcnicos de estas mismas unidades.
Si bien el parque ERNC tiene una leve menor suficiencia que un parque trmico convencional resultado
de una planificacin de mnimo costo, no imputa incrementos de respaldo esttico, al encontrarse
dentro de los mrgenes del estndar tarifario. Esto es, en parte, consecuencia tambin de un parque
generador inicial sobreinstalado.
Hasta un 53% de la demanda pueden inyectar conjuntamente al sistema parques elicos y fotovoltaicos
sin comprometer la estabilidad dinmica frente a contingencias bajo los estndares de la normativa
vigente en tensin y frecuencia. Esta medida se traduce en niveles de recorte operativo a las inyecciones
elicas y fotovoltaicas que son despreciables, en trminos de la operacin de un ao completo, y que
redundan en un bajo impacto en costos. Por otro lado, si bien se requiere de equipamiento para
compensacin reactiva adicional para permitir la inyeccin elica en Taltal bajo norma, su monto e
impacto en el costo global es poco significativo.
Las conclusiones anteriores suponen cambios en algunos criterios y mecanismos actuales de operacin,
entre los que destaca la incorporacin de AGC (control automtico de generacin), montos dinmicos de
reserva secundaria en funcin de los pronsticos y participacin mayoritaria del parque generador en la
regulacin de frecuencia. Asimismo, la programacin del encendido y apagado de las unidades a gas
debe corregirse durante el da para minimizar los impactos econmicos de los errores de pronstico en
el despacho y reservas.
Desde el punto de vista de la estabilidad dinmica se debe modificar la exigencia normativa tcnica de
modo que los parques elicos y fotovoltaicos no se desconecten frente a cortocircuitos severos.
Asimismo, se supone que los parques, tanto elicos como fotovoltaicos, poseen las capacidades de
control necesarias para participar del control de frecuencia, se incorporan pronsticos con errores
comparables a lo alcanzado a nivel internacional, y una coordinacin conjunta que busca minimizar la
necesidad de reserva en giro.
Un factor relevante a tener en consideracin es la bondad de una expansin elica y fotovoltaica lo ms
distribuida posible, que propicie la compensacin estadstica de la variabilidad, errores de pronstico y
gradientes de generacin, favoreciendo tambin al control y calidad del voltaje en el sistema al
desconcentrar el aporte de potencia reactiva en la red.
Debido a la mayor incidencia de los parmetros de predespacho en los costos de operacin del sistema
con presencia de ERNC variable, en particular las limitaciones de las mquinas trmicas y criterios de
reserva, stos deberan ser sometidos a revisin e idealmente insertarse en un mecanismo de mercado
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asociado a servicios complementarios que permita reconciliar costos y beneficios. Esto, siguiendo el
principio de eficiencia econmica, tanto a nivel de inversin como de operacin, los que podran abrirse
tambin a una participacin ms activa de la demanda.
Finalmente, se vislumbra que en muchos casos de cambios en criterios operativos, normativos y
soluciones para una operacin confiable, podran enfrentarse dificultades tanto econmicas como
administrativas con la reglamentacin y normativa actual. Esto, particularmente con la determinacin de
costos marginales, distribucin de costos, coordinacin de la operacin, asignacin de responsabilidades
y exigencias para conexin.
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1. Introduccin
1.1 Antecedentes del Estudio
El Ministerio de Energa (MINENER) y la Deutsche Gesellschaft fr Internationale Zusammenarbeit (GIZ)
GmbH, en el marco de un convenio de cooperacin intergubernamental entre Chile y Alemania, se
encuentran desarrollando el proyecto Estrategia de Expansin ptima de las Energas Renovables No
Convencionales en los Sistemas Elctricos Interconectados. El objetivo del proyecto es el desarrollo de
una estrategia de mediano y largo plazo para la expansin de las energas renovables no convencionales
(ERNC) en los sistemas interconectados, que compatibilice los objetivos de la poltica energtica,
especficamente - seguridad de suministro, eficiencia econmica y sustentabilidad ambiental, - y la
elaboracin de propuestas de regulacin para la implementacin de esta estrategia. Este proyecto apoya
las iniciativas del Gobierno de Chile para impulsar el desarrollo de las ERNC en los sistemas elctricos
interconectados de Chile.
En este contexto se han realizado diferentes estudios asociados a la integracin de las ERNC en los
sistemas interconectados. Por una parte, se crearon nuevas herramientas avanzadas de anlisis del
potencial ERNC, como el Explorador Elico-Solar y el Modelo de Anlisis Espacial (MAE), que permiten
identificar reas favorables para el desarrollo de proyectos ERNC y las potencias instalables asociados, en
base a informacin georeferenciada de alta cobertura y resolucin espacial. Por otra parte, se desarroll
una metodologa que permite evaluar en forma integral los impactos de distintos niveles de expansin
de las ERNC en los sistemas elctricos interconectados, considerando el crecimiento de la demanda, la
evolucin de los precios de los combustibles y la tendencia de costos de las tecnologas. Basado en una
combinacin de los distintos modelos, se ha buscado explorar alternativas de desarrollo del sistema
elctrico utilizando criterios de mnimo costo global de suministro, de seguridad del sistema y de menor
impacto ambiental. De esta forma se analizaron ms de 100 escenarios de expansin de mnimo costo
(Tx y Gx) para el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING), hasta el ao 2030, para luego
evaluarlos desde el punto de vista eficiencia y seguridad de suministro.
1.2 Motivacin
Los estudios de expansin de la generacin y transmisin de mnimo costo efectuados en el SING, para
una tendencia a la baja en el costo de desarrollo de ERNC, indican altos niveles de penetracin de estas
tecnologas en mediano y largo plazo. No obstante, en los modelos de planificacin usados se adoptan
una serie de simplificaciones a la operacin del sistema elctrico para alcanzar soluciones en tiempos de
clculo razonables, introduciendo desviaciones que suelen incrementarse con el nivel de penetracin
ERNC. Por lo tanto, sobre la base de los escenarios desarrollados, se identifica la necesidad de evaluar los
efectos que tienen los distintos planes de expansin y su correspondiente penetracin de ERNC en
trminos de la dinmica operacional del sistema elctrico interconectado, considerando especialmente
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la variabilidad e incertidumbre de la generacin en base a energas renovables, particularmente la
derivada de los recursos elico y solar.
1.3 Objetivos y Alcances del Estudio
1.3.1 Objetivos generales
En el contexto de los planes de expansin resultados del proyecto Expansin de largo plazo para
distintos escenarios de desarrollo ERNC en el SING para el ao 2020, se busca dimensionar el impacto
tcnico econmico que tiene la variabilidad e incertidumbre de la generacin basada en energas
renovables en la operacin del sistema.
1.3.2 Objetivos especficos
Los objetivos especficos del estudio son los siguientes:
a. Disponer de una caracterizacin del parque generador SING acorde con los modelos de planificacin
de la operacin y simulacin del sistema para el ao 2020. Esto, considerando un parque puramente
trmico (segn escenario) y otros con distintos niveles de penetracin de energa renovable segn
los planes de expansin ptima de referencia.
b. Desarrollar un modelo de predespacho y simulacin de la operacin que incorpore las caractersticas
de variabilidad e incertidumbre bajo anlisis que puedan ser resueltos en tiempos de clculo
apropiados para un uso intensivo.
c. Desarrollar una caracterizacin del proceso estocstico de generacin elctrica de origen renovable
considerando las diversas fuentes y zonas de produccin, segn los planes de expansin ptima de
referencia.
d. Investigar y modelar las diversas opciones tcnico/econmicas para atenuar los efectos adversos de
la generacin renovable en la operacin. Esto, considerando tanto las opciones existentes como las
que podran estar disponibles al ao 2020.
e. Dimensionar los niveles de reserva en giro y de respaldo esttico necesarios para una operacin
confiable del sistema, sobre una base probabilstica.
f. Determinar la opcin tcnico/econmica ms apropiada para atenuar los efectos adversos de la
generacin renovable en la operacin del sistema.
g. Dimensionar los costos de operacin del sistema entre un parque generador convencional y uno con
presencia de energas renovables, para niveles progresivos de penetracin renovable segn los
planes de expansin ptima de referencia.
1.3.3 Alcances
En el desarrollo del estudio se consideran los siguientes alcances:
El anlisis econmico se enfoca en el problema de planificacin central sin considerar diseos de
mercado o esquemas de tarificacin.
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La modelacin y anlisis se centra en la operacin de rgimen permanente del sistema en escalas
de tiempo por sobre los 15 min.
La operacin econmica del sistema se efecta sobre una base centralizada y considerando los
criterios actuales del SING.
El dimensionamiento de los costos de operacin se calcula a escala global del sistema, sin una
desagregacin por tecnologa o zona.
En la modelacin estocstica de la produccin elica y solar se har uso de la mejor informacin
disponible en forma pblica o que pueda proveer la contraparte.
1.4 Marco Metodolgico y Contexto General
El fenmeno de integracin masiva de generacin renovable en los sistemas elctricos ha tomado
relevancia a nivel internacional en los ltimos 10 aos, planteando grandes desafos de tipo tcnico y
econmico. En el siguiente diagrama se muestran los distintos mbitos de desarrollo de este proceso:
Figura 1.1: Contexto del problema de integracin masiva de generacin renovable.
El estudio planteado se centra en el anlisis de la factibilidad tcnica operacional del parque generador,
incorporando los efectos econmicos de la integracin de energa renovable. La revisin de la factibilidad
tcnico econmica involucra dos familias de estudios de carcter tcnico:
A. Anlisis de tipo estacionario, centrado en la planificacin de la operacin, despacho y suficiencia,
donde intervienen aspectos econmicos a ser considerados en la modelacin.
B. Anlisis de tipo dinmico, que si bien pueden desarrollarse en un contexto econmico, se
centran en la respuesta del sistema frente a contingencias, estudiando aspectos tcnicos puros
de la integracin en una red elctrica.
Desde el punto de vista de las herramientas de anlisis, las dimensiones sealadas anteriormente
pueden ser visualizadas desde el enfoque del horizonte temporal a analizar, de acuerdo a la siguiente
figura:
Integracin Masiva de Generacin Renovable
Poltica y Regulacin
Elementos Econmicos
Aspectos Ambientales
Factibilidad Tcnica
Anlisis Estacionario
Anlisis Dinmico
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Figura 1.2: Descomposicin del anlisis por modelos en escala de tiempos.
El presente estudio se enmarca en anlisis estacionarios, tipo A, y su metodologa se basa en la
simulacin de la programacin y operacin del SING en un mbito probabilstico, para el ao 2020,
considerando planes de referencia para la expansin de la generacin de mnimo costo, resultado del
trabajo en [2]. Paralelamente, se desarrolla un trabajo complementario centrado en estudios dinmicos,
tipo B, para conformar un anlisis integral de la operacin econmica y confiabilidad del SING al 2020,
buscando precisar un nivel eficiente de integracin de ERNC para los supuestos de proyecciones de
costo.
En la Figura 1.3 se resume esquemticamente tanto el marco general del proyecto como su metodologa
para alcanzar la determinacin de un parque generador al ao 2020 que se eficiente econmicamente y
viable tcnicamente, para un supuesto de valores de inversin en ERNC en proyeccin a la baja
(optimista). Partiendo de planes de expansin de referencia, en los que la operacin del sistema y una
serie de criterios de confiabilidad son simplificados, se estudian y recalculan en forma detallada los
costos del sistema que permiten corregir las decisiones de expansin originales. Estos costos se obtienen
para parques generadores con niveles progresivos de penetracin ERNC, incluyendo una expansin
exclusivamente con generacin convencional, para identificar su nivel ptimo. Los costos del sistema
involucran costos de operacin directos, que buscan reflejar los efectos de la variabilidad e
incertidumbre de los recursos ERNC, e inversiones adicionales, o criterios operativos con impacto en los
costos de operacin, necesarios para una operacin confiable del sistema.
Los estudios de simulacin de la operacin se dividen en dos grupos principales por mbito de anlisis:
operacin econmica y confiabilidad. A su vez, la confiabilidad se subdivide en suficiencia y seguridad.
Tanto los estudios de costos, operacin econmica y suficiencia se desarrollan en este trabajo, mientras
que los estudios de estabilidad dinmica frente a contingencias, por su envergadura, se efectan en un
trabajo paralelo en coordinacin. Esta coordinacin se lleva a cabo a travs de intercambio de despachos
y condicionantes tcnicas para operacin segura. Las simulaciones de despacho entregan los puntos de
operacin del sistema, de entre los cuales se identifican los ms crticos, cuya estabilidad se estudia
buscando el cumplimiento de la normativa tcnica actual. Si existe inestabilidad, se determinan medidas
correctivas que lo hagan estable, las que pueden involucrar limitaciones a la inyeccin de ERNC, cambio
en criterios de reserva o equipamiento adicional para reforzar la respuesta del sistema en tensin o
frecuencia.
seg. min. ao plan
Simulacin
dinmica:Estabilidad
Flujos de potencia,
despachos econmicos:Modificacin de reservas de potencia del sistema,
costos marginales.
Predespacho
de unidades: costos y reservas.
Coordinacin hidrotrmica: precios,
planificacin de la operacin.Expansin generacin/transmisin: decisiones de expansin por parte de los distintos agentes.
das/ sem.
mbito de Anlisis
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Figura 1.3: Marco metodolgico general del estudio y sus objetivos.
En el desarrollo del trabajo es necesario el uso de diversos modelos y herramientas de anlisis. La
determinacin de los modelos apropiados se realiza en base a caractersticas propias del sistema y el
foco del anlisis particular. Lo anterior se complementa con una revisin de la literatura internacional
para apoyar el estudio de criterios y mecanismos de operacin con presencia relevante de generacin
variable. Las caractersticas de los modelos, metodologa especfica y supuestos de simulacin se
Condicin Inicial del SING
Situacin a fines de 2011
Parque generador
Sist. Transmisin 220 kV
Perfil temporal-geogrfico de
Demanda
Potenciales de Expansin Gx
Elico-Solar: Explorador Min.
Energa / GIZ / DGF
Geotermia: Min. Energa
Convencional: Carbn, CC-
GNL, Diesel, Fuel-Oil
Proyecciones
Demanda: CNE-Abr2011
Precio combustibles y CVNC:
CNE-Abr2011
VI Gx ERNC: Ref.Internacionales
Extremo bajo (Optimista)
Limitacin expansin ERNC
Sin limites: referencia inicial.
Pmax Eol.FV: Exploracin por
Niveles [%] de referencia inicial.
Sin ERNC: slo expansin de
Generacin Convencional.
Expansin de Mnimo Costo en Generacin y Transmisin periodo 2011-2030
Parque Generador
ao 2020
AVI Gx-Tx
ao 2020
Simulacin detallada de la operacin ao 2020
Confiabilidad
Estabilidad
Dinmica
q Normal / Contingenciaq Tensin / Frecuenciaq Cumplimiento NTSyCSq Criterios normativosq Medidas correctivas.
Suficiencia
q LOLPq Contrasteq Necesidad de
incremento de
turbina de punta
Operacin Econmica con
Restricciones Tcnicas
Predespacho
q Escala horariaq Restricciones UG
CDEC-SING
q Reservas: CPF-CSFq Criterios de operacinq Medidas correctivas.
Despacho
q Costos:generacin, on/off,
prdida eficiencia
q Op.intrahoraria: Res.Sec, rampas...
q Estimacin Falla.
Puntos de
Operacin Restricciones
de Operacin
Equipamiento
Adicional
Inversiones
Adicionales
VI TG
Costos de Operacin
y Falla Corregidos
Parque de mnimo costo al 2020 tcnicamente viable
(Proporcin de la matriz de generacin, criterios de operacin, discusin y recomendaciones)
Marco de expansin del SING
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presentan con ms detalle en la seccin respectiva del anlisis. El esquema general de simulacin de la
operacin se ilustra en la Figura 1.3. Con la modelacin del parque y sus caractersticas se procede a la
simulacin del proceso del despachador que va desde las proyecciones de generacin y demanda,
pasando por la programacin de unidades, hasta el despacho real. Con ello se obtienen los costos
operativos incurridos en el sistema. Dichos costos son contrastados con los obtenidos en una simulacin
en la que se le elimina la variabilidad y errores de pronstico de la generacin renovable para calcular el
costo adicional que introducen en el sistema. Esto, considerando el mismo parque o uno puramente
convencional trmico.
Tanto la demanda como la generacin a base de energa renovable tienen un comportamiento variable y
estocstico que es necesario caracterizar, incluyendo estacionalidades, correlaciones y errores de
pronstico vinculados a la anticipacin con la que son efectuadas. Con ello, los costos adquieren tambin
una naturaleza estocstica.
Figura 1.4: Esquema de simulacin de la programacin y operacin.
Tanto la variabilidad como la naturaleza estocstica del problema se traducen en requerimientos de
reserva que es necesario dimensionar. En este sentido se distinguen las reservas operativas y aquellas de
suficiencia. Las primeras se traducen en sobrecostos por necesidad de operar unidades de generacin en
forma ineficiente o subptima y ambas pueden derivar en la necesidad de incrementar la capacidad de
respaldo traducindose en mayores costos de inversin. Cada una de estas dimensiones requiere de un
anlisis particular. Asimismo se indaga en estrategias de reduccin de los sobrecostos como el uso de
predespacho estocstico y secuencial, equipamiento adicional de almacenamiento, flexibilidad de
unidades de generacin, entre otros.
El predespacho o Unit Commitment (UC), es una herramienta para la planificacin de la operacin de
corto plazo que se centra en determinar, dentro de un horizonte de tiempo que va de das a semanas, las
unidades de generacin que debern estar en servicio en cada momento. El horizonte se descompone en
periodos de duracin, tpicamente horas, y el problema se conforma por un conjunto de despachos
econmicos acoplados en el tiempo, en el que se incluye una representacin detallada de los costos y
una serie de limitantes tcnicas de operacin de los generadores. La entrada/salida de operacin de los
generadores y la no convexidad de la estructura de costos de operacin determinan el uso de variables
de estado (binarias) en la modelacin. El planteamiento habitual del problema adopta la forma de un
problema de programacin lineal entero mixta de compleja solucin.
Caracterizacin Datos de Entrada
Modelo de Predespacho (UC)
Simulacin de la Operacin
- Parque Generador- Costos- Demanda- Generacin Renovable (Elico, Solar)
Salidas :- Factibilidad operativa - Programacin unidades- Determinacin reservas - Asignacin de reservas
Salidas: - Suficiencia de reservas - Costos- Necesidad de ajustes
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2. Planes de Expansin de Referencia
Se resumen los resultados para planes de expansin de referencia para el ao 2020 en el SING. Estos son
por un lado uno que desarrolla slo centrales trmicas convencionales y otro correspondiente al
resultado de una proyeccin optimista en costos de inversin ERNC con adecuaciones. Se considera la
proyeccin base de costos de combustibles y no se imputan costos adicionales a la generacin con ERNC
segn el estudio previo.
2.1 Parmetros en Planificacin de la Expansin
El ejercicio de planificacin de la expansin del SING se efectu bajo supuestos de costos de desarrollo y
operacional de las diversas tecnologas consideradas en la evaluacin [2]. La Figura 2.1 sintetiza la
proyeccin de los costos de inversin, mientras que la Figura 2.2 los variables de operacin usados en los
diversos ejercicios. Finalmente la Tabla 2-1 condensa estos y otros parmetros para los aos 2015 y
2020. Las proyecciones de costos de inversin corresponden a un ajuste a la realidad nacional de la
combinacin de proyecciones optimistas de las siguientes fuentes: IEA (International Energy Agency)
2010, IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 2011, Bloomberg 2011, DLR (Deutsches
Zentrum fr Luft und Raumfahrt) 2010 y GEA (Geothermal Energy Association) 2005. La inversin
incluye una estimacin para la inversin en la subestacin de conexin, costos de operacin y
mantenimiento anual. En los costos de los combustibles y costos variables de centrales trmicas las
proyecciones incorporan las de IEA y de la CNE (precio de nudo de abril 2011). En el caso particular del
GNL se incluye un costo adicional por transporte y regasificacin.
Figura 2.1: Costos de inversin de tecnologas competitivas usados en la planificacin de la expansin en el
horizonte de evaluacin.
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
20
12
20
13
20
14
20
15
20
16
20
17
20
18
20
19
20
20
20
21
20
22
20
23
20
24
20
25
20
26
20
27
20
28
20
29
20
30
Proyeccin de costo de Inversin [US$/kW]
Geotrmica
Solar CSP
Carbn
Elica on shore
Solar Fotovoltaica
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La proyeccin del costo de GNL a nivel generacin corresponde a un valor en torno a 14 [US$/MBTU]
para el periodo 2015-2020, de los cuales 6 [US$/MBTU] corresponden a transporte, almacenamiento y
regasificacin.
Figura 2.2: Costos variables de operacin distintos de cero usados en la planificacin de la expansin en el
horizonte de evaluacin.
Tabla 2-1: Costos de inversin y operacin de tecnologas y otros parmetros.
0
20
40
60
80
100
120
140
20
12
20
13
20
14
20
15
20
16
20
17
20
18
20
19
20
20
20
21
20
22
20
23
20
24
20
25
20
26
20
27
20
28
20
29
20
30
Proyeccin Costo Variable de Operacin [US$/MWh]
CC GNL
Carbn
0
100
200
300
400
500
600
20
12
20
13
20
14
20
15
20
16
20
17
20
18
20
19
20
20
20
21
20
22
20
23
20
24
20
25
20
26
20
27
20
28
20
29
20
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Proyeccin Costo Variable de Operacin [US$/MWh]
Diesel
Fuel Oil Nro. 6
Carbn 35 0.85 2293 55.9 2221 61.5
Diesel 25 0.90 640 328.4 640 397.0
Fuel Oil Nro. 6 25 0.90 1560 219.0 1560 264.8
GNL CC 25 0.85 1376 106.8 1347 118.9
Elica on shore 20 0.39 1856 0.0 1777 0.0
Solar CSP 25 0.60 3428 0.0 2978 0.0
Solar Fotovoltaica 20 0.31 2318 0.0 1632 0.0
Geotrmica 30 0.85 3553 0.0 3553 0.0
2020
Val. Inv
[US$/kW]
C. Var
[US$/MWh]
Tecnologa Vida Util Dispon Val. Inv
[US$/kW]
C. Var
[US$/MWh]
2015
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2.2 Planes de mnimo Costo y Adecuaciones
Debido a mejoras de precisin en los Exploradores de Energa Solar y Elica1 [3] e instruccin de criterios
de limitacin y distribucin de ERNC, los planes de expansin en [2] fueron modificados levemente. Los
perfiles elicos usados en el ejercicio original consideraban datos horarios de generacin para un mes
por trimestre. Las adecuaciones al plan de expansin original con ERNC optimista involucran nuevos
perfiles de generacin elico, ajuste a disponibilidad de generacin solar, e imposicin de desarrollo
ERNC al 2020 tanto en tecnologa como en ubicacin. Los nuevos perfiles contemplan ahora el ao
completo para las mismas zonas, nuevos criterios sobre limitaciones al factor de planta de parques, y se
incorpora la zona del Valle de los Vientos a la generacin en la barra Crucero 220 en conjunto con
Calama Poniente. Los ajustes a la expansin solar corresponden a una sustitucin parcial de capacidad de
tecnologa de Concentrador Solar Parablico (CSP) por fotovoltaico al ao 2020 y una reduccin del
factor de planta de este ltimo del 35% a 31%. Adicionalmente, se restringe la entrada de ERNC de modo
que slo puedan ingresar a partir del ao 2015, limitando tambin su incremento anual y la participacin
tecnolgica en correspondencia con proyectos ingresados a estudio de impacto ambiental. Todo lo
anterior para acercar los resultados al potencial de desarrollo esperable de energa ERNC bajo el
supuesto de costos.
En resumen los planes de expansin para un primer contraste son los siguientes:
Convencional de referencia: plan de expansin en la que se descarta un desarrollo de ERNC que,
bajo criterios de mnimo costo, sin restricciones, slo incrementa la generacin a base a carbn.
Constituye la matriz convencional de referencia al ao 2020 para los anlisis posteriores.
ERNC optimista original: resultado del plan de expansin con ERNC optimista obtenido en el
estudio previo.
ERNC optimista modificado de referencia: resultado del plan de expansin con ERNC optimista
anterior con las modificaciones descritas, incluyendo relocalizacin de capacidad ERNC.
Corresponde al caso base ERNC a usar en los estudios de costos de operacin al ao 2020.
Las tablas Tabla 2-2 y Tabla 2-3 resumen los resultados para cada caso en capacidad instalada y costo
anual equivalente respectivamente. En el caso del modificado, las tasas de entrada ERNC permitidas para
cada tecnologa ERNC son las siguientes:
Elico: 150 [MW] mximo incremental por ao y zona a partir del 2015. Cuatro zonas con
potencial asociadas a las barras Crucero Encuentro, Calama Oriente y Taltal. Incremental
conjunto mximo de 600 [MW/ao].
Solar CSP: 50 [MW] mximo por ao y zona el 2015 y 100 [MW] a partir del 2016. Cuatro zonas
con potencial de conexin asociado a las barras Lagunas, Crucero, Encuentro y Pozo Almonte.
Mximo conjunto de 200 [MW/ao] el 2015 y 400 del 2016 en adelante [MW].
1 Iniciativa conjunta entre el Ministerio de Energa, GIZ y el Departamento de Geofsica (DGF) de la Universidad de
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Solar PV: 50 [MW] mximo por ao y zona el 2015 y 100 [MW] a partir del 2016. Cuatro zonas
con potencial de conexin asociado a las barras Lagunas, Crucero, Encuentro y Pozo Almonte.
Mximo conjunto de 200 [MW/ao] el 2015 y 400 del 2016 en adelante [MW].
Geotermia: restringido en promedio a 80 MW total cada cuatro aos.
Tabla 2-2: Expansin del SING, casos convencional y optimista ERNC. Valores en [MW]
Tabla 2-3: Costos de expansin del SING, casos convencional y optimista ERNC. Valores anuales en [MMUS$]
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
Carbon 1,480 2,074 2,074 2,074 2,184 2,332 2,487 2,633 2,789 2,951 3,123 3,304 3,496 3,703 3,923 4,152 4,394 4,651 4,922 5,209
Diesel 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132
Fuel_Oil_Nro_6 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226
Gas_Natural 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669
Hidro_pasada 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Eolica_onshore
Solar_CSP
Solar_Foto
Geotermica
Carbon 1,480 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074
Diesel 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132
Fuel_Oil_Nro_6 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226
Gas_Natural 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669
Hidro_pasada 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Eolica_onshore 874 874 1,101 1,287 1,298 1,341 1,414 1,503 1,592 1,705 1,761 1,829 1,937 2,051 2,051 2,051 2,051 2,051
Solar_CSP 309 519 773 936 1,325 1,775 2,022 2,233 2,565 2,835 3,187 3,540 3,809 3,965
Solar_Foto 311 791 1,471 1,505 1,910 2,910 3,255 3,789
Geotermica 40 40 40 40 80 80 160 160 160 160 240 240 320 320 400 400 400
Carbon 1,480 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074
Diesel 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132
Fuel_Oil_Nro_6 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226
Gas_Natural 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669
Hidro_pasada 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Eolica_onshore 600 1,058 1,303 1,413 1,465 1,500 1,700 1,900 1,971 2,067 2,181 2,274 2,410 2,532 2,660 2,799
Solar_CSP 50 150 180 180 180 180 580 980 1,380 1,780 2,180 2,580 2,958 3,222 3,500 3,761
Solar_Foto 70 170 453 761 761 761 761 761 763 963 1,269 1,571 1,919 2,229
Geotermica 40 40 40 80 80 160 160 160 160 200 200 280 280 360 360 360
Ao
Exp
ansi
n
Co
nve
nci
on
al d
e
Ref
eren
cia
Exp
ansi
n
ER
NC
Op
tim
ista
Ori
gin
al
Exp
ansi
n
ER
NC
Op
tim
ista
Mo
dif
icad
o d
e R
efer
enci
a
Inv Gx Inv Tx Ope Total Inv Gx Inv Tx Ope Total Inv Gx Inv Tx Ope Total
2011 0 59 978 1,037 0 59 978 1,037 0 59 978 1,037
2012 144 59 978 1,180 144 59 978 1,180 144 59 978 1,180
2013 144 59 1,059 1,262 336 64 774 1,175 144 59 1,059 1,261
2014 144 59 1,152 1,354 352 67 826 1,245 144 59 1,152 1,354
2015 170 59 1,248 1,477 401 69 862 1,332 309 61 1,015 1,385
2016 205 59 1,339 1,603 441 69 922 1,432 445 63 944 1,452
2017 241 59 1,439 1,740 555 71 897 1,522 526 64 962 1,552
2018 276 59 1,553 1,888 652 73 892 1,617 589 65 1,007 1,660
2019 311 60 1,682 2,053 753 73 895 1,722 661 65 1,076 1,802
2020 349 60 1,824 2,233 855 73 893 1,821 759 66 1,109 1,934
2021 388 60 1,977 2,426 998 74 852 1,925 928 67 1,024 2,019
2022 429 61 2,100 2,590 1,162 80 775 2,017 1,094 70 925 2,089
2023 473 62 2,228 2,762 1,303 80 727 2,110 1,230 72 872 2,173
2024 519 63 2,367 2,949 1,494 82 623 2,198 1,383 75 803 2,261
2025 568 64 2,510 3,143 1,727 82 482 2,291 1,521 77 762 2,360
2026 619 65 2,661 3,346 1,861 86 454 2,400 1,714 81 659 2,455
2027 672 67 2,821 3,560 2,022 86 406 2,515 1,894 83 589 2,566
2028 728 68 2,990 3,787 2,304 88 234 2,626 2,066 86 534 2,686
2029 787 70 3,172 4,029 2,426 92 240 2,758 2,217 88 517 2,822
2030 849 72 3,357 4,277 2,545 94 250 2,889 2,357 90 514 2,961
VNA 11-20 1,854 559 12,476 14,889 4,185 640 8,447 13,271 3,458 584 9,731 13,773
VNA 15-24 3,154 570 16,719 20,443 8,064 704 7,917 16,685 7,414 630 9,233 17,277
VNA 11-30 6,991 1,117 34,818 42,926 19,357 1,361 12,824 33,542 17,409 1,258 15,946 34,613
ERNC Opt. Mod. De ReferenciaAo
Convencional trmico de referencia ERNC Optimista Original
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Los ajustes por perfiles elicos, distribucin y relocalizacin de ERNC se presentan en la Tabla 2-4 desde
el caso original hasta el nuevo. La relocalizacin y distribucin se determina en forma separada sobre la
base del plan de expansin ERNC original en cruce con los proyectos presentados al SEIA (Sistema de
Estudio de Impacto Ambiental) a Enero de 2012, en acuerdo con la contraparte. Complementariamente,
en la tabla se indica el tipo de restriccin (aplicada slo el ao 2020) a la capacidad en cada barra y el
orden en que se imponen para alcanzar la capacidad ERNC objetivo, que signifique la menor
perturbacin al costo mnimo original. Este orden indica la precedencia en que se ordena la expansin
por tecnologa y zona segn menor costo.
Tabla 2-4: Ajustes y restriccin de localizacin de ERNC al ao 2020.
Con la tecnologa geotrmica, en los casos en que sta no se conecta a la barra geotermia, se procedi a
incrementar su costo de inversin en el equivalente de costo de una lnea de conexin de 120 km,
anloga a la que conecta la barra Geotermia con Pozo Almonte.
Los resultados de la Tabla 2-3 muestran un incremento de los costos debido principalmente a las
restricciones impuestos a la expansin elica y fotovoltaica en sustitucin de la reduccin de CSP. En
efecto, al restringir slo la tecnologa CSP al ao 2020 en la planificacin, la penetracin elica y
fotovoltaica ptima es algo mayor. Esto se explora en mayor detalle en los anlisis de costos. Cabe
destacar que en el caso de expansin con ERNC no existe aumento de capacidad trmica,
conformndose el parque al 2020 nicamente por las plantas en operacin del sistema al ao 2012.
Tipo Preced.
Solar_CSP 27 0
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2.3 Despacho Simplificado
Las siguientes figuras resumen los despachos por bloques del modelo de planificacin para los casos
bases de referencia de expansin slo trmica convencional y con ERNC caso optimista. Se grafica la
capacidad instalada y la potencia media en el bloque de carga respectivo para cada tecnologa. Los
bloques de carga corresponden a una discretizacin de 6 tramos de la curva de duracin mensual en
orden decreciente de potencia. Las curvas ilustran la variabilidad capturada por el modelo de expansin
en los despachos. ste y otros efectos se estudian en profundidad en las siguientes secciones.
Figura 2.3: Despacho por bloques y capacidad instalada en expansin Slo Trmica el 2020.
Cabe destacar que la operacin simplificada de la expansin corresponde a un despacho simple por
orden de mrito y no considera ningn tipo de limitacin tcnica a la operacin como el manejo de
reservas, restricciones al despacho de las mquinas trmicas, recortes de energa variable, etc. Estas
simplificaciones tienen una incidencia creciente en los costos con la penetracin de la generacin ERNC
elica y solar debido a la variabilidad e incertidumbre de su energa primaria.
0
250
500
750
1,000
1,250
1,500
1,750
2,000
2,250
2,500
2,750
3,000
3,250
3,500
3,750
4,000
4,250
4,500
4,750
5,000
5,250
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
Diesel
Diesel
Fuel_Oil_Nro_6
Fuel_Oil_Nro_6
Gas_Natural
Gas_Natural
Solar_Foto
Solar_Foto
Solar_CSP
Solar_CSP
Eolica_onshore
Eolica_onshore
Carbon
Carbon
Geotermica
Geotermica
Hidro_pasada
Hidro_pasada
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Figura 2.4: Despacho por bloques y capacidad instalada en expansin ERNC optimista el 2020.
0
250
500
750
1,000
1,250
1,500
1,750
2,000
2,250
2,500
2,750
3,000
3,250
3,500
3,750
4,000
4,250
4,500
4,750
5,000
5,250
5,500
5,750
6,000
6,250
6,500
6,750
7,000
7,250
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
Diesel
Diesel
Fuel_Oil_Nro_6
Fuel_Oil_Nro_6
Gas_Natural
Gas_Natural
Solar_Foto
Solar_Foto
Solar_CSP
Solar_CSP
Eolica_onshore
Eolica_onshore
Carbon
Carbon
Geotermica
Geotermica
Hidro_pasada
Hidro_pasada
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3. Caracterizacin de Generacin ERNC y Demanda
Se caracteriza estadsticamente la generacin ERNC, para su insercin en la operacin del SING al ao
2020 sobre la base de los datos proporcionados por el Ministerio de Energa/GIZ. Estos corresponden a
datos agregados de generacin de generacin elica horaria por zona, sintetizados del explorador elico-
solar [3] para el ao 2010 y mediciones tanto de velocidad del viento como de radiacin solar a escala de
10 minutos para diversas zonas del norte. Con ellas se efectan los anlisis de esta seccin que llevan a la
sntesis de perfiles horarios e intrahorarios de generacin. En el caso de la demanda, los datos tienen su
origen en el CDEC-SING, y corresponden a valores reales de la operacin del ao 2011.
3.1 Generacin Elica
Usando las mediciones de viento y las series de datos de generacin elica horaria para el ao 2010,
procedentes del Explorador Elico-Solar [3], se caracteriza la variabilidad del recurso. La siguiente grfica
de contorno sintetiza la generacin elica de cada zona con los datos del explorador en promedio
semanal, por hora del da, en proporcin a la generacin mxima.
Figura 3.1. Generacin elica porcentual por zona. Valor 1 indica generacin al 100% de la capacidad instalada.
Hora
Calama Poniente
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
5
10
15
20
Calama Norte
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
5
10
15
20
Hora
Sierra Gorda Oeste
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
5
10
15
20
Sierra Gorda Este
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
5
10
15
20
Semana
Hora
Valle de Los Vientos
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
5
10
15
20
Semana
Taltal
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
5
10
15
20
Hora
Calama Poniente
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
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Se observa un menor factor de planta en la zona del Valle de los Vientos. La siguiente tabla muestra los
factores de planta de cada zona involucrada. En cada caso la seleccin de la turbina elico se elige en
funcin del perfil vertical de viento, que en algunas zonas presenta tramos de inversin con la altura.
Tabla 3-1: Factores de planta en zonas de trabajo y factor de participacin en la generacin conjunta.
Las correlaciones de generacin para escalas de tiempo horario y diario se muestran en la Tabla 3-2. El
resultado de la agregacin se presenta en las curvas de la Figura 3.2 en la forma de distribucin de
probabilidad de excedencia de generacin horaria (derecha) y de gradientes de variacin horaria
(izquierda).
Tabla 3-2: Correlacin de la generacin elica entre zonas.
Aproximadamente menos del 2% del tiempo la generacin elica se empina por sobre el 90% de la
capacidad instalada. Los gradientes horarios mximos de subida y bajada de generacin son de 60.1% y
46.6 % de la capacidad instalada, con confiabilidad de 95% el gradiente de subida no superar el 27 % y
el de bajada el 15%.
Para efectos de la operacin intrahoraria, se crean perfiles de generacin conjunta a partir de las
mediciones de viento disponible en 5 estaciones, con datos capturados durante el ao 2010,
proporcionadas por el Ministerio de Energa. Estas, corresponden a mediciones en las siguientes zonas:
Calama Norte, Calama Oriente, Sierra Gorda Oeste, Sierra Gorda Este y Taltal. Con ellos se construyen
series de generacin de parque, aplicando la caracterstica de las turbinas indicadas en la Tabla 3-1 a las
mediciones y la transformacin para pasar de dato puntual a parque en [7]. Estas series son usadas para
obtener distribuciones de desviacin de generacin elica intrahoraria. La Figura 3.3 muestra la
distribucin emprica de gradientes respectiva. Se observa una reduccin en la frecuencia de gradientes
altos, no obstante los valores extremos se mantienen. Lo anterior tiene incidencia en el
dimensionamiento de reservas en giro y la probabilidad de desprendimiento de carga.
Zona FP Factor Part Turbina
Calama Norte 0.39 13.0% Vestas V90
Calama Poniente 0.34 16.7% Vestas V90
Sierra Gorda Oeste 0.34 10.0% Gamesa G54
Sierra Gorda Este 0.30 10.0% Gamesa G54
Taltal 0.45 46.7% Vestas V90
Valle de los vientos 0.24 6.7% Vestas V90
Calama
Poniente
Calama
Norte
Sierra Gorda
Oeste
Sierra Gorda
Este
Valle de Los
VientosTaltal
Calama Poniente 1 0.515 0.837 0.769 0.028 0.263
Calama Norte 0.147 1 0.524 0.648 0.218 0.367
Sierra Gorda Oeste 0.906 0.257 1 0.779 - 0.024 0.347
Sierra Gorda Este 0.636 0.641 0.675 1 0.276 0.283
Valle de Los Vientos - 0.113 0.567 - 0.111 0.440 1 - 0.216
Taltal - 0.118 0.405 0.021 0.195 0.220 1Co
rrel
aci
n D
iari
a
Correlacin horaria
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Figura 3.2. Distribuciones empricas de generacin horaria elica agregada con datos del Explorador Elico.
Figura 3.3. Distribuciones empricas de gradientes en intervalos de 10 min sobre la base de datos de medicin de
viento.
En trminos de las variabilidades diarias, semanales y estacionales, las siguientes figuras ilustran sus
caractersticas. Se opta esta vez por usar valores en [MW]. Las distintas escalas aportan antecedentes
respecto de las consecuencias en la operacin de mquinas trmica cuya entrada y salida de servicio se
maneja a distintas escalas. La Figura 3.4 ilustra la forma en que se distribuyen las curvas diarias de
generacin de cada mes en la forma de cuartiles de probabilidad, mediana y puntos raros o (outliers).
Curvas extremas de mximo y mnimo se presentan en la Figura 3.6, mientras que en la Figura 3.5 se
muestra la curva de generacin del da con el mayor gradiente horario de bajada, correspondiente a 700
[MW].
Probabilidad emprica
Genera
ci
n r
ela
tiva [
% P
max]
Distribucin de Generacin Elica Agregada
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Probabilidad emprica
Variaci
n r
ela
tiva [
% P
max]
Distribucin de Gradiente Horario de Generacin Elica Agregada
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-60
-40
-20
0
20
40
60
80
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Figura 3.4. Generacin diaria para cada mes en la forma de curvas de caja.
Figura 3.5. Curva de generacin diaria con mayor gradiente de bajada.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Enero
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Febrero
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Marzo
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Abril
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Mayo
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Junio
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Julio
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Agosto
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Septiembre
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Octubre
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Noviembre
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Diciembre
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
1500Generacin elica conjunta Julio-12
[hora]
P [
MW
]
-
Informe Final
Pgina
19
Impacto de Niveles de Penetracin de Energas Renovables No Convencionales en la Operacin del SING
www.centroenergia.cl
Figura 3.6. Curvas de generacin diaria en das con mejor y peor produccin en cada mes.
Cabe destacar la reduccin tpica que presenta la generacin elica entre las 19 y 22 horas en potencial
coincidencia con la reduccin de la generacin solar fotovoltaica.
A nivel diario, semanal y estacional las curvas de la Figura 3.7 muestra la variacin de la potencia media
que aportara la generacin elica al sistema, mientras que la Figura 3.8 resume la distribucin del
aporte mensual.
Debido a que no se cuenta con referencias locales para estimacin de errores de pronstico elico a
distintas escalas de anticipacin, en el anexo 7.3.1 se sintetiza lo encontrado en la literatura
internacional. Finalmente su efecto se dimensiona en correspondencia con la necesidad de adelanto del
pronstico y el dimensionamiento de reservas, siguiendo criterios internacionales en el problema de
predespacho y simulacin de la operacin, usando la estadstica de variabilidad sintetizadas en esta
seccin.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Enero
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Febrero
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Marzo
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Abril
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Mayo
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Junio
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Julio
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Agosto
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Septiembre
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
500
1000
1500 Octubre
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2