Impacto del esquema de intercambio de electricidad en la

La Dinámica de Sistemas: Un Paradigma de Pensamiento
9° Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas
14 al 16 de septiembre del 2011
Universidad Colegio Mayor de Nuestra Señora del Rosario
Comunidad Colombiana de Dinámica de Sistemas
Bogotá – Colombia
Impacto del esquema de intercambio de electricidad en la
integración energética entre Ecuador, Colombia y Panamá
Dayanna Osorio Ramírez
Carlos J. Franco C., Ph. D
Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín
Carrera 80 No. 65 - 223 Bloque M8
(574) 4255350
Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín
Carrera 80 No. 65 - 223 Bloque M8
(574) 4255350
dosoriora@unal.edu.co
cjfranco@unal.edu.co
RESUMEN
1. INTRODUCCIÓN
Al crear competencia en los mercados eléctricos se logró tener un
acceso libre a la red de transmisión lo que permitió incentivar que
muchos países desarrollaran interconexiones eléctricas con países
vecinos y establecieran mercados regionales buscando beneficios
para los países miembros en términos económicos, sociales y
ambientales, con el objetivo de mejorar su seguridad energética.
Uno de los principales problemas en la integración energética
entre países que se presenta actualmente, es escoger el esquema o
mecanismo de mercado más adecuado para el manejo de la
congestión en las redes de transmisión. Esto se debe a que las
redes de interconexión eléctrica tienen una capacidad de
transmisión limitada lo que impide que se logre aprovechar al
máximo la integración energética y no se obtengan todos los
beneficios de ésta. En este trabajo, se pretende analizar la
integración entre mercados eléctricos utilizando Dinámica de
Sistemas, con el fin de poder observar su comportamiento a futuro
mediante la construcción de un modelo que permita realizar una
evaluación comparativa entre diferentes esquemas de intercambio
de electricidad aplicados a la interconexión eléctrica entre
Ecuador, Colombia y Panamá.
En un principio los mercados eléctricos se caracterizaban por la
presencia muy exclusiva o muy predominante de empresas
públicas, siendo consideradas como monopolios propiedad del
estado(Hunt & Shuttleworth 1996). Los procesos de reforma
energética dentro de los países permitieron promover la
competencia y el libre mercado, lo que ha incentivado a que se dé
la construcción de interconexiones eléctricas y gasoductos
trasnacionales, permitiendo intercambios energéticos a nivel
regional.
Palabras Clave
Integración energética, integración de mercados, market coupling,
derechos de transmisión financieros, integración de sistemas de
potencia, manejo de congestión.
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9° Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas – 14 al 16 de
septiembre de 2011, Bogotá - Colombia
Copyright 2011 Universidad del Rosario [ISSN 2027-7709] US $10.00
La integración de mercados eléctricos es un tema que actualmente
se encuentra en crecimiento. Consiste en la creación de
interconexiones entre los sistemas eléctricos de dos o más países
vecinos de manera que se pueda tener un mejor aprovechamiento
de la explotación y uso de los recursos naturales de cada uno.
América Latina y el Caribe son de las regiones con mayor
potencialidad de integración eléctrica en el mundo, gracias a sus
grandes recursos naturales y energéticos (Ramos 2004). De igual
forma, se han desarrollado interconexiones en Norte América y en
Europa, así como existen algunos mercados integrados en África y
Asia.
Los intercambios en materia de energía eléctrica entre mercados
de distintos países permiten optimizar el costo de producción y la
seguridad del abastecimiento, la colocación de excedentes de
energía y el aprovechamiento de los atributos de la capacidad
instalada de los países involucrados.
No obstante, uno de los principales problemas en la integración
energética entre países es escoger el esquema de mercado más
adecuado para el manejo de la congestión en las redes de
transmisión, dificultad asociada con la particularidad de que el
total de potencia que puede ser transmitida a través de la red sea
limitada. De aquí surge la necesidad de analizar el
comportamiento de la integración entre países bajo diferentes
esquemas de intercambio de electricidad, en particular, se propone
realizarlo para la integración entre Ecuador, Colombia y Panamá
de manera que se pueda observar el comportamiento a futuro con
cada uno de ellos y tener una referencia de cuáles serían los más
adecuados.
exportación fuese una demanda en la frontera y la importación
una generación, ambas pertenecientes a su propio mercado.
El resto de este artículo está organizado de la siguiente forma: en
la sección 2 se habla sobre la integración energética; en la sección
3 se describe el planteamiento del problema. La metodología
propuesta y la hipótesis dinámica se plantean en la sección 4. En
la sección 5 se presentan los resultados preliminares del modelo.
Y finalmente, en la sección 6 se expone el trabajo que se está
realizando actualmente y las conclusiones.
2. INTEGRACIÓN ENERGÉTICA
La integración energética tiene el potencial de apoyar y
complementar políticas sociales y ambientales de los países, así
como incentivar su expansión en capacidad de generación (OEA
2007). Para que sea exitosa debe estar relacionada con la
integración económica, con objetivos claros que permitan revertir
las deficiencias económicas, sociales y ambientales de la región y
contribuir a aumentar su competitividad.
A fin de avanzar en la integración es necesario considerar las
tendencias de las economías y mercados energéticos mundiales, es
decir, el marco en el que se implementarán las políticas.
Son grandes los beneficios que proporciona la integración
energética tanto para los países importadores como los
exportadores. Los países importadores se ven favorecidos en su
desarrollo industrial gracias al acceso a recursos energéticos
abundantes y de bajo costo, así como en la planificación de un
desarrollo económico sostenible a largo plazo y a la reducción del
grado de incertidumbre y riesgo de desabastecimiento. La
integración para los países exportadores, incentiva las inversiones
en su sector energético y la ampliación de su mercado.
En América Latina se han tenido grandes avances en este tema.
La interconexión eléctrica demanda mayores procesos de
planificación de cara a la eficiencia energética, los cuales deben
ser alcanzados mediante el desarrollo y perfeccionamiento de las
operaciones eléctricas (OEA 2007).
En el 2002 se aprobó la Decisión 536 de la CAN “Marco General
para la interconexión subregional de sistemas eléctricos e
intercambio intracomunitario de electricidad” (CAN 2002), que
brindó el marco jurídico comunitario para impulsar el desarrollo
del tema eléctrico entre los Países Miembros. Es así, como se han
llevado a cabo interconexiones eléctricas en América Latina como
la integración entre Colombia y Ecuador (Zaconetti 2003) ,
Colombia y Venezuela (Umana et al. 2006), Brasil y Argentina,
Ecuador y Perú (CIER 2009) (OLADE 2006), entre otras así como
existen proyectos en curso como la interconexión entre Colombia
y Panamá que se espera que esté lista para el año 2012 (Figueroa
2007) (ISA 2006), entre otros. Dichas interconexiones se pueden
observar en la Figura 1.
La integración energética favorece también a la investigación
científica, el intercambio de tecnología y generación de
conocimiento en nuestros países. Por medio de ésta, los países
consideran la creación de una pared en la frontera borde entre
países organizando el mercado de cada país como si la
Figura 1. Interconexiones eléctricas en América del Sur.
Fuente: CIER, 2010
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La integración eléctrica no es sólo una actividad que involucra
aspectos relacionados con la generación y la transmisión de la
electricidad sino también la armonización de los mercados siendo
esto un proceso complejo y de largo plazo (OEA 2007). Es
posible que las redes de interconexión eléctrica entre los países se
congestionen ya que no tienen una capacidad de transmisión
ilimitada, esto ocurre cuando la capacidad en los enlaces de
transmisión no es suficiente para abastecer la demanda de los
participantes del mercado a un mismo precio (Stoft, S. 2002),
debido a que ocasiona que se divida el mercado en diferentes
zonas y los precios de comercio de la energía dejen de ser los
mismos para todo el sistema (Modi & Parekh 2009).
Los problemas de capacidad en las líneas de transmisión al causar
que la diferencia de precios marginales en distintas zonas del
sistema varíe, produce que los generadores deban enfrentarse a la
incertidumbre causada por dicha diferencia de precios. Cuando se
produce la congestión en la red de transmisión en un mercado de
electricidad, se divide el mercado en diferentes zonas y los precios
de comercio de electricidad dejan de ser los mismos para todo el
sistema. Es por esto, que para el uso de estas interconexiones debe
definirse un esquema que permita aprovechar los beneficios de la
integración, con el fin de realizar el suministro de energía eléctrica
de un país a otro y definir el sentido en el que se realiza dicha
transacción.
El problema radica en escoger el esquema de integración más
adecuado, ya que éste depende de las similitudes y diferencias de
los países que se van a integrar. Contar con un esquema o
mecanismo de intercambio de electricidad permite saber de qué
forma se van a distribuir los derechos de transmisión, es decir,
quién tendrá derecho a transmitir la electricidad por la red. De
esto depende que se pueda garantizar el suministro adecuado y
confiable de energía necesario para el bienestar de los países.
Este problema principal, asociado con un comercio interregional,
aparece en la coordinación de muchos operadores del sistema de
transmisión (TSOs) (Aguado 2004). Ya que los mercados
eléctricos tienen como uno de sus objetivos principales
proporcionar un acceso libre y no discriminatorio a los servicios
de transmisión garantizando la seguridad y la confiabilidad del
sistema (Triki et al. 2005). De aquí surge la necesidad de utilizar
un esquema de intercambio de electricidad para el manejo de la
congestión en las redes de interconexión; sin embargo, no existe
un consenso para saber cuál es el esquema más adecuado para
aplicar en cada interconexión debido a que esto depende de las
características de los países que se van a integrar.
Por otro lado, son pocos los estudios que se han realizado en la
actualidad para medir el comportamiento o los efectos de la
interconexión entre dos o más países a futuro. Ziogos (Ziogos
2008) propone y analiza un modelo basado en subastas de los
derechos de transmisión en un mercado mensual y anual con el fin
de estudiar las posibles decisiones que los participantes del
mercado pueden tomar de manera que puedan maximizar sus
ingresos.
Así mismo, se encuentra el trabajo realizado en la Universidad
Nacional de Colombia por María Camila Ochoa Jaramillo (Ochoa
2010) sobre el desarrollo de un modelo para analizar la
integración de Panamá, Colombia, Ecuador y Perú, observando
sus posibles efectos a largo plazo sobre las tendencias en la
evolución de la capacidad instalada.
4. MODELO
Para analizar el comportamiento a largo plazo de la integración de
mercados eléctricos bajo diferentes esquemas, se hace necesario
desarrollar un modelo que permita evaluar los efectos de
diferentes esquemas de intercambio de electricidad aplicados a la
interconexión eléctrica entre Colombia, Ecuador y Panamá.
Se hace necesario realizar un modelo en dinámica de sistemas
(Forrester 1961), por medio del cual se puedan reproducir las
dinámicas de expansión de la capacidad instalada y de la
generación de energía eléctrica para cada país. Además de poder
implementar los algoritmos correspondientes a los esquemas de
intercambio de electricidad dentro del modelo.
4.1 ¿Por qué Dinámica de Sistemas?
La dinámica de sistemas es una herramienta de simulación que
permite saber cómo los sistemas podrían comportarse bajo ciertas
condiciones y evaluar políticas y observar sus efectos en el tiempo
mediante la construcción de modelos que exprese las relaciones
entre la estructura del sistema y su comportamiento (Aracil 1997).
Fue desarrollada por Jay W. Forrester aproximadamente para el
año 1950.
La integración energética entre países es un sistema complejo en
el cual puede verse la interacción de diversas variables. Dicha
complejidad se refleja de acuerdo a características como que el
sistema presenta ciclos de realimentación, así como retardos, entre
el momento en que se decide invertir en la capacidad de un país y
el desarrollo de ésta, que pueden crear inestabilidad en el sistema
(Sterman 2000).
Los mercados de electricidad, especialmente la integración
energética entre ellos, es un tema que se encuentra en crecimiento
por lo que la información histórica que se tiene no es lo
suficientemente completa para realizar un análisis exhaustivo
sobre éste, mediante modelos matemáticos tradicionales. La
dinámica de sistemas no necesita datos completos y permite que
las variables que no se conocen en su totalidad, puedan ser
evaluadas bajo diferentes condiciones y, así, pueda reproducir el
comportamiento del sistema bajo diferentes escenarios.
Es por esto que utilizando Dinámica de Sistemas es posible
observar este sistema a futuro y definir políticas que permitan
mostrar cómo varía el comportamiento del sistema, siendo esto un
apoyo para el proceso de toma de decisiones.
4.2 Hipótesis Dinámica
Para analizar los flujos de electricidad en un sistema integrado, se
plantea el diagrama causal presentado en la Figura 2 para el caso
de 2 países interconectados. En éste, se observan los ciclos de
realimentación y los retardos en el sistema. El modelo está
compuesto por 7 ciclos balance.
Para garantizar la seguridad de suministro en un mercado
eléctrico, se debe asegurar que la capacidad instalada sea mayor
que la demanda, conservando así un margen de capacidad
adecuado.
En los ciclos B1 y B2, se presenta la dinámica para la expansión
de capacidad de cada país, donde se observa que si el margen de
capacidad es alto entonces disminuirá la inversión en capacidad,
mientras que si el margen es bajo, la inversión en capacidad
tendrá un efecto positivo, con un retardo asociado al tiempo de
construcción, sobre la capacidad instalada de cada país.
Los ciclos B3 y B4 representan cómo el margen de capacidad de
cada país disminuye si crece la demanda de electricidad en el país
la cual, a su vez, depende del precio de electricidad.
MARGEN DE+ CAPACIDAD PAÍS A
+
B4
EXPORTACIÓN
PAÍS A - PAÍS B
-
DEMANDA+
PAÍS A
-
+MARGEN DE
CAPACIDAD PAÍS B
-
+
B6
B5
CAPACIDAD
INSTALADA PAÍS A
B2
PRECIO
ELECTRICIDAD
PAÍS B
PRECIO
ELECTRICIDAD
PAÍS A
+
B1
CAPACIDAD
INSTALADA PAÍS B
+
+
-/
PRECIO PAÍS A
PRECIO PAIS B
INVERSIÓN
CAPACIDAD PAÍS
+ A
+
INVERSIÓN
CAPACIDAD PAÍS B
B8
+
EXPORTACIÓN
PAÍS B - PAÍS A +
DEMANDA
PAÍS B
B3
B7
Figura 2. Diagrama causal de dos países integrados
Se puede observar que en el ciclo B5, el precio de la electricidad
en el país B disminuye si aumenta el margen de capacidad en este
país, lo que generaría que la relación entre los precios de los dos
países aumente (Precio País A/Precio País B) y, por consiguiente,
sea menor la exportación del país A al B. Dicha relación de
precios está dada por la diferencia entre el precio del país A y el
B.
El ciclo B6 muestra cómo el aumento en el precio de la
electricidad en el país A afecta positivamente la relación entre los
precios de los países, disminuyendo la exportación del país A al
país B. Así, el incremento de dicha exportación del país A al país
B, llevaría a que la demanda del país A crezca. Por el contrario, en
el ciclo B7, la relación entre los precios de los países disminuye al
aumentar el precio de electricidad en el país B lo que provocaría
un incremento en la exportación del país B al país A, aumentando
la demanda de electricidad en el país B.
Finalmente, el ciclo de balance B7, representa cómo el incremento
de la importación de electricidad del país B al país A afecta
positivamente el margen de capacidad del país A, ocasionando
que el precio de la electricidad en este país disminuya y, por
consiguiente, disminuya la importación del país B al país A.
5. RESULTADOS PRELIMINARES
A partir de la hipótesis planteada anteriormente, se desarrolló un
modelo de dinámica de sistemas que permite mostrar la dinámica
de expansión de la capacidad instalada de cada país y cómo ésta
va evolucionando en el tiempo. Así mismo, es posible observar
mediante el modelo la dinámica de generación de energía eléctrica
de cada país en el tiempo, incluyendo las exportaciones e
importaciones que se presentan en cada mercado eléctrico.
El modelo se encuentra en proceso de calibración utilizando datos
actuales de los sistemas eléctricos de los países, por lo tanto los
resultados deben tomarse como preliminares (XM 2010)(CIER
2010)(CENACE 2011)(CONELEC 2011).
5.1 Expansión de Capacidad
Los procesos de expansión de la capacidad instalada de Colombia
y Ecuador se encuentran en las figuras 1 y 2, donde puede
observarse una tendencia creciente debido al constante aumento
de la demanda.
Es posible observar que la capacidad instalada de cada país en
cada momento del tiempo es superior a la demanda interna de
electricidad, esto refleja el hecho de que los países deben
mantener un margen de capacidad alto para aquellos momentos en
que se presenten picos de demanda, en los cuales es necesario
utilizar casi la totalidad de su capacidad.
Para la capacidad instalada de Colombia, se puede ver que
predominan las plantas hidráulicas, les siguen las plantas a gas y,
por último, a carbón. Mientras que en Ecuador, las centrales de
mayor representación son las térmicas en lugar de las
hidroeléctricas, pero teniendo estas últimas un porcentaje
significativo en la capacidad total instalada en este país.
Figura1. Expansión de Capacidad Instalada para Colombia.
5.2 Generación de Energía Eléctrica
La generación eléctrica en Colombia depende en gran medida de
las centrales hidroeléctricas. Se puede observar en la figura 3 que
la generación hidráulica es predominante entre las otras dos
Figura2. Expansión de Capacidad Instalada para Ecuador
tecnologías, no sólo por la alta capacidad instalada con la que
cuenta el país sino también debido al hecho de que tiene un costo
de generación más bajo que los otros combustibles (Carbón y
Gas).
Figura 3. Generación de energía eléctrica en Colombia
Colombia cuenta con gran capacidad en sus embalses y mientras
no sea muy alto el costo de la generación hidroeléctrica se
utilizará como primera opción, mientras que cuando sea muy alto
el costo, entrarán a generar más energía eléctrica las plantas a
carbón y gas.
La generación de energía eléctrica en Ecuador, en comparación
con Colombia, no es tan alta, ya que no cuenta con recursos
energéticos tan amplios. Se puede observar que la generación es
parte hidráulica y parte térmica. En momentos en que el país
cuenta con un buen nivel de embalse, mientras que los costos
variables de las tecnologías a carbón y gas sean muy altos, el
precio de generar electricidad mediante las plantas térmicas puede
ser más alto que los precios de energía eléctrica de las centrales
hidroeléctricas , lo que llevaría a que la generación fuera
predominantemente hidráulica. Esta dinámica puede observarse en
la figura 4.
Para la generación de energía eléctrica de cada país, se modeló el
caso en que no existen momentos de racionamiento, dado que
siempre la generación satisface la demanda. Dentro de la dinámica
de la generación eléctrica de cada país, se puede ver momentos en
que la demanda es mayor o menor a la generación, esto
corresponde a aquellos momentos en que se presentaron
exportaciones o importaciones de acuerdo al caso.
Las exportaciones de energía eléctrica se realizan principalmente
desde Colombia hacia Ecuador. Colombia es un país que cuenta
con mejores recursos energéticos que Ecuador por lo que se puede
esperar que a largo plazo se tenga una perspectiva creciente de
exportación de energía eléctrica hacia otros países.
Figura 4. Generación de energía eléctrica en Ecuador
[3]
CAN, 2002. Normativa de la Comunidad Andina /
DECISION 536: Marco General para la interconexión
subregional de sistemas eléctricos e intercambio
intracomunitario
de
electricidad.
Available
at:
http://www.comunidadandina.org/normativa/dec/D536.ht
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[4]
CENACE, 2011. CENACE. Administrador Técnico y
Comercial del Mercado Eléctrico Mayorista del Ecuador.
Available
at:
http://www.cenace.org.ec/index.php?option=com_content
&view=article&id=64&Itemid=59 [Accedido Agosto 20,
2011].
El modelo realizado provee una herramienta en la cual se
combina la dinámica de sistemas y un algoritmo de iteración
correspondiente a cada esquema que se desee aplicar, de manera
que pueda observarse la evolución a largo plazo de la integración
energética de los mercados eléctricos bajo diversos esquemas,
involucrando el despacho de energía eléctrica de corto plazo que
se realiza en cada país. Así, con este modelo se podrá evidenciar
cómo es el comportamiento de las transacciones entre los países
de acuerdo al esquema elegido.
[5]
CIER, 2009. Síntesis Informativa Energética de los Países
de
la
CIER
2009.
Available
at:
http://www.cier.org.uy/d06-sie/index.htm [Accedido Junio
1, 2011].
[6]
CIER, 2010. Síntesis Informativa Energética de los Países
de
la
CIER
2010.
Available
at:
http://www.cier.org.uy/d06-sie/index.htm
[Accedido
Agosto 15, 2011].
Como trabajo futuro está el desarrollo de los algoritmos iterativos
que serán aplicados dentro del modelo de dinámica de sistemas
para modelar los esquemas de intercambio de electricidad.
Además, la introducción de la dinámica de Panamá dentro del
modelo.
[7]
CONELEC, 2011. Indicadores del Sector Eléctrico.
Available at: http://www.conelec.gob.ec/indicadores/
[Accedido Agosto 20, 2011].
[8]
Figueroa, D.C., 2007. Colombia y el Plan Puebla Panamá.
CIEPAC, Bogotá.
[9]
Forrester, J.W., 1961. Industrial dynamics. Massachusetts :
Productivity Press - MIT.
[10]
Hunt, S. & Shuttleworth, G., 1996. Competition and Choice
in Electricity, John Wiley & Sons Inc.
[11]
ISA, E., 2006. La Interconexión Colombia - Panamá. El
enlace entre los Mercados de la Región Andina y América
Central.
6. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
Mediante la integración eléctrica se pueden producir grandes
beneficios permitiendo el aprovechamiento energético de los
países, incrementando la productividad, reduciendo los costos de
energía y mejorando las ventajas competitivas de la región.
Por medio de Dinámica de Sistemas, es posible describir el
sistema y generar una hipótesis dinámica acerca del
comportamiento de países integrados, con el fin de entender el
sistema y proponer políticas por medio de las cuales se pueda
tener un mejor aprovechamiento de la integración, realizando un
análisis comparativo del desempeño de diferentes esquemas de
intercambio de electricidad.
7. REFERENCES
[1]
[2]
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Congestion Management of Inter-Regional Electricity
Markets. IEEE Transactions on Power Systems, 19(1),
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En Proceedings of the International MultiConference of
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[19]
Triki, C., Beraldi, P. & Gross, G., 2005. Optimal capacity
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uncertainty. Computers & operations research, 32(2),
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[13]
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Umana, J. et al., 2006. Regulatory Analysis of International
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Venezuela. En 2006 IEEE/PES Transmission &
Distribution Conference and Exposition: Latin America.
2006 IEEE/PES Transmission & Distribution Conference
and Exposition: Latin America. Caracas, Venezuela, págs.
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[21]
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E.S.P.
Página
Principal.
Available
at:
http://www.xm.com.co [Accedido Junio 9, 2011].
[22]
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[15]
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[16]
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[17]
Sterman, J., 2000. Business Dynamics: Systems Thinking
and Modeling for a Complex World with CD-ROM,
McGraw-Hill/Irwin.
[18]
Stoft, S., 2002. Power System Economics: Designing
Markets for Electricity 1o ed., Wiley-IEEE Press.
[23] Ziogos, N.P., 2008. Analysis of a yearly multi-round, multiperiod, multi-product transmission rights auction. Electric
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