UNIVERSIDAD DE CHILE. Bolsa de Energía Multinodal Haciendo Uso de Flujo Óptimo de Potencia

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1 UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Bolsa de Energía Multinodal Haciendo Uso de Flujo Óptimo de Potencia Aplicación al Caso Chileno RODRIGO ANDRÉS RIVERA CARO 2002

2 UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Bolsa de Energía Multinodal Haciendo Uso de Flujo Óptimo de Potencia Aplicación al Caso Chileno RODRIGO ANDRÉS RIVERA CARO COMISIÓN EXAMINADORA CALIFICACIONES NOTA(n ) (Letras) FIRMA PROFESOR GUÍA SR. RODRIGO PALMA B. : PROFESOR CO-GUÍA SR. EFRAÍN ASENJO : PROFESOR INTEGRANTE SR. LUIS VARGAS : NOTA FINAL EXAMEN DE TÍTULO : MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA SANTIAGO DE CHILE 2002

3 RESUMEN DEL INFORME FINAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR : RODRIGO ANDRÉS RIVERA CARO FECHA : Septiembre 2002 PROF. GUÍA : SR. RODRIGO PALMA B. Bolsa de Energía Multinodal Haciendo Uso de Flujo Óptimo de Potencia: Aplicación al Caso Chileno Los cambios en la estructura del mercado eléctrico a nivel mundial, son un proceso que se ha venido produciendo desde principios de la década de los 80, motivado especialmente por la búsqueda de eficiencia con la incorporación de competencia en el sector. Bajo este nuevo escenario surge la Bolsa de Energía (BE), como un elemento novedoso de arquitectura de mercado competitiva, propuesta en diversos países. Existen en la actualidad variados modelos de BE, siendo cada uno de éstos, producto de los propios intereses de cada mercado y de las características estructurales de cada sistema. Se distinguen, por ejemplo, modelos de BE de una ronda o multironda, uninodales, multinodales o por áreas, de ofertas simples o complejas. En este contexto, para el Sistema Interconectado Central (SIC) Chileno se reconocen características únicas, como por ejemplo, su longitudinalidad y gran extensión, fuerte componente de generación hidráulica, concentración de la propiedad, consumos concentrados en zona central y en su mayoría alejados de los puntos de inyección del sistema. Estas características sin lugar a duda influyen de manera esencial en la elección del tipo de BE más adecuada. En el marco de las propuestas de cambio de la Ley en el sector eléctrico Chileno en los últimos años, se ha postulado la idea de implementar una BE. En este contexto surge la necesidad de estudiar este tipo de estructuras, de modo de contribuir a esta discusión con un modelo adecuado para el caso Chileno y donde emerge la necesidad evidente de enfatizar aspectos técnicos. Conforme con la revisión del estado del arte, se propone una metodología caracterizada por la operación de una BE en la forma de un Flujo de Potencia Óptimo (OPF), formulado como un problema de optimización con función objetivo lineal y conjunto de restricciones no lineales de igualdad y desigualdad. La solución a este problema se encuentra a través de un algoritmo denominado Programación Cuadrática Secuencial (SQP). Se considera como punto de partida una herramienta existente y desarrollada en el Área de Energía del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Chile (DIE), la que es ampliada en el número de variables y restricciones de operación, incluyendo para este último caso los límites de transferencia por línea. El modelo propuesto es integrado a la plataforma de toma de decisiones "DeepEdit" desarrollada en el DIE, haciendo uso de tecnología JAVA y de rutinas existentes. El programa resultante es validado y analizado para diversas redes ejemplo que buscan representar escenarios de interés. El modelo es aplicado al estudio de una representación reducida del SIC. Los resultados entregados por el modelo dan cuenta explícitamente de los efectos producidos, tales como desacoples en la distribución de los costos marginales producto de congestiones resultantes de la operación del sistema y de la influencia directa de este hecho sobre la operación económica de la BE. Se reafirma el condicionamiento técnico que poseen las estructuras de mercado en el caso del sistema chileno. Como resultado del estudio se ha formulado y desarrollado un modelo de BE adecuado para la operación del SIC al considerar las características peculiares de éste, las cuales influyen en forma directa sobre la planificación de su operación. Se desprende en forma natural de este trabajo, la necesidad de estudios más acabados en el tema, por ejemplo sobre la influencia del poder de mercado en la operación de la BE en el corto y mediano plazo, la incorporación de aspectos hidrotérmicos y representación de restricciones de acoplamiento temporal en el proceso de optimización de la BE.

4 Dedicado a mis padres Enrique y Venecia....y a mi amor, Caterina.

5 Agradecimientos A mi familia, que con su apoyo incondicional hicieron de este sueño una realidad. A mi profesor guía Rodrigo Palma, por ser una excelente persona y un constante apoyo en todo el desarrollo de este trabajo. A la amistad brindada por mis compañeros de Universidad, en quienes encontré grandes amigos y valientes personas que me alentaron en todo momento. Y a ella...caterina, quien hizo de mi vida un sueño.

6 Índice 1. INTRODUCCIÓN MOTIVACIÓN Y ALCANCES OBJETIVOS Objetivo General Objetivos Específicos METODOLOGÍA ESTRUCTURA DEL TRABAJO 5 2. BOLSA DE ENERGÍA RESUMEN INTRODUCCIÓN A LOS MERCADOS ELÉCTRICOS COMPETITIVOS Agentes de Mercado Segmentación Tradicional del sector Eléctrico ESTRUCTURAS DE MERCADO Modelo de Tipo Pool Contratos Bilaterales Físicos Contratos Bilaterales Financieros BOLSA DE ENERGÍA Características de la Bolsa de Energía SITUACIÓN INTERNACIONAL Mercado de Energía Español Mercado de Energía Neozelandés Mercado de Energía Colombiano MODELO DE BOLSA DE ENERGÍA MULTINODAL RESUMEN OBJETIVO DEL MODELO INTRODUCCIÓN AL PROBLEMA FLUJO DE POTENCIA ÓPTIMO MÉTODO DE RESOLUCIÓN UTILIZANDO SQP MODELO DE BOLSA DE ENERGÍA MULTINODAL PARÁMETROS, VARIABLES DE CONTROL Y DE ESTADO FUNCIÓN OBJETIVO RESTRICCIONES FORMULACIÓN EXPLÍCITA DEL PROBLEMA QUE RESUELVE SQP Estructura general en bloques de la matriz Jacobiana Estructura general en bloques de la matriz Hessiana IMPLEMENTACIÓN DE HERRAMIENTA DE ANÁLISIS RESUMEN ENTORNO DE DESARROLLO DEEPEDIT DISEÑO LÓGICO DE LA HERRAMIENTA OPFBEMD DISEÑO DE INTERFAZ ESTRUCTURA DE LA BASE DE DATOS 46 i

7 5. VALIDACIÓN Y CASOS DE ESTUDIO RESUMEN MÉTODOS DE VALIDACIÓN Comparación de resultados con OPF Resultados Esperados VALIDACIÓN Caso dos barras un tramo de oferta Caso dos barras 2 tramos de oferta por agente Caso Wollenberg Casos Especiales CASOS DE ESTUDIO Caso Sistema tres barras Caso Wollenberg Sistema Interconectado Central Caso de Estudio de Poder de Mercado CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS ANEXOS TABLAS DE DATOS CASO ESTUDIO SIC TABLAS DE DATOS CASO ESTUDIO PODER DE MERCADO EN EL SIC ECUACIONES EXPLÍCITAS DEL LAGRANGEANO ECUACIONES EXPLÍCITAS DEL HESSIANO 99 ii

8 Índice de Figuras Figura 1: Metodología utilizada para el desarrollo del estudio 5 Figura 2. Estructura de Mercado Tipo Pool 10 Figura 3. Estructura Mercado con Contratos Bilaterales Físicos 11 Figura 4. Estructura de Mercado con Contratos Bilaterales Financieros 12 Figura 5. Modelo Uninodal. Ofertas y demandas agregadas. 26 Figura 6: Estructura de DeepEdit con OPFBEMD y su flujo de información 44 Figura 7. Interfaz herramienta de análisis OPFBEMD 45 Figura 8. Interfaz para opciones gráficas 46 Figura 9. Sistema de dos barras 50 Figura 10. Modelación de dos o más tramos para OPF 54 Figura 11. Red de prueba de Wollenberg 57 Figura 12 : Sistema de prueba de dos barras, caso especial 62 Figura 13. Sistema de tres barras 64 Figura 14. Aporte de G1 en la oferta total agregada 66 Figura 15. Aporte de G2 en la oferta total agregada 66 Figura 16. Aporte de G3 en la oferta total agregada 66 Figura 17. Aporte de G1 en la oferta total agregada, considerando restricciones de línea 68 Figura 18. Aporte de G2 en la oferta total agregada, con Res. de Línea 68 Figura 19. Resultado de casación multinodal en gráfico uninodal 70 Figura 20. Aporte de G1 en la oferta total agregada 72 Figura 21. Sistema Interconectado Central Modelado en setenta Barras 81 iii

9 Índice de Tablas Tabla 1: Cotas de los generadores del sistema 50 Tabla 2: Datos modelo equivalente de la línea de transmisión 50 Tabla 3: Potencia Activa y Reactiva para el agente demandante en el sistema (*) 50 Tabla 4: Datos económicos de unidades de generación para OPF 51 Tabla 5: Datos comerciales de la ofertas en la Bolsa de Energía 51 Tabla 6: Resultados unidades Generación y Consumo 51 Tabla 7: Datos de interés en las barras 51 Tabla 8: Resultados agentes de Generación y Consumo, considerando límites de transmisión 52 Tabla 9: Datos de interés en las barras, considerando límites de transmisión 52 Tabla 10: Resultados Agentes participantes en BE Multinodal 52 Tabla 11: Datos de interés en barras, resultado dado por BE 52 Tabla 12: Resultados Agentes participantes en BE Multinodal 53 Tabla 13: Datos de interés en las barras, caso BE 53 Tabla 14: Datos de límites técnicos de los Generadores del sistema 55 Tabla 15: Datos de potencia activa y reactiva en los agentes de consumo 55 Tabla 16: Datos comerciales de los generadores para OPF 55 Tabla 17: Resultados de la rutina OPF para unidades de Generación y Consumo 55 Tabla 18: Datos de interés en las barras, con límites de transmisión 56 Tabla 19: Resultados Agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 56 Tabla 20: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 56 Tabla 21: Datos técnicos y comerciales de los generadores del sistema Wollenberg 58 Tabla 22: Datos comerciales de la carga del sistema 59 Tabla 23: Datos comerciales para rutina OPF 59 Tabla 24: Resultados unidades de Generación y Consumo 59 Tabla 25: Datos de interés en las barras, con límites de transmisión 60 Tabla 26: Resultados Agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 60 Tabla 27: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 60 Tabla 28: Información resultante de casación en Bolsa de Energía 62 Tabla 29: Información resultante de casación en Bolsa de Energía, con límites de transmisión 63 Tabla 30: Datos límites técnicos de los generadores del sistema 64 Tabla 31: Datos modelo equivalente de la línea de transmisión 64 Tabla 32: Resultados agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 65 Tabla 33: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 65 iv

10 Tabla 34: Flujos Máximos por líneas 67 Tabla 35: Resultados agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 67 Tabla 36: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 68 Tabla 37: Flujos de Potencia Activa por líneas 68 Tabla 38: Resultados aumentando demanda de Load2 en BE 70 Tabla 39: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 70 Tabla 40: Flujos Activos por línea 71 Tabla 41: Resultados agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 71 Tabla 42: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 71 Tabla 43: Flujos potencia activa por línea 72 Tabla 44: Cotas de los generadores del sistema 73 Tabla 45: Datos del modelo equivalente para las línea de transmisión del sistema 73 Tabla 46: Resultados agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 74 Tabla 47: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 74 Tabla 48: Resultados agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 75 Tabla 49: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 76 Tabla 50: Resultados agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 76 Tabla 51: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 77 Tabla 52: Flujo Máximo de línea Line10 78 Tabla 53: Resultados agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 78 Tabla 54: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 78 Tabla 55: Resultados agentes participantes caso Bolsa de Energía Multinodal 79 Tabla 56: Datos de interés en las barras, caso Bolsa de Energía 80 Tabla 57: Datos Generadores, simulaciones en SIC, demanda baja Hidrología húmeda 88 Tabla 58: Continuación tabla anterior 89 Tabla 59: Datos Consumos, simulaciones en SIC, demanda baja Hidrología húmeda 90 Tabla 60: Datos CMg, simulaciones en SIC, demanda baja Hidrología húmeda 91 Tabla 61: Continuación tabla anterior 92 Tabla 62: Caso Estudio Poder de Mercado en el SIC 93 Tabla 63: Continuación tabla anterior 94 Tabla 64: Información costos marginales caso estudio Poder de Mercado en el SIC 96 Tabla 65: Continuación tabla anterior 97 v

11 1. Introducción En el presente capítulo se describe las motivaciones e intereses que se poseen para el desarrollo de este trabajo, detallando a la vez los objetivos planteados para éste. Se presenta una breve reseña de la realidad en torno al tema de Bolsas de Energía en mercados eléctricos, de modo de plantear el contexto de estudio. Por último, se resume la estructura de este trabajo Motivación y Alcances Actualmente se puede apreciar un creciente cambio en las estructuras del mercado eléctrico, incentivadas hacia la incorporación de competencia dentro de los sectores de generación y comercialización en el mercado eléctrico. Es importante mencionar que este es un proceso de cambio que se ha venido produciendo, junto a otros cambios, del mismo modo profundos, desde principios de la década de los 80 [3], en donde Chile no ha permanecido indiferente. La incorporación de competencia en el mercado eléctrico tiene como objetivos la disminución de los precios de la energía, aumento en la calidad del producto y de manera general la minimización de las ineficiencias actuales del sistema. La búsqueda de eficiencia representa una de las causas que han influido en el cambio de paradigma bajo el cual se sustentaba el desarrollo del sector eléctrico décadas atrás. A continuación se describe en forma general los grandes cambios que se han venido produciendo sobre estas estructuras de Mercado Eléctrico. I. Desintegración Vertical. El tipo de estructura que predominaba consistía en una propiedad integrada en los sectores de generación, transmisión y distribución, la cual se encontraba generalmente en manos estatales. Esta característica imposibilitaba la creación de Mercados Competitivos con libre acceso a las redes por parte de los agentes participantes del mercado y promovía exactamente lo contrario, acciones de carácter monopólico sobre el mercado. En sistemas actuales se han llevado a cabo diversos tipos de desintegración de este segmento que van 1

12 desde una separación contable hasta una separación en la propiedad de estos agentes. II. Descentralización de la Toma de Decisiones. Esta característica consiste en que las señales de nuevas inversiones y cantidad de energía producida deben provenir directamente del mercado y no, de un organismo central de coordinación. Especial importancia cobran el desarrollo de criterios de tarificación y operación de los sistemas de transmisión. III. Acceso Libre a Redes de Terceros. Es este uno de los factores imprescindibles para la creación de mercados competitivos, dado que el sistema debe posibilitar el libre intercambio de energía entre generadores y consumidores, minimizando las pérdidas y maximizando la capacidad de transporte. En pocas palabras, se debe evitar esta barrera de entrada ya que afecta directamente en la libre competencia. Dentro de las subestructuras competitivas conocidas en arquitecturas de mercado actuales se encuentra la Bolsa de Energía (en adelante BE), en la cual los productos, tales como, potencia, energía, instrumentos financieros y servicios complementarios, se transan en una especie de mercado de valores, en el cual el equilibrio entre la oferta y la demanda dicta los precios y cantidades transadas en el sistema. Por lo tanto, la operación del mercado dicta el desarrollo y evolución del sistema. Este tipo de estructuras ha sido adoptada por varios países llegando a constituirse con diversas características adoptadas a las realidades y características de cada mercado en particular. En general este tipo de estructuras que incorporan BE poseen un mercado paralelo de contratos bilaterales físicos que complementan la operación de éste. Inmerso en el contexto de planificación de los sistemas eléctricos de potencia se encuentra una metodología de optimización denominada Flujo Óptimo de Potencia, en adelante OPF. Esta metodología consiste en un algoritmo de optimización que supone que el sistema eléctrico opera en un equilibrio entre potencia generada y demanda en el sistema, es este equilibrio el cual se describe por medio de un conjunto de ecuaciones algebraicas que modelan el comportamiento eléctrico del sistema, determinándose las variables de estado en equilibrio o régimen permanente considerando las limitaciones técnicas de su operación [5]. La metodología anteriormente presentada constituye el núcleo de cálculo del modelo propuesto en este trabajo para la operación de una BE en el Sistema Interconectado Central, SIC. 2

13 Un factor muy importante a considerar en la elección del modelo de operación de la BE, lo constituye las características topológicas del sistema eléctrico donde se pretende incorporar. Dadas las características particulares que posee el SIC, es necesario que el modelo adoptado posea la facultad de considerar las limitaciones en la operación del sistema impuestas por su configuración. Es decir, debe tener presente, debido a su fuerte carácter longitudinal, por ejemplo las congestiones resultado de su operación, criterio N-1, al igual que su distribución en el caso de puntos de consumo y de generación. Estas características poseen una influencia importante en la operación del sistema desde el punto de vista técnico y económico, lo cual es muy recomendable que se pueda apreciar directamente en los resultados entregados por el modelo. Actualmente, se encuentra bajo análisis la implementación de este tipo de estructura para el Mercado Eléctrico chileno [14]. Considerando este escenario es importante contar con un análisis del sistema chileno bajo el supuesto de implementación de este tipo de estructuras, de modo de poder anticipar su evolución y posibles consecuencias para previamente tener conocimiento de las dificultades y problemas que podrían surgir al momento de su implementación. Tras esta breve introducción temática es posible dilucidar el objetivo general de este trabajo en la cual se buscará abordar el escenario de introducción de una BE en el SIC, de modo de poder plantear una metodología para abordar este posible nuevo mercado y sus implicancias en el sistema. Es por tanto, el alcance de este trabajo la implementación de un modelo de BE adecuada para el caso chileno, caracterizada por ser una estructura competitiva peculiar, un largo número de agentes, concentración de consumos y una componente importante de generación hidráulica de centrales de embalse, en el cual se considere tanto la acción de los agentes sobre el sistema como las limitaciones propias de un sistema longitudinal sobre la evolución de los costos marginales. Asimismo, se considera fuera del alcance de este trabajo un análisis detallado de la interacción del funcionamiento de una BE con el resto de los elementos de tarificación y operación de un posible escenario de mercado eléctrico en Chile. La propuesta entregada en este trabajo es validada a través de la creación de una herramienta computacional de cálculo y de su prueba detallada. 3

14 1.2. Objetivos Objetivo General En el contexto introducido anteriormente se desprende en forma explícita el objetivo principal de este trabajo de título, consistente en contribuir al desarrollo de una estructura de Mercado para el SIC que incluya una BE, a través de la formulación y análisis del problema de flujo óptimo de potencia (OPF) a una estructura de mercado competitiva dada por una Bolsa de Energía Multinodal considerando un horizonte de corto plazo para los acuerdos comerciales alcanzados en esta Bolsa. Dada la amplitud del problema formulado, el trabajo y metodología propuesta se limita al análisis temporal estático, es decir, los distintos problemas de optimización en el tiempo son considerados en forma independiente. No forma parte de este estudio plantear y evaluar variantes de BE Multinodal Objetivos Específicos 1. Obtener una visión general del estado del arte en el desarrollo de modelos de Bolsa de Energía. 2. Adquirir conocimiento detallado de la herramienta de análisis OPF, de manera de proponer un esquema de BE basado en la operación de él. 3. Propuesta de diseño de una BE a través de un modelo OPF. 4. Disponer de una aplicación computacional, con el objetivo de proveer de una herramienta que pueda ser utilizada con fines docentes en un sistema de apoyo a la toma de decisiones (DSS). 5. Proponer un conjunto de recomendaciones para la implementación de una BE en el Sistema Interconectado Chileno. 6. Validación y análisis de modelo de BE propuesto, bajo condiciones de limitación sobre los flujo a través de las líneas de transmisión. 4

15 1.3. Metodología Con el fin de llevar a cabo los objetivos planteados para este trabajo se aplicará la siguiente metodología de trabajo, la cual se resume en la siguiente figura: Figura 1: Metodología utilizada para el desarrollo del estudio Dados los antecedentes recopilados en la etapa de Estudio del arte, se dispone de una base teórica que permite proponer una estructura de mercado particular dada por una BE. Además, basando la operación de la BE en un flujo óptimo de potencia permite proponer un modelo de operación consistente para el caso Chileno. Este modelo es validado y permite el desarrollo de análisis detallados sobre una representación general del Sistema Interconectado Chileno Estructura del Trabajo El presente trabajo se estructura en siete capítulos comenzando por la introducción y motivaciones del tema investigado, especificación de los objetivos buscados por este trabajo y de la metodología general utilizada. A lo largo del segundo capítulo se entrega una visión general de la estructura de mercado denominada BE, describiendo las principales características que posee este tipo de estructuras. Además se describe el Mercado eléctrico de tres países en particular, en los cuales actualmente opera una BE. 5

16 El tercer capítulo entrega una visión general del Flujo Óptimo de Potencia describiendo los antecedentes generales del problema y una breve reseña histórica. De esta forma se llega al cuarto capítulo, donde se plantea el Modelo de BE a utilizar y sus fundamentos. Se acompaña este capítulo de todas las ecuaciones necesarias para la formulación matemática de la propuesta. En el quinto capítulo se describe el Sistema de apoyo a la toma de decisiones DeepEdit y la incorporación del modelo como rutina de análisis. Se describe también, la interfaz utilizada y sus propiedades. El capítulo sexto se dedica a la validación del modelo planteado con respecto a dos métodos, descritos en el mismo capítulo, y al análisis de los casos propuestos. Se finaliza este capítulo realizando el análisis respectivo al SIC. El capítulo séptimo y último, analiza los resultados obtenidos con la operación de este Modelo de BE. Se presentan apreciaciones sobre el modelo que debería utilizarse en el SIC y se resumen las conclusiones y recomendaciones. 6

17 2. Bolsa de Energía 2.1. Resumen En este capítulo se expone como antecedentes, una visión general del mercado eléctrico y de los tipos de estructuras en las cuales se organiza actualmente. Dentro de estas formas de organización se puede distinguir la BE, sobre la cual la descripción se realizará en forma extensiva. [3,7] Con el objetivo de mostrar en forma paralela la realidad actual se revisarán las características de algunas bolsas de energía en operación a nivel mundial, de modo de identificar los modos de operación existentes y las características importantes y rescatables para formular el modelo de bolsa apropiado para la realidad nacional. Es importante señalar que la información que en esta sección se entregará es sólo para introducir al modelo que se adoptará y se discutirá en los siguientes capítulos, por ende, el objetivo de esta sección es lograr un mejor entendimiento entregando la base sobre la cual se realizarán las discusiones finales de este trabajo Introducción a los Mercados Eléctricos Competitivos A nivel mundial se observa un creciente cambio en la estructura del mercado eléctrico con el objetivo de incorporar mayores condiciones de competencia entre los agentes participantes. A continuación, se describen la diversas estructuras encontradas a nivel mundial, donde la combinación de una o más de estas, modelan las estructuras de organización encontradas en los mercados eléctricos actuales. Dentro de este tipo de estructuras se encuentra la BE y las diversas formas de operación que pueden tener, lo que conforma el objetivo principal de estudio en este trabajo. Antes de iniciar la descripción de las estructuras básicas de organización de este mercado, se revisan algunas definiciones importantes de considerar para el desarrollo de este capítulo. 7

18 Agentes de Mercado Al interior de todas las estructuras de mercado eléctricos actuales se pueden distinguir los siguientes agentes que dadas sus características cumplen funciones específicas dentro de estas formas de organización. Estos agentes específicos se describen a continuación [3]: 1. Generador, representa a los generadores participantes en la red eléctrica y que pueden corresponder a una central o unidad particular de generación perteneciente a una empresa determinada. 2. Productor Especial, dentro de esta categoría están inmersos productores no convencionales de energía eléctrica, tales como, generación eólica, cogeneración, solar, etc. 3. Transportista, representa a las empresas de transmisión que operan dentro del sistema en particular y que tienen como función el transporte de energía eléctrica desde los puntos de generación a los de consumo, sujetos a niveles específicos de tensión. 4. Distribuidor, representa las empresas distribuidoras con concesión en una zona geográfica específica. 5. Consumidor Regulado, representa a consumidores finales con tarifas fijas. 6. Consumidor Libre, representa a consumidores cuyo consumo excede a un valor determinado, lo que les permite participar en forma directa en el mercado mayorista o a través de una empresa comercializadora. 7. Comercializador, representa a determinados agentes económicos que poseen capacidad de compra y venta de energía, no necesariamente teniendo capacidad de generación propia. 8. Agente Externo, representa a agentes externos al país, que participan en el mercado interno, ya sea comprando o vendiendo energía. Para efectos de coordinación del mercado y del sistema, existen dos entidades que velan por el funcionamiento y operación de éstos, los cuales se muestran a continuación: Operador de Red o Sistema (OS): Esta entidad es responsable de la operación técnica del sistema, desde el punto de vista de seguridad y operación de este. 8

19 Operador de Mercado (OM): Esta entidad es responsable de administrar el mercado financiero de compra y venta de energía. Importante es mencionar que todos estos agentes operan dentro de un marco regulatorio que fija reglas, normas y resuelve diferencias al interior de este y que está representado en general por algunas instituciones del estado en el ámbito de fiscalización y creación de políticas Segmentación Tradicional del sector Eléctrico A continuación se describirá la segmentación clásica del mercado eléctrico, la cual es conformada por la generación, transmisión y distribución. Sector Generación, este sector se caracteriza por tener gran variedad de tecnologías utilizadas para cumplir su propósito, en algunos casos fuertemente influenciados por las variaciones climáticas y geográficas que condiciona la disponibilidad de recursos naturales. Además, se puede señalar que este sector no posee economías de escala considerables, y aunque las inversiones son habitualmente de gran envergadura, éstas pueden ser llevadas a cabo por privados, lo que intrínsicamente introduce fuertes condiciones de competitividad. Sector transmisión, este sector se caracteriza por tener fuertes economías de escala, constituyéndose en monopolios naturales. Este hecho obliga al agente regulador fijar reglas y tarifas de modo de permitir acceso abierto a las redes de transmisión, ya que en realidad el acceso a éstas no es ilimitado, y resulta ser un factor importante en la competencia del sector generación. Además, es importante que el crecimiento en longitud y en capacidad sea acorde al crecimiento de la demanda. Sector distribución, este sector se caracteriza por la existencia de áreas exclusivas en el desarrollo de esta actividad, creándose necesariamente monopolios geográficos debido a los costos referentes al espacio físico que ocupan las redes dentro de ese territorio, que evidencian economías de ámbito en este sector. Al igual que en el caso anterior, debido a la existencia de monopolios es necesaria la regulación, por parte del ente encargado, de este sector con el objetivo de poder introducir competencia en éste. En lo referente a los precios de distribución, y por tratarse de un sector regulado deben permitir cubrir los costos de esta actividad, como lo son la operación, mantención e inversión. 9

20 2.3. Estructuras de Mercado Actualmente, desde el punto de vista teórico, se pueden distinguir variadas formas de organización dentro de un mercado eléctrico competitivo. Sin embargo, en términos generales sólo se han implementado los modelos de tipo Pool y sistemas basados en contratos bilaterales. Cabe mencionar, a modo de aclaración, que las bolsas de energía pueden ser catalogadas como un caso particular de los mercados de tipo Pool [6]. A continuación se describen las formas básicas de organización, las cuales al combinarse dan origen a los diversos tipos de mercados en operación existentes a nivel mundial Modelo de Tipo Pool En este tipo de estructura, suministradores y consumidores renuncian a establecen relaciones comerciales directas entre ellos. Por lo tanto la organización y operación del sistema se ve encomendado al operador de sistema y al operador de mercado. La siguiente figura muestra este tipo de organización con las interacciones que existen entre los distintos agentes participantes de este. Figura 2. Estructura de Mercado Tipo Pool Modo de Operación En este modelo, los actores han renunciado a establecer relaciones comerciales directas. El operador de mercado determina y valoriza la compra y venta de energía, ofertas o curvas de costo, en función a una minimización de los costos totales del sistema. El plan de operación concebido es transferido a él o a los operadores de sistema, los cuales verificaran la factibilidad técnica de este plan de operación. De este modo y tras haberse corregido los posibles problemas 10

21 de operación del sistema, el plan de operación resultante determina procedimientos necesarios de cumplir por parte de los agentes de mercado y además de los servicios complementarios requeridos para la operación confiable y segura del sistema. El estrecho vinculo formado por los operadores tanto de mercado como de sistema supone una mayor eficiencia productiva, aún cuando esto mismo se traduce en una posible desventaja para los agentes participantes del sistema como generadores y cargas, debido a su carácter obligatorio además de la centralización de su operación, lo que se traduce en el total acatamiento de los programas de operación Contratos Bilaterales Físicos En este tipo de modelo suministradores y consumidores establecen libremente relaciones comerciales, en forma directa o a través de un comercializador. Las relaciones establecidas están caracterizadas por un intercambio directo de ofertas entre los participantes de mercado, y posee una influencia directa en el despacho final de la operación resultante. Figura 3. Estructura Mercado con Contratos Bilaterales Físicos Modo de Operación El suministrador, mediante los contratos de abastecimiento de energía, asegura la inyección en el sistema de la potencia especificada en el plan de operación acordado. Del mismo modo, las cargas administradas por el consumidor deberá ajustar sus consumos de manera de cumplir el plan de operación antes contratado. Paralelamente, el operador de sistema ó mercado, en este caso integrados, determinará la factibilidad y los servicios de red requeridos para la realización técnica del contrato bilateral físico. Los criterios con los cuales el operador de sistema evalúa la factibilidad de esta está subordinados a la operación segura y confiable del sistema. 11

22 Contratos Bilaterales Financieros Los contratos bilaterales financieros son en realidad un complemento a las estructuras antes mencionadas y no un modelo de operación de mercado por sí sólo, ya que éstos no afectan el despacho final. Estos contratos son acordados de acuerdo a una estrategia de mercado con el fin de manejar futuras variaciones del precio de la energía eléctrica. Son similares a los contratos bilaterales físicos ya que promueven un libre intercambio entre consumidores y suministradores, ya sea directamente o a través de un comercializador. Sin embargo, la diferencia radica en la no incidencia sobre el despacho final, como su contraparte física. Figura 4. Estructura de Mercado con Contratos Bilaterales Financieros Es importante aclarar, que en este tipo de contratos además de poder manejar precios futuros de modo de proveer cierta estabilidad en el mercado, estos son acuerdos entre agentes en los cuales se promete una cierta energía la cual no necesariamente debe ser despachada por el agente en cuestión, a diferencia del tipo de contrato anterior, y sólo se debe asegurar su retiro en el punto acordado en el contrato Bolsa de Energía La creación a nivel mundial de mercados competitivos de energía eléctrica ha desarrollado las bolsas de energía en respuesta a liberalizar y flexibilizar las transacciones de energía, permitiendo ajustes y decisiones de compra y venta de corto plazo. El modelo de operación de este mercado eléctrico puede adquirir variadas formas, de acuerdo a la experiencia internacional disponible [3,7], dependiendo básicamente de las características particulares de cada sistema. Sin embargo, una BE posee una estructura que se puede definir como parte integrante de una estructura tipo Pool o como una modificación particular de este, con las siguientes características. 12

23 1. Los productos transados en la bolsa son estandarizados, con el objetivo de facilitar tanto los procedimientos de entrega de ofertas de compra y venta de éstos. 2. Generalmente una BE no decide el despacho final de las unidades de generación. Sus planes de operación sólo poseen un carácter preliminar sobre la producción de energía, en el caso de un modelo Multinodal el plan de operación obtenido sería el definitivo. 3. Una BE no considera en forma detallada aspectos técnicos para la operación segura y confiable del sistema, tales como: congestiones, servicios complementarios, etc., labores que quedan supeditadas al operador de sistema. 4. Una BE no posee un participación obligatoria del agente en el mercado, es decir, la asistencia del agente a la bolsa resulta no ser obligatorio. 5. Generalmente, el traspaso de información entre agentes es muy reservado, dado que representa información fundamental en su estrategia comercial. El estudio de las bolsas de energía, como estructuras de mercado, a nivel mundial permite realizar una descripción de las características más importantes de estas. Entendiéndose, sin embargo, que estas estructuras se encuentran en una etapa de desarrollo y continua revisión y modificación. A continuación se realizará una revisión de estas características Características de la Bolsa de Energía La BE posee estructuras internas que varían entre los diversos mercados existentes en la actualidad, lo que se pretende en esta sección es realizar una revisión de las características que estas poseen de modo dejar en forma explícita las estructuras que se pueden adoptar Tipos de Ofertas Los distintos tipos de ofertas existente dentro de este esquema de mercado se pueden clasificar de acuerdo a la siguiente descripción: Ofertas horarias: Esta situación corresponde a la división del día en etapas similares de tiempo, como por ejemplo 30 o 15 minutos, entregándose para cada una de estas etapas la curva de oferta de cada agente participante, representada por pares de datos energía-precio. Ofertas por bloques: En este caso la curva entregada (energía-precio) puede abarcar una o más horas durante el día, por lo que no se requiere subdividir el día en etapas horarias. 13

24 Ofertas simples: En este tipo, las ofertas no incluyen especificaciones técnicoeconómicas de las unidades oferentes. Ofertas complejas: En este caso las ofertas incluyen esta información técnicoeconómica, como por ejemplo, límites técnicos, gradientes de generación, tiempos de parada, etc. Información que será analizada por el operador de sistema al realizar las modificaciones necesarias al plan de operación propuesto Agentes Oferentes: La forma en la cual se pueden agrupar y realizar estas ofertas puede ser clasificada dentro de las siguientes opciones. Ofertas por unidad: En esta situación las ofertas se realizan en forma independiente para cada unidad partícipe en la bolsa. Estas ofertas pueden contener las especificaciones técnicoeconómicas correspondientes. En cuyo caso el algoritmo de casación debe considerarlas para realizar el despacho final. Ofertas por empresa: En este caso cada empresa entrega una oferta agregada para el sistema, con el cual, el algoritmo de casación entregará un despacho global sin considerar las restricciones técnicas de las unidades en operación. Sin embargo, es el operador de mercado el que debe realizar las modificaciones necesarias para cumplir con las obligaciones adquiridas en la bolsa. Ofertas por nodo: En este caso, las ofertas se realizan de acuerdo a los nodos que son definidos en la BE. Por ende, las empresas pueden entregar una oferta agregada para ese nodo considerando la operación de las unidades propias que inyectan en el nodo en cuestión Número de Rondas La forma en la cual se reciben las ofertas de los agentes puede ser representada por las siguientes opciones. Una Ronda: En este caso, el método de casación acepta sólo una sesión de ofertas de compra y venta de energía para el período definido. Este método, por lo tanto, no acepta correcciones en las ofertas emitidas por los agentes tomando en cuenta un primer proceso de casación. Multironda: En este caso, la BE realiza varias sesiones de casación con los participantes del mercado. Sin embargo, estas casaciones tienen sólo un carácter preliminar y no es, sino hasta 14

25 la última casación en la cual se deciden definitivamente los compromisos de cada uno de los participantes Restricción de Transmisión Esta es una de las características más importante en el ámbito de operación de sistema de una Bolsas de Energía, ya que ésta incorporará o no, las restricciones de transmisión al proceso de casación, con el consiguiente aumento en la dificultad del modelo. Cabe mencionar en este punto, que el modelo de operación escogido para analizar el comportamiento económico y técnico del sistema, se verá fuertemente influenciado por las restricciones que posean sus líneas de transmisión, sobretodo en un sistema longitudinal como es el caso chileno. Se describe a continuación las distintas metodologías para incorporar los limites de transmisión en los modelos de operación. Método Uninodal: En este caso el algoritmo de casación no tomará en cuenta las restricciones de transmisión, por lo tanto, el resultado que arroje el proceso de casación será verificado y corregido con posterioridad. Se debe dejar claro que en este caso el sistema de transmisión no debe afectar el resultado del mercado, por lo tanto, se penalizaría a las empresas de transmisión si ello ocurriese. Este tipo de modelo puede ser aplicado en sistemas con un nivel bajo de congestión. Método Multinodal: En este caso el algoritmo de casación debe considerar las restricciones de transmisión existentes en el sistema. Por lo tanto, este método debe determinar el despacho y el precio marginal considerando un flujo óptimo de potencia. Es muy importante advertir que en este caso el sistema de transmisión modifica el resultado de la bolsa, pero a la vez, este despacho es factible de ser llevado a cabo. Este método es aplicable a sistemas con un nivel alto de congestión, típicamente el caso chileno. Método por áreas: Este caso corresponde a una combinación de los dos método anteriormente nombrados. En esta situación el mercado queda dividido en áreas dentro de las cuales se asume la no existencia de congestiones, por lo que, en cada una de estas áreas podría ser utilizado un método uninodal. 15

26 Hasta este momento se ha explicado las distintas estructuras que se pueden encontrar en la literatura y experiencia internacional respecto a los mercados competitivos, explicando en forma más detallada el caso de una BE. Sin embargo, es importante conocer a manera de antecedentes, como operan estas estructuras técnico-económicas en algunos países que poseen ya alguna experiencia en el tema. En el siguiente punto se describen en forma general, mercado de la energía que han adoptado este tipo de estructura Situación Internacional Mercado de Energía Español El Mercado de producción de energía español inicia sus operaciones el 1º de Enero de Su operación es coordinada por dos organismos, un Operador de Mercado (OM), el cual posee ingerencias en la parte comercial del mercado, y un Operador de Sistema (OS), que verifica la factibilidad técnica de la operación de éste. Los agentes participes de este mercado se definen de la siguiente manera en la legislación Eléctrica Española: 1. Productores, agente físico o jurídico que posee como función la de producir energía. 2. Autoproductores y Productores en régimen especial, agente que fundamentalmente produzca para su propio consumo, además de situaciones especiales. 3. Comercializadores, agente con acceso a las redes de trasporte que posee como función la venta de energía a los consumidores que tengan la condición de calificados. 4. Distribuidores, sociedad comercial europea con residencia en España, que posee la función de distribuir la energía eléctrica, además de operar, construir y mantener las instalaciones de distribución capaces de entregar la energía en los puntos de consumo. 16

27 5. Consumidores Calificados, poseen esta condición agentes con un consumo anual mayor a 1 [GWh], los cuales pueden acceder a contratar su consumo con precios no regulados. 6. Agentes Externos, agente que toma o entrega energía de otros sistemas exteriores Estructura del Mercado de Energía Español Este mercado es constituido por las siguientes estructuras: Contratos Bilaterales Físicos de mediano y largo plazo. Estos son realizados entre los agentes del mercado, tanto productores, como consumidores. Mercado Diario, este es el mercado donde se realiza la mayor parte de las transacciones, en este participan todas las unidades productoras de energía disponibles, que no estén vinculadas a un contrato bilateral físico, además de los agentes registrados como vendedores y los agentes demandantes del sistema. Estas transacciones son realizadas el día anterior y son analizadas por un sistema de casación global que entrega como resultado el precio de venta de la energía para cada bloque horario. Mercado Intradiario, es un mercado de ajuste con pocas horas de adelanto. Actualmente se realizan sólo 6 sesiones durante el día y participan todos los agentes que posean participación en contratos bilaterales físicos y o en el mercado diario. Mercado de Servicios Auxiliares, posee como objetivo el que la energía eléctrica se produzca en las condiciones de calidad y seguridad establecidas por la ley, de modo estos servicios complementarios de regulación son incorporados al programa diario emitido por el operador del sistema después del mercado diario. Para los mercados diario, intradiario y de servicios auxiliares se posee un sistema de ofertas entregadas al operador de mercado (OM) dentro de un plazo definido el cual después de realizar una casación entrega un precio de venta de las transacciones. Los contratos celebrados entre los diversos agentes son agregados a este plan preliminar después de finalizado el mercado diario por el operador de mercado. 17

28 Información general de funcionamiento del mercado Español. El mercado diario comienza a las 7:00 y se cierra a las 12:00, después del cual el operador de sistema realiza los ajustes necesarios de acuerdo a las restricciones del sistema. Después del cierre de este ajuste comienza el mercado de servicios auxiliares, reserva secundaria y terciaria que se termina a las 17:00. elaborándose finalmente el programa de operación horario del día siguiente Ofertas Económicas en la BE Las ofertas de venta y adquisición de energía eléctrica emitidas por los agentes participantes en la BE, son incluidas en el proceso de casación de la bolsa considerando un horizonte diario de programación de 24 períodos horarios. Cada uno de los agentes vendedores presenta ofertas de venta de energía eléctrica por cada unidad de producción que les pertenece y para cada uno de los períodos establecidos en el horizonte de programación. Las ofertas emitidas a la bolsa se distinguen en dos tipos: 1. Ofertas Simples, sólo se estipula el precio y cantidad de energía emitida en la oferta, permitiéndose hasta un máximo de 25 tramos por cada período horario. 2. Ofertas Complejas, además de considerar la información descrita anteriormente se exige la entrega de condiciones comerciales y técnicas de las unidades de producción que soportan la oferta emitida, como por ejemplo: Condición de indivisibilidad del bloque de energía ofertado. Condición de ingresos mínimos. Paradas programadas. Gradiente de carga. El conjunto de características mencionadas determina el formato que debe poseer la oferta emitida por los agentes productores en la BE, además se que cada uno de estos agentes acepta las reglas acordadas en la legislación vigente así como también la casación obtenida. Los agentes demandantes de energía presentan ofertas por cada unidad de adquisición pertenecientes a éstos y considerando el mismo horizonte de programación indicado para los productores o vendedores de energía. Estas ofertas de adquisición consideran el precio y la 18

29 cantidad de energía solicitada en cada bloque de apuesta. Además, tal como en el caso de productores, cada unos de estos agentes demandantes de energía se apega a la legislación vigente así como también al resultado obtenido en el proceso de casación Proceso de casación El operador de mercado realiza la casación de la ofertas de compra y venta de energía mediante una casación simple, donde se obtiene en forma independiente el precio marginal y el volumen de energía eléctrica. El precio en cada período horario, dentro de la programación, será igual al último bloque de oferta de producción aceptada en la casación. Para este proceso de casación se reconocen diversas fases u operaciones a realizar: 1. Establecimiento de del orden de precedencia económica de las ofertas de venta y determinación de la curva de oferta. Las ofertas de venta se ordenan partiendo de las con menores precios y siguiendo en orden ascendente, estableciéndose normas para casos especiales en caso de que existan ofertas iguales. Las ofertas de compra se ordenan en forma inversa a las de venta. 2. Procedimiento de casación. Se determina el cruce de las curvas de oferta y demanda, determinándose de esta forma, el precio marginal y la energía transada. 3. Criterios de asignación de producción, demanda de energía eléctrica y precio marginal. Las ofertas casadas, es decir, que quedan por debajo del precio marginal determinado por el cruce y además presentan algún tipo de incertidumbre en cuanto al precio y cantidad transada son sometidas a diversas reglas para solucionar el problema. En caso de que existan ofertas simples y complejas para un mismo horario de planificación, se incorporan al proceso de casación las ofertas complejas de la siguiente forma: 1. Se realiza una búsqueda de la primera solución válida utilizando sólo el método de casación simple descrito anteriormente. A éste se le incorporan las condiciones impuestas por las ofertas complejas, sin incluir las restricciones de ingresos mínimos. A este método se le denomina casación simple condicionada. 2. Posteriormente, se utiliza un método iterativo a fin de cumplir las condiciones de ingresos mínimos, eliminando todas las ofertas que no cumplan con esta condición. 19

30 3. Mejora sucesiva de la primera solución válida. Después de encontrar la primera solución válida, comienza un proceso de búsqueda de carácter económico para las unidades incluidas en el proceso de casación correspondiente a cada período horario. Este proceso estará basado en la condición de que la suma de las diferencias entre los ingresos correspondientes al precio marginal y los ingresos mínimos solicitados para las unidades no aceptadas para las que esa diferencia sea positiva, sea mínima o nula de acuerdo con la formulación declarada en forma explícita en la legislación Española Mercado de Energía Neozelandés El proceso de liberalización del mercado Neocelandés comienza en 1986 tras una propuesta de reestructuración de la industria eléctrica, con el objetivo de establecer una estructura más eficiente y competitiva. Se creó un mercado competitivo de energía eléctrica denominado el New Zealand Electricity Market (NZEM). Debido a esto, la industria eléctrica cambió radicalmente desde una situación en donde el precio era definido por un suministrador monopólico a una donde los precios están basados en la oferta y la demanda de los participantes del mercado (precios spot y contratos financieros). El NZEM se caracteriza por ser un mercado voluntario, el cual es operado en base a un código de reglas y desarrollado a través de un proceso de consulta y votación por los participantes del mercado (generadores, compradores y comercializadores). Estas reglas, abarcan todos los aspectos de la comercialización de la energía eléctrica, desde criterios de entrada hasta despacho físico de electricidad, e incluyen también los procedimientos formales para la recepción de ofertas y demandas, y resoluciones financieras. La electricidad es valorada directamente por el mercado y no existe límite alguno a su valor. Diez años después entra en operación el mercado mayorista de electricidad basado en la operación a precio Spot. Es importante mencionar que las autoridades promueven un esquema de autorregulación muy dinámico, el cual ha resultado ser muy efectivo Agentes de Mercado Dentro de los agentes se pueden encontrar varias empresas participes del mercado, dentro del cual se puede clasificar en tres tipos de agentes: 20