Simposio LAS/ANS 2007 / 2007 LAS/ANS Symposium XVIII Congreso Anual de la SNM / XVIII SNM Annual Meeting XXV Reunión Anual de la SMSR / XXV SMSR Annual Meeting Copatrocinado por la AMEE / Co-sponsored by AMEE Cancún, Quintana Roo, MÉXICO, del 1 al 5 de Julio 2007 / Cancun, Quintana Roo, MEXICO, July 1-5, 2007 Internalización de Externalidades en los Costos de Generación de Centrales Eléctricas de Carbón, Ciclo Combinado y Nucleares. María del Carmen Gómez R 1., Javier Palacios H 2., Ramón Ramírez S 2, Gustavo Alonso V 2. 1 Universidad Anáhuac del Norte 2 Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares Carretera México-Toluca Km. 36.5 Ocoyoacac 52750 Edo. deméxico fgrivera@avantel.net ; palacios@nuclear.inin.mx; jrrs@nuclear.inin.mx; gav@nuclear.inin.mx Resumen Las tecnologías de generación de energía eléctrica que utilizan combustibles fósiles, incorporan en el Costo Total Nivelado de Generación (CTNG) únicamente los costos directos de generación (inversión, costos del combustible, costos de operación y mantenimiento). No obstante, la energía nuclear incorpora además de los costos directos, las externalidades que ocasiona a la salud humana y al medioambiente. En este trabajo se calcula el CTNG, que incorpora las externalidades, de una central termoeléctrica de carbón, una planta de ciclo combinado y de cuatro reactores de Generación III (ABWR, ACR, AP1000 y EPR). Los resultados obtenidos muestran que la central nuclear tiene menores CTNG que las tecnologías que utilizan combustibles fósiles. Es importante resaltar que únicamente se están considerando las externalidades de la etapa de generación de electricidad, por lo que la fase de minería y transporte del combustible hacia la central no se consideran en el presente documento. 1. INTRODUCCIÓN Desde los 70, ha habido un interés creciente a nivel internacional, en los impactos medioambientales causados por el sector energético, ya que la mayor parte de los proyectos que realiza este sector, solo se toman en cuenta los costos directos, olvidándose de los daños que se ocasionan al bienestar social y al medioambiente. Lo que ha llevado a organismos internacionales a valuar los costos externos o externalidades de cada una de las tecnologías de generación de electricidad (como son el lignito, carbón, petróleo, gas natural, celdas solares, hidroeléctricas, biomasa, viento y nuclear) con el fin de realizar una comparación correcta. Es importante mencionar, que los costos externos o externalidades, surgen cuando las actividades económicas y sociales de un grupo de personas tienen un impacto negativo en otro grupo, y este último, solo recibe una compensación parcial por el impacto recibido (daño) o bien, no recibe compensación alguna del primer grupo por el daño causado. [1]. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 682 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM
Autor A et al, Título del Trabajo a Presentar El presente trabajo incorpora en los CTNG de las centrales de carbón, gas natural, y nucleares; dos tipos de externalidades en el proceso de generación de electricidad que son: las emisiones de CO 2 y los costos del desmantelamiento de la central. Las centrales nucleares que generan energía nuclear han incorporado, desde sus inicios, las externalidades que ocasiona a la salud humana y al medioambiente en los costos totales de generación (CTNG). No siendo el caso de las tecnologías que utilizan combustibles fósiles para generar energía eléctrica. De las tres tecnologías a se analizadas, las centrales de carbón son las que mayores emisiones de CO 2 producen, en la generación de electricidad, seguida de las plantas de ciclo combinado. Mientras que una central nuclear no emite CO 2 al ambiente en su proceso de generación. Respecto a los costos del desmantelamiento de las centrales, la nuclear tiene mayores costos, debido al monto de la inversión. Incluir las externalidades en el CTNG de las centrales permitirá evaluar correctamente nuevos proyectos de inversión. De no hacerlo, la comparación entre los CTNG de diferentes tecnologías dificultaría la toma de decisiones, ya que en algunas de ellas no se estarían considerando todos los costos (externalidades) que tendría la central en su proceso de generación de energía eléctrica. 2. METODOLOGÍA DE CÁLCULO La metodología que se utilizará es la de costos nivelados, cuyo objetivo es determinar el costo que tendría la central por cada MWh generado. [2] [3]. En el caso que no se incorporan externalidades, el CTNG se obtiene al sumar los costos nivelados de inversión (CNI), los costos nivelados del combustible (CNC) y los costos nivelados de operación y mantenimiento (CNO&M). Más adelante se describe como se incorporan las externalidades en los CTNG. El CNI se obtiene al dividir el valor presente de la inversión con intereses entre el valor presente de la generación neta de la central, e indica los dólares que deben invertirse para generar un MW. El CNC se calcula al dividir el valor presente de los gastos del combustible entre el valor presente de la generación neta de la central. El resultado indica los dólares que deben destinarse a la central, para cubrir los gastos del combustible por cada MWh generado. El CNO&M se determina al dividir el valor presente de los gastos operativos y de mantenimiento de la central entre el valor presente de la generación neta. Lo que indica el CNO&M es la cantidad que tiene que destinarse para cubrir los gastos de O&M por cada MWh generado en la central. En el momento que se incorporan las externalidades, el CTNG se incrementa. La primera de las externalidades a considerar, que son las emisiones CO 2, se contabilizan en el CNC. De ahí que el Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 683 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM
Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun 2007 CNC tendrá dos componentes, el primero de ellos, serían los gastos del combustible y el segundo el costo de las externalidades proveniente de las emisiones de CO 2. El cálculo del costo de las emisiones, se obtiene al multiplicar la cantidad de emisiones generadas en la central por el valor de los bonos carbón. El CNC con externalidades se obtiene al sumar el valor presente de los gastos del combustible y de los costos de las emisiones de CO 2 y dividir dicha suma, entre el valor presente de la generación neta de la central. La segunda externalidad a ser considerada, desmantelamiento de la central, se incluye en el CNO&M, por lo que también tendrá dos componentes. El primero, serían los gastos de operación y mantenimiento de la central y el segundo los costos del desmantelamiento. El CNO&M que incorpora externalidades, se calcula al sumar los valores presente de los gastos de operación y mantenimiento y costos del desmantelamiento, y posteriormente dividirlos entre el valor presente de la generación neta de la central El CTNG con externalidades sería la suma del CNI, el CNC con externalidades y el CNO&M con externalidades. 3. COSTO TOTAL NIVELADO DE GENERACIÓN (CTNG) El Costo Total Nivelado de Generación (CTNG) es un indicador que se utiliza para determinar la competitividad de las diferentes tecnologías generadoras de energía eléctrica. Sin embargo, algunas tecnologías solo incorporan los costos directos de generación, dejando fuera los daños que pudieran ocasionar a la salud humana y al medioambiente (externalidades) en su proceso de generación de energía eléctrica. Cuantificar los daños que pudieran ocasionarse a la salud y medioambiente, e incorporarlos al CTNG de las centrales, es importante para la toma de decisiones respecto a la tecnología a ser incorporada para la generación de electricidad. En el presente documento se calcula el CTNG sin y con externalidades para tres tipos de tecnologías: central termoeléctrica de carbón, ciclo combinado y nuclear. El CTNG sin externalidades es la suma de los costos nivelados de inversión (CNI), de los costos nivelados del combustible (CNC) y de los costos nivelados de operación y mantenimiento (CNO&M). En la Tabla 1 se muestran los datos técnicos y económicos que se utilizaron para estimar el CTNG de una central de carbón, gas natural y 4 reactores de Generación III (ABWR, ACR, AP1000 y EPR). Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 684 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM
Autor A et al, Título del Trabajo a Presentar Tabla 1. Datos Relevantes de las Centrales Generadoras de Electricidad CONCEPTOS CARBÓN GAS ABWR ACR 1 AP1000 EPR Capacidad (MW) 700 560 1,356 1,506 1,117 1,600 Factor de planta (%) 75% 80% 90% 95% 90% 91% Usos propios (%) 7.3% 2.8% 3.1% 6.64% 3.1% 3.1% Costo unitario de inversión (usd/kw) 2 1,419 432 1,501 1,150 1,266 1,477 Costos indirectos (%) 12.5% 5.3% 5.3% 5.3% 5.3% 5.3% Construcción (años) 4 2 4 5 5 5 Vida económica (años) 30 30 40 40 40 40 1 Se tomo basado en 2 unidades gemelas de 753 MW, conforme a la información del fabricante. 2 Los costos unitarios de inversión de las centrales se actualizaron a junio de 2006. Los datos de las centrales de carbón y gas natural se obtuvieron de la publicación Costos y Parámetros de Referencia para la Formulación de Proyectos de Inversión en el Sector Eléctrico (COPAR) de CFE del 2005. Los datos de los reactores fueron proporcionados por los fabricantes. 3.1. CTNG sin externalidades El CTNG sin externalidades no incluye los costos de las emisiones de CO 2 que se emiten al medioambiente en el proceso de generación de electricidad ni los costos del desmantelamiento de las centrales. Los supuestos para las centrales de carbón y gas natural son: Carbón: Precio del carbón: 1.769 dólares/mmbtu Toneladas de CO 2 /MWh: 1.8486 Precio de los bonos carbón: 12.62 dólares/ton CO 2 Gas natural: Precio del gas natural: 5.95 dólares/mmbtu Toneladas de CO 2 /MWh: 0.3289 Precio de los bonos carbón: 12.62 dólares/ton CO 2 Cabe señalar, que para obtener las toneladas de CO 2 se consideró una combustión del 100% del carbón alimentado, tanto para el carbón como para el gas natural. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 685 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM
Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun 2007 En la Tabla 2 se muestran los costos nivelados de las centrales objeto de estudio, los cuales están expresados en dólares de junio del 2006. Tabla 2. Costo Total Nivelado de Generación sin Externalidades* Central CNI CNC CNO&M CTNG USD/MWh Carbón 25.81 17.94 5.94 49.69 Gas 6.23 41.25 3.29 50.77 ABWR 18.97 6.99 8.36 34.32 ACR 16.05 4.07 8.34 28.46 AP1000 17.19 7.69 8.36 33.24 EPR 19.05 9.87 8.29 37.22 * Se utilizó una tasa de descuento de 8% anual para descontar los flujos de las centrales analizadas Con base a la información anterior se puede concluir que las centrales nucleares que incorporen reactores de Generación III tienen menor CTNG que las alternativas de carbón y ciclo combinado. En la Figura 1 se observa que si bien la central de gas natural es la que tiene menor CNI, también es la que mayores CNC presenta, y dada la volatilidad de los precios del gas, el CTNG puede incrementarse de manera importante, afectando su viabilidad económica. Figura 1. Costos Totales Nivelados de Generación sin Externalidades CTNG Sin Externalidades (usd/mwh) 60 50 CNI CNC CNO&M 40 30 20 10 0 Carbón Gas ABWR ACR AP1000 EPR 3.2. CTNG con Externalidades Las externalidades que se incluyen para el cálculo del CTNG son: Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 686 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM
Autor A et al, Título del Trabajo a Presentar a) Emisiones de CO 2 al medioambiente b) Desmantelamiento de las centrales La primera de las externalidades se contabiliza en los costos nivelados del combustible y la segunda, en los costos nivelados de operación y mantenimiento de la central. Los supuestos que se utilizaron para calcular el CTNG con externalidades son: Costo de las emisiones de CO 2 ( Bonos Carbón ) = 12.62 usd/ton CO 2 Emisiones de CO 2 de la central de carbón = 1.8486 Ton CO 2 /MWh Emisiones de CO 2 de la central de gas = 0.3289 Ton CO 2 /MWh En la Figura 2 se muestra el impacto que tienen las emisiones de CO 2 en los CNC de la central de carbón y ciclo combinado. El CNC de la central de carbón se incrementa en 140% y la de ciclo combinado aumenta en 10%. Mientras que el CNC de las centrales nucleares no se modifica debido a que no emiten CO 2 en su proceso de generación de electricidad. Figura 2. Costo Nivelado del Combustible sin y con Externalidades 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 CNC (usd/mwh) Carbón Gas ABWR ACR AP1000 EPR S/E 17.94 41.25 6.99 4.07 7.69 9.87 C/E 43.11 45.51 6.99 4.07 7.69 9.87 En la Figura 3 se muestran los CNO&M sin incluir los gastos de desmantelamiento e incluyéndolos en cada una de las centrales. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 687 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM
Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun 2007 Figura 3. Costo Nivelado de O&M sin y con Externalidades 14 CNO&M (usd/mwh) 12 10 8 6 4 2 0 Carbón Gas ABWR ACR AP1000 EPR S/E 5.94 3.29 8.36 8.34 8.36 8.29 C/E 6.65 3.62 11.79 10 11.28 10.7 En el caso de las centrales de carbón, al incorporar los costos del desmantelamiento, el CNO&M aumenta cerca de 12%; la de gas natural 10%, y las centrales nucleares 30% en promedio. En el momento que se incorporan las externalidades al CTNG las centrales nucleares siguen siendo la mejor opción de inversión por tener el menor CTNG. En la Tabla 3 se presentan el CTNG con externalidades de cada una de las centrales analizadas. Tabla 3. Costo Total Nivelado de Generación con Externalidades Central CNI CNC CNO&M CTNG USD/MWh Carbón 25.81 43.11 6.65 75.57 Gas 6.23 45.51 3.62 55.35 ABWR 18.97 6.99 11.79 37.74 ACR 16.05 4.07 10.00 30.12 AP1000 17.19 7.69 11.28 36.16 EPR 19.05 9.87 10.70 39.63 En la tabla se observa que si bien las centrales nucleares tienen mayores CNO&M, éstos son significativamente menores a los CNC de las centrales de carbón y gas. En la Figura 4 se muestra el CTNG sin y con externalidades (emisiones de CO 2 y desmantelamiento) para las centrales objeto de estudio. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 688 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM
Autor A et al, Título del Trabajo a Presentar Figura 4. Costos Totales Nivelados de Generación sin y con Externalidades 80 CTNG (usd/mwh) 70 60 50 40 30 20 10 0 Carbón Gas ABWR ACR AP1000 EPR S/E 49.69 50.77 34.32 28.46 33.24 37.22 C/E 75.57 55.35 37.74 30.12 36.16 39.63 En el momento que se incorporan las externalidades el CTNG se incrementa en aproximadamente 50% en la central de carbón, 9% en una central de ciclo combinado y 8% en promedio en las centrales nucleares. 4. CONCLUSIONES El Costo Total Nivelado de Generación, sin considerar las externalidades durante la generación: eléctrica es menor para las centrales nucleares de generación III que el obtenido para centrales de carbón y ciclo combinado. Al incluir las externalidades de CO 2 y costos del desmantelamiento en los costos de generación, las centrales nucleares siguen siendo la opción más viable desde el punto de vista económico. El Costo Total Nivelado de Generación con externalidades incluidas, es variable en función del precio de los bonos carbón que se utilicen y del costo de los combustibles. El costo de la generación eléctrica utilizando combustibles fósiles resulta ser más cara que si se utiliza la energía nuclear. Incorporar centrales nucleares de Generación III en el parque eléctrico nacional, permitiría la diversificación de fuentes de energía orientadas a minimizar el impacto al medio ambiente y garantizar el abasto competitivo de energía eléctrica a largo plazo en México. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 689 Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM
Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun 2007 AGRADECIMIENTOS Se agradece a la Gerencia de Ciencias Aplicadas y al Departamento de Sistemas nucleares del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares las facilidades otorgadas para la realización de este trabajo, así como los apoyos necesarios para su presentación en el congreso Internacional Conjunto organizado por la Sociedad Nuclear Mexicana, CANCÚN-2007. [1]. Externalities of Energy. Methodology 2005 update. European Commission. [2]. Economic Evaluation of Bids for Nuclear Power Plants. 1999 Edition. IAEA, Vienna 2000. [3]. Costos y parámetros de referencia para la formulación de proyectos de inversión en el sector eléctrico. CFE 2005. Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM 690 Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM