Análisis de mercados con restricciones de red: aplicación al caso colombiano

Introducción Los mercados y sus reglas están relacionados con el desarrollo económico, los acuerdos internacionales, los tratados de libre comercio y la existencia de barreras comerciales. Para su desarrollo y para la confianza de los agentes que intervienen en ellos, los mercados deben ser transparentes. El final del siglo XX trajo consigo el inicio de una nueva era para el sector eléctrico. Un sector considerado muchos años como monopolio controlado por el estado empezaba a liberalizarse, a permitir la participación en generación y comercialización de nuevos participantes y a establecer modelos económicos que maximizaran el beneficio de la sociedad. Desde sus inicios, un reto de este nuevo mercado es combinar las herramientas de la ingeniería con modelos económicos transparentes, de tal forma que ha ido evolucionando sin dejar de lado su objetivo principal: maximizar el beneficio social neto. Según el horizonte temporal hay diferentes tipos de mercado. El mercado spot, o mercado de contado, es un mercado a corto plazo (generalmente un día), mientras que el mercado forward (mercado de contratos a plazo) y el de futuro son mercados a más largo plazo. El mercado spot está basado en técnicas de subasta, de tal forma que muchas de sus características se derivan de ellas. Esta tesis se enmarca en el horizonte del mercado spot. Las técnicas de despacho son diferentes según los mercados y son numerosos los modelos de nudo único, de los que se parte en este trabajo. Existen diferentes modelos de fijación de precios. Los más sencillos se basan en lista de prioridades con casación simple o con condiciones. Los más complicados utilizan técnicas de flujo de cargas óptimo. En cualquier caso, siempre se deben cumplir las restricciones de red. El tratamiento de las restricciones se puede abordar en diferentes etapas: en la casación o después de la casación, como ocurre en la mayoría de los mercados. Este caso a su vez se puede resolver de varias maneras, generalmente por los precios ofertados para la casación o por subasta independiente. El mercado debe garantizar el suministro, tanto en condiciones normales de operación como en el caso de fallo accidental de algunos de sus elementos (generadores, líneas, transformadores). Por ello es necesario realizar un análisis de contingencias y considerarlas en el resultado final de la casación. Este problema depende fundamentalmente de la robustez del sistema eléctrico sobre el que funciona el mercado y se han publicado y aplicado numerosas formas de abordarlo. Objetivo El objetivo general de esta tesis doctoral es desarrollar modelos para análisis de mercados eléctricos que permitan resolver las restricciones técnicas de los sistemas eléctricos a los que se aplican (tanto en estado normal de operación como ante posibles contingencias). Para demostrar su utilidad, los modelos se aplican a un caso real como el mercado colombiano. Metodología La metodología aplicada en el desarrollo de esta tesis ha consistido en la aproximación al objetivo general a través de la realización de una serie de actividades de complejidad creciente, para finalmente diseñar la formulación matemática definitiva y elaborar los algoritmos y programas para aplicar a los casos de estudio. Estas actividades han sido: - Análisis de la situación del mercado eléctrico en España en el periodo 1996-2010. El objeto del mismo es conocer en más detalle la influencia de los factores más importantes que condicionan su funcionamiento y, en particular, la restricción que supone incorporar a precio cero la energía renovable. - Realización de un modelo de análisis de un mercado eléctrico competitivo con restricciones, de dimensión reducida. Con ello se ensayaron técnicas de solución de restricciones. - Realización de un modelo de análisis para aplicación a un mercado eléctrico real competitivo con restricciones. En esta fase se han desarrollado las herramientas necesarias para lograr el objetivo general de la tesis. Para ello, se diseñaron algoritmos para la clasificación y selección de contingencias y para el tratamiento de las mismas de una forma adecuada. Se han aplicado a un sistema real de dimensión más amplia, aunque aún reducida, el de República Dominicana. - Extensión del modelo a un sistema eléctrico complejo. En esta etapa, se han ampliado los algoritmos desarrollados en el punto anterior para su aplicación a sistemas más complejos y de mayor dimensión, incorporando un modelo de casación con costes de arranque y restricciones entre horas. El modelo se ha aplicado al análisis del sistema eléctrico de Colombia. - Aplicación de los modelos desarrollados al análisis de la influencia de la entrada de la generación eléctrica con energía eólica en el mercado colombiano. Tiene por objeto analizar la influencia en el precio de la incorporación de la energía eólica prevista a corto plazo en Colombia. Como resultado final de la tesis, se ha obtenido un modelo de análisis de aplicación a mercados reales de características diferentes, como son el de República Dominicana y el de Colombia, que incluye diferentes sistemas de casación para su adaptación a los mercados estudiados. Adicionalmente, dicho modelo incorpora un algoritmo para la clasificación de las líneas eléctricas del sistema que permite detectar las debilidades del mismo, así como la selección de las contingencias posiblemente gestionables. El modelo contiene una formulación integrada de mercado con restricciones de red, implementada en un programa en GAMS, que proporciona la solución óptima, considerando las restricciones de red, sin necesidad de re-despacho en caso de fallo de líneas gestionables. Por último, la aplicación del modelo ha permitido analizar la entrada de la generación eólica prevista en el mercado colombiano, y determinar la influencia de esta entrada en el precio de mercado, de una manera más cercana a la realidad que un mero estudio energético