predespacho sing vf

Proyecto Estrategia de Expansin de las Energas Renovables en los Sistemas Elctricos Interconectados (MINENERGIA / GIZ) PN: 2009.9061.4

Impacto de Niveles de Penetracin de Energas Renovables No Convencionales (ERNC) en la Operacin del Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) Informe Final

Preparado por:

CENTRO DE ENERGA - FCFM UNIVERSIDAD DE CHILE Santiago de Chile Marzo de 2013

Informe Final

Impacto de Niveles de Penetracin de Energas Renovables No Convencionales en la Operacin del SING

www.centroenergia.cl

Aclaracin Este estudio fue elaborado por encargo de Deutsche Gesellschaft fr Internationale

Zusammenarbeit (GIZ) GmbH como parte del proyecto Estrategia de Expansin de las Energas

Renovables en los Sistemas Elctricos Interconectados, implementado por el Ministerio de Energa

y GIZ en el marco de la cooperacin intergubernamental entre Chile y Alemania. El proyecto se

financia a travs de la Iniciativa Internacional para la Proteccin del Clima (IKI) del Ministerio Federal

de Medio Ambiente, Proteccin de la Naturaleza y Seguridad Nuclear (BMU) de Alemania. Sin

perjuicio de ello, las conclusiones, opiniones y recomendaciones de los autores no necesariamente

reflejan la posicin del Gobierno de Chile. De igual forma, cualquier referencia a una empresa,

producto, marca, fabricante u otro similar no constituye en ningn caso una recomendacin por

parte del Gobierno de Chile o de GIZ. Se autoriza la reproduccin parcial o total, siempre y cuando

se cite la fuente de referencia.

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Tabla de Contenidos

Resumen Ejecutivo ................................................................................................................................ ix

1. Introduccin ................................................................................................................................... 1

1.1 Antecedentes del Estudio ................................................................................................................. 1

1.2 Motivacin ........................................................................................................................................ 1

1.3 Objetivos y Alcances del Estudio ...................................................................................................... 2

1.3.1 Objetivos generales .................................................................................................................................. 2

1.3.2 Objetivos especficos ................................................................................................................................ 2

1.3.3 Alcances .................................................................................................................................................... 2

1.4 Marco Metodolgico y Contexto General ........................................................................................ 3

2. Planes de Expansin de Referencia ................................................................................................. 7

2.1 Parmetros en Planificacin de la Expansin ................................................................................... 7

2.2 Planes de mnimo Costo y Adecuaciones.......................................................................................... 9

2.3 Despacho Simplificado .................................................................................................................... 12

3. Caracterizacin de Generacin ERNC y Demanda .......................................................................... 15

3.1 Generacin Elica ........................................................................................................................... 15

3.2 Generacin Fotovoltaica ................................................................................................................. 21

3.3 Generacin CSP y Geotermia .......................................................................................................... 25

3.4 Demanda ......................................................................................................................................... 27

4. Metodologa Especfica y Supuestos .............................................................................................. 31

4.1 Planteamiento metodolgico General ............................................................................................ 31

4.2 Anlisis de la Operacin, Suficiencia y Seguridad ........................................................................... 33

4.2.1 Anlisis de la suficiencia .......................................................................................................................... 33

4.2.2 Viabilidad, seguridad y costos de operacin ........................................................................................... 34

4.3 Parmetros y Criterios sobre los mismos ....................................................................................... 35

4.3.1 Generalidades ......................................................................................................................................... 35

4.3.2 Tratamiento de los ciclos combinados ................................................................................................... 36

4.3.3 Disponibilidad de unidades y ajuste de costos ....................................................................................... 36

4.3.4 Aporte a reservas .................................................................................................................................... 37

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4.4 Reservas Operativas del Sistema .................................................................................................... 38

4.4.1 Criterio y supuestos generales ................................................................................................................ 38

4.4.2 Redimensionamiento de reservas .......................................................................................................... 38

4.4.3 Montos de participacin elica y fotovoltaica en reservas .................................................................... 39

4.4.4 Verificacin de gradientes y errores de pronstico a escala horaria ...................................................... 39

5. Resultados: Inversin, Operacin y Costos ..................................................................................... 41

5.1 Muestreo de Planes de Expansin .................................................................................................. 41

5.2 Suficiencia ....................................................................................................................................... 42

5.3 Simulacin de la Operacin con Restricciones .............................................................................. 44

5.3.1 Herramienta de predespacho y despacho anual .................................................................................... 44

5.3.2 Operacin sin restricciones tcnicas ....................................................................................................... 46

5.3.3 Operacin con restricciones tcnicas ..................................................................................................... 48

5.3.4 Efectos sobre el parque trmico ............................................................................................................. 51

5.4 Operacin Segura ............................................................................................................................ 53

5.4.1 Anlisis del desempeo de reservas ....................................................................................................... 53

5.4.2 Resultados de estudios de estabilidad dinmica .................................................................................... 56

5.5 Anlisis de Costos ............................................................................................................................ 59

5.5.1 Costos de operacin ............................................................................................................................... 59

5.5.2 Efecto de incorporacin de almacenamiento ......................................................................................... 60

5.5.3 Estadsticos complementarios ................................................................................................................ 61

5.5.4 Costos adicionales por estabilidad dinmica .......................................................................................... 61

6. Expansin Final, Discusin y Conclusiones ..................................................................................... 63

6.1 Correccin a la Expansin ............................................................................................................... 63

6.2 Sensibilidad de Resultados con el Costo de Inversin en ERNC ..................................................... 65

6.3 Costos y Criterios de Operacin ...................................................................................................... 68

6.4 Seguridad y Suficiencia ................................................................................................................... 69

6.5 Conclusiones Finales ....................................................................................................................... 71

7. Anexo: Reservas para suficiencia y seguridad ................................................................................ 73

7.1 Conceptos en reserva operacional ................................................................................................. 73

7.1.1 Generales ................................................................................................................................................ 73

7.1.2 Reserva de partida rpida y embancamiento ......................................................................................... 75

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7.1.3 Participacin de las ERNC en el control de la frecuencia ........................................................................ 77

7.2 Criterios de reserva actuales en el SING ......................................................................................... 77

7.2.1 Reservas para control primario y secundario de frecuencia .................................................................. 77

7.2.2 Resumen del estudio sobre implementacin de AGC en el SING ........................................................... 79

7.3 Pronstico de generacin elica y solar ......................................................................................... 80

7.3.1 Prediccin de generacin elica ............................................................................................................. 82

7.3.2 Prediccin de energa solar ..................................................................................................................... 85

8. Anexo: Modelacin de la operacin .............................................................................................. 87

8.1 Parque Generador ........................................................................................................................... 87

8.1.1 Parque existente ..................................................................................................................................... 87

8.1.2 Parque proyectado y parmetros ........................................................................................................... 92

8.2 Herramienta de Predespacho ......................................................................................................... 95

8.2.1 Descripcin general ................................................................................................................................ 95

8.2.2 Pruebas y validacin ............................................................................................................................. 100

8.3 Caractersticas de la demanda ...................................................................................................... 102

8.3.1 Proyeccin y costos de falla .................................................................................................................. 102

8.3.2 Participacin de la demanda en la regulacin ...................................................................................... 102

8.3.3 Posibilidades flexibilidad en demanda en el SING ................................................................................ 104

9. Anexo: Referencias ..................................................................................................................... 107

9.1 Acrnimos ..................................................................................................................................... 107

9.2 Referencias bibliogrficas ............................................................................................................. 108

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Listado de Figuras

Figura 1.1: Contexto del problema de integracin masiva de generacin renovable. ..................................................... 3

Figura 1.2: Descomposicin del anlisis por modelos en escala de tiempos. ................................................................... 4

Figura 1.3: Marco metodolgico general del estudio y sus objetivos. .............................................................................. 5

Figura 1.4: Esquema de simulacin de la programacin y operacin. .............................................................................. 6

Figura 2.1: Costos de inversin de tecnologas competitivas usados en la planificacin de la expansin en el

horizonte de evaluacin. ................................................................................................................................. 7

Figura 2.2: Costos variables de operacin distintos de cero usados en la planificacin de la expansin en el

horizonte de evaluacin. ................................................................................................................................. 8

Figura 2.3: Despacho por bloques y capacidad instalada en expansin Slo Trmica el 2020. ...................................... 12

Figura 2.4: Despacho por bloques y capacidad instalada en expansin ERNC optimista el 2020. .................................. 13

Figura 3.1. Generacin elica porcentual por zona. Valor 1 indica generacin al 100% de la capacidad

instalada. ....................................................................................................................................................... 15

Figura 3.2. Distribuciones empricas de generacin horaria elica agregada con datos del Explorador Elico. ............ 17

Figura 3.3. Distribuciones empricas de gradientes en intervalos de 10 min sobre la base de datos de

medicin de viento. ....................................................................................................................................... 17

Figura 3.4. Generacin diaria para cada mes en la forma de curvas de caja. ................................................................. 18

Figura 3.5. Curva de generacin diaria con mayor gradiente de bajada. ....................................................................... 18

Figura 3.6. Curvas de generacin diaria en das con mejor y peor produccin en cada mes. ........................................ 19

Figura 3.7: Produccin elica promedio diario, semanal y estacional. ........................................................................... 20

Figura 3.8: Produccin elica en escala de variacin diaria para cada mes. ................................................................... 20

Figura 3.9: Generacin unitaria para intervalo de 10 minutos. ...................................................................................... 21

Figura 3.10: Generacin para intervalo de 1 hora. ........................................................................................................... 22

Figura 3.11: Ejemplos de generacin agregada en das con presencia nubosa. ............................................................... 23

Figura 3.12: Clasificacin de das con presencia nubosa. .................................................................................................. 23

Figura 3.13: Perfiles de generacin en das con mayor y menor factor de planta mensual ............................................. 24

Figura 3.14: Distribucin de gradientes en generacin fotovoltaica agregada................................................................. 25

Figura 3.15: Ejemplo perfil de generacin fotovoltaica en da con alto gradiente de bajada. ......................................... 25

Figura 3.16: Perfiles de generacin en das con mayor y menor factor de planta mensual ............................................. 26

Figura 3.17: Gradientes de generacin CSP. ..................................................................................................................... 27

Figura 3.18: Curva y duracin de la demanda agregada. .................................................................................................. 28

Figura 3.19: Frecuencia de gradientes horarios de demanda agregada. .......................................................................... 28

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Figura 4.1: Problema de mnimo costo de inversin/operacin. .................................................................................... 31

Figura 4.2: Correccin al mnimo costo de inversin/operacin. ................................................................................... 31

Figura 5.1: Metodologa de solucin de predespachos anuales. .................................................................................... 45

Figura 5.2: Grficos de la ventana de seguimiento de una simulacin. Caso ERNC 100% con restricciones V1.4.......... 45

Figura 5.3: Despachos agrupados por tecnologa en primeras semana 2020. Caso ERNC 100% sin

restricciones. Valores en [MW]. .................................................................................................................... 47

Figura 5.4: Contraste de despachos con y sin restricciones para tercera semana de julio de 2020. Caso ERNC

100%. Valores en [MW] ................................................................................................................................. 51

Figura 5.5: Ciclos operativos de unidades trmicas en primera mitad del 2020. De arriba a abajo Caso

expansin ERNC nivel 100% EF con restricciones V14 y V15 y Caso expansin convencional con

restricciones V14. .......................................................................................................................................... 52

Figura 5.6: Ejemplo de contraste de reserva porcentual disponible para respaldo de inyeccin EF, resultado

del predespacho anual. Caso ERNC nivel 100% (1500 elico, 761 fotovoltaico) .......................................... 55

Figura 6.1: Curvas de costo total para anlisis de la expansin del parque generador al 2020, segn criterio

tcnico de operacin. .................................................................................................................................... 65

Figura 6.2: Curvas de costo total anual para niveles de penetracin e incrementos porcentuales del valor de

inversin en tecnologas ERNC, CSP, elica y fotovoltaica. Caso con restricciones V14_ED. ........................ 66

Figura 6.3: Curvas de costo total anual para niveles de penetracin e incrementos porcentuales del valor de

inversin en tecnologas ERNC, CSP, elica y fotovoltaica. Caso con restricciones V15. .............................. 67

Figura 6.4: Demanda diaria de GNL para generacin el 2020. Nivel EF de 100%, caso con restricciones V14. .............. 68

Figura 7.1: Conceptualizacin del uso de reservas definidas por la NERC. ..................................................................... 74

Figura 7.2: Acciones y coordinacin de los distintos controles de frecuencia. ............................................................... 75

Figura 7.3: Errores de pronsticos para horizontes de muy corto plazo. ....................................................................... 84

Figura 7.4: Errores de pronstico del modelo empleado en Alemania. .......................................................................... 85

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Listado de Tablas

Tabla 2-1: Costos de inversin y operacin de tecnologas y otros parmetros. .......................................................... 8

Tabla 2-2: Expansin del SING, casos convencional y optimistas ERNC. Valores en [MW] ......................................... 10

Tabla 2-3: Costos de expansin del SING, casos convencional y optimistas ERNC. Valores anuales en

[MMUS$] .................................................................................................................................................... 10

Tabla 2-4: Ajustes y restriccin de localizacin de ERNC al ao 2020. ........................................................................ 11

Tabla 3-1: Factores de planta en zonas de trabajo y factor de participacin en la generacin conjunta. .................. 16

Tabla 3-2: Correlacin de la generacin elica entre zonas. ....................................................................................... 16

Tabla 3-3: Frecuencia de das tipo con nubosidad. ..................................................................................................... 24

Tabla 3-4: Caractersticas Planta CSP Andasol I. .......................................................................................................... 26

Tabla 3-5: Caracterizacin mensual de la demanda agregada. Valores en MW y factor de carga mensual. .............. 28

Tabla 4-1: Capacidad elica fotovoltaica en muestreo. .............................................................................................. 32

Tabla 4-2: Participacin de ERNC mxima al 2020 en planes de expansin de muestreo. ......................................... 33

Tabla 5-1: Capacidad instalada ptima al 2020 en planes de expansin. Valores en [MW]. ...................................... 41

Tabla 5-2: Costo anual [MMUS$] de los planes de expansin por niveles. Parte I. .................................................... 41

Tabla 5-3: Costos anual [MMUS$] de los planes de expansin por niveles. Parte II. .................................................. 42

Tabla 5-4: Probabilidades de prdida de carga el ao 2020. Referencia tarifaria y planes. Valores en [%]. .............. 43

Tabla 5-5: Horas con mayor probabilidad de prdida de carga. Referencia tarifaria y planes. Demanda en

[MW], LOLP en [%]. Parte I. ........................................................................................................................ 43

Tabla 5-6: Horas con mayor probabilidad de prdida de carga. Referencia tarifaria y planes. Demanda en

[MW], LOLP en [%]. Parte II ........................................................................................................................ 44

Tabla 5-7: Contraste de participacin tecnolgica en la generacin entre despacho horario y por bloques

de la expansin. .......................................................................................................................................... 48

Tabla 5-8: Cambio en tiempos mnimos en conjunto de restricciones tcnicas V15 (PJM). ....................................... 49

Tabla 5-9: Efecto de las restricciones al despacho en la operacin al 2020. Participacin de cada tecnologa

en el abastecimiento de la demanda para cada parque. ........................................................................... 50

Tabla 5-10: Resultados de aproximacin a errores de pronstico a travs de las estadsticas de perfiles de

generacin. ................................................................................................................................................. 54

Tabla 5-11: Respaldo porcentual en reserva secundaria de 20 min y total, por intervalos de generacin EF.

Caso ERNC 100%. ........................................................................................................................................ 56

Tabla 5-12: Frecuencia de horas con incapacidad para seguir la demanda residual a escala de 10 min.

Valores en nmero de horas al ao. ........................................................................................................... 56

Tabla 5-13: Alternativa de expansin elica a Taltal por limitacin de estabilidad. ..................................................... 58

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Tabla 5-14: Efecto de las restricciones de las medidas correctivas IV en la generacin EF. ......................................... 58

Tabla 5-15: Costos anuales de operacin con restricciones, por componente, caso V14. ........................................... 59

Tabla 5-16: Costos anuales de operacin con restricciones, por componente, caso V15. ........................................... 59

Tabla 5-17: Dimensionamiento de errores en la estimacin del costo operativo anual, caso V14. ............................. 60

Tabla 5-18: Ejercicio con insercin de almacenamiento en el parque, caso V14. ......................................................... 60

Tabla 5-19: Costos marginales, encendidos y reservas EF, caso V14. ........................................................................... 61

Tabla 5-20: Costos marginales, para caso de despachos sin restricciones. ................................................................... 61

Tabla 5-21: Costos de operacin total anual [MMUS$/ao] con restriccin a generacin en Taltal a 600

[MW]........................................................................................................................................................... 62

Tabla 5-22: Costo derivados de las medidas de restriccin a la generacin EF mxima conjunta, para

asegurar una operacin segura. Valores en [MMUS$/ao]. ...................................................................... 62

Tabla 6-1: Costos de inversin y operacin para planes de expansin al 2020 considerando la operacin

con restricciones. Caso V14 (CDEC). ........................................................................................................... 63

Tabla 6-2: Parques al 2020 por niveles de penetracin ERNC evaluados. .................................................................. 64

Tabla 6-3: Niveles de penetracin de mnimo costo en la expansin del SING para incrementos de VI en

ERNC. .......................................................................................................................................................... 67

Tabla 7-1: Tiempos de partida de unidades en el SING ............................................................................................... 76

Tabla 7-2: Evolucin de la Reserva en Giro en el SING ................................................................................................ 79

Tabla 7-3: Horizonte y aplicaciones de los modelos de prediccin ............................................................................. 81

Tabla 7-4: Modelos de prediccin de viento y generacin elica. .............................................................................. 82

Tabla 7-5. Errores de pronstico de generacin elica. .............................................................................................. 84

Tabla 7-6. Revisin de estudios de pronstico de energa solar [29] .......................................................................... 85

Tabla 8-1. Parmetros tcnicos del parque trmico existente carbn. Parte I. ....................................................... 87

Tabla 8-2. Parmetros tcnicos del parque trmico existente carbn. Parte II. ...................................................... 88

Tabla 8-3. Parmetros tcnicos del parque trmico existente Gas Natural. Parte I. ............................................... 88

Tabla 8-4. Parmetros tcnicos del parque trmico existente Gas Natural. Parte II. .............................................. 89

Tabla 8-5. Parmetros tcnicos del parque trmico existente Diesel. Parte I. ......................................................... 90

Tabla 8-6. Parmetros tcnicos del parque trmico existente Diesel. Parte II. ........................................................ 91

Tabla 8-7. Parmetros de las centrales trmicas carbn del parque generador proyectado ..................................... 92

Tabla 8-8. Costos variables proyectados al 2020 por tipo de central trmica ........................................................... 92

Tabla 8-9. Parmetros de turbinas a vapor para las centrales CSP. ............................................................................ 92

Tabla 8-10. Parmetros de la TV para las centrales Geotrmicas. ................................................................................ 93

Tabla 8-11. Tecnologas de almacenamiento y parmetros .......................................................................................... 93

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Tabla 8-12. Ajuste de Costos y Disponibilidad ............................................................................................................... 94

Tabla 8-13: Capacidades de la herramienta y su uso en contraste con lo necesario para la comparacin. ................. 96

Tabla 8-14: Casos de validacin. La diferencia de costos se calcula con respecto a los costos totales

semanales entregados por la programacin del CDEC-SING. ................................................................... 100

Tabla 8-15: Comparacin de resultados del despacho para da jueves del caso 1. .................................................... 101

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Resumen Ejecutivo

En el contexto de la integracin de las ERNC al SING, orientado a travs de una planificacin de la

expansin de mnimo costo de generacin y transmisin, se estudia a travs de herramientas de

simulacin la operacin del sistema. Sobre la base de referencias internacionales, el plan de expansin se

obtiene para un escenario de proyeccin de costos de inversin ERNC a la baja, abarcando un periodo de

20 aos a partir del 2011. Como resultado, se alcanza un nivel importante de penetracin ERNC en la

matriz de generacin, principalmente basada en energa elica y solar, e incluye geotermia, descartando

expansin convencional basada en combustibles fsiles.

La alta penetracin ERNC motiva la necesidad de estudiar en detalle la operacin del sistema, analizando

su viabilidad operacional, los mecanismos para alcanzarla y rescatando una serie de costos no

capturados en el ejercicio de expansin de largo plazo. Estos costos son consecuencia de la naturaleza

variable y estocstica del recurso elico y solar, en conjuncin con las caractersticas tcnicas de los

equipos y limitaciones del parque generador trmico existente en el SING.

El problema se aborda simulando en detalle la operacin del sistema, tomando como referencia el ao

2020, para distintos niveles de penetracin elica y fotovoltaica, con la finalidad ltima de corregir el

plan de expansin original, bajo un escenario de valores de inversin ERNC en extremo bajo. Para ello se

usan diversas herramientas de software y anlisis estadsticos acordes con cada arista particular del

problema.

Las simulaciones de la operacin efectuadas se enmarcan en la bsqueda de una operacin econmica

de mnimo costo que respeta las restricciones tcnicas de las unidades de generacin y criterios

operativos del SING para alcanzar un suministro confiable, bajo los actuales estndares de suficiencia y

seguridad. De esta manera, las simulaciones comprenden predespachos anuales con resolucin horaria,

anlisis de operacin intrahorarios, anlisis de suficiencia sistmica y estudios de estabilidad dinmica

frente a contingencias siguiendo la normativa tcnica vigente.

Los resultados obtenidos indican que planes de expansin al 2020 que incluyan valores en el entorno de

1500 [MW] de capacidad instalada elica y 761 [MW] de fotovoltaica, distribuidos en el norte grande,

son plausibles econmicamente y viables tcnicamente a pesar de las rigideces del parque trmico en el

que se insertan. Si bien en las simulaciones detalladas de la operacin, al respetarse restricciones y

criterios de confiabilidad, se evidencian mayores costos de operacin no capturados en el ejercicio de

expansin, estos no son los suficientemente altos para compensar el ahorro en costos por la expansin

de ERNC. Asimismo, los anlisis de sensibilidad respecto de parmetros y proyecciones de costo sugieren

que las conclusiones se sostienen dentro de los mrgenes de incertidumbre de los mismos. As, el

problema de decisin de expansin de mnimo costo alcanza una zona de indiferencia entre

convencional y ERNC para un incremento de 20% en el valor de inversin ERNC respecto del escenario de

proyeccin base usado.

Lo anterior se explica principalmente en una serie de propiedades y condicionantes identificadas en la

operacin del sistema por debajo y hasta los montos de capacidad instalada elica y solar evaluadas que

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incluye valores en [MW] de 1500 elico, 761 fotovoltaico, 180 CSP y 160 geotermia. Estas propiedades y

condiciones, se resumen en los siguientes prrafos.

Es el parque trmico basado en gas natural el que principalmente absorbe la variabilidad e

incertidumbre de la generacin elica y solar, haciendo innecesario el encendido y apagado de turbinas a

vapor carbn.

La mayor reserva secundaria que demanda la generacin variable y aleatoria se compensa con la reserva

en giro natural que proveen las unidades trmicas cuando la generacin variable sube, consecuencia de

los tiempos mnimos de encendido y mnimos tcnicos de estas mismas unidades.

Si bien el parque ERNC tiene una leve menor suficiencia que un parque trmico convencional resultado

de una planificacin de mnimo costo, no imputa incrementos de respaldo esttico, al encontrarse

dentro de los mrgenes del estndar tarifario. Esto es, en parte, consecuencia tambin de un parque

generador inicial sobreinstalado.

Hasta un 53% de la demanda pueden inyectar conjuntamente al sistema parques elicos y fotovoltaicos

sin comprometer la estabilidad dinmica frente a contingencias bajo los estndares de la normativa

vigente en tensin y frecuencia. Esta medida se traduce en niveles de recorte operativo a las inyecciones

elicas y fotovoltaicas que son despreciables, en trminos de la operacin de un ao completo, y que

redundan en un bajo impacto en costos. Por otro lado, si bien se requiere de equipamiento para

compensacin reactiva adicional para permitir la inyeccin elica en Taltal bajo norma, su monto e

impacto en el costo global es poco significativo.

Las conclusiones anteriores suponen cambios en algunos criterios y mecanismos actuales de operacin,

entre los que destaca la incorporacin de AGC (control automtico de generacin), montos dinmicos de

reserva secundaria en funcin de los pronsticos y participacin mayoritaria del parque generador en la

regulacin de frecuencia. Asimismo, la programacin del encendido y apagado de las unidades a gas

debe corregirse durante el da para minimizar los impactos econmicos de los errores de pronstico en

el despacho y reservas.

Desde el punto de vista de la estabilidad dinmica se debe modificar la exigencia normativa tcnica de

modo que los parques elicos y fotovoltaicos no se desconecten frente a cortocircuitos severos.

Asimismo, se supone que los parques, tanto elicos como fotovoltaicos, poseen las capacidades de

control necesarias para participar del control de frecuencia, se incorporan pronsticos con errores

comparables a lo alcanzado a nivel internacional, y una coordinacin conjunta que busca minimizar la

necesidad de reserva en giro.

Un factor relevante a tener en consideracin es la bondad de una expansin elica y fotovoltaica lo ms

distribuida posible, que propicie la compensacin estadstica de la variabilidad, errores de pronstico y

gradientes de generacin, favoreciendo tambin al control y calidad del voltaje en el sistema al

desconcentrar el aporte de potencia reactiva en la red.

Debido a la mayor incidencia de los parmetros de predespacho en los costos de operacin del sistema

con presencia de ERNC variable, en particular las limitaciones de las mquinas trmicas y criterios de

reserva, stos deberan ser sometidos a revisin e idealmente insertarse en un mecanismo de mercado

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asociado a servicios complementarios que permita reconciliar costos y beneficios. Esto, siguiendo el

principio de eficiencia econmica, tanto a nivel de inversin como de operacin, los que podran abrirse

tambin a una participacin ms activa de la demanda.

Finalmente, se vislumbra que en muchos casos de cambios en criterios operativos, normativos y

soluciones para una operacin confiable, podran enfrentarse dificultades tanto econmicas como

administrativas con la reglamentacin y normativa actual. Esto, particularmente con la determinacin de

costos marginales, distribucin de costos, coordinacin de la operacin, asignacin de responsabilidades

y exigencias para conexin.

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Informe Final

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1. Introduccin

1.1 Antecedentes del Estudio

El Ministerio de Energa (MINENER) y la Deutsche Gesellschaft fr Internationale Zusammenarbeit (GIZ)

GmbH, en el marco de un convenio de cooperacin intergubernamental entre Chile y Alemania, se

encuentran desarrollando el proyecto Estrategia de Expansin ptima de las Energas Renovables No

Convencionales en los Sistemas Elctricos Interconectados. El objetivo del proyecto es el desarrollo de

una estrategia de mediano y largo plazo para la expansin de las energas renovables no convencionales

(ERNC) en los sistemas interconectados, que compatibilice los objetivos de la poltica energtica,

especficamente - seguridad de suministro, eficiencia econmica y sustentabilidad ambiental, - y la

elaboracin de propuestas de regulacin para la implementacin de esta estrategia. Este proyecto apoya

las iniciativas del Gobierno de Chile para impulsar el desarrollo de las ERNC en los sistemas elctricos

interconectados de Chile.

En este contexto se han realizado diferentes estudios asociados a la integracin de las ERNC en los

sistemas interconectados. Por una parte, se crearon nuevas herramientas avanzadas de anlisis del

potencial ERNC, como el Explorador Elico-Solar y el Modelo de Anlisis Espacial (MAE), que permiten

identificar reas favorables para el desarrollo de proyectos ERNC y las potencias instalables asociados, en

base a informacin georeferenciada de alta cobertura y resolucin espacial. Por otra parte, se desarroll

una metodologa que permite evaluar en forma integral los impactos de distintos niveles de expansin

de las ERNC en los sistemas elctricos interconectados, considerando el crecimiento de la demanda, la

evolucin de los precios de los combustibles y la tendencia de costos de las tecnologas. Basado en una

combinacin de los distintos modelos, se ha buscado explorar alternativas de desarrollo del sistema

elctrico utilizando criterios de mnimo costo global de suministro, de seguridad del sistema y de menor

impacto ambiental. De esta forma se analizaron ms de 100 escenarios de expansin de mnimo costo

(Tx y Gx) para el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING), hasta el ao 2030, para luego

evaluarlos desde el punto de vista eficiencia y seguridad de suministro.

1.2 Motivacin

Los estudios de expansin de la generacin y transmisin de mnimo costo efectuados en el SING, para

una tendencia a la baja en el costo de desarrollo de ERNC, indican altos niveles de penetracin de estas

tecnologas en mediano y largo plazo. No obstante, en los modelos de planificacin usados se adoptan

una serie de simplificaciones a la operacin del sistema elctrico para alcanzar soluciones en tiempos de

clculo razonables, introduciendo desviaciones que suelen incrementarse con el nivel de penetracin

ERNC. Por lo tanto, sobre la base de los escenarios desarrollados, se identifica la necesidad de evaluar los

efectos que tienen los distintos planes de expansin y su correspondiente penetracin de ERNC en

trminos de la dinmica operacional del sistema elctrico interconectado, considerando especialmente

Informe Final

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2



la variabilidad e incertidumbre de la generacin en base a energas renovables, particularmente la

derivada de los recursos elico y solar.

1.3 Objetivos y Alcances del Estudio

1.3.1 Objetivos generales

En el contexto de los planes de expansin resultados del proyecto Expansin de largo plazo para

distintos escenarios de desarrollo ERNC en el SING para el ao 2020, se busca dimensionar el impacto

tcnico econmico que tiene la variabilidad e incertidumbre de la generacin basada en energas

renovables en la operacin del sistema.

1.3.2 Objetivos especficos

Los objetivos especficos del estudio son los siguientes:

a. Disponer de una caracterizacin del parque generador SING acorde con los modelos de planificacin

de la operacin y simulacin del sistema para el ao 2020. Esto, considerando un parque puramente

trmico (segn escenario) y otros con distintos niveles de penetracin de energa renovable segn

los planes de expansin ptima de referencia.

b. Desarrollar un modelo de predespacho y simulacin de la operacin que incorpore las caractersticas

de variabilidad e incertidumbre bajo anlisis que puedan ser resueltos en tiempos de clculo

apropiados para un uso intensivo.

c. Desarrollar una caracterizacin del proceso estocstico de generacin elctrica de origen renovable

considerando las diversas fuentes y zonas de produccin, segn los planes de expansin ptima de

referencia.

d. Investigar y modelar las diversas opciones tcnico/econmicas para atenuar los efectos adversos de

la generacin renovable en la operacin. Esto, considerando tanto las opciones existentes como las

que podran estar disponibles al ao 2020.

e. Dimensionar los niveles de reserva en giro y de respaldo esttico necesarios para una operacin

confiable del sistema, sobre una base probabilstica.

f. Determinar la opcin tcnico/econmica ms apropiada para atenuar los efectos adversos de la

generacin renovable en la operacin del sistema.

g. Dimensionar los costos de operacin del sistema entre un parque generador convencional y uno con

presencia de energas renovables, para niveles progresivos de penetracin renovable segn los

planes de expansin ptima de referencia.

1.3.3 Alcances

En el desarrollo del estudio se consideran los siguientes alcances:

El anlisis econmico se enfoca en el problema de planificacin central sin considerar diseos de

mercado o esquemas de tarificacin.

Informe Final

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3



La modelacin y anlisis se centra en la operacin de rgimen permanente del sistema en escalas

de tiempo por sobre los 15 min.

La operacin econmica del sistema se efecta sobre una base centralizada y considerando los

criterios actuales del SING.

El dimensionamiento de los costos de operacin se calcula a escala global del sistema, sin una

desagregacin por tecnologa o zona.

En la modelacin estocstica de la produccin elica y solar se har uso de la mejor informacin

disponible en forma pblica o que pueda proveer la contraparte.

1.4 Marco Metodolgico y Contexto General

El fenmeno de integracin masiva de generacin renovable en los sistemas elctricos ha tomado

relevancia a nivel internacional en los ltimos 10 aos, planteando grandes desafos de tipo tcnico y

econmico. En el siguiente diagrama se muestran los distintos mbitos de desarrollo de este proceso:

Figura 1.1: Contexto del problema de integracin masiva de generacin renovable.

El estudio planteado se centra en el anlisis de la factibilidad tcnica operacional del parque generador,

incorporando los efectos econmicos de la integracin de energa renovable. La revisin de la factibilidad

tcnico econmica involucra dos familias de estudios de carcter tcnico:

A. Anlisis de tipo estacionario, centrado en la planificacin de la operacin, despacho y suficiencia,

donde intervienen aspectos econmicos a ser considerados en la modelacin.

B. Anlisis de tipo dinmico, que si bien pueden desarrollarse en un contexto econmico, se

centran en la respuesta del sistema frente a contingencias, estudiando aspectos tcnicos puros

de la integracin en una red elctrica.

Desde el punto de vista de las herramientas de anlisis, las dimensiones sealadas anteriormente

pueden ser visualizadas desde el enfoque del horizonte temporal a analizar, de acuerdo a la siguiente

figura:

Integracin Masiva de Generacin Renovable

Poltica y Regulacin

Elementos Econmicos

Aspectos Ambientales

Factibilidad Tcnica

Anlisis Estacionario

Anlisis Dinmico

Informe Final

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4



Figura 1.2: Descomposicin del anlisis por modelos en escala de tiempos.

El presente estudio se enmarca en anlisis estacionarios, tipo A, y su metodologa se basa en la

simulacin de la programacin y operacin del SING en un mbito probabilstico, para el ao 2020,

considerando planes de referencia para la expansin de la generacin de mnimo costo, resultado del

trabajo en [2]. Paralelamente, se desarrolla un trabajo complementario centrado en estudios dinmicos,

tipo B, para conformar un anlisis integral de la operacin econmica y confiabilidad del SING al 2020,

buscando precisar un nivel eficiente de integracin de ERNC para los supuestos de proyecciones de

costo.

En la Figura 1.3 se resume esquemticamente tanto el marco general del proyecto como su metodologa

para alcanzar la determinacin de un parque generador al ao 2020 que se eficiente econmicamente y

viable tcnicamente, para un supuesto de valores de inversin en ERNC en proyeccin a la baja

(optimista). Partiendo de planes de expansin de referencia, en los que la operacin del sistema y una

serie de criterios de confiabilidad son simplificados, se estudian y recalculan en forma detallada los

costos del sistema que permiten corregir las decisiones de expansin originales. Estos costos se obtienen

para parques generadores con niveles progresivos de penetracin ERNC, incluyendo una expansin

exclusivamente con generacin convencional, para identificar su nivel ptimo. Los costos del sistema

involucran costos de operacin directos, que buscan reflejar los efectos de la variabilidad e

incertidumbre de los recursos ERNC, e inversiones adicionales, o criterios operativos con impacto en los

costos de operacin, necesarios para una operacin confiable del sistema.

Los estudios de simulacin de la operacin se dividen en dos grupos principales por mbito de anlisis:

operacin econmica y confiabilidad. A su vez, la confiabilidad se subdivide en suficiencia y seguridad.

Tanto los estudios de costos, operacin econmica y suficiencia se desarrollan en este trabajo, mientras

que los estudios de estabilidad dinmica frente a contingencias, por su envergadura, se efectan en un

trabajo paralelo en coordinacin. Esta coordinacin se lleva a cabo a travs de intercambio de despachos

y condicionantes tcnicas para operacin segura. Las simulaciones de despacho entregan los puntos de

operacin del sistema, de entre los cuales se identifican los ms crticos, cuya estabilidad se estudia

buscando el cumplimiento de la normativa tcnica actual. Si existe inestabilidad, se determinan medidas

correctivas que lo hagan estable, las que pueden involucrar limitaciones a la inyeccin de ERNC, cambio

en criterios de reserva o equipamiento adicional para reforzar la respuesta del sistema en tensin o

frecuencia.

seg. min. ao plan

Simulacin

dinmica:Estabilidad

Flujos de potencia,

despachos econmicos:Modificacin de reservas de potencia del sistema,

costos marginales.

Predespacho

de unidades: costos y reservas.

Coordinacin hidrotrmica: precios,

planificacin de la operacin.Expansin generacin/transmisin: decisiones de expansin por parte de los distintos agentes.

das/ sem.

mbito de Anlisis

Informe Final

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5



Figura 1.3: Marco metodolgico general del estudio y sus objetivos.

En el desarrollo del trabajo es necesario el uso de diversos modelos y herramientas de anlisis. La

determinacin de los modelos apropiados se realiza en base a caractersticas propias del sistema y el

foco del anlisis particular. Lo anterior se complementa con una revisin de la literatura internacional

para apoyar el estudio de criterios y mecanismos de operacin con presencia relevante de generacin

variable. Las caractersticas de los modelos, metodologa especfica y supuestos de simulacin se

Condicin Inicial del SING

Situacin a fines de 2011

Parque generador

Sist. Transmisin 220 kV

Perfil temporal-geogrfico de

Demanda

Potenciales de Expansin Gx

Elico-Solar: Explorador Min.

Energa / GIZ / DGF

Geotermia: Min. Energa

Convencional: Carbn, CC-

GNL, Diesel, Fuel-Oil

Proyecciones

Demanda: CNE-Abr2011

Precio combustibles y CVNC:

CNE-Abr2011

VI Gx ERNC: Ref.Internacionales

Extremo bajo (Optimista)

Limitacin expansin ERNC

Sin limites: referencia inicial.

Pmax Eol.FV: Exploracin por

Niveles [%] de referencia inicial.

Sin ERNC: slo expansin de

Generacin Convencional.

Expansin de Mnimo Costo en Generacin y Transmisin periodo 2011-2030

Parque Generador

ao 2020

AVI Gx-Tx

ao 2020

Simulacin detallada de la operacin ao 2020

Confiabilidad

Estabilidad

Dinmica

q Normal / Contingenciaq Tensin / Frecuenciaq Cumplimiento NTSyCSq Criterios normativosq Medidas correctivas.

Suficiencia

q LOLPq Contrasteq Necesidad de

incremento de

turbina de punta

Operacin Econmica con

Restricciones Tcnicas

Predespacho

q Escala horariaq Restricciones UG

CDEC-SING

q Reservas: CPF-CSFq Criterios de operacinq Medidas correctivas.

Despacho

q Costos:generacin, on/off,

prdida eficiencia

q Op.intrahoraria: Res.Sec, rampas...

q Estimacin Falla.

Puntos de

Operacin Restricciones

de Operacin

Equipamiento

Adicional

Inversiones

Adicionales

VI TG

Costos de Operacin

y Falla Corregidos

Parque de mnimo costo al 2020 tcnicamente viable

(Proporcin de la matriz de generacin, criterios de operacin, discusin y recomendaciones)

Marco de expansin del SING

Informe Final

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6



presentan con ms detalle en la seccin respectiva del anlisis. El esquema general de simulacin de la

operacin se ilustra en la Figura 1.3. Con la modelacin del parque y sus caractersticas se procede a la

simulacin del proceso del despachador que va desde las proyecciones de generacin y demanda,

pasando por la programacin de unidades, hasta el despacho real. Con ello se obtienen los costos

operativos incurridos en el sistema. Dichos costos son contrastados con los obtenidos en una simulacin

en la que se le elimina la variabilidad y errores de pronstico de la generacin renovable para calcular el

costo adicional que introducen en el sistema. Esto, considerando el mismo parque o uno puramente

convencional trmico.

Tanto la demanda como la generacin a base de energa renovable tienen un comportamiento variable y

estocstico que es necesario caracterizar, incluyendo estacionalidades, correlaciones y errores de

pronstico vinculados a la anticipacin con la que son efectuadas. Con ello, los costos adquieren tambin

una naturaleza estocstica.

Figura 1.4: Esquema de simulacin de la programacin y operacin.

Tanto la variabilidad como la naturaleza estocstica del problema se traducen en requerimientos de

reserva que es necesario dimensionar. En este sentido se distinguen las reservas operativas y aquellas de

suficiencia. Las primeras se traducen en sobrecostos por necesidad de operar unidades de generacin en

forma ineficiente o subptima y ambas pueden derivar en la necesidad de incrementar la capacidad de

respaldo traducindose en mayores costos de inversin. Cada una de estas dimensiones requiere de un

anlisis particular. Asimismo se indaga en estrategias de reduccin de los sobrecostos como el uso de

predespacho estocstico y secuencial, equipamiento adicional de almacenamiento, flexibilidad de

unidades de generacin, entre otros.

El predespacho o Unit Commitment (UC), es una herramienta para la planificacin de la operacin de

corto plazo que se centra en determinar, dentro de un horizonte de tiempo que va de das a semanas, las

unidades de generacin que debern estar en servicio en cada momento. El horizonte se descompone en

periodos de duracin, tpicamente horas, y el problema se conforma por un conjunto de despachos

econmicos acoplados en el tiempo, en el que se incluye una representacin detallada de los costos y

una serie de limitantes tcnicas de operacin de los generadores. La entrada/salida de operacin de los

generadores y la no convexidad de la estructura de costos de operacin determinan el uso de variables

de estado (binarias) en la modelacin. El planteamiento habitual del problema adopta la forma de un

problema de programacin lineal entero mixta de compleja solucin.

Caracterizacin Datos de Entrada

Modelo de Predespacho (UC)

Simulacin de la Operacin

- Parque Generador- Costos- Demanda- Generacin Renovable (Elico, Solar)

Salidas :- Factibilidad operativa - Programacin unidades- Determinacin reservas - Asignacin de reservas

Salidas: - Suficiencia de reservas - Costos- Necesidad de ajustes

Informe Final

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2. Planes de Expansin de Referencia

Se resumen los resultados para planes de expansin de referencia para el ao 2020 en el SING. Estos son

por un lado uno que desarrolla slo centrales trmicas convencionales y otro correspondiente al

resultado de una proyeccin optimista en costos de inversin ERNC con adecuaciones. Se considera la

proyeccin base de costos de combustibles y no se imputan costos adicionales a la generacin con ERNC

segn el estudio previo.

2.1 Parmetros en Planificacin de la Expansin

El ejercicio de planificacin de la expansin del SING se efectu bajo supuestos de costos de desarrollo y

operacional de las diversas tecnologas consideradas en la evaluacin [2]. La Figura 2.1 sintetiza la

proyeccin de los costos de inversin, mientras que la Figura 2.2 los variables de operacin usados en los

diversos ejercicios. Finalmente la Tabla 2-1 condensa estos y otros parmetros para los aos 2015 y

2020. Las proyecciones de costos de inversin corresponden a un ajuste a la realidad nacional de la

combinacin de proyecciones optimistas de las siguientes fuentes: IEA (International Energy Agency)

2010, IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 2011, Bloomberg 2011, DLR (Deutsches

Zentrum fr Luft und Raumfahrt) 2010 y GEA (Geothermal Energy Association) 2005. La inversin

incluye una estimacin para la inversin en la subestacin de conexin, costos de operacin y

mantenimiento anual. En los costos de los combustibles y costos variables de centrales trmicas las

proyecciones incorporan las de IEA y de la CNE (precio de nudo de abril 2011). En el caso particular del

GNL se incluye un costo adicional por transporte y regasificacin.

Figura 2.1: Costos de inversin de tecnologas competitivas usados en la planificacin de la expansin en el

horizonte de evaluacin.

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

20

12

20

13

20

14

20

15

20

16

20

17

20

18

20

19

20

20

20

21

20

22

20

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20

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20

25

20

26

20

27

20

28

20

29

20

30

Proyeccin de costo de Inversin [US$/kW]

Geotrmica

Solar CSP

Carbn

Elica on shore

Solar Fotovoltaica

Informe Final

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8



La proyeccin del costo de GNL a nivel generacin corresponde a un valor en torno a 14 [US$/MBTU]

para el periodo 2015-2020, de los cuales 6 [US$/MBTU] corresponden a transporte, almacenamiento y

regasificacin.

Figura 2.2: Costos variables de operacin distintos de cero usados en la planificacin de la expansin en el

horizonte de evaluacin.

Tabla 2-1: Costos de inversin y operacin de tecnologas y otros parmetros.

0

20

40

60

80

100

120

140

20

12

20

13

20

14

20

15

20

16

20

17

20

18

20

19

20

20

20

21

20

22

20

23

20

24

20

25

20

26

20

27

20

28

20

29

20

30

Proyeccin Costo Variable de Operacin [US$/MWh]

CC GNL

Carbn

0

100

200

300

400

500

600

20

12

20

13

20

14

20

15

20

16

20

17

20

18

20

19

20

20

20

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20

22

20

23

20

24

20

25

20

26

20

27

20

28

20

29

20

30

Proyeccin Costo Variable de Operacin [US$/MWh]

Diesel

Fuel Oil Nro. 6

Carbn 35 0.85 2293 55.9 2221 61.5

Diesel 25 0.90 640 328.4 640 397.0

Fuel Oil Nro. 6 25 0.90 1560 219.0 1560 264.8

GNL CC 25 0.85 1376 106.8 1347 118.9

Elica on shore 20 0.39 1856 0.0 1777 0.0

Solar CSP 25 0.60 3428 0.0 2978 0.0

Solar Fotovoltaica 20 0.31 2318 0.0 1632 0.0

Geotrmica 30 0.85 3553 0.0 3553 0.0

2020

Val. Inv

[US$/kW]

C. Var

[US$/MWh]

Tecnologa Vida Util Dispon Val. Inv

[US$/kW]

C. Var

[US$/MWh]

2015

Informe Final

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9



2.2 Planes de mnimo Costo y Adecuaciones

Debido a mejoras de precisin en los Exploradores de Energa Solar y Elica1 [3] e instruccin de criterios

de limitacin y distribucin de ERNC, los planes de expansin en [2] fueron modificados levemente. Los

perfiles elicos usados en el ejercicio original consideraban datos horarios de generacin para un mes

por trimestre. Las adecuaciones al plan de expansin original con ERNC optimista involucran nuevos

perfiles de generacin elico, ajuste a disponibilidad de generacin solar, e imposicin de desarrollo

ERNC al 2020 tanto en tecnologa como en ubicacin. Los nuevos perfiles contemplan ahora el ao

completo para las mismas zonas, nuevos criterios sobre limitaciones al factor de planta de parques, y se

incorpora la zona del Valle de los Vientos a la generacin en la barra Crucero 220 en conjunto con

Calama Poniente. Los ajustes a la expansin solar corresponden a una sustitucin parcial de capacidad de

tecnologa de Concentrador Solar Parablico (CSP) por fotovoltaico al ao 2020 y una reduccin del

factor de planta de este ltimo del 35% a 31%. Adicionalmente, se restringe la entrada de ERNC de modo

que slo puedan ingresar a partir del ao 2015, limitando tambin su incremento anual y la participacin

tecnolgica en correspondencia con proyectos ingresados a estudio de impacto ambiental. Todo lo

anterior para acercar los resultados al potencial de desarrollo esperable de energa ERNC bajo el

supuesto de costos.

En resumen los planes de expansin para un primer contraste son los siguientes:

Convencional de referencia: plan de expansin en la que se descarta un desarrollo de ERNC que,

bajo criterios de mnimo costo, sin restricciones, slo incrementa la generacin a base a carbn.

Constituye la matriz convencional de referencia al ao 2020 para los anlisis posteriores.

ERNC optimista original: resultado del plan de expansin con ERNC optimista obtenido en el

estudio previo.

ERNC optimista modificado de referencia: resultado del plan de expansin con ERNC optimista

anterior con las modificaciones descritas, incluyendo relocalizacin de capacidad ERNC.

Corresponde al caso base ERNC a usar en los estudios de costos de operacin al ao 2020.

Las tablas Tabla 2-2 y Tabla 2-3 resumen los resultados para cada caso en capacidad instalada y costo

anual equivalente respectivamente. En el caso del modificado, las tasas de entrada ERNC permitidas para

cada tecnologa ERNC son las siguientes:

Elico: 150 [MW] mximo incremental por ao y zona a partir del 2015. Cuatro zonas con

potencial asociadas a las barras Crucero Encuentro, Calama Oriente y Taltal. Incremental

conjunto mximo de 600 [MW/ao].

Solar CSP: 50 [MW] mximo por ao y zona el 2015 y 100 [MW] a partir del 2016. Cuatro zonas

con potencial de conexin asociado a las barras Lagunas, Crucero, Encuentro y Pozo Almonte.

Mximo conjunto de 200 [MW/ao] el 2015 y 400 del 2016 en adelante [MW].

1 Iniciativa conjunta entre el Ministerio de Energa, GIZ y el Departamento de Geofsica (DGF) de la Universidad de

Informe Final

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10



Solar PV: 50 [MW] mximo por ao y zona el 2015 y 100 [MW] a partir del 2016. Cuatro zonas

con potencial de conexin asociado a las barras Lagunas, Crucero, Encuentro y Pozo Almonte.

Mximo conjunto de 200 [MW/ao] el 2015 y 400 del 2016 en adelante [MW].

Geotermia: restringido en promedio a 80 MW total cada cuatro aos.

Tabla 2-2: Expansin del SING, casos convencional y optimista ERNC. Valores en [MW]

Tabla 2-3: Costos de expansin del SING, casos convencional y optimista ERNC. Valores anuales en [MMUS$]

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030

Carbon 1,480 2,074 2,074 2,074 2,184 2,332 2,487 2,633 2,789 2,951 3,123 3,304 3,496 3,703 3,923 4,152 4,394 4,651 4,922 5,209

Diesel 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132

Fuel_Oil_Nro_6 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226

Gas_Natural 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669

Hidro_pasada 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

Eolica_onshore

Solar_CSP

Solar_Foto

Geotermica

Carbon 1,480 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074

Diesel 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132

Fuel_Oil_Nro_6 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226

Gas_Natural 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669

Hidro_pasada 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

Eolica_onshore 874 874 1,101 1,287 1,298 1,341 1,414 1,503 1,592 1,705 1,761 1,829 1,937 2,051 2,051 2,051 2,051 2,051

Solar_CSP 309 519 773 936 1,325 1,775 2,022 2,233 2,565 2,835 3,187 3,540 3,809 3,965

Solar_Foto 311 791 1,471 1,505 1,910 2,910 3,255 3,789

Geotermica 40 40 40 40 80 80 160 160 160 160 240 240 320 320 400 400 400

Carbon 1,480 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074 2,074

Diesel 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132 132

Fuel_Oil_Nro_6 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226 226

Gas_Natural 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669 1,669

Hidro_pasada 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

Eolica_onshore 600 1,058 1,303 1,413 1,465 1,500 1,700 1,900 1,971 2,067 2,181 2,274 2,410 2,532 2,660 2,799

Solar_CSP 50 150 180 180 180 180 580 980 1,380 1,780 2,180 2,580 2,958 3,222 3,500 3,761

Solar_Foto 70 170 453 761 761 761 761 761 763 963 1,269 1,571 1,919 2,229

Geotermica 40 40 40 80 80 160 160 160 160 200 200 280 280 360 360 360

Ao

Exp

ansi

n

Co

nve

nci

on

al d

e

Ref

eren

cia

Exp

ansi

n

ER

NC

Op

tim

ista

Ori

gin

al

Exp

ansi

n

ER

NC

Op

tim

ista

Mo

dif

icad

o d

e R

efer

enci

a

Inv Gx Inv Tx Ope Total Inv Gx Inv Tx Ope Total Inv Gx Inv Tx Ope Total

2011 0 59 978 1,037 0 59 978 1,037 0 59 978 1,037

2012 144 59 978 1,180 144 59 978 1,180 144 59 978 1,180

2013 144 59 1,059 1,262 336 64 774 1,175 144 59 1,059 1,261

2014 144 59 1,152 1,354 352 67 826 1,245 144 59 1,152 1,354

2015 170 59 1,248 1,477 401 69 862 1,332 309 61 1,015 1,385

2016 205 59 1,339 1,603 441 69 922 1,432 445 63 944 1,452

2017 241 59 1,439 1,740 555 71 897 1,522 526 64 962 1,552

2018 276 59 1,553 1,888 652 73 892 1,617 589 65 1,007 1,660

2019 311 60 1,682 2,053 753 73 895 1,722 661 65 1,076 1,802

2020 349 60 1,824 2,233 855 73 893 1,821 759 66 1,109 1,934

2021 388 60 1,977 2,426 998 74 852 1,925 928 67 1,024 2,019

2022 429 61 2,100 2,590 1,162 80 775 2,017 1,094 70 925 2,089

2023 473 62 2,228 2,762 1,303 80 727 2,110 1,230 72 872 2,173

2024 519 63 2,367 2,949 1,494 82 623 2,198 1,383 75 803 2,261

2025 568 64 2,510 3,143 1,727 82 482 2,291 1,521 77 762 2,360

2026 619 65 2,661 3,346 1,861 86 454 2,400 1,714 81 659 2,455

2027 672 67 2,821 3,560 2,022 86 406 2,515 1,894 83 589 2,566

2028 728 68 2,990 3,787 2,304 88 234 2,626 2,066 86 534 2,686

2029 787 70 3,172 4,029 2,426 92 240 2,758 2,217 88 517 2,822

2030 849 72 3,357 4,277 2,545 94 250 2,889 2,357 90 514 2,961

VNA 11-20 1,854 559 12,476 14,889 4,185 640 8,447 13,271 3,458 584 9,731 13,773

VNA 15-24 3,154 570 16,719 20,443 8,064 704 7,917 16,685 7,414 630 9,233 17,277

VNA 11-30 6,991 1,117 34,818 42,926 19,357 1,361 12,824 33,542 17,409 1,258 15,946 34,613

ERNC Opt. Mod. De ReferenciaAo

Convencional trmico de referencia ERNC Optimista Original

Informe Final

Pgina

11



Los ajustes por perfiles elicos, distribucin y relocalizacin de ERNC se presentan en la Tabla 2-4 desde

el caso original hasta el nuevo. La relocalizacin y distribucin se determina en forma separada sobre la

base del plan de expansin ERNC original en cruce con los proyectos presentados al SEIA (Sistema de

Estudio de Impacto Ambiental) a Enero de 2012, en acuerdo con la contraparte. Complementariamente,

en la tabla se indica el tipo de restriccin (aplicada slo el ao 2020) a la capacidad en cada barra y el

orden en que se imponen para alcanzar la capacidad ERNC objetivo, que signifique la menor

perturbacin al costo mnimo original. Este orden indica la precedencia en que se ordena la expansin

por tecnologa y zona segn menor costo.

Tabla 2-4: Ajustes y restriccin de localizacin de ERNC al ao 2020.

Con la tecnologa geotrmica, en los casos en que sta no se conecta a la barra geotermia, se procedi a

incrementar su costo de inversin en el equivalente de costo de una lnea de conexin de 120 km,

anloga a la que conecta la barra Geotermia con Pozo Almonte.

Los resultados de la Tabla 2-3 muestran un incremento de los costos debido principalmente a las

restricciones impuestos a la expansin elica y fotovoltaica en sustitucin de la reduccin de CSP. En

efecto, al restringir slo la tecnologa CSP al ao 2020 en la planificacin, la penetracin elica y

fotovoltaica ptima es algo mayor. Esto se explora en mayor detalle en los anlisis de costos. Cabe

destacar que en el caso de expansin con ERNC no existe aumento de capacidad trmica,

conformndose el parque al 2020 nicamente por las plantas en operacin del sistema al ao 2012.

Tipo Preced.

Solar_CSP 27 0

Informe Final

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12



2.3 Despacho Simplificado

Las siguientes figuras resumen los despachos por bloques del modelo de planificacin para los casos

bases de referencia de expansin slo trmica convencional y con ERNC caso optimista. Se grafica la

capacidad instalada y la potencia media en el bloque de carga respectivo para cada tecnologa. Los

bloques de carga corresponden a una discretizacin de 6 tramos de la curva de duracin mensual en

orden decreciente de potencia. Las curvas ilustran la variabilidad capturada por el modelo de expansin

en los despachos. ste y otros efectos se estudian en profundidad en las siguientes secciones.

Figura 2.3: Despacho por bloques y capacidad instalada en expansin Slo Trmica el 2020.

Cabe destacar que la operacin simplificada de la expansin corresponde a un despacho simple por

orden de mrito y no considera ningn tipo de limitacin tcnica a la operacin como el manejo de

reservas, restricciones al despacho de las mquinas trmicas, recortes de energa variable, etc. Estas

simplificaciones tienen una incidencia creciente en los costos con la penetracin de la generacin ERNC

elica y solar debido a la variabilidad e incertidumbre de su energa primaria.

0

250

500

750

1,000

1,250

1,500

1,750

2,000

2,250

2,500

2,750

3,000

3,250

3,500

3,750

4,000

4,250

4,500

4,750

5,000

5,250

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71

Diesel

Diesel

Fuel_Oil_Nro_6

Fuel_Oil_Nro_6

Gas_Natural

Gas_Natural

Solar_Foto

Solar_Foto

Solar_CSP

Solar_CSP

Eolica_onshore

Eolica_onshore

Carbon

Carbon

Geotermica

Geotermica

Hidro_pasada

Hidro_pasada

Informe Final

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13



Figura 2.4: Despacho por bloques y capacidad instalada en expansin ERNC optimista el 2020.

0

250

500

750

1,000

1,250

1,500

1,750

2,000

2,250

2,500

2,750

3,000

3,250

3,500

3,750

4,000

4,250

4,500

4,750

5,000

5,250

5,500

5,750

6,000

6,250

6,500

6,750

7,000

7,250

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71

Diesel

Diesel

Fuel_Oil_Nro_6

Fuel_Oil_Nro_6

Gas_Natural

Gas_Natural

Solar_Foto

Solar_Foto

Solar_CSP

Solar_CSP

Eolica_onshore

Eolica_onshore

Carbon

Carbon

Geotermica

Geotermica

Hidro_pasada

Hidro_pasada

Informe Final

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14



Informe Final

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15



3. Caracterizacin de Generacin ERNC y Demanda

Se caracteriza estadsticamente la generacin ERNC, para su insercin en la operacin del SING al ao

2020 sobre la base de los datos proporcionados por el Ministerio de Energa/GIZ. Estos corresponden a

datos agregados de generacin de generacin elica horaria por zona, sintetizados del explorador elico-

solar [3] para el ao 2010 y mediciones tanto de velocidad del viento como de radiacin solar a escala de

10 minutos para diversas zonas del norte. Con ellas se efectan los anlisis de esta seccin que llevan a la

sntesis de perfiles horarios e intrahorarios de generacin. En el caso de la demanda, los datos tienen su

origen en el CDEC-SING, y corresponden a valores reales de la operacin del ao 2011.

3.1 Generacin Elica

Usando las mediciones de viento y las series de datos de generacin elica horaria para el ao 2010,

procedentes del Explorador Elico-Solar [3], se caracteriza la variabilidad del recurso. La siguiente grfica

de contorno sintetiza la generacin elica de cada zona con los datos del explorador en promedio

semanal, por hora del da, en proporcin a la generacin mxima.

Figura 3.1. Generacin elica porcentual por zona. Valor 1 indica generacin al 100% de la capacidad instalada.

Hora

Calama Poniente

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5

10

15

20

Calama Norte

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5

10

15

20

Hora

Sierra Gorda Oeste

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5

10

15

20

Sierra Gorda Este

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5

10

15

20

Semana

Hora

Valle de Los Vientos

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5

10

15

20

Semana

Taltal

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

5

10

15

20

Hora

Calama Poniente

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Informe Final

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16



Se observa un menor factor de planta en la zona del Valle de los Vientos. La siguiente tabla muestra los

factores de planta de cada zona involucrada. En cada caso la seleccin de la turbina elico se elige en

funcin del perfil vertical de viento, que en algunas zonas presenta tramos de inversin con la altura.

Tabla 3-1: Factores de planta en zonas de trabajo y factor de participacin en la generacin conjunta.

Las correlaciones de generacin para escalas de tiempo horario y diario se muestran en la Tabla 3-2. El

resultado de la agregacin se presenta en las curvas de la Figura 3.2 en la forma de distribucin de

probabilidad de excedencia de generacin horaria (derecha) y de gradientes de variacin horaria

(izquierda).

Tabla 3-2: Correlacin de la generacin elica entre zonas.

Aproximadamente menos del 2% del tiempo la generacin elica se empina por sobre el 90% de la

capacidad instalada. Los gradientes horarios mximos de subida y bajada de generacin son de 60.1% y

46.6 % de la capacidad instalada, con confiabilidad de 95% el gradiente de subida no superar el 27 % y

el de bajada el 15%.

Para efectos de la operacin intrahoraria, se crean perfiles de generacin conjunta a partir de las

mediciones de viento disponible en 5 estaciones, con datos capturados durante el ao 2010,

proporcionadas por el Ministerio de Energa. Estas, corresponden a mediciones en las siguientes zonas:

Calama Norte, Calama Oriente, Sierra Gorda Oeste, Sierra Gorda Este y Taltal. Con ellos se construyen

series de generacin de parque, aplicando la caracterstica de las turbinas indicadas en la Tabla 3-1 a las

mediciones y la transformacin para pasar de dato puntual a parque en [7]. Estas series son usadas para

obtener distribuciones de desviacin de generacin elica intrahoraria. La Figura 3.3 muestra la

distribucin emprica de gradientes respectiva. Se observa una reduccin en la frecuencia de gradientes

altos, no obstante los valores extremos se mantienen. Lo anterior tiene incidencia en el

dimensionamiento de reservas en giro y la probabilidad de desprendimiento de carga.

Zona FP Factor Part Turbina

Calama Norte 0.39 13.0% Vestas V90

Calama Poniente 0.34 16.7% Vestas V90

Sierra Gorda Oeste 0.34 10.0% Gamesa G54

Sierra Gorda Este 0.30 10.0% Gamesa G54

Taltal 0.45 46.7% Vestas V90

Valle de los vientos 0.24 6.7% Vestas V90

Calama

Poniente

Calama

Norte

Sierra Gorda

Oeste

Sierra Gorda

Este

Valle de Los

VientosTaltal

Calama Poniente 1 0.515 0.837 0.769 0.028 0.263

Calama Norte 0.147 1 0.524 0.648 0.218 0.367

Sierra Gorda Oeste 0.906 0.257 1 0.779 - 0.024 0.347

Sierra Gorda Este 0.636 0.641 0.675 1 0.276 0.283

Valle de Los Vientos - 0.113 0.567 - 0.111 0.440 1 - 0.216

Taltal - 0.118 0.405 0.021 0.195 0.220 1Co

rrel

aci

n D

iari

a

Correlacin horaria

Informe Final

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17



Figura 3.2. Distribuciones empricas de generacin horaria elica agregada con datos del Explorador Elico.

Figura 3.3. Distribuciones empricas de gradientes en intervalos de 10 min sobre la base de datos de medicin de

viento.

En trminos de las variabilidades diarias, semanales y estacionales, las siguientes figuras ilustran sus

caractersticas. Se opta esta vez por usar valores en [MW]. Las distintas escalas aportan antecedentes

respecto de las consecuencias en la operacin de mquinas trmica cuya entrada y salida de servicio se

maneja a distintas escalas. La Figura 3.4 ilustra la forma en que se distribuyen las curvas diarias de

generacin de cada mes en la forma de cuartiles de probabilidad, mediana y puntos raros o (outliers).

Curvas extremas de mximo y mnimo se presentan en la Figura 3.6, mientras que en la Figura 3.5 se

muestra la curva de generacin del da con el mayor gradiente horario de bajada, correspondiente a 700

[MW].

Probabilidad emprica

Genera

ci

n r

ela

tiva [

% P

max]

Distribucin de Generacin Elica Agregada

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Probabilidad emprica

Variaci

n r

ela

tiva [

% P

max]

Distribucin de Gradiente Horario de Generacin Elica Agregada

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Informe Final

Pgina

18



Figura 3.4. Generacin diaria para cada mes en la forma de curvas de caja.

Figura 3.5. Curva de generacin diaria con mayor gradiente de bajada.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Enero

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Febrero

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Marzo

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Abril

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Mayo

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Junio

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Julio

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Agosto

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Septiembre

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Octubre

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Noviembre

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Diciembre

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

150

300

450

600

750

900

1050

1200

1350

1500Generacin elica conjunta Julio-12

[hora]

P [

MW

]

Informe Final

Pgina

19



Figura 3.6. Curvas de generacin diaria en das con mejor y peor produccin en cada mes.

Cabe destacar la reduccin tpica que presenta la generacin elica entre las 19 y 22 horas en potencial

coincidencia con la reduccin de la generacin solar fotovoltaica.

A nivel diario, semanal y estacional las curvas de la Figura 3.7 muestra la variacin de la potencia media

que aportara la generacin elica al sistema, mientras que la Figura 3.8 resume la distribucin del

aporte mensual.

Debido a que no se cuenta con referencias locales para estimacin de errores de pronstico elico a

distintas escalas de anticipacin, en el anexo 7.3.1 se sintetiza lo encontrado en la literatura

internacional. Finalmente su efecto se dimensiona en correspondencia con la necesidad de adelanto del

pronstico y el dimensionamiento de reservas, siguiendo criterios internacionales en el problema de

predespacho y simulacin de la operacin, usando la estadstica de variabilidad sintetizadas en esta

seccin.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Enero

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Febrero

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Marzo

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Abril

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Mayo

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Junio

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Julio

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Agosto

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

500

1000

1500 Septiembre

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1500 Octubre

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