Incorporación de restricciones de corto plazo a la expansión del sistema eléctrico mediante agrupación de unidades

Abstract

La planificación de la expansión de la generación (GEP) es un problema estratégico y complejo, caracterizado por su gran escala, horizonte de largo plazo y la naturaleza discreta de las decisiones de inversión. Su objetivo es determinar cuánto y qué tipo de capacidad adicional debe incorporarse al sistema eléctrico en el futuro. En los últimos años, esta tarea se ha vuelto aún más desafiante debido a la creciente penetración de energías renovables intermitentes, que obliga a considerar nuevas restricciones operativas de corto plazo como rampas, mínimos técnicos, reservas y costos de partida que tradicionalmente son omitidas en los modelos de expansión.

En Chile, la integración de energías renovables ha sido impulsada por la necesidad de reducir las emisiones del sector energético, responsable del 77 % de los gases de efecto invernadero del país. La capacidad instalada de energía solar y eólica ha superado el 21 % en la última década, pero su variabilidad genera desafíos en la operación eficiente y segura del sistema, que requieren soluciones que aporten flexibilidad y resiliencia.

Este trabajo desarrolla un modelo de planificación de expansión basado en programación lineal entera mixta (MILP) que representa de manera conjunta las decisiones de inversión y operación de tecnologías térmicas, renovables y sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), considerando las restricciones operativas de corto plazo que exige la creciente integración de fuentes renovables intermitentes. Para enfrentar la mayor complejidad que implica este tipo de modelación, se plantea un enfoque alternativo al esquema clásico de variables binarias, utilizando variables enteras que agrupan múltiples unidades de un mismo tipo bajo una sola variable de decisión, lo que hace más eficiente la resolución de modelos complejos sin sacrificar precisión en las soluciones.

Se comparan los enfoques binario y entero, observándose que el enfoque entero reduce significativamente los tiempos de cálculo, mientras que ambos alcanzan la misma solución óptima. También se realiza un análisis de sensibilidad sobre los factores que influyen en la composición óptima del sistema, entre ellos, que la eliminación de subsidios a los combustibles fósiles incrementa los costos totales en un 40,7 % al incentivar una mayor inversión en renovables, y que mayores niveles de requerimiento de reserva en giro aumentan tanto los costos como los tiempos de ejecución de forma considerable.

Por otra parte, se exploran escenarios de desfosilización, concluyendo que una transición gradual es más eficiente que una eliminación acelerada de la generación térmica. Finalmente, se evalúa la viabilidad de resolver el modelo mediante herramientas comerciales y de acceso abierto, encontrando que el solver comercial es hasta 882 veces más rápido que el solver abierto en escenarios complejos.