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Clasificación JEL: L52, L94.
INTRODUCCION
La aprobación de la Ley 20.257 el 20 de marzo de 2008, cuya finalidad es promover las energías renovables no tradicionales (ERNT) en Chile, provocó un amplio debate en el país relacionado con el verdadero sobrecosto de estas fuentes de energía respecto a las tecnologías tradicionales.
De las ERNT, quizá la más promovida y que ha recibido mayores subsidios en países industrializados es la eólica, principalmente porque el viento es de fácil acceso.1
En este artículo comparamos los costos medios de producir electricidad con carbón y con viento en el SIC, que incluya las principales externalidades generadas por cada tecnología.2 Para ello calculamos el costo de suministrar energía en el SIC con una central a carbón de 260 MW brutos y luego la remplazamos por una central eólica equivalente, que producirá la misma cantidad de energía anual, con la condición de mantener la misma confiabilidad en la operación del sistema.3
Los principales contaminantes provenientes de la combustión del carbón son los óxidos de sulfuro (SOx), los óxidos de nitrógeno (NOx) y el material particulado (MP10, partículas menores a 10 µm y MP2.5, partículas menores a 2.5 µm-.4 Además, del proceso de la combustión también se desprende CO2, que es el principal gas responsable del calentamiento global o efecto invernadero. Para evaluar el costo de las externalidades ambientales calculamos las emisiones del contaminante y las valorizamos según el costo de su daño marginal. En el caso de los contaminantes que dañan la salud, consideramos los valores medios presentados en el estudio de (Muller y Mendelsohn 2007) al cuantificar el costo de la contaminación ambiental en los Estados Unidos. En el caso del calentamiento global usamos el valor del daño marginal del CO2 presentado en Tol (2005). De este modo, sumando el costo ambiental a los costos de inversión y producción obtenemos un valor del costo medio de producción (costo medio) que refleja de mejor modo el costo de producir electricidad con carbón. Finalmente para analizar el efecto de la variabilidad del precio del combustible (en particular del carbón) en los costos de producción, además del caso base, o Business as Usual (BASE), mostramos sensibilidades con valores extremos del precio del carbón.
Respecto a la generación eólica se debe considerar la disponibilidad y volatilidad del viento. La disponibilidad es un valor medio que da cuenta de cuán presente se encuentra una fuente primaria de energía. En el caso del viento es el factor de planta -que corresponde a la producción promedio de electricidad como porcentaje de la capacidad instalada-5 el valor más usado, y depende de la región en que se instale el molino, la altura y de su posición. En general, las centrales eólicas no obtienen factores de planta altos. Boccard (2009) informa que el valor promedio alcanzado en Europa en el periodo 2003-2007 fue de apenas 21 y de 25.7% en los Estados Unidos. La volatilidad del viento se refiere a cuánto puede variar la generación de un instante a otro. Díaz-Guerra (2007) afirma que en España -país que genera con viento alrededor de 9% de su electricidad- en el año 2007 la generación horaria varió desde 25 MW (casi nada) hasta mas de 8 mil MW.6 De este modo, al comparar el viento con las tecnologías tradicionales, se debe incluir en el costo medio los costos de los respaldos térmicos necesarios para mantener la misma confiabilidad del sistema, representada por la probabilidad de pérdida de carga del sistema (LOLP por sus siglas en inglés).7
La primera conclusión de este trabajo es que el costo adicional de remplazar una central a carbón de 260 MW brutos con energía eólica durante 25 años, es de 1 074 millones de dólares en valor presente (en dólares de 2008), suponiendo que el factor de planta que se alcance sea 24% -el promedio en los sitios en que la Comisión Nacional de Energía (CNE) ha medido la velocidad del viento-. La principal razón del mayor costo es que para reemplazar a una central a carbón, se necesita cuatro veces el número de KW en turbinas de viento (2 219 millones de dólares contra 515 millones).
La segunda conclusión es que la principal desventaja del viento son sus bajos factores de planta, no su volatilidad. En nuestro artículo, calculamos las consecuencias de que el viento sea una fuente de energía volátil que a veces sopla y otras veces no. En Chile no hay muchos estudios de las variaciones horarias, diarias o estacionales, pero es razonable esperar que sean importantes. De este modo el costo adicional dependerá de cuándo sople el viento: si lo hace en horas punta o sigue a la demanda, el costo adicional estará entre 896 y 980 millones de dólares, pero si sopla fuera de la punta, el costo adicional alcanzará los 1 113 millones en valor presente, a la vez que la LOLP anual del sistema eléctrico aumentará desde 7% en el caso base hasta 10%.8 Si se desea mantener la LOLP del sistema, la inversión en molinos de viento se debe acompañar con respaldos térmicos, seguramente de generadores diesel, lo que se suma al costo directo de las turbinas de viento. Esta inversión adicional cuesta alrededor de 145 millones de dólares -su costo de operación 101 millones de dólares es en valor presente- con lo que el sobrecosto respecto al caso BASE asciende a 1 228 millones de dólares en valor presente.
La tercera conclusión, es que el costo medio de largo plazo de una central a carbón operando con carbón bituminoso de 76 dólares/ton es de 78 de dólares/MWh, de los que 17 dólares/MWh corresponden a los costos de las externalidades ambientales que representan 22% del costo medio total. Sin embargo, dependiendo del precio del carbón bituminoso, el costo medio podría ir desde 69 dólares/MWh, para un carbón barato de 50 dólares/ton, hasta 93 dólares/MWh si se trata de un carbón caro de 120 dólares/ton. En el caso del viento el costo medio es de 136 dólares/MWh, con un factor de planta de 24%, en el que el costo del respaldo térmico adicional para mantener la misma confiabilidad del sistema del caso base es de 5 dólares MWh -4% del costo medio total de producción- y el costo ambiental producido por las emisiones de la mayor producción de centrales térmicas del sistema que operaron por la falta de viento, es de sólo 0.1 dólares/MWh -0.1% del costo medio total-. También calculamos el costo del viento sin respaldos térmicos adicionales dependiendo de las horas en que éste sople: si lo hace durante las horas de punta es de 127 dólares/MWh; si sigue la demanda es de 131 dólares/MW y si sopla en las horas fuera de punta es de 138 dólares/MWh, caso en el que la probabilidad de falla del sistema sube desde 7%, registrada en el caso base, a 10%. Si a éste se le agregan respaldos térmicos el costo del viento sube a 144 dólares/MWh. Si la disponibilidad del viento es mayor o menor a del caso base, el costo medio de producción puede fluctuar de 89 dólares -con factor de planta de 35% y el viento soplando en horas de punta- a 217 dólares/MWh -con factor de planta de 15% y el viento soplando en horas fuera de punta-.
En resumen, nuestros cálculos indican que el costo del viento está muy por encima del costo del carbón, aun si se consideran los costos ambientales locales y globales que generan las emisiones. La conclusión tampoco cambia si se consideran altos costos en la compra de carbón.
El artículo se organiza como sigue. La sección I calcula los costos ambientales de una central termoeléctrica. La sección II trata los costos de la generación con viento. La sección III describe el sistema eléctrico chileno y explica el método para comparar viento y carbón. La sección IV presenta los resultados, y por último se concluye. En el apéndice se incluye pormenores de cálculos e información adicional.
I. COSTOS AMBIENTALES CAUSADOS POR UNA CENTRAL A CARBÓN
Las centrales a carbón tradicionales o carbón pulverizado (CP) producen energía eléctrica por medio de una serie de etapas de conversión: el carbón se quema en calderas en la que se convierte el agua en vapor de alta presión, el cual impulsa una turbina que genera electricidad. El costo de la inversión y mantenimiento de una central de CP normalmente aumenta cuando se instalan equipos de abatimiento de contaminantes. Sin embargo se trata de valores bastante conocidos en la industria. En este estudio hemos tomado el valor registrado por la Comisión Nacional de Energía en el informe de precios regulados de abril 2009, de 2 300 dólares/KW para una central con CP que incluye equipos de abatimiento de SOx, NOx y el MP. En el caso de las emisiones de gases invernadero, el dióxido de carbono (CO2) es el principal. El costo del daño provocado por las emisiones de SOx, NOx, MP y CO2 normalmente no se suma al costo de producción. En nuestro estudio obtendremos el costo de la externalidad valorizando la cantidad emitida de cada contaminante, según el daño marginal que provoca una tonelada adicional emitida.
1. Factores de emisión
Las emisiones de centrales a carbón son propias de un proceso de combustión y dependen de factores tales como el tipo de carbón (bituminoso o subbituminoso), tipo y tamaño de la caldera o las condiciones de los quemadores.9 Los contaminantes más importantes son el SOx, NOx y el MP. Emisiones no controladas de MP incluyen la ceniza de la combustión y los residuos de carbón provenientes de una combustión incompleta. Según del tamaño de las partículas el MP se clasifica en MP10, partículas entre 10 y 2.5 µm y MP2.5, menos de 2.5 µm.10 A estos contaminantes se agrega las emisiones de gases que provocan el efecto invernadero, de los cuales el principal es el CO2.
El Cuadro 1 muestra el valor máximo y mínimo del factor de emisión de cada contaminante de una CP en kg de cada contaminante por tonelada, el factor de emisión. Muestra también tres tipos de emisiones por ton de carbón: en la parte A se encuentran las emisiones descontroladas (emisiones en las que no se han instalado equipos de abatimiento); en la parte B las emisiones controladas (las emisiones residuales que no pudieron ser abatidas debido a la ineficiencia de los equipos de descontaminación), y finalmente en la parte C se muestran las emisiones abatidas por los equipos de contaminación.
a Factores de emisión de SOx, NOx y MP para el carbón se obtuvieron de procesar la información de US EPA (1998), tablas 1.1-3; 1.1-6; 1.1-7 y 1.1-9. Factores de emisión para el petróleo 6 se obtuvieron de procesar la información de US EPA (1998), tablas 1.3-1; 1.3-4 y 1.3-12.
b Wet scrabbers (FGD): eficiencia en el abatimiento mayor a 90 por ciento.
c Selective catalitic reduction (SCR): eficiencia en el abatimiento entre 75 y 86%. Se consideró 80 por ciento.
d Electrostatic precipitator (ESP): eficiencia en el abatimiento de 99 por ciento.
e Informe del Grupo de trabajo III del IPCC, IPCC (2005), tabla 8.1, p. 343.
Cuadro 1 Factores de emisión del carbón y del petróleoa
En el caso del SOx, NOx y MP hemos utilizado directamente el factor de emisión de cada contaminante de una central CP presentado en el informe AP-42 en US EPA (1998). En el caso del CO2 el factor de emisión se obtuvo del informe elaborado por el Grupo de Trabajo III del Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2005, tabla 8.1 p. 343). Éste muestra que por cada MWh generado las nuevas centrales CP producen un máximo de 0.811 ton de CO2, equivalente a 2 157 kg de CO2 por cada tonelada de carbón para una central con rendimiento medio de 0.376 kg de carbón por cada kWh generado.11 De este modo el total de emisiones de un contaminante es igual a contaminación = factor de emisión x toneladas de carbón.
2. Daño marginal causado por las emisiones y costo de abatimiento
La primera fila del Cuadro 2 muestra el costo del daño marginal causado por cada tonelada de contaminante emitido. En los casos del SOx, NOx y MP los valores se obtienen directamente del estudio de (Muller y Mendelsohn 2007, Cuadro 3 p. 10). El caso del CO2 es algo más complicado ya que el número de estudios que han estimado el costo del daño marginal causado por una tonelada de carbono es grande y el rango de variación de las estimaciones amplio. Se debe tener presente que en el caso del CO2, los estudios normalmente presentan el costo del daño marginal de una tonelada de carbono (C). De este modo, en vista de que cada tonelada de carbono es equivalente a 3.67 toneladas de CO2, para transformar a toneladas de CO2 se deben multiplicar las toneladas de carbono por ese valor. 12
a Cálculo consideró el valor máximo del factor de emisiones.
b Valor para el CO2 de (Tol 2005).
c Valores par NOx, SOx y MP de Muller y Mendelsohn (2007), tabla 3, p. 10.
d Costos de abatir NOx y SOx del Banco Mundial Group (1998), p. 423, en dólares de 1997 y llevado al 2010 con un cpi de 2.5% anual. Se usaron los valores máximos. Costos de abatir MP obtenido con base en la información de la industria.
e Costo de la tonelada de CO2 abatida de IPCC (2005), tabla TS.10, p. 43. Los costos de mitigación incluyen captación, transporte y almacenamiento geológico. Se usó el valor máximo.
Cuadro 2 Costo de los contaminantes en dólares de 2008a
El artículo de (Tol 2005), quien resume y compara los resultados de 28 estudios hechos por académicos de 18 equipos independientes, es la revisión bibliográfica más completa que encontramos. En éste, la media de las estimaciones del daño marginal causado por una tonelada de carbono es 86 de dólares/tC y la desviación estándar de 249 dólares/tC.13 Sin embargo, Tol señala que existen diferencias sistemáticas entre estudios -no todos son igualmente confiables-. Así, si se consideran solamente aquellos estudios publicados en revistas académicas con relación anónima de pares, la media cae a 43 dólares/tC y la desviación estándar a 83 dólares/tC. Hechas estas consideraciones, (Tol 2005) concluye que es improbable que el costo del daño marginal de las emisiones de dióxido de carbono exceda los 50 dólares/tC y que probablemente es mucho más bajo; o lo que es lo mismo, es improbable que el costo del daño marginal de las emisiones de dióxido de carbono exceda los 13.6 dólares/tCO2. 14 En nuestros ejercicios supondremos que éste es el costo del daño que causan las emisiones de CO2. Cabe destacar que (Nordhaus 2008) estima que el costo del daño causado por las emisiones es 27 dólares/tC (7.4 dólares/tCO2) en valor presente a 2005, y que este costo aumenta entre 2 y 3% cada año. Así, el costo del daño causado por una tonelada de carbono emitida en 2050 sería de 90 dólares/tC (24.5 dólares/tCO2) y 200 dólares/tC (54.5 dólares/tCO2) en 2100.15
La segunda fila del Cuadro 2 muestra los costos de abatir cada contaminante por kW instalado de una a central a carbón. En el caso del SOx, NOx y MP existen filtros que permiten abatir gran parte de las emisiones. Los costos se obtuvieron directamente de la guía del Banco Mundial para nuevas plantas termoeléctricas (Banco Mundial, 1998) y fueron actualizados para 2010. Además, se consideró que la incorporación de éstos aumenta los consumos propios de una central desde 4 a 7%. El Cuadro 2, tercera fila, también muestra el costo equivalente de abatir cada tonelada de SOx, NOx y MP, que se obtiene de dividir la anualidad de la inversión de los equipos, AVI (calculada a 10% y a 25 años), por las toneladas de emisiones abatidas en el año. Finalmente, el costo de abatir CO2 en una central a carbón se obtiene directamente, en dólares por tonelada, del informe del Grupo de Trabajo III del IPCC, (IPCC 2005). Los costos de mitigación incluyen captación, transporte y almacenamiento geológico.
De la cuarta a la sexta fila del Cuadro 2, se muestra el costo marginal del contaminante por cada MWh generado en una central a carbón, que se obtiene de multiplicar el costo marginal, en dólares por tonelada del contaminante, por su respectivo factor de emisión y por el consumo específico de la central. La última fila del Cuadro 2 muestra el costo ambiental por MWh generado de una turbina a diesel operando con petróleo núm.6.
3. Política óptima y el costo social de las emisiones
Una de las ventajas de usar valores marginales y no medios es que se puede estudiar qué contaminantes son más eficientes de abatir. La política debiera ser abatir un contaminante sólo cuando el costo de abatir sea igual o inferior a su daño marginal. Por lo contrario, si el costo de abatir es mayor que el marginal, conviene tolerar el daño marginal. El Cuadro 2, fila 7, indica la decisión eficiente de cada contaminante, que se obtiene comparando los costos por cada MWh generado de la emisión descontrolada (CED) con el de abatir (CA) sumado el costo de las emisiones descontroladas (CEC). De este modo la decisión óptima será abatir solo si
Aplicando lo anterior, se obtiene que para el SOx, NOx y MP conviene abatir. En ese caso, el costo del daño causado por las emisiones no abatidas, es igual al costo marginal de las emisiones controladas por MWh generado (Cuadro 2, sexta fila) multiplicada por la generación neta de la central en el periodo. Por lo contrario, el CO2 es el único contaminante que no conviene abatir. En este caso, el costo del daño causado por las emisiones es igual al costo marginal por MWh generado de las emisiones descontroladas (Cuadro 2, sexta fila) multiplicada por la generación neta de la central.
II. EL COSTO DE GENERAR CON VIENTO
1. El costo de la capacidad eólica
Las estimaciones del costo de la generación con viento no son precisas. Sin embargo, la disponibilidad y volatilidad del viento es la principal variable en la elaboración de un molino. En Chile, (Moreno et al 2007) estiman que cada kW cuesta entre 1 100 y 1 500 dólares. (Santana 2006) da un rango entre 1 200 y 1 800 dólares. En los Estados Unidos (Bolinger y Wiser 2008), p. 21, afirman que el costo por kW de turbinas instaladas en 2007 varió entre 1 240 y 2 600 dólares, siendo la media 1 710. Sin embargo, el costo ha ido aumentando en años recientes, principalmente por el aumento del precio de las turbinas. De hecho, la estimación promedio de (Bolinger y Wiser 2007) del costo de los proyectos propuestos en 2006 (pero aún no ejecutados) es de 1 920 dólares el kW.
En general, tales valores parecen un tanto bajos, en vista de los montos que se declaran en algunos proyectos recién construidos en Chile. Por ejemplo, Endesa informó que la inversión en su parque eólico Canela de 18.15 MW que entró en operación en diciembre de 2007 ascendió a 35 millones de dólares, o 1 928 dólares/kW.16 La minera Barrick, por su parte, declaró que la inversión en su parque eólico Punta Colorada de 20MW ascenderá a 40 millones de dólares, o 2 000 dólares/kW.17
Quizá el estudio más cuidadoso del costo de instalar un parque eólico en Chile es el de Pavez (2008). El Cuadro 3 muestra el desglose de los costos estimados por Pavez de construir un parque eólico en el norte de Chile -las turbinas, su instalación y el costo de las obras civiles-. La columna 1 muestra que un parque eólico de potencia nominal de 173 MW costaría 407 millones de dólares o 2 350 dólares/kW. A medida que el tamaño del parque disminuye, el costo total cae pero aumenta el costo por kW. Así, el costo por kW es de 2 383 dólares/kW si el parque es de 91 MW y 2 422.9 dólares/kW si el parque es de 58 MW. En nuestras simulaciones supondremos que el costo de cada kW de capacidad eólica es de 2 350 dólares.18
2. El factor de planta y la variabilidad del viento
La variabilidad del viento implica que la hélice girará bastante menos que su capacidad máxima y por eso el factor de planta de las turbina eólicas es comparativamente bajo.19 En (Oswald et al 2006) se muestra los siguientes factores de planta: Reino Unido 28.4%, España 26.6%, Dinamarca 24.1% y Alemania 17.8%. (Bollinger y Wiser 2007), pp. 23 y ss. registran factores de planta del orden de 30% en promedio para los Estados Unidos, aunque el rango es amplio -por ejemplo, entre 18 y 48% para proyectos construidos en 2006-. Por último, (Giumelli 2008) presenta factores de planta de 29.8% en Brasil.
La CNE ha encargado varios estudios que miden la velocidad del viento en distintos puntos de Chile.20 En este trabajo utilizaremos mediciones en ocho lugares ubicados en las regiones del Maule, Coquimbo y Atacama hechas entre el 29 de enero de 2006 y el 8 de noviembre de 2007. En estos lugares se instalaron anemómetros en torres de 20 y 40 metros y se registró la velocidad del viento cada 10 minutos.21 El cuadro 4 muestra los factores de planta que se infieren de las mediciones de la (CNE 2007b) en cada uno de los ocho lugares. Tal como se observa en la columna 2, éstos varían entre 7.7% (Llano del Chocolate) y 39.5% (Loma del Hueso) y la media es 24%.22 La volatilidad del viento la trataremos por medio del estudio de distintos escenarios. Para ello la oferta de generación eólica se distribuye en los diferentes bloques de la demanda mensual, según el viento esté disponible en las horas de punta, fuera de punta o según la demanda.
III. LA METODOLOGÍA USADA EN EL ESTUDIO
1. Operación a mínimo costo del SIC
Para simular la operación a mínimo costo de las centrales del SIC en cada escenario utilizamos el modelo de despacho Omsic conjuntamente con el plan de obras, o programa de entrada de nuevas centrales, elaborado por la CNE en abril de 2007 (CNE 2007a).23 Éste es un plan indicativo que minimiza el costo de operación, inversión y falla, considerando las distintas opciones de generación: la hidroelectricidad, el carbón, el gas natural licuado (GNL) o el diesel. El conjunto de centrales que arroja esta optimación es conocido como plan de obras adaptado a la demanda e indicativo de la CNE, y su finalidad es simular las decisiones de inversión de los generadores privados. 24 Ahora bien, para cuantificar el efecto de una planta eólica en el SIC es necesario modificar el plan de obras del caso base, considerando que la planta eólica instalada sustituirá a una a carbón. Al mismo tiempo, desde el punto de vista de simular la operación del sistema, la planta eólica no sustituye a la planta térmica sino que sólo retrasa su entrada. Por eso, al simular la operación del sistema supondremos que la demanda residual -es decir, descontada la parte que será suministrada por la planta eólica- será satisfecha por centrales tradicionales. Así, las centrales a carbón se retrasarán lo suficiente para que el costo marginal monómico de la energía sea a lo menos igual al costo de la tecnología de expansión, el carbón. De este modo, se puede obtener el nuevo plan de obras y simular la operación. Con este método haremos el ejercicio que se describe a continuación.25
2. ¿Cuánto cuesta sustituir una central a carbón?
Calcular el costo de inversión es sencillo. Basta con multiplicar el número de kilowatts de potencia por el costo por kW, una magnitud habitualmente disponible. Sin embargo, las reglas de operación del sistema eléctrico chileno implican que cuando una turbina eólica remplaza a una central a carbón no forzosamente sustituye generación a carbón. En efecto, el costo marginal de la generación eólica es 0 y eso implica que toda la energía será colocada en la base. Por tanto, según sea la hora del día en que sople, el viento sustituirá carbón, gas o diesel. Además, qué combustible sea remplazado en cada momento dependerá también de la cantidad de agua disponible. Por eso, la sustitución debe calcularse simulando la operación del sistema. Una vez computadas las diferencias de costos de operación, incluyendo los costos asociados a las externalidades ambientales, con una y otra opción, las actualizaremos descontándolas al 10% real suponiendo un horizonte de 25 años, que aproximadamente corresponde al tiempo de vida útil de una central eólica.
Por otra parte, es necesario considerar que la disponibilidad de viento es aleatoria y, valga la redundancia, volátil. Esto implica que si la generación eólica sustituye a una central a carbón seguramente será necesario invertir en capacidad de respaldo (posiblemente turbinas diesel), de lo contrario aumentará la probabilidad de déficit respecto al caso base. De manera similar, si las turbinas eólicas no generan durante las horas de punta, es necesario sustituirlas con centrales térmicas. Por eso, una parte del costo de la energía eólica es: o la inversión en respaldo térmico, la mayor probabilidad de déficit de energía o un aumento de la probabilidad de pérdida de carga.26 De este modo para dejar constante la probabilidad anual de déficit (LOLP anual), basta con agregar suficiente capacidad térmica en turbinas operando con diesel.27
3. La variabilidad del viento y el modelo de despacho
La variabilidad del viento no ha sido recogida en los modelos de despacho hidrotérmicos que se ocupan para simular la operación del SIC. En realidad, se ha supuesto que las centrales eólicas son de base, que su costo de operación es 0 y que a toda hora aportan la misma potencia igual a sus factores de planta. Este supuesto simplifica los cálculos, pero es inapropiado porque la disponibilidad de viento varía hora a hora, mes a mes y, seguramente, año a año. Esto no tiene mayor consecuencia cuando se modelan centrales eólicas de un par de megawatts, pero los errores son más grandes si la generación eólica es abundante.
En el estudio modelamos la variabilidad del viento de la siguiente forma. Primero supondremos que la cantidad total de energía generada durante cada año por una central eólica es siempre la misma e igual a capacidad nominal x factor de planta x 8 760. Segundo, para modelar la variabilidad del viento asignaremos la energía que implica el factor de planta entre los 12 meses del año a prorrata de la disponibilidad mensual que se infiere de las mediciones de la (CNE 2007b) citadas en el Cuadro 2. Tercero, dentro de cada mes, asignaremos esta energía de manera diversa entre los cinco bloques de demanda para examinar las consecuencias de la disponibilidad variable de viento. De este modo la generación eólica disponible cada mes se distribuye en los distintos bloques horarios de la demanda mensual, según el viento esté disponible en las horas de punta, fuera de punta o según siga el consumo.28
4. Escenarios
Las simulaciones se harán con el modelo Omsic considerando los siguientes casos: i) caso base o BASE: plan de obras de la CNE con centrales tradicionales y sin turbinas eólicas. El precio del carbón bituminoso considerado es de 76 dólares/ton. Además presentamos dos casos de precio del precio del carbón bituminoso: barato (50 dólares/ton) y caro (120 dólares/ton); ii) caso CNE con respaldo: considera el caso BASE con el precio del carbón en 76 dólares/ton pero remplazando a partir del 2010 una central a carbón de 260MW brutos por una central eólica con un factor de planta igual a 24% y las distribuciones horarias y mensuales calculadas según las mediciones CNE en los ocho sitios descritos en el Cuadro 4. Por tanto, para reemplazarla con generación basada en viento se necesitan 1 900 000 MWh/(factor de planta) 8 760. MW de capacidad eólica. Por eso, si el factor de planta es igual al promedio del Cuadro 4 -es decir 24%- se necesitan 943 MW para remplazar a una central a carbón de 260 MW brutos.
FUENTE: Cálculos de los autores basados en información de la CNE (2007b).
Cuadro 4 Factores de planta en ocho puntos de medición
Además, agregamos una central térmica diesel suficiente para mantener la probabilidad de déficit cercana al caso base y hacemos los siguientes ejercicios de sensibilidad: i) todo el viento sopla en la hora de punta: el 100% de la energía eólica se genera en las horas de punta, pero sin respaldo térmico; ii) el viento sigue el consumo: la generación eólica se reparte entre horas en la misma proporción que el consumo total, pero sin respaldo térmico; iii) el viento sólo sopla en horas fuera de punta: el 100% de la generación eólica se entrega en la horas de menor consumo, pero sin respaldo térmico; iv) el viento sólo sopla en horas fuera de punta con respaldo: este caso es idéntico al anterior, pero se le agrega una central térmica diesel suficiente para mantener la probabilidad de déficit cercana al escenario base.
Nótese que no consideramos variaciones interanuales del viento. También es conveniente señalar que no cambiamos las políticas de operación del lago Laja, las que son calculadas por el modelo de despacho durante la optimación. Las políticas de operación a mínimo costo, indican la cantidad de agua que debe ser desembalsada y generada en las centrales del lago Laja en cada etapa.29 En nuestras simulaciones la central eólica es respaldada con una turbina a gas operando con diesel. El respaldo también podría provenir de los embalses del SIC, sin embargo, esta opción es más cara que una turbina, porque en sequía el costo del agua es mayor que la anualidad del costo de inversión y de operación de una turbina a gas operando con diesel.
IV. RESULTADOS
1. Costos de una central PC
Una central a carbón de 260 MW brutos genera alrededor de 1 900 GWh cada año y sus costos de inversión y operación en el caso base ascienden 1 449 millones de dólares. El desglose de estos costos se muestra en el cuadro 5. La inversión de 515 millones de dólares, y los costos operacionales de 615 millones de dólares, representan respectivamente 36 y 42% del total de los costos. La inversión en equipos de abatimiento y valoración de las emisiones de los contaminantes ascienden a 320 millones de dólares, el 22% del total de costos. Además, se muestra las sensibilidades al precio del carbón. Con un carbón barato (50 dólares/ton) el costo total es de 1 285 millones de dólares, 11% inferior al caso base, y con un carbón caro (120 dólares/ton) el costo es de 1 726 millones de dólares, 19% mayor al caso base.
2. ¿Cuánto cuesta remplazar una central a carbón con viento?
El mismo Cuadro 5 muestra el costo adicional de sustituir con generación eólica, lo generado cada año por 260 MW de carbón. A continuación analizamos la simulación registrada en la columna 1. Este ejercicio supone que el viento replica la pauta de los estudios de la CNE, en la que el viento sopla principalmente entre las 16 y 19 hrs.
a Valor presente con tasa de descuento anual de 10% y 25 años. Factor de planta central eólica de 24 por ciento.
b Carbón bituminoso con un valor de 76 dólares/ton. CNE (octubre de 2007).
c Carbón bituminoso con un valor de 50 dólares/ton. CNE (octubre de 2003).
d Carbón bituminoso con un valor de 120 dólares/ton. CNE (octubre de 2008).
e Considera una inversión de 1 978 dólares/KW en una central a carbón CP sin equipos de descontaminación. El valor se obtiene de descontar al valor re gistrado en CNE (abril, 2009), el costo de los equipos de descontaminación de 322 dólares/KW registrados por el Banco Mundial. En el caso de la central eólica considera una inversión de 2 350 dólares/KW (Pavez, 2008).
f Consumo específico de 0.34 kg de carbón por cada KWh neto.
g Para una central a carbón el costo variable no combustible es de 3.0 dólares/MWh y para una central eólica es de 8.0 dólares/MWh.
h Costo por uso del sistema troncal es de 3.0 /MWh.
i Costo fijo de mantenimiento anual de una central a carbón es de 8 dólares por cada KW. Para una central eólica es de 0.9 dólares por cada KW.
j Costos de administración del 1% del total de la inversión en una central CP. En una central eólica no se consideraron costos relevantes.
k Inversión en una turbina de respaldo diesel de 250 MW.
l Representa los mayores costos de operación de las centrales termoeléctricas del sistema, que se originan al remplazar una central a carbón CP con una central eólica. En caso de ser negativo, significa que la operación es más económica con la central eólica.
m No se considera abatimiento de CO2 debido a su alto costo, que es superior al costo marginal de emisión.
Cuadro 5 Costos de remplazar una central a carbón CP de 260 MW con una central eólicaa
Respecto a los costos, el principal es la inversión en turbinas eólicas; 2.219 millones de dólares (88% del total de los costos). Le siguen los 211 millones de dólares de costos variables de operación (8% del total de los costos que incluye costos de transporte en líneas de trasmisión troncal y costos fijos de mantenimiento); los 91 millones de dólares en respaldos térmicos (costo de la turbinas diesel de respaldo y mayor, o menor, operación térmica del sistema 4% del total de los costos), y los 2 millones de dólares en costos de contaminación por operación de los respaldos térmico cuando no hay viento (0.1% del total de los costos). En total, los costos suman 2 523 millones de dólares. Los porcentajes se muestran en la parte B del cuadro 6. También se muestra la sensibilidad de los costos según las horas del día en que el viento sopla. Si el viento sopla en las horas de punta, el costo es de 2 345 millones de dólares, caso Viento (2) y si continúa la demanda es de 2 429 millones de dólares, caso Viento (3). Por lo contrario, si sopla en las horas fuera de punta y no hay respaldos térmicos adicionales, el costo es de 2 562 millones de dólares, caso Viento (4), pero si cuenta con respaldos, el costo sube a 2 677 millones, caso Viento (5).
3. El resultado neto
La penúltima fila del Cuadro 5 muestra el resultado neto. La conclusión es que en 25 años la sustitución de 260 MW de una central a carbón por capacidad eólica equivalente aumenta el costo social en 1 074 millones de dólares (aunque el rango de las cinco estimaciones va desde 896 dólares hasta 1 228 millones, dependiendo de las horas en que sopla el viento y de si hay o no respaldos térmicos). Nuestro análisis muestra que la desventaja del viento es simplemente que, siendo bajos sus factores de planta, es necesario invertir alrededor de cuatro veces más para generar la misma energía. La mayor inversión sobrepasa con holgura el ahorro proveniente del menor costo de operación de las turbinas eólicas. Las desventajas adicionales (necesidad de respaldos térmicos y volatilidad de su disponibilidad) no son irrelevantes, pero su efecto es un orden de magnitud menor.30
En cualquier caso, la inversión en centrales térmicas probablemente no cambiará mucho con la introducción del uso del viento. En efecto, para mantener la confiabilidad del sistema y la probabilidad de déficit es necesario invertir en turbinas diesel. Nuestras simulaciones indican que para mantener la probabilidad de déficit igual a la del caso base, LOLP de 7%, si el viento soplase sólo fuera de la punta sería necesario invertir 275 MW en turbinas diesel, es decir, la capacidad de carbón que se remplazó, caso Viento (5). Por lo contrario, en este mismo caso y de no poner respaldos térmicos adicionales la LOLP del sistema sube a 9%, caso Viento (4).
4. Viento y carbón comparados
El Cuadro 6, parte A, muestra el coso medio total monómico de cada tecnología y para cada escenario. Se aprecia que el costo medio del carbón en el caso base de 78 dólares/MWh, pudiendo variar entre 69 y 93 de dólares/MWh dependiendo del costo del carbón bituminoso. El costo de la contaminación es de 17 dólares/MWh, 22% del costo medio total.
En el caso Viento (1) el costo medio es 136 de dólares/MWh. Los respaldos térmicos necesarios para mantener la LOLP del sistema aumentan el costo en 5 dólares/MWh (4% del costo medio). Sin embargo, el costo del respaldo depende de las horas en que sople el viento. Cuado el viento sopla en las horas de punta [caso Viento (2)] costo de operación térmica del sistema cae en 5 dólares/MWh; es decir, la generación eólica alivia al sistema y remplaza generación térmica, o falla (racionamiento); en este caso el costo medio es 127 de dólares/MWh. En el caso Viento (3), que es un escenario intermedio, el costo medio del viento es 131 de dólares/MWh. Por lo contrario, cuando el viento sopla en las horas fuera de punta [caso Viento (4)] y no haya respaldo de una turbina diesel, el mayor costo de operación y falla proviene exclusivamente desde el sistema y es de 7 dólares/MWh (5% del costo medio), en cuyo caso el costo medio llega a 138 dólares/MWh. Si a este escenario se agrega un respaldo térmico, el costo medio llega a 144 dólares/MWh y el costo de producción del sistema aumenta en 13 dólares/MWh; (9% del costo medio total).
Cabe notar que en los escenarios de Viento (1)-(3), a pesar de que el viento disminuye el costo de operación del sistema, aumentan las horas de operación térmica del sistema. La explicación es que el viento opera en horas de mayor demanda y reduce la probabilidad de racionamiento. Sin embargo, en el resto de las horas, el sistema debe recurrir a mayor generación térmica para remplazar al viento. Lo contrario sucede cuando el viento sopla en horas fuera punta [casos Viento (4)-(5)]: a esas horas el viento remplaza generación térmica, pero durante las hora de punta aumentará el costo del sistema porque se racionará más frecuentemente. Según sea mayor o menor la generación térmica del sistema o de los respaldos, existirá un mayor o menor costo de contaminación. Sin embargo, la generación a carbón (aun incluyendo todos los costos ambientales y el efecto de la variabilidad en el costo del carbón) es más barata que el viento.
5. El costo de la generación eólica y los factores de planta
El ejercicio supone que el factor de planta de las centrales eólicas es de 24%. Aunque tal factor es razonable en vista de los estudios que se resumen en el Cuadro 7 conviene examinar qué ocurriría si el factor de planta fuera algo mayor (30 o 35%) o menor (15 o 20%). El Cuadro 7 muestra los resultados. Se aprecia que el factor de planta determina el costo medio de la planta eólica. En un caso muy optimista, es decir, factor de planta de 35% y el viento soplando en horas de punta, el costo medio es 89 dólares/MWh. Sin embargo, si el factor de planta es 15% y el viento sopla fuera de la punta, el costo medio del viento puede llegar a 217 dólares/MWh. 31
CONCLUSIONES
En este estudio evaluamos los costos de remplazar una central a carbón tradicional de 260 MW brutos, con una central eólica equivalente en el SIC. Ambas centrales generan en promedio el mismo monto de energía anual. Simulamos como sería la operación del SIC en el periodo 2010-2035 con una y otra tecnología. Para que la comparación sea equivalente en la simulación con viento, se agregó una turbina a diesel de modo de mantener la misma confiabilidad en el suministro del sistema eléctrico. Además en el caso de la central a carbón, se incluyeron los costos sociales de los contaminantes SOx, NOx, MP y CO2.
El costo de generar con carbón en el caso base, es de 1 449 millones de dólares de 2008, en valor presente y su costo medio es de 78 dólares/MWh. El costo de la externalidad ambiental es de 17 dólares/ MWh; 22% del costo medio total. Dependiendo del precio del carbón bituminoso, el costo medio puede fluctuar entre 69 dólares/MWh, considerando un carbón barato de 50 dólares/ton, y 93 dólares/MWh, con un carbón caro de 120 dólares/ton.
Para generar la misma energía se requiere una central eólica de 943 MW con factor de planta de 24% (valor promedio de los estudios de la CNE). En este caso, el costo de generar asciende a 2 523 millones de dólares en valor presente y su costo medio a 136 dólares/MW. Para mantener la misma confiabilidad del sistema, es decir LOLP de 7%, se necesitan respaldos térmicos cuyo costo es de 5 dólares/MWh, 4% de su costo medio. Sin embargo, dependiendo de las horas en que sople el viento, este costo puede variar entre 5 dólares/MWh, cuando el viento sopla en las horas de punta, y 7 dólares/MWh, cuando el viento sopla en las horas fuera de punta y la confiabilidad del sistema cae a una LOLP de 9%. Si en este último caso se incorporan respaldos térmicos para mantener la LOLP del caso base, el mayor costo es de 13 dólares/MWh; 9% del costo medio de producción del viento.
En resumen los resultados indican que aun considerando los costos de las externalidades ambientales, generar con viento cuesta 1 074 millones de dólares más (en valor presente) que generar la misma cantidad de energía con una central tradicional a carbón; es decir, es 74% más caro. Sólo en situaciones muy favorables para el viento, es decir, altos costos del carbón, un factor de planta del viento superior a 35% y soplando en las hora de punta, resulta que el costo de generar con viento es un poco menor al de generar con carbón.
