El 4 de Septiembre de 1882 se pone en marcha el primer sistema de distribución comercial de energía eléctrica del mundo iluminando parte de la ciudad de Nueva York y el edificio New York Times[1]^,[2]. Con esto, se inició una electrificación masiva a nivel global que nos acompaña en nuestros días dejando de lado el uso local de otros energéticos como carbón y gas. Con la electrificación, los estados asumieron el rol de proveedores naturales de la electricidad, principalmente mediante monopolios estatales, integrados verticalmente. Por otro lado, desde los años 50[3]^,[4] se hablaba de la capacidad del planeta de absorber CO₂, y hacia 1975, el geofísico estadounidense Wallace Broecker, comenzaba a hablar de calentamiento global, y pocos años después, se hablaba de cambio climático.

Figura 1 Energía promedio solar generada en pruebas, vs capacidad instalada en pruebas (93MW) , entre dic 1 de 2022 a marzo 31 de 2023

Fuente: Cálculos propios con base en archivos de despacho ideal XM

Así mismo, durante las décadas de los 70 a 90 se comenzaron a visionar los mercados de energía, y en Colombia, el 20 de julio de 1995 se dio inicio al Mercado de Energía mayorista MEM. Después de 25 años de este inicio del MEM Colombia, se comienza a consolidar la visión de transición energética a través de los planes energéticos de la UPME, y con la asignación de puntos de conexión para más de 7.000 MW de energías renovables, principalmente solar, es importante evaluar cuál podría ser el impacto de esta transición en el Mercado de Energía Mayorista. A continuación, se presenta un análisis del impacto en el Mercado de Energía Mayorista, para el ingreso de generación solar esperada para la transición energética de mediano plazo.

Integración de energía solar en el Mercado de Energía Mayorista: En primer lugar, es importante señalar que la generación a partir de energía solar ocurre entre las 6 de la mañana y las 6 de tarde. La curva en la Figura 1 muestra el promedio de generación de las plantas en pruebas existentes en el despacho ideal, entre diciembre de 2022 y marzo de 2023. La línea superior, muestra la potencia instalada de las plantas que generan dicha curva. Se resalta que, en ese intervalo de meses se registraron precios de bolsa altos y bajos.

Para evaluar el impacto de la entrada de una capacidad importante de energía solar en el mercado, se realizó inicialmente, un análisis contra factual, en el cual se plantean 15 escenarios de incorporación de capacidad instalada de generación solar, proporcionales al escenario base en múltiplos de 5. Luego, para cada uno de los escenarios se hace una estimación de la generación, a partir del comportamiento de los registros del escenario base, es decir, la generación real de las plantas solares en pruebas (Ver Figura 2 y Tabla 1).

Figura 2 Curvas promedio de generación solar simuladas	Tabla 1 Relación generación pico simulada vs potencia estimada de dicha generación pico
Fuente: Cálculos propios con base en archivos de despacho ideal XM	Fuente: Cálculos propios con base en archivos de despacho ideal XM

Este periodo, se caracterizó por tener precios de bolsa cercanos a 800 $/kWh debido a una disminución de los aportes producto de olas de calor durante el periodo de verano. Por lo mismo, se analizó el impacto de la entrada de solar ante este tipo de eventos, donde el precio aumenta de forma significativa en un periodo corto.

Con lo anterior, se tomaron los archivos de despacho ideal generados por XM para el cálculo del precio de bolsa, ubicando la generación solar en la base y simulando un precio de oferta 0, con lo cual, se recalculó el despacho ideal, con la nueva generación solar para cada periodo horario. Esto para las 24 horas y los meses de análisis, calculando de forma detallada, el impacto en la formación horaria de precios de bolsa y la generación en mérito.

Supuestos:

• Toda la energía de cada escenario es entregada al sistema.
• El precio de oferta de la energía de las plantas solares para cada escenario está en la base y la oferta del resto de las plantas del sistema se mantiene.
• El despacho analizado corresponde al despacho ideal real para cada uno de los periodos de los meses.
• En el análisis se mantienen supuestos operativos de las plantas (inflexibilidades).

Resultado de estas simulaciones:

La Figura 3 muestra los precios promedio diarios calculados con base en las curvas promedio de generación mostradas anteriormente para las 24 horas del día. La curva superior, es la curva de precios resultantes del despacho ideal real, observándose que en la medida que hay un incremento en la generación solar la curva del precio promedio de bolsa disminuye. Se pueden observar disminuciones de precio que oscilan entre 50 $/kWh y 200 $/kWh para el periodo analizado. Así mismo, se encontró que los precios disminuyen cuando hay aumentos en los aportes hídricos; cuando los precios de bolsa son bajos, los impactos sobre los precios son menores, en comparación con los momentos en los que hay menos nubosidad, y por tanto menos aportes y mayores precios de bolsa, verificándose la complementariedad entre las fuentes hidro y solar tanto en lo físico como en el mercado.

Curva pato estimada

En la medida en que hay mayor entrada de generación solar, es de esperar que esta remplace parte de la generación durante las horas del día. La Figura 4 presenta el promedio de generación para cada una de las 24 horas del día, para los cuatro meses, para todos los escenarios. La curva más alta es la curva promedio real de los cuatro meses analizados, y se observa que en la medida que aumenta la generación solar, se aplana la curva horaria; si se tuviera una gran capacidad de generación solar, se tendría la curva pato ampliamente conocida en otros lados del mundo en donde se ha instalado gran capacidad de generación solar.

Es de resaltar que, para el caso colombiano analizado, si se adicionaran cerca de 929MW (generando en hora pico cerca de 511MWh), lo cual sería similar a tener todos los proyectos solares que cuentan con Obligaciones de Energía en Firme (630MW) y algunos pocos provenientes del mecanismo correspondiente a la resolución CREG 075 de 2021, la curva disminuiría a la tercera curva superior. Es decir, 929MW disminuyen la curva de generación en mérito de otras fuentes, pero no aplanan ni generan la curva pato.

Por otro lado, si se integrara una capacidad importante de generación solar, cerca de 3.249MW (generando en hora pico cerca de 1.787MWh), la curva de generación en mérito de otros energéticos se ve disminuida de 6 a 11 am, aumentando en horas de la tarde de una forma relativamente lineal, sin que se pueda decir que es una curva pato completamente.

Finalmente, si entraran casi todos los proyectos solares, cerca de 6.962MW de capacidad instalada o 3.829MWh en hora pico (12m) se obtendría una curva pato, que requiere una generación mínima promedio de 5.000MWh hacia las 11am y 12m de otros energéticos, y aumentando de forma importante después de las 4pm.

Disminución de la generación con otros energéticos

El análisis de impacto sobre la disminución de energía tiene en cuenta el despacho ideal real para cada uno de los periodos de cada día, el cual se obtiene de información disponible en los sistemas de información de XM. Sobre los valores allí registrados se analiza la cantidad y tipo de recurso que es desplazado por la generación de las plantas solares. En el análisis se mantienen supuestos operativos de las plantas (inflexibilidades) así como la demanda que fijó el precio de bolsa correspondiente para cada hora (En promedio, para el periodo, la demanda del SIN se encontró alrededor de 210 GWh/día).

• Impacto sobre la generación Hidro

La Figura 5 presenta la generación promedio día de los 4 meses simulados, para los diferentes escenarios de penetración de energía solar.

Se observa que para lo sucedido realmente en el periodo diciembre 2022 a marzo de 2023, se generó en promedio 165GWh/día con agua. Al ir aumentando la generación solar, se observaría una disminución cercana a 5GWh/día si se instalaran solo los proyectos con OEF.

Por otro lado, si se instalaran 3.249MW, se disminuiría 12GWh/día en promedio, y si se instalaran todos los proyectos solares, la generación hidro disminuiría en cerca de 25GWh/día.

• Impacto sobre la generación Térmica a Carbón

Para el caso de la generación en mérito a carbón, se observa que tendría una disminución menor que la hidro, aunque se observa en la Figura 6 que puede llegar hasta 4GWh/día en promedio, si se instalan todos los proyectos solares.

Si solamente se instalaran 929MW de solar, se tendría una disminución baja, menor a 1GWh/día, y si se instalaran cerca de 4.642MW (2.553MWh en hora pico de generación solar), se tendría un ahorro cercano a 2GWh/día en promedio.

No obstante, la generación solar incluso con todos los proyectos de generación, no remplaza toda la generación a carbón en mérito. Esto, dadas las limitaciones de la generación solar que evita que esta generación sea aprovechable durante la noche.

• Impacto sobre la generación Térmica a Gas Natural

De los resultados se observa que la generación en mérito con gas natural también disminuye. Es de resaltar que la generación en mérito con gas para este periodo se dio principalmente con gas natural nacional, siendo más económico que el importado.

Al analizar la Figura 7, se observa, que la disminución en generación con gas durante el periodo de análisis es menor a la disminución con carbón y con hidro.

En el mejor de los casos, asumiendo una entrada de 6.962MW de capacidad instalada o 3.829MWh en hora pico (12m), se evitarían cerca de 2GWh/día, es decir cerca de la mitad de lo que se evitaría en carbón.

Emisiones evitadas

La incorporación de proyectos de generación solar ayuda a disminuir las emisiones de CO₂. Para el periodo analizado, y usando los factores de emisión caracterizados por la UPME[5] se puede calcular el promedio de emisiones diarios evitadas para cada uno de los escenarios de penetración de generación solar. Los valores usados son para el caso de centrales térmicas a gas es de 58,6 kg CO₂/MBTU, para el caso de carbón 92,9 kg CO₂/MBTU. Para el caso de gas, se asume un consumo de 7.000 MBTU/GWh que es cercano a lo consumido por una planta de ciclo combinado, mientras que para el caso de carbón se asume 9.000 MBTU/GWh.

La Figura 8, presenta el resumen de emisiones para cada uno de los escenarios de generación analizados. Como se observa, si se incluyen todos los proyectos de generación solar autorizados, se tendría una importante disminución de emisiones, del orden de 350.000 Toneladas para los cuatro meses para carbón y cerca de 85,000 Toneladas para gas, es decir, cerca de 1,2 Millones de Toneladas de CO₂ disminuidas por año. No obstante, si solo se instalan los proyectos con obligaciones de energía en firme, dicha disminución de emisiones, no llegaría a 100.000 Toneladas de CO₂ por año.

Análisis comparativo con el fenómeno de El Niño 2024

La evolución de la generación solar al medio día, se observa en la Figura 9. Es de resaltar, que para el periodo del análisis anterior (diciembre de 2022 a marzo de 2023) se observó una generación total, incluyendo proyectos menores, cercana a 200MWh en promedio al medio día con capacidad instalada cercana a 290MW más 93MW en pruebas, y la misma, ha evolucionado, a cerca de 1.400MWh a finales de mayo de 2024. Esta generación incluye plantas de generación en operación y en pruebas, estimándose que para marzo de 2024 se tenían cerca de 600 MW instalados en operación, y cerca de 1.200 MW instalados de plantas solares en pruebas.

Durante el fenómeno de El Niño, se observa una generación de renovables importante, cercana a 11GWh/día, de los cuales entre 7,5 GWh/día y 8,5 GWh/día, fueron por recurso solar (Figura 10).

También se observa que la generación térmica osciló entre 60GWh/día y 110 GWh/día, durante el fenómeno de El Niño, requiriéndose ésta última, fundamentalmente a mediados de abril. Durante mayo, se observa que la generación térmica disminuye de forma importante, en la medida que se tienen grandes aportes desde finales de abril, en inicio a la temporada de lluvias de 2024. Frente a este cambio, se observa que, la generación renovable se mantiene relativamente constante.

Figura 11 Generación periodo diciembre 1 de 2022 a marzo 31 de 2023	Figura 12 Generación periodo enero 1 de 2024 a abril 30 de 2024
Elaboración propia, Fuente: Sinergox XM	Elaboración propia, Fuente: Sinergox XM

Las figuras 11 y 12 presentan la generación solar promedio y su impacto general tanto para el periodo de simulación, como para el periodo enero 1 a abril 31 de 2024, observándose el crecimiento de la demanda, impactada por el fenómeno de El Niño, así como el aumento de la generación solar y su impacto en la generación total. La demanda SIN durante el fenómeno de El Niño estuvo alrededor de 225GWh/día.

Por su parte, las curvas 13 y 14, presentan las curvas de generación para varias plantas de generación hidráulicas. La Figura 13, presenta la generación ideal de las plantas hidro, para el periodo diciembre 2022 a marzo de 2023. Se observa un incremento importante en la generación de algunas plantas hidro, desde las 6:00 am, manteniéndose durante el día hasta después de las 10:00 pm.

Figura 13 Curva de generación horaria promedio para algunas plantas hidro, periodo dic 2022 a mar 2023	Figura 14 Curva de generación horaria promedio para plantas hidro, periodo ene 2024 a abril 2024
Fuente: Análisis propios con base en archivos despacho ideal XM	Fuente: Análisis propios con base en archivos despacho ideal XM

La Figura 14 presenta la generación promedio durante el fenómeno de El Niño, de enero 1 de 2024 a abril 31 de 2024. Se observa que, en general, la generación sigue una curva ascendente entre las 12 horas de generación solar (6am a 6 pm), con especial importancia en las plantas Guavio, Chivor, San Carlos, Sogamoso, Pagua y Betania, mientras que otras plantas como Calima, Guatapé y Jaguas tienen una generación relativamente constante en promedio para cada hora.

Esto se debe principalmente, a que las plantas con mayor capacidad instalada, tienen más probabilidad de absorber la curva de demanda horaria, fijando el precio de bolsa y por lo mismo, son impactadas mayormente por la generación solar presentada durante el fenómeno de El Niño. Esto permite observar, que la curva pato se ve reflejada en las plantas hidro principalmente.

Conclusiones y recomendaciones

1. La entrada de la generación solar tiene impactos en el mercado de energía mayorista, permitiendo una disminución que puede ser considerable en la formación de precios de bolsa horarios, y por ende en la formación del precio de bolsa promedio día. Lo anterior asumiendo que el componente de precio de las ofertas de las plantas de generación solar se ubica en la base.
2. La implementación de capacidad instalada solar trae retos operativos al sistema, tales como mayor requerimiento de flexibilidad y/o baterías especialmente al final de la tarde, cuando inicia la curva pico.
3. Pese a tener una gran capacidad instalada, superior a 1.500MW, al generar solo durante el día, el sistema aún requiere de gran cantidad de energía durante la noche que debe ser atendida ya sea con generación hidro o térmica.
4. Durante el fenómeno de El Niño, se requirió una generación térmica de base para lograr compensar la importante disminución de la generación hidro durante el periodo. Esto indica que las condiciones de este fenómeno pueden no ser contenidas suficientemente solamente con generación solar, lo cual unido a la exposición en bolsa de los agentes generadores, disminuyen el impacto de esta generación en el mercado, debido a que el sistema aún requiere de gran cantidad de energía durante la noche que debe ser atendida, ya sea con generación hidro o térmica.
5. Si bien las simulaciones indican que en general hay una disminución en el precio de bolsa en la medida que hay un ingreso de generación con energía solar en la base, durante el fenómeno de El Níño, se observó que la misma no fue suficiente para disminuir el riesgo de exposición en bolsa de los agentes comercializadores, por lo que es importante, que el regulador estudie e implemente, diferentes mecanismos para la disminución del riesgo a exposición en bolsa, que complementen los mecanismos de mercados anonimizados y desconexión de demanda voluntaria existentes, y los mecanismos implementados durante el fenómeno de El Niño, como la venta de excedentes en bolsa.
6. En los últimos dos años, se ha presentado un gran aumento de la generación solar, mucha de la cual se encuentra en pruebas. Así mismo, la Superservicios ha observado que las plantas que han ingresado, han presentado precios superiores a plantas de carbón, provenientes de la disminución en riesgo financiero por parte de los agentes, frente a las penalizaciones por desviaciones. Es importante que el regulador analice el impacto de estas penalizaciones y realice los ajustes correspondientes, de tal forma que la generación solar soporte integralmente los objetivos globales de la transición energética.
7. Se calculó el impacto de la generación solar en la reducción de emisiones, observándose, que hay mayor potencial de reducción de emisiones relacionadas a la generación con carbón.

* Autores:

Sandra Milena Téllez, Laura Barragán, Beatriz Herrera, Diego Piñeros, Luis Galvis, Jorge Fonseca, Camilo Táutiva

Los autores hacen parte de la Unidad de Monitoreo de Mercados de Energía y Gas –UMMEG- de la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios. Cuentan con amplia experiencia en análisis energético y de mercados y hacen seguimiento continuo al desempeño de los mercados de energía y gas en Colombia. Sandra Milena Téllez es Superintendente Delegada para Energía y Gas Combustible.

[1] https://www.architectmagazine.com/technology/lighting/this-day-in-lighting-history-sept-4-1882_o

[2] https://www.aulafacil.com/1-tal-dia-como-hoy/curso/luz-electrica.htm#:~:text=La%20Luz%20el%C3%A9ctrica%20llega%20por%20primera%20vez%20a%20los%20hogares&text=El%204%20de%20Septiembre%20de,basados%20en%20gas%20y%20carb%C3%B3n.

[3] https://www.lenntech.com/greenhouse-effect/global-warming-history.htm#:~:text=Svante%20Arrhenius%20(1859%2D1927),carbon%20dioxide%20concentrations%20and%20temperature.

[4] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/j.2153-3490.1957.tb01849.x

[5] http://www.upme.gov.co/calculadora_emisiones/aplicacion/calculadora.html