Desarrollo de una Metodología Basada en Lógica Difusa para Evaluar la Sustentabilidad de Tecnologías de Generación Eléctrica

Cecilia Martín del Campo, Juan Luis François.

Universidad Nacional Autónoma de México

Latin American Section of the American Nuclear Society

2005 Annual Symposium. Rio de Janeiro, Brazil

RESUMEN

• Se presenta una metodología para evaluar la sustentabilidad de las fuentes de generación eléctrica.

• Se aplicó una matriz de indicadores de sustentabilidad que considera principios y criterios de sustentabilidad. A cada criterio se asocia un indicador de sustentabilidad.

• Se desarrolla de una metodología para calificar globalmente la sustentabilidad de cada opción de generación eléctrica, combinando todos los indicadores de sustentabilidad.

• La metodología utiliza Lógica Difusa para construir la Función de Calificación Global de Sustentabilidad dependiente de todos los indicadores.

• Resultados: la energía nuclear, junto con la eólica, representan las opciones más sustentables.

INTRODUCCIÓN

• El desarrollo sustentable fue definido en 1987 en el informe Brundtland como “Un desarrollo que satisface las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer la capacidad de futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades".

• Consenso internacional de la necesidad de buscar el desarrollo social y tecnológico de cada nación bajo el principio de la sustentabilidad para reducir el riesgo de la destrucción de la humanidad sobre la Tierra.

• La elección de las diferentes fuentes energéticas para la generación eléctrica se ha convertido en una tarea de planeación estratégica para el desarrollo sustentable de cada nación.

• Tarea realmente complicada ya que existe una gran diversidad de fuentes de generación eléctrica con una amplia gama de calificaciones sobre sus diferentes cualidades.

INTRODUCCIÓN (Cont.)

De manera ilustrativa, refiriéndonos a las fuentes de energía para la generación eléctrica podemos distinguir al menos 30 características que influyen en la calificación de sustentabilidad de la fuente energética.

1. renovables - no renovables; 2. muy abundantes - muy escasas; 3. muy limpias - muy contaminantes;4. muy maduras - en desarrollo incipiente; 5. que han madurado velozmente – que han madurado lentamente;6. con producción intermitente - con producción planeada y confiable; 7. muy concentradas - muy dispersas o difusas;

………

30.pueden servir tanto para generar energía como para deshacerse de materiales de desecho que de otro modo tendrían que ser degradados por mecanismos naturales lentos – producen desechos al generar energía.

INTRODUCCIÓN (Cont.)

• No existe ninguna fuente de generación eléctrica que sea la mejor, en todas las características, sobre todas las otras fuentes.

• Tampoco existe alguna fuente que sea la peor en todos las características.

• La selección de la fuente de energía o la combinación de fuentes de energía que pueden conducir a una nación hacia el desarrollo sustentable depende de muchas variables con dimensiones diferentes y con órdenes de magnitud muy diferentes.

• Algunas variables son cualitativas y muy difíciles de evaluar de manera objetiva.

• Es necesario elaborar una metodología simple pero lo más completa posible.

• Lo más sencillo es definir indicadores de sustentabilidad que califiquen las diferentes características de las fuentes energéticas.

• Utilizar una herramienta que permita obtener una calificación global de sustentabilidad a partir del conjunto de indicadores de sustentabilidad.

INTRODUCCIÓN (Cont.)

• La herramienta que se ha seleccionado es la Lógica Difusa.

• Se construyó un Sistema de Inferencia Difuso cuya salida es la Función de Calificación Global de Sustentabilidad dependiente de la combinación de todos los indicadores de sustentabilidad considerados.

• Se utilizó la herramienta de Lógica Difusa del programa Matlab.

• Se escribió un programa en lenguaje C que tiene como entradas el archivo que contiene codificada la Función de Calificación Global de Sustentabilidad, y el archivo que contiene los valores de los indicadores de cada fuente de energía considerada. La salida es la lista de valores numéricos de la Calificación Global de Sustentabilidad para cada fuente de energía.

• Finalmente se hace una aplicación.

MATRIZ DE INDICADORES DE SUSTENTABILIDAD

Principios Criterios Indicadores

Disponibilidad de reservas 1)

Uso de combustible y de otros materiales

consumo Extensión de tierra perdida Planta (operación) Efectos en agua Contaminación o

consumo Gases de efecto invernadero Gases que dañan la capa de ozono

Impactos ambientales a través de emisiones al aire

Gases de lluvia ácida Operación normal

Impactos sobre la salud humana

Accidentes / Riesgo colectivo Aversión al Riesgo (rechazo) Oportunidades de trabajo

Impactos sobre aspectos sociales Tratado de no

proliferación Costos internos

“no agotamiento de recursos”

Eficiencia económica

Costos externos

Cantidad de sustancias peligrosas producidas “no producción de desechos no degradables”

Tiempo necesario de confinamiento 3)

Dependencia del exterior

Seguridad de suministro y disposición

Disponibilidad de la tecnología 4) ...intervenciones externas rápidas 5)

“no alta sensibilidad a factores ambientales y sociales” Robustez,

Por ejemplo no-necesidad de... …estabilidad socio-

política / financiera

VALORES DE INDICADORES DE SUSTENTABILIDAD Y REFERENCIAS

Indicador Unidad Nuclear Carbón CC-Gas Hidro-eléctrica

Eólica

Disponibilidad de reservas 1)

Años 120-400 160–2300 70–170 10,000 10,000

Consumo de materiales 2)

(Cobre) kg/GWh (Acero) kg/GWh

6-7 420-490

2-8 1750-2310

3 1207

5-14 1560-2680

47-140 3700-11140

Extensión tierra operación normal3)

km2/GWh

5

50-100

50

50

30

Uso de agua4) m3/MWh

2.11 2.63 1.23 670-11,620

0.1

Gases de efecto invernadero 5)

Toneladas CO2 Eq.

equivalente /GWh 8-29 950-1200 530 4-7 8-29

Gases q’ dañan capa de ozono6)

kg de COVNM /GWh

0 18-29 72-164 0 0

Gases de lluvia ácida7)

Toneladas de SOx / GWh

56-150 920-25000

260 8-10 56-150

Riesgo colectivo muertes en accidentes 8)

Muertes/GW-año (inmediatas)

6.0E-03 0.690-0.876

9.3E-02 0.561-4.265

0

Riesgo colectivo daños materiales en accidentes 9)

Daños Euros/KWh

5.74E-04 1.7E-03-1.2E-02

1.9E-03- 1.3E-02

4.1E-05-1.2E-01

0

Costos internos10)

$US/ MWh 34.59-43.65

51.16-55.61

42.76-43.7

63.4-128.86

43.65-48.66

Costos externos11)

CentEuro/ KWh 0.4 4.1-7.3 1.3-2.3 0.4-0.5 0.1-.2

Desechos Inorgánicos en repositorio12)

Kg/GWh 650-1200 5800-54000

1500 30 30

Cantidad de Sustancias peligrosas producidas13)

m3/ GWh kg/KWh

9-11

0.014-0.015

0.13-.2

0.08-0.18

0.04

0.004

0.006

0.022-0.024

0.006

0.02-0.021

Disponibilidad de la planta14)

Fracción de 1 0.85 0.75 0.8 0.7 0.4

1) Datos mundiales del número de años de reservas

a la razón de producción presente (Kröger,2001) 2) Datos (Alfred Voβ, 2003) 3) Datos del uso de tierra de la cadena energética

completa (Hirschberg 2004). 4) Datos calculados a partir de datos de (CFE,

2004) 5) Datos (Kröger,2001). El dato de la eólica se

tomó igual al nuclear. 6) Los datos corresponden a Compuestos

Orgánicos Volátiles Distintos del Metano (Frans, 2000).

7) Datos SOx. (Kröger,2001). El dato de la eólica se tomó igual al nuclear.

8) Número de fatalidades por GW-año debido a muertes inmediatas en accidentes graves. (Hirschberg 2004).

9) Daños en centavos de euro por KWh debido a daños materiales en accidentes graves. (Hirschberg 2004).

10) Costos internos de generación eléctrica para México (CFE, 2004.

11) Costos externos de generación eléctrica, valores promedio obtenidos para varios países del ExternE.

12) Cantidad de desechos inorgánicos en repositorio. (Kröger,2001). El dato de la eólica se tomó igual al de la hidroeléctrica.

13) Cantidad de sustancias peligrosas en kg/KWh. (Kröger,2001). El dato de la eólica se tomó igual al de la hidroeléctrica.

14) En lugar de los factores de disponibilidad, se utilizaron los factores de planta típicos de las unidades generadoras en México reportados en (CFE, 2004.

1. Disponibilidad de Reservas

0

2000

4000

6000

8000

10000

Fuente de Energía

Añ

os

de

Re

serv

as

2. Consumo de Materiales

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Fuente de Energía

Co

bre

y A

cero

Kg

/GW

h

3. Extensión de Tierra Perdida (Operación Normal)

0

20

40

60

80

100

120

Fuente de Energía

Su

pe

rfic

ie k

2/G

Wh

4. Uso de Agua

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Nuclea

r

Carbó

nGas

Hidro

Eólica

Fuente de Energía

Agu

a m

3/G

Wh

8. Riesgo Colectivo Muertes por Accidente

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Fuente de Energía

Mu

ert

es

Inm

ed

iata

s /

GW

-

añ

o

5. Gases de Efecto Invernadero

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Fuente de Energía

To

ne

lad

as

de

CO

2

Eq

uiv

ale

nte

/GW

h

6. Gases que Dañan la Capa de Ozono

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Fuente de Energía

kg d

e C

OV

NM

/ G

Wh

7. Gases de Lluvia Ácida

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Fuente de Energía

To

ne

lad

as

de

SO

x /G

Wh

10. Costo Interno de Generación Eléctrica

0

20

40

60

80

100

120

140

Fuente de Energía

Co

sto

Niv

ela

do

US

D/M

Wh

9. Riesgo Colectivo Daños Materiales

0

40

80

120

160

200

Fuente de Energía

Da

ño

s E

uro

s/K

Wh

11. Costo de Externalidades

0

2

4

6

8

Fuente de Energía

Ce

ntE

uro

/ K

Wh

12. Desechos Inorgánicos en Repositorio

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

Fuente de Energía

kg/K

Wh

14. Factor de Disponibilidad

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Fuente de Energía

Fra

cció

n d

e 1

13. Producción de Sustancias Peligrosas

0

2

4

6

8

10

12

Fuente de Energía

kg/K

Wh

CALIFICACIÓN GLOBAL DE SUSTENTABILIDADSISTEMA DE INFERENCIA DIFUSO

• Interfaz de fusificación. Transforma las variables de entrada en variables difusas. Para esta interfaz se deben tener definidos los rangos de variación de las variables de entrada y los conjuntos difusos asociados con sus respectivas funciones de pertenencia.

• Base de conocimientos. Contiene las reglas lingüísticas del control y la información referente a las funciones de pertenencia de los conjuntos difusos.

• Motor de inferencia. Realiza la tarea de calcular las variables de salida a partir de las variables de entrada, mediante las reglas del controlador y la inferencia difusa, entregando conjuntos difusos de salida.

• Interfaz de defusificación. Obtiene una salida global difusa a partir de la agregación de las salidas difusas y realiza la desfusificación.

SISTEMA DE INFERENCIA BASADO EN LÓGICA DIFUSA

Indicadores 1, 2, …..14

Sustentabilidad Global

Conjuntos difusos “Excelente”, “Bueno” y “Malo” para las variables de entrada 1 (Disponibilidad de reservas) y 10 (Costo

Interno)

Implicación de las variables 1 y 10 sobre la Sustentabilidad Global al aplicar las reglas.

REGLAS DE INFERENCIA

1. Si “Entrada 1”es <excelente>AND “Entrada 2”es <excelente>AND ……“Entrada 14” es <excelente> Entonces “Salida” es <excelente> (W)

2. Si “Entrada 1”es <bueno>AND “Entrada 2”es <bueno>AND ……“Entrada 14” es <bueno> Entonces “Salida” es <bueno> (W)

3. Si “Entrada 1”es <malo>AND “Entrada 2”es <malo>AND ……“Entrada 14” es <malo> Entonces “Salida” es <malo> (W)

4. Si “Entrada 1”es <excelente> Entonces “Salida” es <excelente> (W)

5. Si “Entrada 1”es <bueno> Entonces “Salida” es <bueno> (W)

6. Si “Entrada 1”es <malo> Entonces “Salida” es <malo> (W)

. . ..

. . ..

. . ..

44. Si “Entrada 14”es <excelente> Entonces “Salida” es <excelente> (W)

45. Si “Entrada 14”es <bueno> Entonces “Salida” es <bueno> (W)

46. Si “Entrada 14”es <malo> Entonces “Salida” es <malo> (W)

Notas: Se utilizó el Producto Cartesiano para el operador AND. El peso relativo W de las reglas puede ser cambiado al usar valores entre 0 y 1.

RESULTADOS: CALIFICACIÓN GLOBAL DE SUSTENTABILIADAD (base10)

Caso con peso W=1 en todas las reglas en las que intervienen los costos Internos y/o Externos, y el peso W=0.5 al resto de las reglas.

Con esto se les da mayor importancia a los indicadores que tienen que ver directamente con costos económicos.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Nuclear Carbón Gas Hidro Eólica

Fuente de Energía

Sus

tent

abili

dad

Glo

bal

Baja Alta

Para la agregación de salidas difusas se utilizó el operador Sumatoria.

Para la desfusificación se utilizó el método Centroide.

COMENTARIOS Y CONCLUSIONES

• Se mostró potencial de la Lógica Difusa para calificar los sistemas energéticos en los cuales se tiene una gran competencia entre sus diversas cualidades y más bien se espera que sean calificados por la combinación de sus cualidades.

• La gran ventaja que tiene la metodología basada en Lógica Difusa, es que se pueden manejar un número ilimitado de indicadores expresados en cualquier unidad de medida (volumen, masa, superficie, moneda, años, etc.).

• Como cualquier otra metodología, es fuertemente dependiente de la exactitud con que los indicadores hayan sido calculados o determinados.

• La metodología que se desarrolló es fácil de manejar, de visualizar y puede servir para realizar múltiples análisis de sensibilidad ante diferentes cambios en los valores de los indicadores de sustentabilidad.

COMENTARIOS Y CONCLUSIONES

• La sustentabilidad de las opciones nuclear y eólica es prácticamente la misma, mientras que para las otras energías se aprecian valores inferiores, siendo la carboeléctrica la menos sustentable.

• La sustentabilidad de la energía nuclear es comparable a la de la energía eólica, sin embargo la segunda es altamente preferida por el público sobre la primera.

• Pero no debe olvidarse que la energía eólica es intermitente y fuertemente dependiente del potencial eólico geográfico.

• En cambio, actualmente la energía nuclear representa una opción sustentable que se pueda utilizar a gran escala como energía de base con alta confiabilidad en cuanto a su suministro.