CÁPITULO 1. INTRODUCCIÓN

El gas natural llega por primera vez a España en 1969 en forma de gas natural licuado, o GNL, al puerto de Barcelona, lo que supuso el inicio de la expansión del gas natural a través de la red de transporte nacional. Desde ese momento el sistema gasista nacional ha continuado en una evolución constante hasta convertirse en la Red Básica de Gaseoductos de España que hoy conocemos (figura 1.1). La red española consiste en una red de transporte de alta presión que opera a más de 16 bares para el transporte del gas a grandes distancias y en una red de distribución que opera a una presión menor o igual a 16 bares que comunica la red de transporte con los usuarios finales. Estas dos redes de transporte conectan entre sí las principales ciudades del país, los almacenamientos subterráneos de Gaviota, Serrablo, Marismas y Yela, los yacimientos de Palancares, Marismas y Poseidón, las conexiones internacionales con Francia (Irún y Larrau), Portugal (Badajoz y Tuy), y Argelia (Tarifa y Medgaz), y los puertos donde se ubican las seis plantas de regasificación (Huelva, Cartagena, Barcelona, Bilbao, Sagunto y Mugardos). El transporte se controla gracias a catorce estaciones de compresión (Alcázar de San Juan, Algete, Almendralejo, Bañeras, Chinchilla, Córdoba, Crevillente, Denia, Haro, Montesa, Navarra, Paterna, Puertollano, Sevilla, Tivisa, Villar de Arnedo, Zamora y Zaragoza) situadas a lo largo de la geografía española y dirigidas desde el Centro Principal de Control (CPC) del Gestor Técnico del Sistema (GTS).

Figura 1.1. Sistema Gasista Español.

La gestión de una red logística se suele realizar a tres niveles diferentes: estratégico, táctico y operacional, dependiendo del horizonte temporal en el que se toman las decisiones [1]. El nivel estratégico define la estructura de la red logística, es decir, los medios de producción, almacenamiento y transporte disponibles para un horizonte temporal amplio, de varios años. Los estudios estratégicos tienen por objetivo determinar la mejor estructura de una red logística a partir de datos históricos conocidos y de previsiones estimadas. El nivel táctico planifica el funcionamiento de la red logística existente para satisfacer una demanda estimada en un horizonte temporal medio, del orden de meses. La planificación táctica de la red determina la utilización óptima de sus recursos en el período fijado. El nivel operacional ejecuta los planes del nivel táctico sobre períodos temporales cortos, normalmente días. La Operación del Sistema Gasista requiere la elaboración de un Plan de Operación del Sistema con distintos alcances temporales que se pueden ir desarrollando de forma más precisa según son más firmes los valores establecidos para las nominaciones de cada usuario. La aplicación de técnicas de optimización logística en el diseño de este Plan de Operación dotan al GTS de una considerable ventaja estratégica, comercial y económica porque facilitan la automatización de la toma de decisiones que optimizan el funcionamiento a un coste reducido.  En [2] se desarrolla el diseño de un sistema automático para la planificación óptima de la red, SPOL (RBG). El núcleo central de dicho sistema es un modelo de programación matemática lineal entera-mixta (MILP) que contempla diferentes niveles de precisión. El objetivo del sistema es minimizar, a lo largo del periodo de planificación y respetando las restricciones físicas de la red, los retrasos en las descargas de los buques con respecto a las fechas acordadas, así como el coste del transporte de gas y las operaciones del gas de maniobra^[1].

Así pues, el sistema SPOL(RBG) es un modelo matemático de restricciones que incorpora todas las relaciones físicas y normativas de la Red Básica de Gasoductos que son de interés para la generación automática de los diferentes planes de operación gasista.  Dado el carácter relacional del modelo, se mantiene en todo momento una correspondencia directa entre los elementos físicos de la red y los módulos operacionales del modelo.  El modelo contempla cinco tipos básicos de módulos: las plantas de regasificación, los almacenamientos, las conexiones internacionales, las tuberías de conducción (pipes) y las estaciones de compresión. Los tres primeros constituyen los nodos básicos de la red mientras que con los dos últimos se implementa las relaciones de transporte entre los nodos básicos.

El modelo de los almacenamientos subterráneos considerado en [2] contemplaba una modulación que solo incluía una operación escalonada con restricciones dependientes del día de la semana. Las necesidades del sistema, con respecto a 2011 (fecha de publicación de [2]), se han incrementado, y  la programación que se hace de este tipo de instalaciones incluye, además de la modulación mencionada (a la que llamaremos modulación libre), otros dos modos de operación. El primero de ellos, al que llamaremos reparto de la desviación de stock, repartirá la diferencia del stock real de la red con respecto a un valor deseado entre los diferentes almacenamientos atendiendo a unos escalones de saturación que debe proporcionar el usuario. En el segundo, denominado cantidades fijas, el almacenamiento está completamente sometido a la producción que imponga el usuario, y el sistema de optimización de la red deberá tomar estos valores como dato y no como variables. Estos nuevos requisitos del sistema imponen la necesidad de una extensión del modelo matemático que permita la inclusión de los nuevos modos de operación en los almacenamientos.

El sistema de optimización SPOL(RBG) incluye una gran cantidad de parámetros. Muchos de estos parámetros tienen un sentido físico real, pero otros están diseñados para que el usuario del sistema pueda adaptar el comportamiento del mismo a las condiciones cambiantes o para permitir la presencia de las conocidas como restricciones blandas. En el caso de los parámetros que se emplean para la adaptación del sistema a las diferentes condiciones, se hace indispensable conocer en qué medida un cambio en ellos afecta a la función de coste. Precisamente en eso consiste un estudio de sensibilidad. La inclusión de un módulo que permita la realización de estudios de sensibilidad en un sistema de optimización ha de permitir seleccionar parámetros específicos del modelo de optimización para determinar cómo varían los resultados en función de los valores escogidos para los citados parámetros, especialmente la función objetivo. El problema principal que presentan estos parámetros de adaptación consiste en que no están asociados a un coste económico del sistema. La posibilidad de realizar  estudios precisos de costes, que permitan considerar un valor económico para los parámetros de adaptación, está ligada a la existencia de un proceso de optimización de dos fases, que permita aislar el efecto de los términos de penalización de la función objetivo (los que permiten la existencia de restricciones blandas) y de los términos propiamente económicos (de coste).

En sistemas de optimización como el que se presenta en [2] la detección de causas de optimizaciones no factibles resulta crítica. Las optimizaciones no factibles derivan de que los datos iniciales que recoge el sistema provocan una inconsistencia en las restricciones. SPOL (RBG) ya contaba con sistemas de detección de este tipo de inconsistencias, sobre todo para el comportamiento de las plantas de regasificación y para las cantidades de gas contenidas en el sistema a nivel local y global, pero en una red de gas con un movimiento continuo de flujos en diferentes sentidos, es necesario que exista un módulo que permita detectar inconsistencias a partir del cálculo de los flujos residuales.  Resueltas las inconsistencias y obtenida una solución factible, para saber si el resultado de una optimización, además de factible matemáticamente, es válido físicamente solo hay dos opciones. La primera es que, siempre que se trate de una red de gaseoductos real, un operario de esa misma red con suficiente experiencia y con ayuda de diferentes herramientas de cálculo, valide el resultado. La segunda opción, y más recomendable, elimina la intervención humana, y consistiría en trasladar los resultados obtenidos en un el proceso de optimización a una herramienta de simulación del comportamiento del sistema. Las herramientas de simulación, además de reproducir el modo de operación del sistema frente a cada una de las soluciones propuestas de forma visual, son muy útiles a la hora de detectar posibles errores en la construcción del modelo.

1.1. Objetivos y planteamiento del problema.

El desarrollo de este trabajo tiene como objetivo básico la ampliación del sistema SPOL(RBG) [2] con un modelo de almacenamientos subterráneos que se adapte a los requisitos del sistema, un módulo que permita la realización de estudios de sensibilidad y coste y un módulo que permita la detección de las causas que provocan la aparición de soluciones no factibles. Además de estas intervenciones realizadas sobre el sistema de optimización, se persigue un segundo objetivo tan importante como el primero: el diseño y la implementación de un simulador del comportamiento físico de la red para validar las planificaciones propuestas por el sistema de optimización logística. Así pues, de manera más esquemática, los objetivos que se persiguen y el modo en que se plantea su consecución en este trabajo es el siguiente:

·         Inclusión de un modelo matemático de almacenamientos subterráneos que permita al sistema de optimización ajustar la cantidad de gas almacenado en la red (stock) a un valor dado por las demandas comerciales con la mínima desviación. Se deben considerar los tres modos de operación que tienen los mismos: reparto de la desviación de stock, cantidades fijas y modulación libre. El modelo matemático, además de operar de las tres maneras posibles, ha de tener en cuenta que en el periodo de inyección se introduce gas en el almacén y que en el periodo de extracción se saca fuera de él, independientemente de cuál sea el modo de operación. Además ha de incrustarse en el optimizador global de la red.

·         Diseñar toda la estructura que corresponde a un módulo para estudios de sensibilidad y de costes en un sistema de optimización. Para facilitar los estudios económicos se implementará un proceso de optimización de dos fases que permitirá aislar el efecto de los términos de penalización de la función objetivo del de los términos económicos. En lo que se refiere a los estudios de sensibilidad, el módulo permitirá seleccionar parámetros específicos del modelo de optimización para determinar cómo varían los resultados en función de los valores escogidos para los citados parámetros, especialmente la función objetivo.

·         Dotar al optimizador de una forma de identificación para causas detectadas de soluciones no factibles debidas a inconsistencias entre los datos que necesitan los diferentes niveles de optimización del sistema. Para incorporar esta funcionalidad al sistema bastará con modelar la realización de un cálculo de flujos residuales entre los datos de los niveles de optimización del transporte implicados.

·         Elaboración (diseño e implementación) de un simulador del comportamiento físico de la red para validar las planificaciones propuestas por el sistema de optimización logística. El simulador consistirá en un modelo de presiones y flujos de un gas que se distribuye por una red de gaseoductos. En el modelado de la red también se tendrá en cuenta la existencia de estaciones de compresión, empleadas para impulsar el gas a través de la red y permitirá ajustar las presiones y flujos en la red teniendo en cuenta la existencia de lazos cerrados. Esta herramienta de simulación, implementada con MATLAB, recibirá como entrada los flujos de gas entrantes o salientes de la red al completo (producción de las plantas de regasificación, flujos de gas inyectados y extraídos de los almacenes, producción de los yacimientos subterráneos y entrada y salida de gas por las conexiones internacionales), así como la demanda detallada de cada uno de los nodos de la red, y devolverá una respuesta que permita identificar como viables los datos de entrada,  como por ejemplo el valor de la presión en puntos clave de la red.

1.2. Organización de la memoria.

La memoria está dividida en cinco capítulos si incluimos esta introducción.  En los capítulos del dos al cuatro se abordan los objetivos del apartado 1.1. En el capítulo 2 que lleva por título “Extensión del modelo matemático de optimización: almacenamientos subterráneos”, resulta claro que el objetivo planteado corresponde al de la inclusión de un modelo matemático de almacenamiento que permita al sistema de optimización ajustar la cantidad de gas almacenado en la red al valor dado por las demandas comerciales con la mínima desviación considerando los tres modos de operación. En el capítulo 3, de nombre “Módulo para el estudio de la sensibilidad. Identificación de causas de soluciones no factibles” se plantean los objetivos dos y tres descritos en el apartado anterior, es decir, el diseño de la estructura que corresponde a un módulo para estudios de sensibilidad y de costes en un sistema de optimización y la identificación para causas de soluciones no factibles debidas inconsistencias entre los datos que necesitan los diferentes niveles de optimización del sistema.  El cuarto capítulo “Simulación del comportamiento físico de la red”, se centra en el último de los objetivos: la elaboración del simulador del comportamiento físico para validar las planificaciones propuestas por el sistema de optimización logística. Para terminar en, el último capítulo, se expondrán las conclusiones obtenidas y los trabajos futuros que podrían realizarse en este campo.