Capítulo 1 - Introducción
La planificación y optimización logísticas son actividades determinantes para la competitividad de las empresas. La experiencia demuestra que el retorno por inversión (ROI) obtenido por las compañías que aplican las nuevas técnicas de optimización a sus procesos productivos es muy elevado. Estas técnicas facilitan la automatización de la toma de decisiones en la planificación logística a un coste reducido y con resultados visibles a muy corto plazo. Un área muy importante que se puede beneficiar de las nuevas técnicas de optimización matemática es sin duda el de las redes de gas natural.
1.1 Introducción y marco del trabajo
El gas natural es vehiculado hacia los consumidores a través de redes de gasoductos que lo canalizan desde las fuentes de suministro. En la red de gasoductos de un país hay que diferenciar entre la red de distribución primaria o troncal y las redes de distribución secundarias. La primera es una red de alta presión, que canaliza el gas desde las fuentes de suministro hasta puntos estratégicos repartidos por la geografía del país. Las segundas son redes de baja presión encargadas de llevar el gas hasta los puntos de consumo.
El marco regulatorio en el que operan tradicionalmente los sistemas de distribución de gas de diferentes países es un marco centralizado. Se trata de mercados gasistas no competitivos en los que un operador central explota globalmente el sistema con el objetivo de minimizar los costes totales de funcionamiento.
Sin embargo, para reducir el precio final del gas y mejorar la calidad del servicio, muchos países han adoptado en los últimos años un marco regulatorio liberalizado para la distribución de gas. En este entorno desaparece la figura del operador central, dejando que sean las leyes del libre mercado las que rijan el funcionamiento del sistema, bajo la supervisión de un gestor técnico independiente que asegura una explotación correcta del mismo. En estos mercados gasistas competitivos surgen distintos agentes, de los que los más importantes son las compañías productoras y las compañías distribuidoras (comercializadoras). El objetivo de estos agentes es obtener el máximo beneficio por la venta de gas, sin preocuparse de garantizar el suministro a todos los consumidores. De esto último se encarga el gestor técnico del sistema, cuyo objetivo principal es asegurar que la aportación de gas de los productores iguale la demanda de los consumidores, y que el movimiento de gas se lleve a cabo con fiabilidad, seguridad y calidad para los usuarios.
Otro punto importante para abordar el tema de la planificación de las redes de distribución de gas es la diversificación de las fuentes de suministro. Muchos países, para garantizar el suministro de gas, además de explotar las fuentes propias de su territorio, utilizan conexiones internacionales con gasoductos de países próximos, y plantas de regasificación, que permiten el suministro de gas procedente de países lejanos. Estas últimas hacen posible la importación de gas en forma licuada (GNL), a través de grandes buques metaneros, desde prácticamente cualquier ubicación geográfica.
En este trabajo se plantea el diseño de un sistema automático de planificación y optimización logística de una red troncal de gasoductos que se abastece con gas procedente de fuentes propias, gasoductos internacionales y plantas de regasificación, y que opera en un marco liberalizado regulado por un gestor técnico que garantiza la imparcialidad respecto a los agentes suministradores y la calidad y seguridad de servicio respecto a los consumidores finales.
En concreto el sistema se ha implementado para la Red Básica de Gasoductos de España, una red troncal de más de 9.000 kilómetros que funciona en un entorno liberalizado bajo la supervisión de un Gestor Técnico del Sistema (GTS) que por ley le corresponde a una división de la empresa Enagás. La red española conecta entre sí las principales ciudades del país, los almacenamientos subterráneos (antiguos yacimientos de gas natural acondicionados para esta función) de Gaviota y Serrablo, los yacimientos propios 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 6 plantas de regasificación (Huelva, Cartagena, Barcelona, Bilbao, Sagunto y Mugardos). El transporte se controla gracias a 14 estaciones de compresión situadas a lo largo de la geografía, dirigidas desde el Centro Principal de Control (CPC) del Gestor Técnico del Sistema.
Figura 1.1: Red básica de gasoductos de España
El resto de la memoria se ha organizado como sigue. En el capítulo 2 sentaremos las bases físicas y los requisitos que existen sobre los elementos que vamos a modelar, así como las características y la topología de la red de gasoductos española. En el Capítulo 3 estudiaremos las bases matemáticas del problema, y repasaremos los algoritmos que entrarán en juego en la optimización. En el Capítulo 4 describiremos por fin el diseño del modelo de la red y sus elementos. Tras esto, en el capítulo 5, veremos los resultados más interesantes que se obtienen al ejecutar nuestra herramienta, y finalmente, en el Capítulo 6, repasaremos las conclusiones del trabajo e introduciremos los trabajos futuros que se podrán abordar tras este proyecto.
1.2 Objetivos y planteamiento del problema
El objetivo principal del sistema diseñado ha sido la automatización de la elaboración de los planes de operación de la red básica de gasoductos, con diferentes grados de precisión, mediante la optimización del movimiento estratégico del gas. En concreto los objetivos son los siguientes:
- Determinar la producción diaria de las plantas de regasificación.
- Determinar el flujo diario de gas por las conexiones internacionales.
- Determinar las operaciones diarias de gas en los almacenamientos subterráneos.
- Minimizar las desviaciones de las descargas de buques en las plantas.
- Minimizar el coste del transporte de gas.
- Minimizar las operaciones del gas de maniobra, esto es, minimizar la diferencia entre la producción planificada y la demandada por los usuarios.
- Mantener los niveles de seguridad del stock del sistema completo.
Los objetivos anteriores se consiguen planteando el problema como un problema de optimización matemática con restricciones, en el que existen unas variables de decisión, una función objetivo, y unas restricciones sobre las variables de decisión. En concreto hemos plantado el problema dentro del marco de la programación lineal entera-mixta, y tiene la siguiente estructura:
Variables de decisión
- Producción diaria de las plantas de regasificación.
- Flujo diario de gas por las conexiones internacionales.
- Operaciones diarias de gas en los almacenamientos subterráneos.
- Flujos diarios de gas por gasoductos y estaciones de compresión.
- Niveles del stock del sistema.
Función objetivo a minimizar
- Desviaciones de las descargas de buques en las plantas.
- Coste del transporte de gas.
- Operaciones del gas de maniobra.
Restricciones
- Comportamiento físico de las fuentes de suministro y los elementos de transporte, niveles de seguridad del sistema y puntos de demanda
En otros trabajos también se ha abordado el problema de la optimización de las redes de gas natural utilizando diferentes métodos de optimización, incluyendo la programación matemática MILP. En [1-7] se han utilizado métodos basados en el gradiente, mientras que en [8] se realiza una revisión exhaustiva de estos métodos y de las herramientas software que los implementan. También se ha utilizado la programación dinámica en [9-13], pero en este caso las redes de gas deben tener una estructura sencilla, aunque en [14] se admiten topologías de redes con ciclos. Otros autores han utilizado métodos estocásticos tales como el enfriamiento simulado y los algoritmos genéticos [15-17]. La programación matemática en general y los algoritmos MILP en particular se han utilizado ampliamente [18-20].
Sin embargo, el planteamiento MILP de nuestro proyecto de investigación es diferente de los anteriores en los siguientes aspectos:
- Los trabajos referenciados sólo abordan el problema del transporte de gas a través de gasoductos y estaciones de compresión, mientras que nuestro planteamiento engloba la red completa, incluyendo las plantas de regasificación, las conexiones internacionales y los almacenamientos subterráneos. De esta forma, con nuestro sistema se pueden realizar planificaciones logísticas completas.
- La función objetivo que hemos diseñado no solo minimiza los consumos en las estaciones de compresión, además minimiza la desviación de los días de descarga de barcos metaneros respecto a sus nominaciones iniciales, así como las operaciones del gas de maniobra que el gestor técnico del sistema debe realizar para equilibrar la oferta y demanda de gas.
- El modelo de transporte de nuestro modelo matemático dispone de tres niveles de abstracción que se utilizan en diferentes tareas de planificación, dependiendo del compromiso entre precisión y tiempo de cómputo.
Capítulo 2: Bases físicas de la red básica de gasoductos