Hydroclimatic complementarity between Colombia and Latin America. Application to the Energy Market

Abstract

In this thesis, we delve into the analysis and quantification of hydroclimatic complementarity in Latin America, exploring how this complementarity can enhance the availability and reliability of renewable resources within individual countries and across those with existing or potential electrical integration. To achieve this objective, Chapter 1 introduces three novel metrics designed to quantify complementarity: the Total Variation Complementarity Index (ϕ), the Variance Complementarity Index (ϕ') and the Standard Deviation Complementarity Index (ϕs). The application of these indices is demonstrated through a theoretical framework and three practical case studies: a) examination of two first-order auto-regressive processes, b) analysis of wind and hydropower energy time series in Colombia at daily time resolution, c) evaluation of monthly water inflows to two hydropower reservoirs in Colombia exhibiting distinct hydrologic regimes, and d) assessment of monthly water inflows to the 15 largest hydropower reservoirs in Colombia. In Chapter 2, we employed the (ϕ) and (ϕ') indices to assess the complementarity of renewable energy resources in Colombia and to gauge the influence of the El Nino–Southern Oscillation phenomena (ENSO) on this complementarity. Furthermore, we quantified the potential complementarity among renewable resources and identified specific periods within the year exhibiting the highest degree of complementarity, introducing the term "short-term complementarity”. In Chapter 3, our focus shifts to quantifying the energy complementarity among renewable resources in Latin American countries. The goal is to identify countries where electricity integration could enhance market dynamics by leveraging hydroclimatic complementarities. Additionally, we examine the energy complementarity within each country. Understanding the complementarity among energy sources, relative to the installed capacity, provides valuable insights for optimizing energy dispatch strategies and refining the electricity expansion plans of each country. Finally in Chapter 4, leveraging the ϕ index, we conducted an assessment of energy complementarity across wind, solar, and hydro time series within zones of an electricity market similar to that of Colombia. The primary aim was to construct hypothetical generation scenarios that underscore the benefits of integrating complementarity among renewable resources into electricity markets. (Tomado de la fuente)

En esta tesis, profundizamos en el análisis y la cuantificación de la complementariedad hidroclimática en América Latina, explorando cómo la complementariedad puede mejorar la disponibilidad y la fiabilidad de los recursos renovables dentro de los países y entre aquellos con integración eléctrica existente o potencial. Para lograr este objetivo, el Capítulo 1 presenta tres métricas novedosas diseñadas para cuantificar la complementariedad: el Índice de Complementariedad de Variación Total (ϕ), el Índice de Complementariedad de Varianza (ϕ') y el Índice de Complementariedad de Desviación Estándar (ϕs). La aplicación de estos índices se demuestra a través de un marco teórico y tres estudios de casos prácticos: a) Análisis de dos procesos auto-regresivos de primer orden, b) análisis de series temporales de energía eólica e hidroeléctrica en Colombia con resolución temporal diaria, c) evaluación de los caudales mensuales a dos embalses hidroeléctricos en Colombia con regímenes hidrológicos distintos, y d) evaluación de los caudales mensuales a los 15 embalses hidroeléctricos más grandes de Colombia. En el Capítulo 2, empleamos los índices (ϕ) y (ϕ') para evaluar la complementariedad de los recursos de energía renovable en Colombia y para medir la influencia de los fenómenos de Oscilación Sur-El Niño (ENSO) en esta complementariedad. Además, cuantificamos la complementariedad potencial entre los recursos renovables e identificamos períodos específicos dentro del año que muestran el mayor grado de complementariedad, introduciendo el término "complementariedad a corto plazo". En el Capítulo 3, nuestro enfoque cambia hacia la cuantificación de la complementariedad energética entre los recursos renovables en los países de América Latina. El objetivo es identificar los países en los que la integración eléctrica podría mejorar la dinámica del mercado aprovechando las complementariedades hidroclimáticas. Además, examinamos la complementariedad energética dentro de cada país. Comprender la complementariedad entre las fuentes de energía, en relación con la capacidad instalada, proporciona valiosos conocimientos para optimizar las estrategias de despacho energético y refinar los planes de expansión eléctrica de cada país. Finalmente, en el Capítulo 4, utilizando el índice ϕ, realizamos una evaluación de la complementariedad energética entre series temporales de energía eólica, solar e hidroeléctrica en zonas de un mercado eléctrico similar al de Colombia. El objetivo principal fue construir escenarios de generación hipotéticos que subrayen los beneficios de integrar la complementariedad entre los recursos renovables en los mercados eléctricos.