PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA INVERSIONES BAJO INCERTIDUMBRE EN GENERACIÓN ELÉCTRICA: APLICACIÓN DE OPCIONES REALES Y MODELOS DE PRECIOS CARLOS EDUARDO BARRÍA QUEZADA Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Profesor Supervisor: HUGH RUDNICK VAN DE WYNGARD Santiago de Chile, Enero, 2008 © 2008, Carlos Eduardo Barría Quezada PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA INVERSIONES BAJO INCERTIDUMBRE EN GENERACIÓN ELÉCTRICA: APLICACIÓN DE OPCIONES REALES Y MODELOS DE PRECIOS CARLOS EDUARDO BARRÍA QUEZADA Tesis presentada a la Comisión integrada por los profesores: HUGH RUDNICK VAN DE WYNGARD RICARDO PAREDES MOLINA SAMUEL JERARDINO ETCHEVERRY BONIFACIO FERNANDEZ LARRAÑAGA Para completar las exigencias del grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería Santiago de Chile, Enero, 2008 Dedicado a quienes han entregado su vida por sus hijos, mi madre Edith y mi padre Carlos. ii AGRADECIMIENTOS Son muchas las personas que de alguna u otra forma han contribuido con el trabajo que sostiene la presente Tesis y a cumplir con el desafío que ello significó. Quienes confiaron y aconsejaron, los que nunca dejaron de apoyar y animar, quienes comprendieron o simplemente estuvieron conmigo; compañera(o)s de ingeniería, de postgrado, de trabajo, amigas y amigos. El profesor Hugh Rudnick, que me entregó la confianza y las oportunidades para descubrir y desarrollar mis capacidades académicas y profesionales. Los viejos estandartes de 303 Consulting Group, Felipe Imbarack, Rodrigo Moreno y Alejandro Navarro con quienes compartimos interminables jornadas de investigación y trabajo, gracias por su apoyo sincero y la amistad que logramos. Agradezco a Samuel Jerardino por su gran disposición a resolver muchas dudas técnicas y entregar su visión apasionada de la problemática de los mercados eléctricos. Mis amigos de la vida, Carlos González, Maria José Munizaga, Andrea Cornejo y Rodrigo Bravo (Rock) a quienes agradezco el apoyo incondicional durante el tiempo que duró este trabajo, seguramente no saben todo lo que me han ayudado. A Paula Ober, que me entregó todo el apoyo, la comprensión, la paciencia y su amor. Quienes durante toda mi vida me han apoyado no sólo para desarrollar este trabajo, sino que en todo momento y para todas las cosas, mi madre Edith, mi padre Carlos, mis hermanos Hardy, Lorena y Yoanna, y mi abuela Gina. iii INDICE GENERAL Pág. DEDICATORIA...........................................................................................................ii AGRADECIMIENTOS..............................................................................................iii INDICE DE TABLAS..............................................................................................viii INDICE DE FIGURAS................................................................................................x RESUMEN.................................................................................................................xii ABSTRACT..............................................................................................................xiii 1 INTRODUCCIÓN..............................................................................................1 1.1 Inversiones en Mercados Eléctricos Competitivos....................................3 1.1.1 Riesgo e Incertidumbre en Mercados Eléctricos.............................4 1.1.2 Decisiones Estratégicas y Flexibilidad en el Negocio de Generación Eléctrica........................................................................5 1.2 Modelos de Análisis de Incertidumbre.......................................................7 1.2.1 Principios Básicos de la Teoría de Opciones Reales.......................7 1.2.2 Modelamiento y Dinámica de Precios...........................................10 1.3 Mercado Energético en Chile...................................................................12 1.3.1 Estructura del Mercado Eléctrico..................................................13 1.3.2 Desarrollo Actual y Escenario Futuro............................................14 1.4 Objetivos y Alcances de la Investigación................................................16 1.5 Estructura de la Tesis...............................................................................18 2 ESTRUCTURA Y PERSPECTIVA DE LA METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS DE INVERSIONES BAJO INCERTIDUMBRE EN GENERACIÓN ELÉCTRICA.........................................................................19 2.1 Estructura General de la Metodología......................................................19 2.1.1 Integración de la Metodología.......................................................21 2.2 Factores de Riesgo e Incertidumbre en Mercados Eléctricos..................24 2.2.1 Factores Directos...........................................................................25 2.2.2 Factores Indirectos.........................................................................26 iv 2.3 Decisiones Estratégicas del Inversionista en Generación Eléctrica.........27 2.3.1 Alternativas Tecnológicas..............................................................27 2.3.2 Decisiones de Localización...........................................................29 2.3.3 Negociación Corporativa e Incentivos a la Inversión....................29 2.4 Comercialización de la Inversión.............................................................30 2.4.1 Energía...........................................................................................30 2.4.2 Potencia..........................................................................................32 2.4.3 Servicios Complementarios...........................................................32 2.4.4 Abastecimiento de Combustibles...................................................32 2.4.5 Margen Comercial de una Generadora Eléctrica...........................33 3 COMPORTAMIENTO Y MODELOS DE PRECIOS ELÉCTRICOS...........36 3.1 Características Generales de Precios Eléctricos.......................................36 3.1.1 Formación de Precios en Mercados Eléctricos..............................37 3.1.2 Comportamiento Dinámico de Precios Eléctricos.........................37 3.2 Análisis Empírico del Comportamiento Dinámico y Estadístico de las Series Históricas de Precios.....................................................................39 3.2.1 Descripción de las Series de Precios Estudiadas...........................40 3.2.2 Análisis de las Series de Precios....................................................42 3.3 Procesos Estocásticos para el Modelamiento de Precios.........................47 3.3.1 Caminata Aleatoria y Procesos de Wiener.....................................48 3.3.2 Modelamiento Estocástico de las Propiedades del Precio.............50 3.4 Modelos de Precios Eléctricos.................................................................51 3.4.1 Modelos de Precios de Commodities.............................................52 3.4.2 Análisis del Estado del Arte...........................................................53 3.5 Estimación de Parámetros del Modelo de Precios...................................59 3.5.1 Procedimiento de Estimación........................................................59 3.5.2 Resultados de la Estimación con Serie Completa..........................61 3.5.3 Resultados de la Estimación con Series Truncadas.......................65 3.5.4 Determinación del Parámetro ALFA (α).......................................68 3.5.5 Escenarios de Comportamiento de Largo Plazo............................71 3.6 Conclusiones del Capítulo........................................................................74 4 OPCIONES REALES Y EVALUACIÓN DE INVERSIONES EN GENERACIÓN ELÉCTRICA.........................................................................75 4.1 Conceptos Básicos sobre Opciones Reales..............................................75 v 4.1.1 Opciones Financieras.....................................................................76 4.1.2 Valor de la Flexibilidad de una Inversión......................................78 4.1.3 Revisión de Aplicaciones Clásicas................................................79 4.2 Métodos de Valorización y Algoritmos de Solución...............................81 4.2.1 Argumento de No Arbitraje y Valorización Neutral al Riesgo.....81 4.2.2 Deducción de la Ecuación Diferencial del Valor de una Opción..82 4.2.3 Características Comunes en la Valorización de Activos Americanos....................................................................................85 4.2.4 Soluciones Analíticas Cerradas......................................................86 4.2.5 Soluciones vía Métodos Numéricos..............................................87 4.2.6 Soluciones vía Simulación de Montecarlo y Algoritmos Híbridos91 4.3 Aplicación de Opciones Reales en la Evaluación de Inversiones en Generación Eléctrica................................................................................92 4.3.1 Flexibilidad y Opciones en Inversiones de Generación Eléctrica.93 4.3.2 Supuestos para la Aplicación de Opciones Reales en Generación Eléctrica.........................................................................................96 4.3.3 Análisis del Estado del Arte...........................................................98 4.4 Implementación del Procedimiento Numérico Trinomial para Evaluar Inversiones en Generación Eléctrica......................................................107 4.4.1 Estructura del Valor Presente de los Flujos de Caja....................107 4.4.2 Algoritmo Trinomial....................................................................109 4.4.3 Ejemplo de Aplicación.................................................................116 5 APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA EN EL MERCADO ENERGÉTICO CHILENO.............................................................................124 5.1 Supuestos para la Aplicación de la Metodología...................................124 5.1.1 Características de las Inversiones Analizadas..............................125 5.1.2 Principales Supuestos ..................................................................126 5.2 Aplicación en el Sistema Interconectado Central..................................127 5.2.1 Parámetros para el SIC................................................................127 5.2.2 Resultados y Recomendaciones para Proyectos en el SIC..........128 5.3 Aplicación en el Sistema Interconectado del Norte Grande..................131 5.3.1 Parámetros para el SING.............................................................131 5.3.2 Resultados y Recomendaciones para Proyectos en el SING.......132 5.4 Análisis de la Metodología.....................................................................135 vi 5.4.1 Estática Comparativa Sobre la Desviación Estándar...................135 5.4.2 Estática Comparativa Sobre la Reversión a la media..................138 6 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO..................................................140 6.1.1 Conclusiones................................................................................140 6.1.2 Trabajo Futuro.............................................................................144 BIBLIOGRAFIA......................................................................................................146 A N E X O S.............................................................................................................153 ANEXO A: COSTOS MARGINALES ESPERADOS ANUALES RESULTADO DE SIMULACIONES CON EL MODELO OSE2000..................................154 ANEXO B: TEOREMA FUNDAMENTAL DEL CÁLCULO ESTOCÁSTICO, LEMA DE ITO...............................................................................................155 vii INDICE DE TABLAS Pág. Tabla 3-1: Estadísticos descriptivos para precios spot del SIC y SING, para las series totales (01 Enero 2000 – 30 Septiembre 2007) y las series sin/con restricciones de gas natural (inicio restricciones 05 Mayo 2004).......................................................................47 Tabla 3-2: Parámetros estimados con series históricas completas (01 Enero 2000 – 30 Septiembre 2007)................................................................................................................62 Tabla 3-3: Comparación del valor de κ estimado con resultados de investigaciones del estado del arte......................................................................................................................64 Tabla 3-4: Parámetros estimados con series históricas truncadas: (a.1) Serie SIN restricciones de gas natural (01 Enero 2000 – 04 Mayo 2004)...........................................66 Tabla 3-5: Parámetros estimados con series históricas truncadas: (a.2) Serie CON restricciones de gas natural (05 Mayo 2004 – 30 Septiembre 2007)..................................66 Tabla 3-6: Parámetros estimados con series históricas truncadas: b) Sin datos del año 2007 (01 Enero 2000 – 31 Diciembre 2006)................................................................................68 Tabla 3-7: Precios forward de 10 años y parámetro α estimado para el escenario CNE para el SIC y SING (valores en US$/MWh)...............................................................................72 Tabla 3-8: Precios forward de 10 años y parámetro α estimado para el escenario MEM para el SIC y SING (valores en US$/MWh)...............................................................................73 Tabla 4-1: Parámetros del Ejemplo Base..........................................................................116 Tabla 4-2: Probabilidades de transición obtenidas para el ejemplo base..........................117 Tabla 4-3: Precios resultantes para cada nodo en el ejemplo base....................................118 Tabla 4-4: Valor de estado del proyecto para cada nodo del ejemplo base......................119 viii Tabla 4-5: Valor de nodo del proyecto del ejemplo base..................................................121 Tabla 4-6: Resultados ejemplo base y casos de variación en volatilidad..........................123 Tabla 5-1: Características de los proyectos de inversión en tecnologías de generación eléctrica evaluados............................................................................................................125 Tabla 5-2: Parámetros de precios para el Sistema Interconectado Central.......................128 Tabla 5-3: Resultados para proyectos en el SIC, con un vencimiento de 3 años y 36 oportunidades de ejercicio.................................................................................................128 Tabla 5-4: Valor límite mínimo y crítico para α, valor óptimo del proyecto, precios mínimo y crítico de largo plazo para cada proyecto de inversión en el SIC, con un vencimiento de 3 años y 36 oportunidades de ejercicio................................................................................130 Tabla 5-5: Parámetros de precios para el Sistema Interconectado del Norte Grande.......132 Tabla 5-6: Resultados para proyectos en el SING escenario MEM, con un vencimiento de 3 años y 1095 oportunidades de ejercicio.........................................................................133 Tabla 5-7: Valor límite mínimo y crítico para α, valor óptimo del proyecto, precios mínimo y crítico de largo plazo para cada proyecto de inversión en el SING, con un vencimiento de 3 años y 1095 oportunidades de ejercicio.........................................................................134 Tabla 5-8: Valor de la oportunidad de inversión comparada según desviación estándar, para proyectos en el SIC. (Opción vence en 3 años con 36 oportunidades de ejercicio)..136 Tabla 5-9: Valor de la oportunidad de inversión según reversión a la media, proyectos en el SIC. (Opción vence en 3 años con 36 oportunidades de ejercicio)...................................138 Tabla A-1: Costos Marginales Esperados Anuales Escenario CNE.................................154 Tabla A-2: Costos Marginales Esperados Anuales Escenario MEM................................154 ix