[pt] Os recursos disponíveis neste trabalho são a operação do On Load Tap Changer (OLTC) da subestação, possibilidade de cortes de carga e, finalmente, o dimensionamento e despacho de baterias no sistema. Para uma análise mais realista, é abordada, ainda, uma formulação robusta da incerteza da carga e uma representação dos perfis de consumo através de cenários típicos, estabelecidos por agrupamento de similaridade, utilizando algoritmo de mineração de dados K-Means. O sistema teste modificado IEEE 123 barras é empregado na avaliação da metodologia descrita, e indica a viabilidade operacional e econômica da inserção de dispositivos armazenadores de energia no contexto de proposta do trabalho. / [en] The development of studies related to the power applications and economic feasibility of energy storage resources in electricity distribution networks has become promising considering the reduction in the cost of energy storage. Such technology can minimize the intermittence of renewable sources, provide the displacement of peak loads, extend the expansion of the electricity grid infrastructure, among other benefits. In this sense, this dissertation intends to explore and evaluate an integer-mixed linear optimization model, which is originally non-linear, for the planning and operation of energy storage systems inserted in a distribution system that may present unbalanced loads. The model seeks to minimize operation and investment costs, meeting systemic constraints, coordinating the different resources of a distribution system. The resources available in this work are the operation of the On Load Tap Changer (OLTC) of the substation, the possibility of load cuts and, finally, the sizing and dispatch of batteries in the system. For a more realistic analysis, a robust formulation of the load uncertainty and a representation of consumption profiles through typical scenarios, established by similarity clustering, using K-Means data mining algorithm are also addressed. The modified test system IEEE 123 bus is used in the evaluation of the described methodology and indicates the operational and economic feasibility of inserting energy storage devices in the context of the proposed work.

[pt] A crescente demanda energética verificada ao redor do mundo e a conscientização pública acerca dos efeitos deletérios do excesso de gases estufa na atmosfera vem colaborando para a articulação de compromissos de grande alcance em nome da adaptação das matrizes energéticas a formas ambiental e economicamente sustentáveis. A adesão à energias renováveis (como solar e eólica) e a descentralização da matriz energética por meio de tecnologias de geração distribuída (visando a melhoria da eficiência do uso da energia) são alguns dos movimentos mais relevantes realizados para fazer frente a essas demandas. Neste ínterim, o presente trabalho é dedicado à simulação numérica mediante o conceito 4E (Energy, Exergy, Environmental and Economic) de um sistema híbrido CHP (Combined Heat and Power) on-grid para atendimento de pequenas demandas residenciais ou industriais, tendo gás natural e energia solar como vetores energéticos preferenciais. O sistema inclui um reformador de gás natural para produção de gás de síntese rico em hidrogênio, uma célula a combustível com membrana de troca de prótons (PEM), painéis fotovoltaicos, baterias conectadas à rede elétrica por um inversor bidirecional, trocadores de calor e componentes auxiliares como compressores e boilers. Os componentes do sistema foram modelados separadamente com base em equações de conservação e seus modelos devidamente validados. Uma análise energética e exergética do reformador de gás natural foi conduzida mediante a metodologia de planejamento de experimentos a fim de avaliar a necessidade de considerar uma formulação complexa do combustível em vez de um substituto (metano puro). Posteriormente, estes modelos foram inseridos como módulos de uma rotina mais ampla destinada a simular o desempenho econômico do sistema integrado num intervalo de tempo de até 20 anos. Tal rotina, implementada no MATLAB, permite a flexibilização de critérios operacionais importantes como número de consumidores, configuração do sistema híbrido (armazenamento e participação de painéis fotovoltaicos), diferentes tipos de tarifa (convencional ou branca) e o possível uso de rejeito térmico para cogeração, enriquecendo o escopo de resultados obtidos. Paybacks entre 7 e 20 anos de operação do sistema foram alcançados para diferentes combinações dos parâmetros examinados considerando-se a adesão no ano de 2020, onde consumidores residenciais obtiveram resultados predominantemente melhores do que os industriais em virtude da demanda menos exigente dos primeiros. Foram também previstas reduções de até 50% no custo cumulativo total para consumidores residenciais referente a adesão ao sistema proposto por 20 anos, levando-se em conta a queda prevista nos custos de aquisição dos componentes para as próximas décadas. A avaliação do sistema em termos ambientais foi feita através da quantidade equivalente de CO2 por unidade de energia. Concluiu-se que a configuração completa, mesmo auxiliada por cogeração, supera a média de emissões da matriz energética brasileira (devido à alta participação das fontes renováveis nessa matriz), permanecendo, ainda assim, como uma opção melhor do que a combustão pura do gás natural, especialmente no que diz respeito ao atendimento de demanda térmica. / [en] The growing energy demand verified around the world and public awareness about the harmful effects of greenhouse gases excess in the atmosphere have been contributing to the articulation of far-reaching commitments in the name of adapt energy matrices to environmentally and economically sustainable ways. The adherence to renewable energy (such as solar and eolic) and descentralization of energy matrix through distributed generation technologies (aiming at the improvment of efficiency of energy use) are some of the more relevant movements done in order to deal with these demands. In the meantime, the present work is dedicated to numerical simulation using the 4E (Energy, Exergy, Environmental and Economic) concept of an on-grid hybrid CHP system to meet small residential or industrial demands, using natural gas and solar energy as preferred energy vectors. The system includes a natural gas reformer for the production of hydrogen-rich synthesis gas, a proton exchange membrane fuel cell (PEM), photovoltaic panels, batteries connected to the grid by a bidirectional inverter, heat exchanger and auxiliary componentes, such as compressors and boilers. The system components were modeled separately based on conservation equations and their models duly validated. An energy and exergy analysis of the natural gas reformer was conducted using design of experiment methodology in order to assess the necessity to consider a complex formulation of the fuel instead of a surrogate (pure methane). Subsequently, these models were inserted as modules of a broader routine designed to simulate the economic performance of the integrated system in a time interval of up to 20 years. This routine implemented in MATLAB allows for the flexibility of important operational criteria such as the number of consumers, configuration of the hybrid system (storage and participation of solar energy), different types of tariff (conventional or white) and the posible use of reject heat for cogeneration, enriching the scope of the results obtained. Paybacks between 7 and 20 years of system operation were achieved for different combinations of the examined parameters considering adherence in the year 2020, where residential consumers have predominantly obtained better results than industrial ones due to the less intense demand of the first ones. Reductions of up to 50% in the total cumulative cost related to adherence to the proposed system for 20 years for residential users were also foreseen, taking into account the expected drop in component acquisition costs over the next few decades. The evaluation of the system in environmental terms was assessed through equivalent amount of CO2 by energy unit. It was concluded that the complete configuration, even supported by cogeneration, exceeds the average of the brazilian energy matrix emissions (due to the high share of renewable sources in this matrix), nevertheless remaining as a better option than pure combustion of natural gas, specially for meeting thermal demand.

[pt] O inevitável crescimento da demanda por recursos energéticos, imposta por tempos de acelerada transformação econômica e social, e as imposições da pauta climática, fomentam o interesse pelo estudo de processos mais eficientes e menos poluentes. Neste contexto, por meio de simulações no MATLAB/Simulink, este trabalho realiza o dimensionamento, simulação e otimização de um sistema híbrido de geração de energia elétrica, desconectado da rede (off-grid), composto por grupos geradores e banco de baterias, visando aplicações comerciais com diferentes níveis de demanda, em cenários sazonais distintos. Também é objeto de estudo, avaliar os ganhos em eficiência e emissões de poluentes atmosféricos, comparandose os cenários simulados a partir de estimativas de linha de base. Os sistemas são compostos por geradores a Diesel (linha de base) com potências entre 600 e 5200kW, geradores a Gás Natural com potências entre 400 e 5088kW, e bancos de baterias com capacidades entre 900 e 9000kWh para os cenários alternativos. Foi realizada uma análise energética dos sistemas, considerando variação da energia, estado de carga, consumo específico de combustível, eficiência e outros, além da análise das emissões de poluentes advindos dos geradores. Por fim, com as variáveis de saída do modelo, comparou-se os resultados entre os diversos casos e os cenários de linha de base, além de analisar a influência dos fatores utilizados para criação dos cenários simulados (tipos de geração, variabilidade da carga e multiplicadores). Em comparação entre a linha de base, e o cenário mais promissor (Gás Natural + bancos de baterias), observou-se, na média, aumento de eficiência de até 19,8 por cento para o verão, e 26,7 por cento para o inverno. Além de detectar aumento das emissões de hidrocarbonetos não queimados e monóxido de carbono, e redução das emissões de óxido de nitrogênio, material particulado e dióxido de carbono. / [en] The inevitable growth in demand for energy resources, imposed by times of accelerated economic and social transformation, and the impositions of the climate agenda, encourage interest in the study of more efficient and less polluting processes. In this context, performing simulations in MATLAB/Simulink, this work carries out the sizing, simulation and optimization of a hybrid power generation system, disconnected from the grid (off-grid), and composed by generator sets and battery banks, aiming commercial applications with different levels of demand, in different seasonal scenarios. It is also object of study to evaluate the gains in efficiency and the emissions of atmospheric pollutants, comparing the simulated scenarios from baseline estimates. The systems are composed by diesel generators (baseline) with output power between 600 and 5200kW, Natural Gas generators with output power between 400 and 5088kW, and battery banks with capacities between 900 and 9000kWh for alternative scenarios. An energy analysis of the systems was performed, considering energy variation, state of charge, C rate, engine load levels, specific fuel consumption and efficiency. In addition, the analysis of pollutant emissions from generators. Finally, with the model s output variables, the results were compared between the different cases and the baseline scenarios, in addition to analyzing the influence of the factors used to create the simulated scenarios (types of generation, load variability and multipliers). In comparison between the baseline and the most promising scenario (Natural Gas + battery banks), it was possible to observe average gains with efficiency increases of up to 19.8 percent for the summer, and 26.7 percent for the winter. In addition to detecting increased emissions of unburned hydrocarbons and carbon monoxide, and reduction in emissions of nitrous oxide, particulate matter and carbon dioxide.

[pt] Problemas de emissão de gases de efeito estufa vem sido amplamente discutidos nos últimos anos, uma vez que mais de 70 países já se comprometeram a uma economia neutra em carbono até 2050. A eletrificação dos modais de transporte tem sido ampliadas seguindo essas metas, onde os Veículos Elétricos (VEs) começam a ganhar participação sobre o mercado de Veículos com Motor de Combustão Interna (VMCI) por todo o mundo. Além da particular complexidade na comparação entre VEs e VMCIs, desafios envolvendo a natureza dos VEs e sua integração com as cidades, como a falta de locais públicos para recarga, também são críticos e interferem no seu desenvolvimento. Nesse contexto, este trabalho visa estudar o problema de uma Estação de Troca de Baterias (ETB), uma estrutura onde os usuários de VEs trocam suas baterias descarregadas por outras totalmente ou parcialmente carregadas. No intuito de simular as operações diárias do ETB e o cronograma de carregamento das baterias, um novo modelo de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) é proposto, levando em consideração a heterogeneidade da bateria, o uso de geração fotovoltaica (PV) local e a degradação da bateria com base no perfil de carregamento. Uma coleção de métricas de operação do ETB é projetada para avaliar a qualidade da solução do modelo de cronograma proposto. É apresentado um experimento numérico que compreende quatro estudos de caso baseados em dados reais dos sistemas de energia e transporte dos EUA, contendo insights e análises sobre o uso da energia fotovoltaica e da rede, bem como uma comparação financeira do ETB com abordagens de cronograma de benchmarks relacionados, juntamente de sensibilidades no plano de dimensionamento do ETB e atendimento a clientes. / [en] Greenhouse gas emissions-related issues have been extensively discussed in the past years, with over 70 countries already committed to a carbon-neutral economy by 2050. The electrification of transportation modals has increased following these goals, where Electric Vehicles (EVs) are starting to take Internal Combustion Engine Vehicles (ICEV) market share all over the globe. Besides the particular complexity in comparing EVs and ICEVs, challenges involving the nature of EVs and their integration with cities, such as the lack of public locals for charging, are also critical and interfere with their development. In this context, this work aims at studying the problem of a Battery Swapping Station (BSS), a structure where the EVs users swap their depleted batteries for fully or partially charged ones. In order to simulate the BSS daily operations and batteries charging schedule, a novel Mixed Integer Linear Programming (MILP) model is proposed, taking into account battery heterogeneity, the use of local photovoltaic (PV) production and battery degradation based on charging profile. A collection of BSS operation metrics are designed to evaluate the solution quality of the proposed scheduling model. A numerical experiment comprising four case studies based on real data from the US power and transportation systems is presented, with insights and analyses on the PV and grid power use, as well as a BSS financial comparison against close-related benchmark scheduling approaches, together with sensitivities on BSS sizing plan and costumers attendance.