[pt] Atualmente, as termoelétricas abastecidas por Gás Natural (GN) são responsáveis por 11 porcento da geração de energia elétrica no Brasil, consumindo 40 porcento da demanda de gás do país. Esse consumo de GN é sazonal e inconstante, pois é utilizado como substituto para a energia hidrelétrica, que depende do nível pluviométrico dos locais onde estão suas usinas. Devido a essa peculiaridade da matriz energética brasileira e a dependência do país por gás importado gerou-se uma necessidade de estabelecer estoques flutuantes de Gás Natural, armazenados em estado liquefeito (GNL) em navios metaneiros. O principal objetivo desse estoque é que, na eventualidade da necessidade de despacho da geração das termoelétricas, o país tenha uma quantidade de gás suficiente para permitir uma produção de energia termoelétrica por 30 dias. Entretanto, esse modelo de estoque contingencial de GNL é ineficiente e tem custo muito elevado. Essa dissertação demonstra a viabilidade técnica e econômica da substituição dos estoques flutuantes de GNL em navios metaneiros pela utilização de espaços subterrâneos em cavernas abertas por dissolução de rocha salina em domos onshore, apresentando um dimensionamento anual do tamanho do estoque, ou quantidades de cavernas, para atender a crescente necessidade de estoque de GN ao longo do tempo. Como objetivo secundário, o trabalho apresenta uma análise da utilização desses estoques subterrâneos em ambiente offshore, como um pulmão contingencial para manutenção da produção de petróleo do pré-sal na eventualidade de uma ocorrência interromper o fluxo regular de escoamento do gás produzido nas plataformas. / [en] Currently, the power plants fueled by natural gas (NG) are responsible for 11 percent of the electric power generation in Brazil, consuming 40 percent of gas demand in the country. The gas consumption of power plants is seasonal and volatile, since it is directly related to the level of rainfall in locations where there are hydroelectric plants. Due to this peculiarity of the Brazilian energy matrix and the country s dependence on imported gas, there is a need to establish floating stocks of Liquefied Natural Gas (LNG) in LNG carriers. The main objective of this stock is that, if it is necessary to dispatch the generation of the power plants fueled by Natural Gas, the country has a sufficient stock of NG to allow the production of the thermoelectric generation during 30 days of operation. However, this model of contingency stock of Natural Gas is inefficient and has a very high cost. This dissertation demonstrates the technical and economic feasibility of replacing the floating LNG carriers stocks by the use of open underground caves by dissolving rock salt domes onshore, presenting a prediction of the annual stock size and the necessary quantity of caves to meet the growing need for NG stock over time. As a secondary objective, the dissertation presents an analysis of the use of these stocks in underground offshore environment, as a contingency lung for the maintenance of the pre-salt oil reservoirs production in the event of an occurrence that causes the interruption of the regular flow of the runoff from the gas produced in the platforms.

[pt] O cenário atual da indústria de gás natural brasileira é caracterizado por baixa maturidade e dinamismo de mercado. O comportamento estocástico da demanda por gás, somado volatilidade do preço de mercado do GNL, motiva a utilização de estocagem subterrânea como forma de inserir flexibilidade no suprimento, além de promover proteção contra flutuação no preço. No entanto, a literatura existente carece de uma uma ferramenta analítica mais robusta para apoiar uma análise quantitativa dos benefícios que a atividade UNGS poderia proporcionar à indústria de gás natural. Nesta tese, propomos um modelo de programação dinâmica estocástica para planejamento de longo/médio prazo, a fim de determinar a política ótima de fornecimento juntamente com a possibilidade de armazenamento de gás. Um modelo markoviano caracteriza a demanda termoelétrica, enquanto o preço de GNL é representado por um processo estocástico temporalmente independente. O modelo proposto é eficientemente resolvido usando o algoritmo de programação dinâmica dual estocástica para o estudo de caso brasileiro, considerando dados dos setores de gás e setor elétrico. Para uma escolha exógena, mas significativa, da localização e tamanho do armazenamento subterrâneo, observamos os benefícios operacionais e econômicos da flexibilidade que esta atividade poderia proporcionar. Além disso, comparando os custos de OPEX e CAPEX de investimentos em infraestrutura de armazenamento em campos depletados e cavernas de sal com as economias proporcionadas pelo armazenamento na operação de fornecimento, é possível observar o benefício econômico da atividade de estocagem. A estrutura proposta fornece suporte quantitativo importante para discussões sobre precificação de infraestrutura e modelo de negócios para Armazenamento Subterrâneo de Gás Natural. / [en] The current scenario of the Brazilian natural gas industry is characterized by low maturity and dynamism of the market.The stochastic behavior of Brazilian demand for natural gas, added to its associated market price volatility, motivates the usage of underground storage due to supply flexibility and protection against price fluctuations. However, the existing literature lacks a more robust analytical tool to support a quantitative analysis of the benefits that the UNGS activity could provide to the natural gas industry. In this thesis, we propose a stochastic dynamic programming model for long/medium term planning to determine the supply optimal policy together with the possibility of storing gas. A markovian model characterizes thermoelectric demand while market price is represented by a stagewise independent stochastic process. The proposed model is efficiently solved using the Stochastic Dual Dynamic Programming algorithm for the Brazilian case study considering realistic data for the actual gas network and electric power system. For an exogenous but meaningful choice of underground storage location and size, we observe the operational and economic benefits of the provided storage flexibility. Additionally, comparing the OPEX and CAPEX costs of investments in storage infrastructure in depleted fields and salt caverns with the savings provided by storage in the supply operation, it is possible to observe the economic benefit of storage. The proposed framework provides an important quantitative support for discussion about Underground Natural Gas Storage infrastructure pricing and business models.

[pt] No Brasil, a demanda de gás natural possui um comportamento estocástico devido ao consumo das usinas termelétricas, as quais operam em regime de complementariedade ao sistema hidrelétrico. O suprimento de gás natural para estas usinas depende em grande parte do fornecimento de Gás Natural Liquefeito (GNL) spot, importado através de navios metaneiros. Em função do tempo de trânsito dos navios, as compras de GNL devem ocorrer com antecedência em relação ao despacho hidrotérmico. Este descasamento de tempo incentiva a utilização de mecanismos de compatibilização da dinâmica do setor elétrico com a dinâmica da cadeia do gás natural. Uma possibilidade de aumentar a sinergia entre estes domínios é utilizar uma estocagem de gás natural para inserir flexibilidade no sistema. A viabilidade da estocagem dependerá do preço do gás e da demanda ao longo do horizonte de análise. O objetivo deste trabalho é a construção de um modelo de programação linear para dimensionar a capacidade de uma estocagem de gás natural sob incerteza de demanda e de preço de GNL. O modelo apresentado é um híbrido de otimização estocástica, construído para considerar a incerteza do consumo de gás, com otimização robusta, construído para levar em conta a incerteza relacionada aos preços do GNL. O modelo caracteriza o perfil de risco do supridor de gás natural pela utilização do Conditional Value-at-Risk (CVaR) e utiliza um critério de segurança que reproduz um processo de suprimento avesso a risco de déficit. Ao final do trabalho é apresentado um estudo de caso hipotético, utilizando dados públicos do setor elétrico e de gás natural, para avaliar a implantação da estocagem para 2.000 cenários de demanda e patamares distintos de robustez à variação do preço do GNL. / [en] In Brazil, natural gas demand has stochastic behavior since gas-fired power plants operate in conjunction with the hydroelectric system. Natural gas supply to these plants relies upon Liquefied Natural Gas (LNG), imported through cryogenic ships. LNG acquisitions must occur before the natural gas demand is known because of the time of displacement of the ships. This lack of synchronism stimulates the use of harmonizing mechanisms between the electric sector and the natural gas sector. In this context, natural gas storage could be used to introduce flexibility into the system and increase synergy between natural gas supply and demand dynamics. However, the economic performance of the storage will depend on actual gas prices and demand behavior during the period of analysis. This study aims to construct a linear programming model to determine the size of a natural gas storage under demand and LNG price uncertainty. The model is a hybrid of a stochastic optimization algorithm – developed to consider gas demand uncertainty – and a robust optimization algorithm – built to take into account LNG price uncertainty. A convex combination between Conditional Value-at-Risk (CVaR) and expected value is also used to indicate the supplier risk profile as well as a security criterion, introduced to represent a deficit-averse supply process. At the end, a hypothetic case is presented to evaluate the implementation of a natural gas storage. The case presented uses public data from the Brazilian electric and gas natural sectors and considers 2.000 demand scenarios and various levels of robustness to LNG price variation.