[pt] A busca por uma matriz limpa de geração de energia vem incentivando a expansão de fontes alternativas de geração de energia ao redor do mundo. No Brasil, Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCHs) e Usinas a Biomassa de Cana de Açúcar (Biomassa) vêm se mostrando alternativas atraentes nos últimos anos. No entanto, ambas as tecnologias são caracterizadas por perfis de geração sazonais (mas complementares). Este fato gera riscos que por muitas vezes inviabilizam a comercialização de maneira individual da energia produzida por essas usinas. As PCHs, em particular, têm uma opção de mitigação de parte desse risco participando do Mecanismo de Realocação de Energia (MRE). O MRE traz às PCHs a flexibilidade de sazonalizar sua Garantia Física ao longo do ano, o que se mostra uma ferramenta adicional para mitigar o risco da sazonalidade da geração hidráulica no Brasil. Neste trabalho, será estudado como a combinação de PCHs e Biomassas em um mesmo portfólio pode trazer ganhos sinérgicos para os Geradores. Em particular, será estudado como essa combinação altera a estratégia de sazonalização da Garantia Física da PCH participante do MRE e como essa sazonalização diferenciada resulta em benefícios para os geradores. Para isto, será proposto um modelo de otimização estocástica utilizado para simular o processo decisório de como sazonalizar a Garantia Física de PCHs combinadas com Biomassas em uma proporção fixa ou no contexto de otimização de portfólios compostos por estes dois tipos de usinas. Serão apresentados estudos de caso mostrando diferentes estratégias de comercialização de energia por parte destes Geradores e como a decisão de sazonalização da Garantia Física da PCH se comporta em cada um desses casos. / [en] The search for clean energy development has motivated the expansion of renewable sources of generation around the world. In Brazil, Small Hydro Plants (SHP) and Cogenaration from Sugarcane waste (Biomass) have proven themselves to be attractive alternatives during the last years. Nevertheless, both tecnologies have seazonal (yet complementary) availability. This fact results in financial risks that can make the commercialization of these plants energy individually too risky. SHPs have the option of mitigating their risk by joining the Energy Realocation Mecanism (ERM). The ERM, additionally, gives the SHPs the flexibility of allocate its firm energy in different manners along the year, which can be a valuable tool in mitigating the risks due to the seasonal availability of these plants. In this work, the combination of SHPs and Biomass in a single portfolio will be studied as a tool to mitigate the risks each plant faces individually. In particular, we will study the impact that this combination has over the decision process of SHPs on how to allocate their firm energy and how this different allocation can prove to be beneficial to both generators. In order to do so, a stochastic optimization model will be proposed to simulate the decision process of the SHPs on how to allocate its firm energy when combined in a portfolio with a Biomass in a fixed proportion or in the context of portfolio optimization. Case studies will be presented showing different strategies of commercialization by these generators and how the firm energy allocation decision by the SHP changes in each case.

[pt] A natureza incerta e os altos incentivos econômicos do negócio de refino são forças motrizes para melhorias nos processos de planejamento das refinarias. Decisões tomadas na cadeia do petróleo diferem principalmente na gama de atividades (integração espacial) e no horizonte de planejamento (integração temporal). O objetivo desta tese é abordar o problema da integração da cadeia do petróleo sob incerteza em diferentes níveis de decisão. Modelos de programação matemática tático e operacional são propostos. O modelo tático maximiza o lucro esperado da cadeia de suprimentos e aloca metas de produção para as refinarias considerando restrições logísticas. O modelo operacional maximiza o lucro esperado de cada refinaria determinando a quantidade de material processada por unidade de processo em um dado período. Ambos os modelos são lineares estocásticos de dois estágios, onde a incerteza é incorporada nos parâmetros dominantes de cada nível (preço e demanda no nível tático e suprimento de petróleo e capacidade das unidades no nível operacional). A integração espacial é discutida no nível tático (considerando a cadeia de suprimentos), enquanto a integração temporal é discutida na interação entre os dois níveis. Duas abordagens de integração temporal são consideradas: hierárquica, onde o fluxo de informações é somente do modelo tático para o operacional, e iterativa, onde há retorno do nível operacional para o tático. Um estudo de escala industrial foi conduzido para demonstrar os benefícios da integração em ambiente estocástico. Resultados são oferecidos no contexto de um estudo usando dados da indústria brasileira do petróleo para demonstrar a eficácia das abordagens propostas. / [en] The uncertain nature and high economic incentives of the refining business are driving forces for improvements in the refinery planning process. Decisions made at the oil chain differ mainly in the range of activities (spatial integration) and planning horizon (temporal integration). This thesis purpose is to address the problem of the oil chain integration under uncertainty at different decision levels. Tactical and operational mathematical programming models are proposed. The tactical model maximizes the expected profit of the supply chain and allocates the production targets to refineries taking logistics constraints into account. The operational model maximizes the expected profit of each refinery determining the amount of material that is processed at each process unit in a given period. Both models are two-stage stochastic linear programs where uncertainty is incorporated in the dominant random parameters at each level (price and demand at the tactical level and oil supply and process capacity unit at the operational level).Spatial integration is discussed at the tactical level (considering supply chain), whereas the temporal integration is discussed in the interaction between the two levels. Two temporal integration approaches are considered: hierarchical, where the flow of information is only from the tactical to the operational model, and iterative, where there is feedback from the tactical to the operational model. An industrial scale study was conducted to discuss the benefits of integration in a stochastic environment. Results are offered in the context of a study using data from the Brazilian oil industry to demonstrate the effectiveness of the proposed approaches.

[pt] Nos últimos anos, nota-se uma forte tendência no Brasil de oferta de petróleos cada vez mais pesados e ácidos em contraposição a uma crescente demanda de derivados mais leves dentro de especificações mais rígidas. Dessa forma, o Brasil se depara com a necessidade em adaptar suas refinarias e rede logística a esse novo perfil. Nesse contexto é importante a avaliação da cadeia integrada de petróleo e derivados no longo prazo, visando auxiliar a tomada de decisão em relação aos projetos que devem ser considerados na carteira de investimentos. Por se tratar de uma decisão de longo prazo, é importante levar em consideração as incertezas relacionadas aos parâmetros considerados, como: oferta e preço de petróleos, demanda e preço de derivados e outros. Assim, tornase possível a avaliação de uma carteira de projetos de investimentos considerando os riscos existentes. Este trabalho propõe apresentar uma metodologia de otimização sob incerteza, que utilize programação estocástica em conjunto com técnicas de otimização de portfólio, aplicada ao estudo de uma carteira de investimentos na área de abastecimento de petróleo. O estudo é focado em um modelo de programação linear que maximiza o resultado presente líquido esperado ao longo de um horizonte de tempo estipulado, dado um nível de risco aceitável. Foram propostas duas abordagens de medida de risco: Conditional Value-at-Risk (CVaR) e Minimax. A partir dos resultados numéricos, ficou comprovado que a decisão otimizada de investimento na área de petróleo e derivados apresenta variação com o nível de risco que se pretende assumir. / [en] Over the last years, a strong trade-off between crude oil offer and oil product demand has been posed in Brazil: while the oil produced in Brazil is getting heavier, its` products must be light, constrained by rigid specifications. Hence, the country needs to adapt its refineries and logistic network to this new profile. In this context, a long term analysis of the integrated oil chain is a relevant task. This analysis helps the decision maker to choose projects that should be considered in portfolio investment. During the decision process, it is important to take into account uncertainties related to some parameters: crude oil prices, crude oil offer, product prices, expected demand and others. By doing that, it is possible for the analyst to evaluate a project portfolio considering risks. The present work proposes a methodology for optimization under uncertainty, applied to the study of a portfolio investment for the downstream oil industry, employing both stochastic programming and portfolio optimization techniques. The study is focused on a linear programming model that maximizes the expected net present value (NPV) along the specified time horizon and risk level. Two approaches have been proposed to measure risk: Conditional Value-at-Risk (CVaR) and Minimax. The results show that the investment choice in the oil chain varies with the imposed risk level.

[pt] A volatilidade inerente ao mercado de fretes marítimos e as incertezas relacionadas à demanda de transportes prevista contribuem para a complexidade do problema de dimensionamento da frota. Este trabalho aborda o problema da renovação da frota marítima de uma empresa brasileira do setor de óleo e gás, para o transporte, em viagens de cabotagem e longo curso, de derivados de petróleo. Para tal, é apresentado um modelo estocástico de programação inteira-mista de dois estágios para capaz de gerar indicações de contratos de afretamento a serem realizados considerando incertezas nos níveis de mercado de fretes e na previsão de volume movimentado. O modelo é capaz de fornecer composições de frota capazes de atender as especificações do problema, contudo, para os casos analisados, a avaliação das soluções obtidas ao se considerar a incerteza mostrou potencial de ganho pouco significativo em comparação com uma modelagem similar considerando valores esperados dos parâmetros. Este trabalho evidencia uma situação em que é útil a avaliação das soluções Wait-and-See (WS) e Expected Value of Expected Solution (EEV), menos demandantes computacionalmente, para calcular o potencial ganho da solução do modelo estocástico. / [en] The inherent volatility in the maritime freight market and the uncertainties related to the expected transport demand contribute to the complexity of the fleet size and mix problem. This work addresses the problem of the maritime fleet renewal of a Brazilian oil and gas company, for the transportation, in cabotage and international voyages, of oil products. To this end, we present a two-stage stochastic mixed-integer programming model capable of giving recommendations of which chartering contracts to be performed, considering uncertainties in freight market levels and in the forecasted volume movement. The model is able to provide fleet compositions capable of meeting the problem specifications, however, in the evaluated cases, little gain potential was observed by comparing the stochastic solutions to solutions considering expected parameter values. This work highlights a situation in which the evaluation of the computationally less demanding Waitand-See (WS) and Expected Value of Expected Solution (EEV) solutions is useful to calculate the potential gain of the stochastic model solution.

[pt] O objetivo desta dissertação é analisar a aplicação de metodologias de alocação de capacidade firme de usinas termelétricas através da teoria dos jogos cooperativos e suas conseqüências na cooperação entre os agentes. Mostra-se que não existe uma maneira ótima, única, de se fazer esta repartição, mas existem critérios para verificar se uma metodologia de repartição específica apresenta algum aspecto inadequado. Um desses critérios é a justiça. Mostra-se que este sentido de justiça equivale a pertencer ao chamado núcleo de um jogo cooperativo, onde não há subsídio de um subgrupo por outro. O cálculo da capacidade firme ou Capacidade de Suprimento de Carga será formulado como um problema de otimização linear e serão investigadas vantagens e desvantagens de distintos métodos de alocação (benefícios marginais, última adição, Nucleolus, Shapley). A aplicação desses métodos tem um crescimento exponencial de esforço computacional, o método de Aumann- Shapley abordado em seguida fornece para o problema de alocação de capacidade firme uma solução computacional mais eficiente, embora em sua descrição aparentemente o método aumente o esforço computacional. Em seguida foram realizados resultados numéricos com sistemas genéricos de pequeno porte. / [en] The objective of this work is to investigate the application of different methodologies of allocation of firm capacity rights among thermal plants using a game-theoretic framework and the consequences in the cooperation among the agents. It is shown that there is not an optimal and unique approach to make this allocation but there are criteria to verify if a given approach presents any inadequate aspect. One of these criteria is the justice, or fairness. It is shown that a one sense of justice is equivalent to the condition of the core of a cooperative game. The calculation of the firm capacity will be formulated as a linear program and advantages/disadvantages of different allocation methods (marginal allocation, incremental allocation, Nucleolus, Shapley) will be investigated. The complexities of these methods are exponential, so it will be shown that the Aumann-Shapley (AS) scheme to the problem of allocation of capacity rights will be more efficient. Numerical results about the difference allocations in these methods are presented in general smalls systems.

[pt] Neste trabalho estudamos uma classe de problemas de otimização estocástica com incertezas endógenas que é formulado como um problema de programação não-linear inteira (MINLP). Esta classe de problemas difere dos problemas de otimização estocástica geralmente estudados na literatura pelo fato de que que a distribuição de probabilidade dos parâmetros aleatórios depende das decisões tomadas. Apesar de discutido dentro do contexto do problema de logística humanitária, a metodologia proposta e os resutados obtidos são válidos para uma classe geral de problemas que agrega uma variedade de aplicações. Em particular, propõe-se (i) uma técnica de convexificação de polinômios de variáveis binárias, (ii) um algoritmo de geração de cortes e (iii) a incorporação dos conceitos de importance sampling dentro do contexto de otimização estocástica de modo a permitir a solução de grandes instâncias do problema. Os resultados computacionais apresentados demonstram as vantagens da metodologia proposta ao permitir a solução de instâncias significativamente maiores que aquelas atualmente apresentadas em trabalhos relacionados. / [en] In this work we study a class of stochastic programming problems with endogenous uncertainty – i.e., those in which the probability distribution of the random parameters is decision-dependent – which is formulated as a mixed integer non-linear programming (MINLP) problem. Although discussed in the context of the humanitarian logistics problem, the proposed methodology and obtained results are also valid for a more general class of problems which comprehends a variety of applications. In particular, we propose (i) a convexification technique for polynomials of binary variables, (ii) an efficient cutgeneration algorithm and (iii) the incorporation of importance sampling concepts into the stochastic programming framework so as to allow the solution of large instances of the problem. Computational results demonstrate the effectiveness of the proposed methodology by solving instances significantly larger than those reported in related works.

[pt] Estudamos aproximações amostrais de problemas com restrições probabilísticas através da aproximação pela média amostral (SAA) e demonstramos as propriedades de convergência relacionadas. Utilizamos SAA para obter bons candidatos à solução e cotas estatísticas para o valor ótimo do problema original. Para ajustar corretamente parâmetros, aplicamos o método a dois problemas com restrições probabilísticas. O primeiro é um problema de seleção de portfolio linear com retornos seguindo uma distribuição lognormal multivariada. O segundo é uma versão com restrições probabilísticas conjuntas de um problema da mistura simplificado. Concluímos com uma aplicação mais exigente ao problema de se determinar a provisão mínima que um agente econômico deve ter de forma a satisfazer uma série de obrigações futuras com probabilidade suficientemente alta. / [en] We study sample approximations of chance constrained problems through the sample average approximation (SAA) approach and prove the related convergence properties. We discuss how to use the SAA method to obtain good candidate solutions and bounds for the optimal value of the original problem. In order to tune the parameters of SAA, we apply the method to two chance constrained problems. The first is a linear portfolio selection problem with returns following a multivariate lognormal distribution. The second is a joint chance constrained version of a simple blending problem. We conclude with a more demanding application of SAA methodology to the determination of the minimum provision an economic agent must have in order to meet a series of future payment obligations with sufficiently high probability.

[pt] Atualmente, o mundo tem se voltado à promoção do desenvolvimento da energia proveniente de fontes renováveis, pois estas aparecem como uma alternativa para a redução do aquecimento global. No Brasil, as principais fontes de geração renováveis de energia são: geração de cogeração à bagaço de cana-deaçúcar (biomassa), eólica e pequenas centrais hidrelétricas (PCH). Atualmente, o grande desafio enfrentado por elas é comercialização de contratos lastreados em perfis de geração que, apesar de exibirem um baixo fator de emissões, são extremamente sazonais e incertos. Contudo, sabe-se que existe uma relevante complementaridade entre a disponibilidade dos seus recursos (colheita da cana, vento e hidrologia), que como consequência, promove a possibilidade de um ganho sinérgico com a formação de um portfolio contendo tais fontes. A sinergia entre os perfis de geração de uma biomassa e uma PCH foi recentemente estudada através de um modelo de otimização de portfolio com aversão a risco. Esta dissertação tem dois objetivos: (i) estender o modelo de comercialização integrada de fontes renováveis para considerar também a fonte de geração eólica, e (ii) utilizá-lo para definir a estratégia ótima de oferta (compra) da comercializadora em um leilão de compra de contratos de fontes renováveis no ACL. Dois formatos de leilão serão testados e comparados tanto em termos de benefício para a comercializadora, como em termos de participação final de cada fonte. Por fim, o objetivo (ii) preenche uma lacuna na literatura correspondente a ausência de modelos de oferta estratégica avessa a risco em leilões de contratos por parte da demanda. / [en] Nowadays, the world has turned to promoting the development of energy from renewable sources, because they appear as an alternative to reducing global warming. In Brazil, the main renewable energy sources are the thermoelectric cogeneration of sugarcane bagasse (biomass), wind power and small hydro resources. Besides, the major challenge faced by them is the contracts trade guaranteed by generation profiles that, despite exhibiting a low emission factor, are highly seasonal and uncertain. However, it is known that there is an important complementarity between the availability of resources (sugar cane harvesting, wind and hydrology), which as a consequence, promotes the ability to gain a synergistic effect with the formation of a portfolio containing such sources. The synergy between the resources availability profile of biomass and a small hydro was recently studied by a model of portfolio optimization with risk aversion. This work has two objectives: (i) extend the portfolio trade model of renewable sources to consider also the a wind generation power plant, and (ii) define an optimal strategic bidding (demand side) for a trading company on a contract auction for renewable sources. Two auction formats will be tested and compared in terms of benefit to the energy trading company. Finally, the objective (ii) fills a gap in the literature corresponding to the absence of risk-averse bidding models for contract auctions on the demand side.

[pt] O Programa Nacional de Uso e Produção de Biodiesel destaca a produção de biodiesel a partir da mamona como alternativa energética não poluente e como gerador de empregos em regiões carentes. Todavia um empecilho à produção deste biodiesel advém da precariedade da produção da mamona, baseada em agricultores familiares pouco estruturados e com condições logísticas ruins. Assim, este trabalho visa a contribuir à resolução deste problema, procurando otimizar o planejamento estratégico desta cadeia de suprimentos de biodiesel em particular. O objetivo é minimizar os custos totais de transporte e de armazenagem de grãos dos produtores agrícolas às usinas de esmagamento. Uma importante peculiaridade deste problema é a incerteza da produção, que afeta o projeto da cadeia. Desta forma, foi proposto um Modelo de Programação Linear Inteira-Mista (PLIM) Estocástico, com formulação dois estágios e multi-estágio. Cabe ressaltar que este modelo foi testado em um caso real no semiárido brasileiro. Como resultado, são apresentadas as alocações de fluxos e entrepostos de custo mínimo para ambos os modelos. Por fim, é feita uma comparação entre estas formulações ressaltando que o ganho de flexibilidade obtido através do modelo multi-estágio se traduz em um menor custo logístico total. / [en] The Brazilian Program for Biodiesel Use and Production highlights the production of biodiesel from castor seeds, as a non-polluting energy source and as a job generation in poor regions. However, an obstacle to biodiesel production comes from the castor seeds poor production conditions and lack of infrastructure and logistics. This work aims to present a contribution to solve this problem, performing a strategic planning optimization of this biodiesel supply chain. The main objective is to minimize total storage costs and grains transportation to the crushing plant. An important peculiarity of this problem is the production uncertainty, which affects the supply chain design. Thus, we propose a stochastic Mixed Integer Linear Programming (MILP) model with two stage and multi-stage formulations. This model was tested on a real case in the Brazilian s semi-arid region. As a result, in order to obtain the minimum total cost, we present the logistics network flow design and warehouses assignments for both formulations. Lastly, we present a comparison between these formulations highlighting that the flexibility gain provided by the multi-stage model results in a lower total logistic cost.

[pt] Otimização de portfólio é uma técnica largamente utilizada para seleção de investimentos na área econômico-financeira. A primeira proposição neste sentido foi o modelo média- variância de Harry Markowitz, que utiliza, respectivamente, a média e a variância dos retornos do portfólio como medidas de retorno e de risco. Desde Markowitz muitas outras abordagens, que adotam medidas de risco alternativas, têm sido propostas, como por exemplo o modelo MiniMax, o modelo de desvio absoluto médio, a programação objetiva, o Value-at-Risk (VaR), o Conditional Value-at- Risk (CVaR) etc. Neste trabalho a idéia de otimização de portfólio é aplicada à área de comercialização de energia. O objetivo é apresentar abordagens para otimização de portfólio de contratos de energia, de modo a se definir a estratégia de comercialização de energia que maximize o valor esperado dos valores presentes das remunerações líquidas de uma empresa geradora, sujeito ao controle de sua exposição ao risco. São propostas três abordagens: a primeira adota a variância dos valores presentes das remunerações líquidas como medida de risco, a segunda adota o mínimo da distribuição como medida de risco e a terceira adota o CVaR como medida de risco. Em duas das três abordagens propostas, assume-se que os contratos candidatos a compor o portfólio são divididos em dois grupos: contratos de decisão imediata e possibilidades futuras de contratação. Com isto, a formulação do problema resulta em um modelo de otimização estocástica de dois estágios, que é resolvido via programação dinâmica dual estocástica. Resultados numéricos para o sistema elétrico brasileiro são apresentados e discutidos. / [en] Portfolio optimization has been widely used to select investments in the financial area. The first proposal in this topic was the Markowitz mean-variance approach, which uses, respectively, the mean and the variance as measures of portfolio return and risk. Since Markowitz many other approaches, which adopt alternative risk measures, have been proposed, e.g. the MiniMax model, the Mean Absolute Deviation model, the Goal Programming, the Value-at-Risk (VaR) and the Conditional Value-at-Risk (CVaR) etc. In this work the idea of portfolio optimization is applied to the energy commercialization area. The objective is to present approaches to portfolio optimization of energy contracts in order to determine the energy commercialization strategy that maximizes the expected present value of the cash flow of a generating company subject to the control of its risk exposure. Three approaches are proposed: the first adopts the variance of the present values as risk measure, the second adopts the minimum present value as risk measure and the third adopts the CVaR as risk measure. In the second and in the third approaches are assumed that the candidate contracts are divided into two sets: those of immediate decision and those that can be contracted in the future. This modeling leads to a large-scale two-stage stochastic programming problem that is solved by stochastic dual dynamic programming. Numerical results for the Brazilian power system are presented and discussed.