[pt] Até 1997 o Setor Elétrico Brasileiro (SEB) era basicamente um monopólio estatal administrado por empresas federais e estaduais. A partir do segundo semestre de 1997 foram iniciadas as privatizações, e em paralelo a reestruturação do setor. Antes do processo de reestruturação do SEB, o planejamento da expansão da geração era feito de forma coordenada e centralizada, com o objetivo de minimizar os custos de investimento e operação. A expansão da geração era uma variável de decisão do problema. No entanto, um dos pressupostos da reestruturação do setor foi e continua sendo a realização pelo agente privado de grande parte dos novos investimentos em geração e transmissão. Dessa maneira, a decisão sobre a expansão da geração deixa de ser centralizada e passa a depender da disposição de investimento deste agente, acarretando no aumento do nível de incertezas no processo de planejamento. Neste contexto, o presente trabalho visa estudar a dinâmica de investimentos privados em geração termelétrica no Brasil utilizando a Teoria das Opções Reais. A dinâmica de investimentos em termelétricas será estudada em três situações diferentes. Na primeira, será utilizado um modelo de opções reais / análise de decisão para determinar as estratégias de escolha do melhor momento de construção de um empreendimento considerando que há incerteza exógena na expansão da oferta de termelétricas. Na segunda, será utilizado o mesmo modelo para determinar as estratégias de momento de construção de uma termelétrica considerando que há incerteza na demanda, e que a expansão da oferta permanece constante. Na terceira, a expansão da oferta ocorre em resposta às incertezas e à interação entre os agentes. Será utilizado um modelo de opções reais / análise de decisão / teoria dos jogos. Os principais resultados obtidos no trabalho foram os prêmios de risco exigidos pelo investidor para realizar o investimento imediato e a determinação do melhor momento de investimento em função de algumas variáveis do problema. Foi possível comparar as diferentes situações estudadas, mostrando que a concorrência pode atrasar investimentos. / [en] Until 1997 The Brazilian Electric Sector was basically a monopoly administrated by federal and state enterprises. In the second semester of 1997 it was begun privatizations and the restructuring process. Before Brazilian Electric Sector restructuring process, the planning of generation expansion was made through a centralized program which focus in minimize the investment and operation costs. The generation expansion was a decision variable of the problem. However, one of the assumptions of the restructuring sector process was and continues to be the private agent realization of a big share of the new investment in generation. So, the generation expansion is not more centralized, becoming a variable, which depends of the investment affordability of this agent. In this context, the present thesis studies the private investment dynamics in thermoelectric generation using Real Options. The dynamic of investment in thermal Plants will be studied in three different situations: In the first, it will be used a model of real options / decision analysis to determine the best timing of construction, considering that exists an exogenous uncertainty in the thermal supply expansion. In the second situation, the same model will be used to define the best timing of investment in thermal plants, considering that exists demand uncertainty, and that the supply expansion remains constant. In the third situation, the supply expansion occurs in response of the demand uncertainty evolution and the strategic interactions between the agents. It will be used a real options/ decision analysis/ game theory model. The main results obtained were the threshold contracted prices and the determination of the best time to invest as a function of some problem variables. It was possible to compare the different studied situations, showing that the competition could delay investments.

[pt] Desde que o novo modelo institucional do setor elétrico brasileiro passou a vigorar em 2004, a oferta de energia termelétrica, nos leilões de energia nova, vem se mostrando muito concentrada em tecnologias de alto custo variável (unitário), principalmente, em usinas movidas a óleo combustível e a diesel. Desta maneira, esta dissertação tem como objetivo inicial compreender de que forma os aspectos institucionais do novo marco regulatório se interagem com as características físicas e tecnológicas das usinas, de modo a propiciar uma provável vantagem competitiva em favor das usinas de alto custo variável. Este estudo tem ainda o objetivo de investigar o mecanismo do Índice de Custo Benefício (ICB), utilizado pelas entidades governamentais como critério de eficiência para a seleção, nos leilões de energia nova, dos projetos termelétricos mais competitivos. Deseja-se averiguar se este mecanismo gera os incentivos corretos sobre os empreendedores termelétricos, de modo que seja uma estratégia ótima para o empreendedor reportar o verdadeiro valor de seu custo variável à Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Os resultados teóricos encontrados e os resultados obtidos pelos procedimentos de simulação indicam que a estratégia ótima para o empreendedor não é, em geral, reportar seu custo variável verdadeiro à EPE. Mais ainda, os resultados mostram que esta estratégia ótima é dependente das expectativas dos investidores acerca dos preços futuros de energia. Quanto mais elevados forem os preços futuros esperados, maior tenderá a ser o custo variável declarado pelo empreendedor. / [en] Since the implementation of the new regulatory framework of the Brazilian electrical sector in 2004, the supply of thermo electrical power in the new energy auctions has been very concentrated in high (unitary) variable costs technologies, mainly, in plants powered by fuel oil and diesel. In this way, this dissertation has as initial objective to understand how the institutional aspects of the new regulatory framework interact with the physical and technological characteristics of the power plants in a way to create a likely competitive advantage in favor of the high variable cost power plants. This study has also as an objective to investigate the Index of Cost Benefit (ICB) which is used by the government entities as criterion of efficiency to select, in the new energy auctions, the most competitive thermo electrical projects. The study aims to verify if this mechanism induces the right incentives on the thermo power entrepreneurs, in a way that it would be an optimal strategy for the entrepreneur to report the actual value of his variable cost to the Empresa de Pesquisa Energética (EPE). The theoretical results and the simulation proceedings results both indicate that the optimal strategy to the entrepreneur is not in general to report the truthful variable cost to EPE. Moreover, the results show that the optimal reporting strategy is dependent of the beliefs the investors have concerning the future energy prices. The higher the expectations regarding the future prices, the higher will tend to be the entrepreneur reported variable cost.

[pt] O segmento industrial desempenha um importante papel no desenvolvimento do setor de gás Brasileiro. Em função dos baixos preços e dos incentivos dados pelo governo para a conversão dos processos industriais (muitos deles dependentes do óleo combustível) para o gás natural, criou-se uma fonte de demanda firme deste combustível. Como as termelétricas operam em regime de complementariedade ao sistema hidrelétrico (sendo coordenadas pelo Operador Nacional do Sistema (ONS) elétrico e chamadas a gerar apenas em situações hidrológicas desfavoráveis), o oconsumo de gás termelétrico ocorre de forma esporádica. Uma forma de se aumentar a eficiência do uso do gás, mesclando duas classes de consumidores se dá através dos contratos interruptíveis, que proporcionam ao produtor a capacidade de atender consumidores industriais bicombustível (gás e óleo por exemplo) com o gás ocioso das termelétricas. Como a atratividade deste contrato depende do desconto dado com relação ao preço do contrato firme, que não é interrompido, o objetivo deste trabalho é a construção de um modelo analítico para a determinação do preço ótimo dos contratos de fornecimento de gás interruptíveis, por parte de um produtor monopolista. O consumo de gás das termelétricas será considerado como principal fonte de incerteza do modelo, que por sua vez será caracterizada através de cenários de operação ótima do sistema elétrico, simulados conforme a metodologia utilizada pelo ONS. O perfil de risco do produtor será caracterizado pelo Conditional Value-at-Risk (CVaR). / [en] Brazilian natural gas industry growth has been led by electricity supply. As hydro plants generate at lower costs, thermal units only produce when hydro electricity is insufficient. This makes natural gas consumption highly volatile: Either all thermal units generate together or don’t. When all units generate together, the gas trader has to buy LNG - Liquified Natural Gas at the spot market incurring price risk. This risk can be mitigated in case the gas trader is able to sell flexible contracts to the industrial sector that can be interrupted in case of thermal generation. Thus the gas volume sold under flexible contracts is used either by thermal generation or by the industrial sector, virtually reducing total demand and avoiding emergency LNG purchases. The determination of the optimal price for these contracts is the aim of this dissertation. The determination model proposed will try to maximize a convex combination of CVaR - Conditional Value at Risk NPV - Net Present Value and trader´s profit NPV.

[pt] O Brasil é um país cuja matriz elétrica é fortemente dependente da geração por usinas hidrelétricas. Dentro desse cenário, a utilização de usinas termelétricas a biomassa representa uma alternativa vantajosa, pois associa a diversificação da matriz energética brasileira à utilização de fontes renováveis, além de não ser poluidora como suas contrapartes movidas a combustíveis fósseis não renováveis como óleo combustível e gás. Este estudo teve como objetivo realizar a avaliação econômica de um projeto de investimento em uma usina termelétrica a biomassa, adotando estratégias com e sem flexibilidades gerenciais e operacionais, de forma a identificar a metodologia de avaliação mais adequada ao projeto em questão. Na estratégia sem flexibilidade foi adotado o método do fluxo de caixa descontado. Já nas estratégias com incertezas e flexibilidades, foram incorporadas as incertezas referentes ao mercado de energia elétrica e as flexibilidades relacionadas à possibilidade da usina comercializar a energia elétrica gerada integral ou parcialmente nos mercados de longo ou curto prazo. Além disso, há a possibilidade de instalação de uma usina de briquetagem, que permitiria a planta comercializar energia elétrica no mercado de curto prazo ou biomassa em formato de briquetes, dependendo do que for economicamente mais interessante. Os resultados obtidos indicam que a existência de incertezas e flexibilidades gerenciais aumenta o valor do projeto e reduzem significativamente o risco de insucesso do mesmo, o que reforça a idéia de que a avaliação por opções reais, apesar de mais complexa, pode ser mais adequada para determinar o real valor do projeto. / [en] Brazil is a country whose energy matrix is strongly dependent on generation by hydropower plants. Within this scenario, the use of biomass power plants represents an attractive alternative, since it associates the diversification of the Brazilian energy matrix with the use of renewable sources, and is not as polluting as their counterparts moved to non-renewable fossil fuels such as oil and gas. This study aimed to conduct the economic evaluation of an investment in a project of a biomass power plant, considering strategies with and without managerial and operational flexibilities, in order to identify the best methodology for evaluating the project in question. In the strategy without flexibilities, the discounted cash flow method was adopted. In the strategies with uncertainties and flexibilities, the uncertainties related to the electricity market and flexibilities related to the possibility of selling the electricity generated in the long or short term markets were incorporated into the analysis. Moreover, there is the possibility of installing a briquetting plant, which would allow the plant to choose between selling electricity in the short term market or briquettes, whichever is more economically interesting. The results indicate that the existence of uncertainties and managerial flexibilities increases the value of the project and reduces significantly the risk of failure, which reinforces the idea that the evaluation with real options, though more complex, can be more appropriate to determine the actual value of the project.

[pt] O presente trabalho teve como objetivos avaliar a influência de heterogeneidades metalúrgicas sobre o limiar de propagação de trincas de fadiga e apresentar alternativas de materiais para a fabricação de eixos virabrequins de motores Diesel / gás natural de unidades geradoras de plantas termoelétricas, uma vez que tais componentes mecânicos fabricados com aço DIN 34CrNiMo6 vêm apresentando falhas por fadiga com baixo número de ciclos de carregamento. Corpos de prova foram usinados de aços SAE 4140, SAE 4340 e DIN 42CrMo4. Inicialmente, conduziram-se ensaios de tração para a determinação das propriedades mecânicas dos materiais. Ensaios de propagação de trincas de fadiga foram realizados em espécimes do tipo C(T) entalhados, submetidos a um carregamento cíclico. Pré-trincas de fadiga, com comprimentos variando entre 1,3 mm e 1,6 mm, foram induzidas nos corpos de prova de acordo com a norma ASTM E647. Em sequência, foram levantadas as curvas da/dN versus delta K dos materiais, com ênfase para a determinação da variação do fator de intensidade de tensão do limiar de propagação (delta Kth) de cada aço. Neste contexto, o aço SAE 4140 apresentou um valor de (delta Kth) superior aos demais, o que significa que suporta maiores tamanhos de trinca antes do início da propagação. Análises por técnicas de microscopia evidenciaram a presença de inclusões na região de propagação das trincas, dando origem a um caminho preferencial para o crescimento das mesmas. Os resultados destas análises indicaram a presença de uma menor quantidade de inclusões no aço SAE 4140, permitindo uma associação desta característica microestrutural com o valor do delta Kth do material. Desta maneira, no que se refere à iniciação de trincas de fadiga, o aço SAE 4140 apresenta-se como alternativa viável para substituição do aço 34CrNiMo6 na fabricação de eixos virabrequins para motores de usinas termoelétricas. / [en] The present study had as objectives to evaluate the influence of metallurgical heterogeneities on the fatigue cracking propagation threshold and to present alternative materials for the manufacture of crankshafts of diesel / natural gas engines of thermoelectric plants generating units, since such components mechanics manufactured with DIN 34CrNiMo6 steel has been presenting faults due to fatigue with a low number of loading cycles. Test specimens were machined from SAE 4140, SAE 4340 and DIN 42CrMo4 steels. Initially, tensile tests were conducted to determine the mechanical properties of the materials. Fatigue crack propagation tests were performed on C(T) specimens subjected to cyclic loading. Fatigue pre-cracks, with lengths ranging from 1.3 mm to 1.6 mm, were induced in the test specimens according to ASTM E647. In sequence, da/dN versus delta K curves of the materials were raised, with emphasis on the determination of the tensile strength factor of the propagation threshold (delta Kth) of each steel. In this context, the steel SAE 4140 presented a value of (delta Kth) superior to the others, which means to support larger crack sizes before the beginning of the propagation. Analysis by microscopy techniques evidenced the presence of inclusions in the region of crack propagation, giving rise to a preferential path for their growth. The results of these analyzes indicated the presence of a smaller number of inclusions in the steel SAE 4140, allowing an association of this microstructural characteristic with the value of the delta Kth of the material. In this way, with regard to the initiation of fatigue cracks, the SAE 4140 steel is presented as a viable alternative for the replacement of 34CrNiMo6 steel in the manufacture of crankshafts for motors of thermoelectric power plants.

[pt] As previsões de falhas por fadiga tornam-se críticas sob condições multiaxiais de carregamento, uma vez que a complexidade do estado de tensões requer uma análise com base em modelos mais avançados do que aqueles adotados para carregamentos uniaxiais. Neste contexto, alguns critérios foram desenvolvidos para tentar prever a falha de componentes submetidos a carregamentos cíclicos multiaxiais. Um exemplo de componente mecânico sujeito a fadiga multiaxial quando em serviço são os eixos virabrequim de unidades geradoras de plantas termoelétricas. Usualmente projetados segundo o critério de Findley, falhas recentes de eixos virabrequim ocorridas no parque termoelétrico nacional, tem provocado o questionamento da eficiência de tal critério. Desta forma, o presente estudo teve como objetivo analisar a aplicabilidade de seis modelos (Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli e Liu e Mahadevan) de fadiga multiaxial de alto ciclo, baseados no plano crítico, para prever a falha de eixos virabrequim de unidades geradoras. Para aplicação dos modelos, adotaram-se diferentes parâmetros de carregamento (tensão média e defasagem de aplicação das tensões normais e cisalhantes) e propriedades de material (resistência à fadiga), partindo de valores encontrados na literatura. Observou-se uma divergência entre os resultados de cada modelo estudado, sendo uns mais conservadores do que os outros, em função do carregamento e propriedades do material. Entretanto, o modelo de Papadopoulos, com base na facilidade de aplicação e sensibilidade de previsão da falha, mostrou-se mais adequado. / [en] The fatigue failure prediction becomes critical under multiaxial loading conditions, since the complexity of the stress state requires analysis based on models more advanced than those adopted for uniaxial loads. In this context, some criteria were developed in an attempt to predict the failure of components subjected to multiaxial cyclic loads. An example of mechanical component subject to multiaxial fatigue is the crankshaft of thermoelectric plants. It is usually projected according to the Findley criterion. However, recent failures of crankshafts occurring in the national thermoelectric park, put on doubt the efficiency of such criterion. In this way, the present study aimed to analyze the applicability of six models (Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli and Liu e Mahadevan) of high cycle multiaxial fatigue, based on the critical plane, to predict failure on crankshaft of generating units. For the models application, different loading parameters (medium stress and out-of-phase stresses) and material properties (fatigue limit) were adopted, starting from values found in the literature. A divergence between the results of each model was observed, some of them were more conservative than the others, depending on the loading and material s properties. However, the Papadopoulos model, based on easy application and failure prediction sensitivity, proved to be more suitable than the others.

[pt] O presente trabalho se baseia na teoria dos defeitos equivalentes, também conhecida como teoria de Murakami, que permite a predição da vida-fadiga de materiais estruturais adotando o parâmetro (raiz quadrada de area), responsável por uma equivalência quantitativa entre heterogeneidades microestruturais (inclusões metalúrgicas) existentes na região de análise do material e descontinuidades mecânicas (furos) usinados nos corpos de prova. Neste contexto, a tese propõe novas equações, a partir da teoria de Murakami, para prever falhas por fadiga em carregamentos ultralongos (fadiga de altíssimo ciclo, VHCF) do aço DIN42CrMo4, de larga aplicação na fabricação de eixos virabrequins para unidades geradoras de usinas termoelétricas. Corpos de prova do aço DIN42CrMo4 foram usinados com furos de diâmetros variando entre 0,18 mm e 0,70 mm e ensaiados num regime de fadiga de altíssimo ciclo, variando o valor da amplitude de tensão do ensaio, para assim determinar em quais condições o material falha e obter a curva experimental S-N do aço DIN42CrMo4 na presença de diferentes tamanhos de defeitos (furos). Os resultados experimentais permitiram o desenvolvimento de equações em função do parâmetro e curvas de Wohler do material, em conformidade com diferentes descontinuidades mecânicas nos corpos de prova e resistências à fadiga do material. Consequentemente, se estabeleceu uma metodologia que permite uma correlação entre inclusões metalúrgicas, tensão aplicada e vida superlonga em fadiga de eixos virabrequins em serviço em usinas termoelétricas. / [en] The present work is based on the theory of equivalent defects, also known as Murakami s theory, which allows the prediction of the fatigue life of structural materials by adopting the parameter (square root of area), responsible for a quantitative equivalence between microstructural heterogeneities (metallurgical inclusions) existing in the region analysis of the material and mechanical discontinuities (holes) machined in the specimens. In this context, the thesis proposes new equations, based on Murakami s theory, to predict fatigue failures in ultralong loads (very high cycle fatigue, VHCF) of DIN42CrMo4 steel, widely used in the manufacture of crankshafts for generating units of thermoelectric power plants. DIN42CrMo4 steel specimens were machined with holes with diameters varying between 018 mm and 0.70 mm and tested in a very high cycle fatigue regime, varying the value of the test stress amplitude, to determine under what conditions the material failure and obtain the experimental S-N curve of DIN42CrMo4 steel in the presence of different sizes of defects (holes). The experimental results allowed the development of equations as a function of the parameter and Wohler curves of the material, in accordance with different mechanical discontinuities in the test specimens and resistance to fatigue of the material. Consequently, a methodology was established that allows a correlation between metallurgical inclusions, applied stress and super-long fatigue life of crankshafts in service in thermoelectric power plants.

[pt] Uma relação direta onde a vida em fadiga Número de ciclos por falha pode ser descrita como função das amplitudes macroscópicas de tensão normal e cisalhante, Amplitude de tensão normal macroscópica e Amplitude macroscópica da tensão de cisalhamento, é obtida. Utilizando o critério de Carpinteri e Spagnoli (CeS) como uma ferramenta de inspeção, foram obtidas curvas de nível elípticas sobre um domínio Amplitude de tensão normal macroscópica x Amplitude macroscópica da tensão de cisalhamento. A expressão das curvas de nível obtidas foi generalizada, proporcionando uma ferramenta capaz de prever o número de ciclos para falha associado a qualquer combinação (Amplitude de tensão normal macroscópica, Amplitude macroscópica da tensão de cisalhamento). As previsões obtidas através do método da curva elíptica foram comparadas às observações experimentais, bem como a previsões obtidas a partir de versões adaptadas de modelos consagrados na literatura, a saber: Findley (F), Matake (M), McDiarmid (McD), Susmel e Lazzarin (SeL), Carpinteri e Spagnoli (CeS) e Papadopoulos (P). O modelo proposto forneceu previsões em boa concordância com as observações experimentais, e sua capacidade de avaliar o comportamento em fadiga se revelou o melhor dentro todos os critérios considerados. Por fim, uma leve tendência conservadora do modelo foi atenuada através da introdução de um parâmetro de ajuste, melhorando ainda mais sua capacidade de avaliação de comportamento em fadiga. / [en] A direct relation where fatigue life Number of cycles to failure can be determined as function of macroscopic normal and shear stress amplitudes Macroscopic normal stress amplitude and Macroscopic shear stress amplitude is established. Using the Carpinteri and Spagnoli (CandS) criterion as a survey tool, elliptical level curves in the Macroscopic normal stress amplitude x Macroscopic shear stress amplitude domain were revealed and further generalised, providing means to determine the number of cycles to failure for any given (Macroscopic normal stress amplitude, Macroscopic shear stress amplitude ) combination. Predictions obtained through the elliptical curve method (E) were compared to experimental observations, as well as to predictions obtained from adapted versions of popular fatigue criteria, namely Findley (F), Matake (M), McDiarmid (McD), Susmel and Lazzarin (SandL), Carpinteri and Spagnoli (CandS) and Papadopoulos (P). The proposed model delivered predictions in fair agreement with experimental observations and its predictive capability was seen to be the best among all the considered criteria. Finally, a slight bias towards conservativeness was attenuated with the introduction of an adjusting parameter, further improving the predictive capability of the model.

[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.