Thesis (Ph.D.); Submitted to the Univ. of California, Berkeley, CA (US); 24 Nov 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "UCRL-TH-208645" Allen, M. 11/24/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

A dificuldade do gás natural em penetrar no mercado residencial e competir com os usos térmicos da energia elétrica é o objeto principal de análise deste trabalho, o qual procurará sustentar que, em centros urbanos onde o gás canalizado é ou será uma realidade, sua utilização mais ampla não deve ser em um contexto de competição predatória com os outros energéticos, mas de complementação estratégica do sistema energético como um todo. O uso térmico da eletricidade gera demanda e não consumo para as concessionárias de energia elétrica, ou seja, em curto espaço de tempo, dentro do chamado período de ponta do sistema elétrico, há uma concentração de uso do chuveiro elétrico, que exige uma importante infra-estrutura de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, para atender essa demanda pontual de fins térmicos, operando com significativos níveis de ociosidade no resto do tempo. Por outro lado, em muitos centros urbanos, com maior densidade populacional, a disponibilidade de gás natural canalizado teoricamente viabiliza a substituição da eletrotermia pelo aquecimento de água a gás. Para as companhias de distribuição de gás, o mercado de água quente é essencial para a viabilização econômica das redes e consolidação do mercado residencial. O gás canalizado apenas para fins de cocção conduz a redes extremamente custosas e de baixa utilização. Neste trabalho, tomando-se como estudo de caso a cidade de Santos, discute-se dentro de uma perspectiva mais ampla, como um planejamento integrado dos recursos pode levar em conta os investimentos a serem realizados, que conduzam a um melhor uso dos energéticos e das redes de distribuição de gás natural e energia elétrica, gerando ganhos para sociedade. Sugere-se, como conclusão, que uma abordagem integrada da questão energética, no caso a cidade de Santos, leve à redução do uso residencial da energia elétrica para fins térmicos, e garanta a disponibilidade desta para outros usos, sem maiores investimentos por parte da distribuidora. E por outro lado, o gás natural será incorporado à matriz energética local de forma eficiente, garantindo o desenvolvimento do seu mercado, que terá impactos sobre toda a Baixada Santista, integrando interesses desde a produção offshore na Bacia de Santos até o seu uso final dentro da própria região. / The natural gas difficult to penetrate in the residential market and compete with electrical energy is the main objective of this study, which will support that in big cities, where natural gas is already reality or will be the use of natural gas should not be considered competition for other types of energy resources but as a strategically complement of the overall power system. Electricity used as thermal source creates only demand for concessionaries and not consumption, in other words, there is short period of time when demand peaks and the amount of energy consumed by the electric shower is so high that requires a huge infra-structure of generation, transmission and distribution. However, it creates a big idle capacity in periods off-peak. Nevertheless, in the urban areas with high population density, the existence of pipelines turns feasible the replacement of electricity to natural gas in water heating. For natural gas distributors, the use natural gas in water heating is critical factor to make the pipeline network economically feasible and to consolidate the residential market. The use of natural gas only to cooking purposes makes the network very costly and with high idle capacity. This study will discuss how an integrated planning of resources within a broader perspective which considers not only the investments required but also the risks associated can lead to a better use of energy resources and distribution network of natural gas and electricity. With it, the whole society will gain. For this study, the city of Santos will be analyzed. Conclude that an integrated view of energy system in Santos will reduce the use of electricity as thermal source, freeing up capacity without incurring significant investments. Therefore, the natural gas will be wisely incorporated in the energy matrix assuring the development of new industry which will impact positively all onshore region near Santos, and will conciliate interests from offshore producers and local consumers of the region.

Esta dissertação busca analisar a eficiência econômica da forma de classificação das usinas geradoras nos leilões de contratação de energia elétrica por disponibilidade. Historicamente, o Brasil tem apresentado uma matriz de geração de energia elétrica predominantemente hídrica, que, embora mais econômica do que as matrizes de geração prevalentemente térmicas, pode resultar em déficits de geração em períodos de escassez hidrológica. O ano de 2001 evidenciou tal perigo. Nele, uma série de baixas afluências hidrológicas, sem o prévio incremento adequado do parque gerador, resultou no Programa de Redução do Consumo e, através desse, num decréscimo de 20% na demanda por energia elétrica à época, acentuando a preocupação pela incorporação de empreendimentos termelétricos para diversificar a matriz de geração do País. Entre as modificações realizadas, destaca-se a alteração da estrutura de comercialização de energia elétrica no Brasil visando a favorecer à expansão da oferta termelétrica, concebendo-se a modalidade de contratação por disponibilidade. Tal modalidade transfere o risco da operação e do preço do combustível dos ombros do gerador para os do consumidor. Contudo, fez-se necessário, para viabilizar tal modalidade de contratação, o uso de ferramental diferenciado para classificação dessa nova oferta de energia nos leilões, e a ferramenta adotada foi o Índice de Custo Benefício (ICB). Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é analisar os resultados econômicos decorrentes do uso do ICB na contratação de usinas termelétricas por disponibilidade, verificando se ele se mostrou ou não adequado a tal fim. Para isso, analisam-se os resultados dos leilões para a contratação da energia de novos empreendimentos, destacando a participação de cada fonte energia e os valores financeiros exercidos por meio dos preços, das receitas fixas e dos respectivos ICBs. Além disso, é feita uma análise das operações das usinas termelétricas após a contratação. Dessa forma, são utilizados os anos operativos de 2014 e 2015, nos quais foi registrada uma profunda escassez hidrológica, como base na comparação de cenários de geração de energia elétrica com diferentes participações entre empreendimentos termelétricos a óleos derivados do petróleo e a gás natural. Os cenários utilizados são quatro: dois com composição real entre as dessas duas fontes termelétricas (óleos derivados do petróleo e a gás natural) para os anos de 2014 e 2015; e dois simulados, com 100% da geração termelétrica sendo realizada apenas a gás natural para os mesmos anos. Os resultados financeiros encontrados indicam que a potencial economia no custo da energia elétrica gerada no cenário simulado comparado ao cenário real seria da ordem de 6 bilhões de reais nos anos de 2014 e 2015. Assim, considerando as 59 usinas que integraram o universo da análise, o resultado que indica ineficiência no uso ICB, o qual apontou vantagem econômica de certos empreendimentos no momento de suas contratações que não se concretizaram nos cenários testados de baixa hidrologia. Ademais, fica clara a necessidade de aprimorar a metodologia de classificação de empreendimentos de geração de modo que tal metodologia leve em conta os efeitos de eventuais anos de baixa hidrologia, buscando tornar a contratação de energia elétrica no Brasil mais econômica e mais aderente à volatilidade hidrológica do País. / This thesis seeks to analyze the economic efficiency of the classification method for power plants in power availability contracts. Historically Brazil has presented a predominantly hydroelectric power generation matrix, which, though more economical than predominantly thermal generation matrix, can result in the generation deficits in hydrological scarcity periods. The year 2001 showed such danger. In it a number of low hydrological inflows, without adequate prior increase in generating capacity, resulted in rationing of 20% in demand for electricity at the time, stressing the concern by incorporating thermal power projects to diversify the country generation matrix. Among the changes made, it altered the electricity market structure in Brazil in order to favor the expansion of the thermoelectric supply, creating the availability contracts modality. This mode transfers the risk of the operation and the price of fuel from generator to the consumer. However, it was necessary to enable this type of contract, the use of different tools for classification in the auctions, and the tool adopted was the Cost Benefit Index (CBI). The objective of this study is to analyze the economic results from the use of CBI in hiring thermoelectric plants using availability contracts, checking if was or not suitable for this purpose. In this sense, we analyze the results of the auctions for new energy projects, highlighting the contribution of each energy source and the financial figures exercised through prices, the fixed income and ICBS. Moreover, it is also made an analysis of the operations of power plants after hiring. Thus, operating years used were 2014 and 2015, in which it was registered a profound hydrological shortage, based on the comparison of electricity generation scenarios with different interests between thermal power projects to petroleum oils and natural gas. The scenarios used were four: two with real composition between these two thermal sources for the years 2014 and 2015, petroleum oils and natural gas; and two simulated, with 100% of thermal generation with natural gas for the same years. The financial results indicate that the potential savings in the cost of the electricity generated in the simulated scenario compared to the real scenario would be around 6,1 billion reais in the years 2014 and 2015. Thus, considering the 59 plants that integrated the universe of analysis, the result indicates the inefficiency of the use ICB, which pointed out the economic advantage contracts that were not hired in low hydrology scenario tested. In addition, it is a clear the need to improve the classification methodology for generation projects in a way that takes into account the effects low hydrology year, trying to make the electricity contracts more economical to Brazil and more adherent to hydrological volatility of the country.

A automação já é utilizada como ferramenta para se obter a eficiência energética. Este trabalho apresenta e quantifica a potencialidade desta ferramenta com objetivo de diminuir picos de energia, diminuindo também a necessidade de construir rapidamente novas usinas geradoras de energia elétrica, regulando a transmissão e distribuição desta energia, aproveitando recursos renováveis e sustentáveis, tudo isso através de um sistema que já existe implantado em vários países do mundo e tem todas as condições de ser implementado no Brasil. Este sistema é a rede inteligente de energia ou smart grid. Analisa, também, a matriz energética brasileira, apresenta anomalias ocorridas, como apagões regionais e nacionais, verifica a necessidade de energia elétrica para o crescimento do País, propõe soluções para o sistema energético nacional utilizando inovações tecnológicas, como a implantação do sistema smart grid na matriz energética, sempre objetivando melhor eficiência e qualidade da energia, levantando o comportamento dos usuários em busca da implementação destas inovações tecnológicas. A partir de idéias que rompam os paradigmas atuais de busca de energia através de grandes obras propõe este trabalho a mudança de hábito e procedimentos da população, das próprias empresas e dos órgãos públicos brasileiros buscando a diminuição da utilização da energia especialmente nos horários hoje considerados como picos, ou seja, aqueles que demandam a maior geração, transmissão e distribuição da energia utilizada. Apresenta também a necessidade de energia elétrica para desenvolvimento econômico do Brasil, agregando todas as inovações tecnológicas aos processos atuais, buscando minimizar a possibilidade da ocorrência de apagões, ocasionados por ineficiência técnica da matriz energética ou por racionamento de energia. / Automation is already used as a tool to achieve energy efficiency. This paper presents and quantifies the potential of this tool in order to reduce power surges, reducing the need rapidly build new electricity generating plants, transmission and regulating distribution of this energy, using renewable and sustainable resources, all through a system that is already deployed in several countries worldwide and has all the conditions to be implemented in Brazil. This system is the intelligent network of energy or "smart grid". It also analyzes the Brazilian energy matrix, has deficiencies occurred as a regional and national blackouts, there is need of electricity for the growth of the country, proposes solutions to national energy system, using technological innovations such as the deployment of the "smart grid" energy source, always aiming for better energy efficiency and quality, raising the behavior of users seeking the implementation of these technological innovations. From ideas that break current paradigms of seeking power through great works this paper proposes changes in the habits and procedures of the population, own businesses and public agencies are looking to decrease energy use especially in times like now considered "peaks", ie, those that demand the greatest generation, transmission and distribution of energy used. It also shows the need for electricity to Brazils economic development, adding all the technological innovations to the current processes in order to minimize the possibility of the occurrence of blackouts, caused by technical inefficiency of the energy or energy shortages.

Les entreprises et plus généralement les organisations sont confrontées à des enjeux climatiques et économiques avec pour obligation de respecter un cadre légal et des orientations définis à des plus grandes échelles (régionale, nationale et internationale). Une organisation est souvent au fait du but ou de l’objectif à atteindre ; en revanche le moyen d’y parvenir peut nécessiter de l’apprentissage voire de la recherche. Le but de cette thèse est de fournir une méthodologie à l’usage des organisations pour réaliser le management stratégique des projets relatifs à leur transition énergétique. A partir de différents états de l’art sur la planification énergétique et la conception en particulier, nous avons pointé le déficit méthodologique auquel doit faire face une organisation : si les démarches et outils existent lorsqu’un problème est clairement identifié, comment justement identifier un ou des problèmes à partir uniquement d’une formulation de buts ou d’intentions ? La première partie propose une démarche de planification énergétique à l’échelle d’une organisation qui fait émerger, de manière structurée, les problèmes auxquels l’organisation sera potentiellement confrontée. Notre démarche repose sur l’utilisation des BEGES et des méthodes de management de l’énergie/GES d’une part, complétés par des démarches et outils de conception d’autre part. Ces derniers facilitent la consolidation des informations et des données nécessaires pour formuler et structurer les problèmes à résoudre. A l’issue de cette démarche certains problèmes sont formulés sous forme de contradictions et de conflits. La démarche développée est purement qualitative et adaptée au travail de groupe avec des experts. Cependant certaines données numériques traduisent des comportements de systèmes qui sont peu maitrisés par les parties prenantes du projet. La deuxième partie propose une méthode combinant la simulation et l’analyse de données pour identifier les contradictions d’objectifs et de cause qui peuvent ou semblent empêcher l’atteinte des objectifs. Ces contradictions sont formulées de sorte à pouvoir être traitées avec les méthodes de résolution de problèmes inventifs. Le principe d’identification des contradictions d’objectifs repose sur la transformation des réponses expérimentales ou de simulation des systèmes étudiés en données qualitatives binaires et sur l’identification des Paretos optimaux des données ainsi transformées. Les contradictions de causes concernent les facteurs ou paramètres de conception qui induisent les conflits d’objectifs. Nous proposons de les identifier à l’aide d’une méthode d’analyse discriminante binaire à base d’apprentissage supervisé associée à l’ANOVA. Nous montrons sur un cas d’étude, d’une part, comment intégrer cette approche dans la démarche présentée en partie 1 du mémoire, et d’autre part, comment l’utiliser pour obtenir des concepts de solutions dans un contexte multi-objectifs (diminution des consommations d’énergie, des émissions de GES, du coût etc.). / Companies and more generally organizations are confronted with climatic and economic issues, they have to respect a legal framework and orientations defined in larger scales (regional, national and international). An organization usually knows the goal or the objective to be achieved; however the way to do can require learning or even research. The goal of this thesis is to provide a methodology for the use of organizations to realize strategic management of their energy transition projects. From many different states of the art about energy planning and conception in particular, we show the methodological deficit which an organization has to face: if approaches and tools exist when a problem is clearly identified, how actually identify one or several problems from only a goal or intention formulation? The first part proposes an energy planning approach at an organizational scale to bring out in structured way problems which the organization may be confronted. Our approach is based on greenhouse gas emission assessments and energy/GHG management methods which are completed with conception approaches and some tools and methodologies. They facilitate the consolidation of required information and data to formulate and structure problems to solve. As a result of our approach some problems are formulated as contradictions and conflicts. The developed approach is purely qualitative and adapted to workgroup with experts. However some numerical data translate system behaviors which are sparsely mastered by project stakeholders. The second part proposes a combined method of simulation and data analysis to identify objective and cause contradictions which can or seem to prevent achieving the objectives. These contradictions are formulated in such a way to be handled with methods of resolution of inventive problems. The identification of objective contradictions is based on the transformation of experimental or simulation answers of the studied systems in binary qualitative data and on the identification of optimal Pareto of the transformed data. Cause contradictions concern conception factors or parameters which induce objective conflicts. We suggest identifying these contradictions with a binary discriminant analysis method based on supervised learning associated with ANOVA. On one hand, we show on a study case how integrate this initiative into the presented approaches in part 1 and on the other hand, how use it to obtain solution concepts in a multi-objective context (energy consumptions, GHG emissions or cost reduction etc.).

Pakistan has always had a history of severe energy shortfalls, which rose up to an alarming 33% in 2013. This situation was countered by investments in the energy sector through the China Pakistan Economic Corridor (CPEC), which were unfortunately largely based on brown fuels. Although beneficial in the short term, these investments do not bode well for the climate scenario of Pakistan, with various parts of the country already having experienced temperatures rise of 1-3°C. To ensure that the current situation doesn’t exacerbate and is tackled in a timely manner, this research aims to examine how the untapped potential of renewable energy in Pakistan can be better utilized by modelling the entire electrical grid system for multi-portfolio based sustainable electricity generation, in line with the sustainable development goals chalked out by Pakistan with the United Nations (UN). Delving further into the matter, a gap is observed that demands coalescence between sustainability and portfolio-based generation in the context of Pakistan, since the prevalent narrative is of Business As Usual (BAU). The research methodology implemented is a cross sectional case study employing qualitative and quantitative data collection methods and outcomes, in which the entire grid system of Pakistan is studied and sustainability metrics are defined; followed by a comprehensive use of Multi-Criteria Decision Methodology in decision making process. Portfolios defined are a combination of different generation technologies, each simulating a possible avenue of policy, and are then evaluated for a range of sustainability metrics to understand the tradeoffs involved to arrive at a set goal. The process decision framework developed shall enable the Pakistani energy sector in meeting the energy demands by providing the decision-makers with various routes to do so, while informing on the sustainability impact of their decisions.

In the context of decarbonizing the electricity generation of French non-interconnected territories, the knowledge of future electricity demand, in particular annual and peak demand in the long-term, is crucial to design new renewable energy infrastructures. So far, these territories, mainly islands located in the Pacific and Indian ocean, relies mainly on fossil fuels powered facilities. Energy policies envision to widely develop renewable energies to move towards a low-carbon electricity mix by 2028.  This thesis focuses on the long-term forecasting of hourly electricity demand. A methodology is developed to design and select a model able to fit accurately historical data and to forecast future demand in these particular territories. Historical data are first analyzed through a clustering analysis to identify trends and patterns, based on a k-means clustering algorithm. Specific calendar inputs are then designed to consider these first observations. External inputs, such as weather data, economic and demographic variables, are also included.  Forecasting algorithms are selected based on the literature and they are than tested and compared on different input datasets. These input datasets, besides the calendar and external variables mentioned, include different number of lagged values, from zero to three. The combination of model and input dataset which gives the most accurate results on the testing set is selected to forecast future electricity demand. The inclusion of lagged values leads to considerable improvements in accuracy. Although gradient boosting regression features the lowest errors, it is not able to detect peaks of electricity demand correctly. On the contrary, artificial neural network (ANN) demonstrates a great ability to fit historical data and demonstrates a good accuracy on the testing set, as well as for peak demand prediction. Generalized additive model, a relatively new model in the energy forecasting field, gives promising results as its performances are close to the one of ANN and represent an interesting model for future research.  Based on the future values of inputs, the electricity demand in 2028 in Réunion was forecasted using ANN. The electricity demand is expected to reach more than 2.3 GWh and the peak demand about 485 MW. This represents a growth of 12.7% and 14.6% respectively compared to 2019 levels. / I samband med utfasningen av fossila källor för elproduktion i franska icke-sammankopplade territorier är kunskapen om framtida elbehov, särskilt årlig förbrukning och topplast på lång sikt, avgörande för att utforma ny infrastruktur för förnybar energi. Hittills är dessa territorier, främst öar som ligger i Stilla havet och Indiska oceanen, beroende av anläggningar med fossila bränslen. Energipolitiken planerar att på bred front utveckla förnybar energi för att gå mot en koldioxidsnål elmix till 2028.  Denna avhandling fokuserar på den långsiktiga prognosen för elbehov per timme. En metod är utvecklad för att utforma och välja en modell som kan passa korrekt historisk data och för att förutsäga framtida efterfrågan inom dessa specifika områden. Historiska data analyseras först genom en klusteranalys för att identifiera trender och mönster, baserat på en k-means klusteralgoritm. Specifika kalenderinmatningar utformas sedan för att beakta dessa första observationer. Externa inmatningar, såsom väderdata, ekonomiska och demografiska variabler, ingår också.  Prognosalgoritmer väljs utifrån litteraturen och de testas och jämförs på olika inmatade dataset. Dessa inmatade dataset, förutom den nämnda kalenderdatan och externa variabler, innehåller olika antal fördröjda värden, från noll till tre. Kombinationen av modell och inmatat dataset som ger de mest exakta resultaten på testdvärdena väljs för att förutsäga framtida elbehov. Införandet av fördröjda värden leder till betydande förbättringar i exakthet. Även om gradientförstärkande regression har de lägsta felen kan den inte upptäcka toppar av elbehov korrekt. Tvärtom, visar artificiella neurala nätverk (ANN) en stor förmåga att passa historiska data och visar en god noggrannhet på testuppsättningen, liksom för förutsägelse av toppefterfrågan. En generaliserad tillsatsmodell, en relativt ny modell inom energiprognosfältet, ger lovande resultat eftersom dess prestanda ligger nära den för ANN och representerar en intressant modell för framtida forskning.  Baserat på de framtida värdena på indata, prognostiserades elbehovet 2028 i Réunion med ANN. Elbehovet förväntas nå mer än 2,3 GWh och toppbehovet cirka 485 MW. Detta motsvarar en tillväxt på 12,7% respektive 14,6% jämfört med 2019 års nivåer.

O objeto da presente tese é o desenvolvimento de uma proposta metodológica para planejamento energético no desenvolvimento de áreas urbanas, na escala de distritos, bairros e unidades de vizinhança. A metodologia proposta é aplicável a estudos de desenvolvimento de novas áreas urbanas, distritos ou bairros e estudos para requalificação de áreas urbanas já ocupadas, como ferramenta de suporte ao planejamento e ao processo decisório. Inicialmente, foi produzida uma base referencial dos principais condicionantes para o planejamento energético urbano, segundo o escopo considerado nesse trabalho de pesquisa. Nessa etapa foram identificadas e analisadas as interdependências entre esses fatores e sua participação no consumo energético e nas emissões de poluentes. A proposta metodológica está estruturada em dois módulos principais: Módulo 1 - Gerenciamento da Demanda de Energia, envolvendo aspectos relacionados à Morfologia Urbana, Mobilidade Urbana e Edificações, tais como densidade populacional e construída, uso e ocupação do solo, geometria de quadras e cânion urbano, sistema de transporte urbano de passageiros, sistema viário, tecnologias veiculares e combustíveis, soluções passivas em conforto ambiental e substituição tecnológica de equipamentos em edificações; e Módulo 2 - Gerenciamento da Oferta de Energia, incluindo sistemas de geração e distribuição de energia elétrica e térmica para aquecimento e resfriamento em escala urbana, inclusive com aproveitamento de recursos energéticos residuais e renováveis. Dos Módulos 1 e 2 resultam os níveis de consumo de energia e as emissões totais de poluentes, incluindo Gases de Efeito Estufa e poluentes locais. Na composição da proposta metodológica participam variáveis e parâmetros relacionados aos condicionantes de planejamento energético urbano, bem como procedimentos de cálculo que integram e compatibilizam as configurações urbanas quanto à morfologia, mobilidade, edificações, e geração de energia. Os procedimentos foram sistematizados em um conjunto de planilhas eletrônicas e gráficos comparativos, desenvolvidos para aferição da proposta metodológica, suporte na visualização de resultados e indicadores e posterior aplicação como ferramenta no planejamento de áreas urbanas. A proposta metodológica foi aplicada no caso da Operação Urbana Água Branca, no Município de São Paulo, ficando demonstrado o potencial de integração de estratégias e comprovando a tese em questão. Nas duzentas e dezessete diferentes situações configuradas por meio da metodologia proposta, foi possível identificar não apenas importantes potenciais quantitativos, mas também a contribuição relativa dos diversos condicionantes para o resultado global, em termos energéticos, urbanísticos e ambientais. Além dos cenários apresentados, a proposta metodológica permite que diversos outros possam ser configurados para outras áreas urbanas a serem desenvolvidas ou requalificadas, desde que as variáveis e os parâmetros sejam adequadamente adaptados a cada realidade. / The subject of this thesis is the development of a methodology for energy planning in the development of urban areas, in the scale of districts and neighborhoods. The proposed methodology has two main applications as a tool to support strategic planning and decision-making process: studies for the development of new urban areas, districts or neighborhoods, and studies for rehabilitation of urban areas already used. Initially, a conceptual and technical approach was done about the main constraints for urban energy planning, according to the scope considered in this research. In this stage, the interrelationships among these factors and their impact in terms of energy consumption and pollutant emissions were identified and analyzed. The proposed methodology is organized into two main modules: Module 1 - Energy Demand Management, involving aspects of urban morphology, urban mobility and buildings, such as population density and built area, land use, urban blocks and urban canyon geometry, urban transport, road system, vehicle and fuel technologies, passive solutions to environmental comfort and technological replacement of equipment in buildings; and Module 2 - Energy Supply Management, including district and local systems for generating and distributing electricity and steam for heating and cooling purpose, including the use of renewable and waste energy resources. Levels of energy consumption and the total emission of pollutants, including greenhouse gases and local pollutants, result from the Modules 1 and 2. The proposed methodology involves variables and parameters related to the constraints of urban energy planning as well as calculation procedures that integrate and match the urban settings under consideration, as urban morphology, mobility, buildings, power generation and district systems. The procedures were systematized into a set of spreadsheets and charts developed to verify the proposed methodology, visualization support of results and indicators, and later application as a tool for planning of urban areas. The proposed methodology was applied to the Agua Branca Urban Operation study-case, in the city of Sao Paulo, in which the potential of integrating strategies was demonstrated. In thirty-six different situations defined by using the proposed methodology, it was possible to identify not only important quantitative potentials but also the relative contribution of various constraints to the overall result in terms of energy, urban and environmental issues. In addition to the scenarios presented, the proposed methodology allows the configuration of several other options to different urban areas to be developed or rehabilitated, but variables and parameters need to be properly adapted to each situation.

O objeto da presente tese é o desenvolvimento de uma proposta metodológica para planejamento energético no desenvolvimento de áreas urbanas, na escala de distritos, bairros e unidades de vizinhança. A metodologia proposta é aplicável a estudos de desenvolvimento de novas áreas urbanas, distritos ou bairros e estudos para requalificação de áreas urbanas já ocupadas, como ferramenta de suporte ao planejamento e ao processo decisório. Inicialmente, foi produzida uma base referencial dos principais condicionantes para o planejamento energético urbano, segundo o escopo considerado nesse trabalho de pesquisa. Nessa etapa foram identificadas e analisadas as interdependências entre esses fatores e sua participação no consumo energético e nas emissões de poluentes. A proposta metodológica está estruturada em dois módulos principais: Módulo 1 - Gerenciamento da Demanda de Energia, envolvendo aspectos relacionados à Morfologia Urbana, Mobilidade Urbana e Edificações, tais como densidade populacional e construída, uso e ocupação do solo, geometria de quadras e cânion urbano, sistema de transporte urbano de passageiros, sistema viário, tecnologias veiculares e combustíveis, soluções passivas em conforto ambiental e substituição tecnológica de equipamentos em edificações; e Módulo 2 - Gerenciamento da Oferta de Energia, incluindo sistemas de geração e distribuição de energia elétrica e térmica para aquecimento e resfriamento em escala urbana, inclusive com aproveitamento de recursos energéticos residuais e renováveis. Dos Módulos 1 e 2 resultam os níveis de consumo de energia e as emissões totais de poluentes, incluindo Gases de Efeito Estufa e poluentes locais. Na composição da proposta metodológica participam variáveis e parâmetros relacionados aos condicionantes de planejamento energético urbano, bem como procedimentos de cálculo que integram e compatibilizam as configurações urbanas quanto à morfologia, mobilidade, edificações, e geração de energia. Os procedimentos foram sistematizados em um conjunto de planilhas eletrônicas e gráficos comparativos, desenvolvidos para aferição da proposta metodológica, suporte na visualização de resultados e indicadores e posterior aplicação como ferramenta no planejamento de áreas urbanas. A proposta metodológica foi aplicada no caso da Operação Urbana Água Branca, no Município de São Paulo, ficando demonstrado o potencial de integração de estratégias e comprovando a tese em questão. Nas duzentas e dezessete diferentes situações configuradas por meio da metodologia proposta, foi possível identificar não apenas importantes potenciais quantitativos, mas também a contribuição relativa dos diversos condicionantes para o resultado global, em termos energéticos, urbanísticos e ambientais. Além dos cenários apresentados, a proposta metodológica permite que diversos outros possam ser configurados para outras áreas urbanas a serem desenvolvidas ou requalificadas, desde que as variáveis e os parâmetros sejam adequadamente adaptados a cada realidade. / The subject of this thesis is the development of a methodology for energy planning in the development of urban areas, in the scale of districts and neighborhoods. The proposed methodology has two main applications as a tool to support strategic planning and decision-making process: studies for the development of new urban areas, districts or neighborhoods, and studies for rehabilitation of urban areas already used. Initially, a conceptual and technical approach was done about the main constraints for urban energy planning, according to the scope considered in this research. In this stage, the interrelationships among these factors and their impact in terms of energy consumption and pollutant emissions were identified and analyzed. The proposed methodology is organized into two main modules: Module 1 - Energy Demand Management, involving aspects of urban morphology, urban mobility and buildings, such as population density and built area, land use, urban blocks and urban canyon geometry, urban transport, road system, vehicle and fuel technologies, passive solutions to environmental comfort and technological replacement of equipment in buildings; and Module 2 - Energy Supply Management, including district and local systems for generating and distributing electricity and steam for heating and cooling purpose, including the use of renewable and waste energy resources. Levels of energy consumption and the total emission of pollutants, including greenhouse gases and local pollutants, result from the Modules 1 and 2. The proposed methodology involves variables and parameters related to the constraints of urban energy planning as well as calculation procedures that integrate and match the urban settings under consideration, as urban morphology, mobility, buildings, power generation and district systems. The procedures were systematized into a set of spreadsheets and charts developed to verify the proposed methodology, visualization support of results and indicators, and later application as a tool for planning of urban areas. The proposed methodology was applied to the Agua Branca Urban Operation study-case, in the city of Sao Paulo, in which the potential of integrating strategies was demonstrated. In thirty-six different situations defined by using the proposed methodology, it was possible to identify not only important quantitative potentials but also the relative contribution of various constraints to the overall result in terms of energy, urban and environmental issues. In addition to the scenarios presented, the proposed methodology allows the configuration of several other options to different urban areas to be developed or rehabilitated, but variables and parameters need to be properly adapted to each situation.

Energy usage evaluation and condition monitoring for electric machines are important in industry for overall energy savings. Traditionally these functions are realized only for large motors in wired systems formed by communication cables and various types of sensors. The unique characteristics of the wireless sensor networks (WSN) make them the ideal wireless structure for low-cost energy management in industrial plants. This work focuses on developing nonintrusive motor-efficiency-estimation methods, which are essential in the wireless motor-energy-management systems in a WSN architecture that is capable of improving overall energy savings in U.S. industry. This work starts with an investigation of existing motor-efficiency-evaluation methods. Based on the findings, a general approach of developing nonintrusive efficiency-estimation methods is proposed, incorporating sensorless rotor-speed detection, stator-resistance estimation, and loss estimation techniques. Following this approach, two new methods are proposed for estimating the efficiencies of in-service induction motors, using air-gap torque estimation and a modified induction motor equivalent circuit, respectively. The experimental results show that both methods achieve accurate efficiency estimates within ¡À2-3% errors under normal load conditions, using only a few cycles of input voltages and currents. The analytical results obtained from error analysis agree well with the experimental results. Using the proposed efficiency-estimation methods, a closed-loop motor-energy-management scheme for industrial plants with a WSN architecture is proposed. Besides the energy-usage-evaluation algorithms, this scheme also incorporates various sensorless current-based motor-condition-monitoring algorithms. A uniform data interface is defined to seamlessly integrate these energy-evaluation and condition-monitoring algorithms. Prototype wireless sensor devices are designed and implemented to satisfy the specific needs of motor energy management. A WSN test bed is implemented. The applicability of the proposed scheme is validated from the experimental results using multiple motors with different physical configurations under various load conditions. To demonstrate the validity of the measured and estimated motor efficiencies in the experiments presented in this work, an in-depth error analysis on motor efficiency measurement and estimation is conducted, using maximum error estimation, worst-case error estimation, and realistic error estimation techniques. The conclusions, contributions, and recommendations are summarized at the end.