Dentro das fontes renováveis de energia, a energia eólica é uma das mais estudadas e que tem uma importante participação na capacidade instalada no mundo. Porém, é uma alternativa que está concentrada em poucos países como uma verdadeira opção para cobrir a demanda de energia elétrica. As principais razões dessa concentração estão ligadas a questões climáticas, econômicas e de regulamentação. Em relação à questão econômica a principal limitação é o custo da energia em comparação com fontes tradicionais; na questão de regulamentação o limitante é a carência de métodos de cálculo e regras que incentivem a instalação de usinas. Para vencer essas limitações é proposta uma regulamentação do tipo econômica baseada na energia firme das usinas eólicas. A influência desse incentivo pode ser medida no comportamento de uma usina eólica hipotética atuando sem regulamentação no mercado elétrico e em um cenário com a regulamentação proposta. A energia firme é um conceito que existe para fontes hidráulicas e térmicas. Usando esse conceito com as características da energia eólica, é possível desenvolver uma metodologia de cálculo que incentiva a implementação de projetos em países com escassa tradição eólica. O resultado permite calcular um fator característico de energia firme para cada tipo de aerogerador e uma forma de remuneração que atua no valor presente líquido do projeto. / Among renewable energy sources, wind energy is one of the most studied and has an important stake in installed capacity in the world. However, it is an alternative concentrated in a few countries as a real option to cover the energy demand. The main reasons for this concentration are linked to climate, economic and regulatory issues. Regarding the economic issue the main limitation is the cost of energy production in comparison to other sources; the limitation of the regulatory issue is the lack of calculation methods and rules that encourage the installation of wind power plants. To overcome these limitations, it is proposed an economic regulation based on firm energy of wind farms. The influence of this incentive can be measured in the behavior of a hypothetical wind farm operating in an electricity market without regulation and in a scenario with the proposed regulation. The firm energy is a concept that exists for hydraulic and thermal sources. Using this concept with the characteristics of wind power, it is possible to develop a methodology for calculation that encourages the implementation of projects in countries with small wind power installed capacity. The result allows calculating a characteristic factor of firm energy for each type of wind turbine and a method of remuneration, which operates on the net present value of a project.

Dentro das fontes renováveis de energia, a energia eólica é uma das mais estudadas e que tem uma importante participação na capacidade instalada no mundo. Porém, é uma alternativa que está concentrada em poucos países como uma verdadeira opção para cobrir a demanda de energia elétrica. As principais razões dessa concentração estão ligadas a questões climáticas, econômicas e de regulamentação. Em relação à questão econômica a principal limitação é o custo da energia em comparação com fontes tradicionais; na questão de regulamentação o limitante é a carência de métodos de cálculo e regras que incentivem a instalação de usinas. Para vencer essas limitações é proposta uma regulamentação do tipo econômica baseada na energia firme das usinas eólicas. A influência desse incentivo pode ser medida no comportamento de uma usina eólica hipotética atuando sem regulamentação no mercado elétrico e em um cenário com a regulamentação proposta. A energia firme é um conceito que existe para fontes hidráulicas e térmicas. Usando esse conceito com as características da energia eólica, é possível desenvolver uma metodologia de cálculo que incentiva a implementação de projetos em países com escassa tradição eólica. O resultado permite calcular um fator característico de energia firme para cada tipo de aerogerador e uma forma de remuneração que atua no valor presente líquido do projeto. / Among renewable energy sources, wind energy is one of the most studied and has an important stake in installed capacity in the world. However, it is an alternative concentrated in a few countries as a real option to cover the energy demand. The main reasons for this concentration are linked to climate, economic and regulatory issues. Regarding the economic issue the main limitation is the cost of energy production in comparison to other sources; the limitation of the regulatory issue is the lack of calculation methods and rules that encourage the installation of wind power plants. To overcome these limitations, it is proposed an economic regulation based on firm energy of wind farms. The influence of this incentive can be measured in the behavior of a hypothetical wind farm operating in an electricity market without regulation and in a scenario with the proposed regulation. The firm energy is a concept that exists for hydraulic and thermal sources. Using this concept with the characteristics of wind power, it is possible to develop a methodology for calculation that encourages the implementation of projects in countries with small wind power installed capacity. The result allows calculating a characteristic factor of firm energy for each type of wind turbine and a method of remuneration, which operates on the net present value of a project.

Dentro das fontes renováveis de energia, a energia eólica é uma das mais estudadas e que tem uma importante participação na capacidade instalada no mundo. Porém, é uma alternativa que está concentrada em poucos países como uma verdadeira opção para cobrir a demanda de energia elétrica. As principais razões dessa concentração estão ligadas a questões climáticas, econômicas e de regulamentação. Em relação à questão econômica a principal limitação é o custo da energia em comparação com fontes tradicionais; na questão de regulamentação o limitante é a carência de métodos de cálculo e regras que incentivem a instalação de usinas. Para vencer essas limitações é proposta uma regulamentação do tipo econômica baseada na energia firme das usinas eólicas. A influência desse incentivo pode ser medida no comportamento de uma usina eólica hipotética atuando sem regulamentação no mercado elétrico e em um cenário com a regulamentação proposta. A energia firme é um conceito que existe para fontes hidráulicas e térmicas. Usando esse conceito com as características da energia eólica, é possível desenvolver uma metodologia de cálculo que incentiva a implementação de projetos em países com escassa tradição eólica. O resultado permite calcular um fator característico de energia firme para cada tipo de aerogerador e uma forma de remuneração que atua no valor presente líquido do projeto. / Among renewable energy sources, wind energy is one of the most studied and has an important stake in installed capacity in the world. However, it is an alternative concentrated in a few countries as a real option to cover the energy demand. The main reasons for this concentration are linked to climate, economic and regulatory issues. Regarding the economic issue the main limitation is the cost of energy production in comparison to other sources; the limitation of the regulatory issue is the lack of calculation methods and rules that encourage the installation of wind power plants. To overcome these limitations, it is proposed an economic regulation based on firm energy of wind farms. The influence of this incentive can be measured in the behavior of a hypothetical wind farm operating in an electricity market without regulation and in a scenario with the proposed regulation. The firm energy is a concept that exists for hydraulic and thermal sources. Using this concept with the characteristics of wind power, it is possible to develop a methodology for calculation that encourages the implementation of projects in countries with small wind power installed capacity. The result allows calculating a characteristic factor of firm energy for each type of wind turbine and a method of remuneration, which operates on the net present value of a project.

[pt] O objetivo desta monografia é investigar a aplicação de distintas metodologias de alocação de energia firme de usinas hidrelétricas através da teoria dos jogos de coalizão. 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 critério equivale a pertencer ao chamado núcleo de um jogo cooperativo. O cálculo da energia firme será formulado como um problema de otimização linear e serão investigadas vantagens e desvantagens de distintos métodos de alocação (a benefícios marginais, geração média no período crítico, última adição e nucleolus). Em seguida será desenvolvida uma aplicação do esquema Aumann-Shapley (AS) à repartição da energia firme de usinas hidrelétricas. Demonstra-se que além de robusto em relação aos tamanhos dos recursos e eficiente computacionalmente, este método fornece para o problema do firme uma alocação pertencente ao núcleo e, portanto, atende à condição de justiça. A aplicação do esquema AS será apresentada para o Sistema Brasileiro e serão comparados os resultados obtidos por este método com outros esquemas de alocação adotados no Sistema Hidrelétrico Brasileiro. / [en] The objective of this work is to investigate the application of different methodologies of allocation of firm energy rights among hydro plants using a gametheoretic framework. 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 this criterion is equivalent to the condition of the core of a cooperative game. The calculation of the firm energy will be formulated as a linear program and advantages/disadvantages of different allocation methods (marginal allocation, average production on the dry period, incremental allocation and nucleolus) will be investigated. Next, an application of the Aumann-Shapley (AS) scheme to the problem of allocation of firm energy rights will be developed. It is shown that, besides being robust and computationally efficient, this scheme provides an allocation that belongs to the core of the game and therefore meets the condition of justice. The AS scheme will be applied to the Brazilian system (composed of about 100 hydro plants) and the results obtained will be compared with the allocation schemes currently adopted in the Brazilian system.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-07-01T11:43:52Z No. of bitstreams: 1 germandavidyagimoromisato.pdf: 4216499 bytes, checksum: a1b6dec404f94fd91a0a919755636775 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-13T16:00:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 germandavidyagimoromisato.pdf: 4216499 bytes, checksum: a1b6dec404f94fd91a0a919755636775 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-13T16:00:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 germandavidyagimoromisato.pdf: 4216499 bytes, checksum: a1b6dec404f94fd91a0a919755636775 (MD5) Previous issue date: 2012-08-02 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho tem como objetivo apresentar uma nova metodologia baseada em Programação Dinâmica Dual Determinística (PDDD) para o cálculo da Energia Firme de sistemas energéticos. A Energia Firme tem uma relação direta com os certificados de energia garantida atribuídos às usinas hidráulicas, os quais representam o limite superior para os contratos de energia estabelecidos com os consumidores (distribuidores e consumidores livres). Neste contexto, este trabalho possui uma importância relevante para o cenário atual do Setor Elétrico Brasileiro (SEB). Os resultados são comparados com aqueles obtidos pela metodologia em vigor no SEB, o qual é baseado em métodos heurísticos. / The objective of this work is to introduce a new methodology based in The Deterministic Dual Dynamic Programming (DDDP) to calculate the firm energy of energetic systems. The firm energy is directly related to the guaranteed energy certificates assigned to hydraulic power plants. These energy certificates represent the limits of energy contracts that can be established with consumers (energy distributors and free consumers). In this context, this work has a relevant importance to the current scenario of the Brazilian Electric Sector (BES). The results are compared to those obtained by the BES approved computational model based in heuristic methods.

The design of hydropower projects requires a comprehensive planning process in order to achieve the objective to maximise exploitation of the existing hydropower potential as well as future revenues of the plant. For this purpose and to satisfy approval requirements for a complex hydropower development, it is imperative at planning stage, that the conceptual development contemplates a wide range of influencing design factors and ensures appropriate consideration of all related aspects. Since the majority of technical and economical parameters that are required for detailed and final design cannot be precisely determined at early planning stages, crucial design parameters such as design discharge and hydraulic head have to be examined through an extensive optimisation process. One disadvantage inherent to commonly used deterministic analysis is the lack of objectivity for the selection of input parameters. Moreover, it cannot be ensured that the entire existing parameter ranges and all possible parameter combinations are covered. Probabilistic methods utilise discrete probability distributions or parameter input ranges to cover the entire range of uncertainties resulting from an information deficit during the planning phase and integrate them into the optimisation by means of an alternative calculation method. The investigated method assists with the mathematical assessment and integration of uncertainties into the rational economic appraisal of complex infrastructure projects. The assessment includes an exemplary verification to what extent the Random Set Theory can be utilised for the determination of input parameters that are relevant for the optimisation of hydropower projects and evaluates possible improvements with respect to accuracy and suitability of the calculated results. / Die Auslegung von Wasserkraftanlagen stellt einen komplexen Planungsablauf dar, mit dem Ziel das vorhandene Wasserkraftpotential möglichst vollständig zu nutzen und künftige, wirtschaftliche Erträge der Kraftanlage zu maximieren. Um dies zu erreichen und gleichzeitig die Genehmigungsfähigkeit eines komplexen Wasserkraftprojektes zu gewährleisten, besteht hierbei die zwingende Notwendigkeit eine Vielzahl für die Konzepterstellung relevanter Einflussfaktoren zu erfassen und in der Projektplanungsphase hinreichend zu berücksichtigen. In frühen Planungsstadien kann ein Großteil der für die Detailplanung entscheidenden, technischen und wirtschaftlichen Parameter meist nicht exakt bestimmt werden, wodurch maßgebende Designparameter der Wasserkraftanlage, wie Durchfluss und Fallhöhe, einen umfangreichen Optimierungsprozess durchlaufen müssen. Ein Nachteil gebräuchlicher, deterministischer Berechnungsansätze besteht in der zumeist unzureichenden Objektivität bei der Bestimmung der Eingangsparameter, sowie der Tatsache, dass die Erfassung der Parameter in ihrer gesamten Streubreite und sämtlichen, maßgeblichen Parameterkombinationen nicht sichergestellt werden kann. Probabilistische Verfahren verwenden Eingangsparameter in ihrer statistischen Verteilung bzw. in Form von Bandbreiten, mit dem Ziel, Unsicherheiten, die sich aus dem in der Planungsphase unausweichlichen Informationsdefizit ergeben, durch Anwendung einer alternativen Berechnungsmethode mathematisch zu erfassen und in die Berechnung einzubeziehen. Die untersuchte Vorgehensweise trägt dazu bei, aus einem Informationsdefizit resultierende Unschärfen bei der wirtschaftlichen Beurteilung komplexer Infrastrukturprojekte objektiv bzw. mathematisch zu erfassen und in den Planungsprozess einzubeziehen. Es erfolgt eine Beurteilung und beispielhafte Überprüfung, inwiefern die Random Set Methode bei Bestimmung der für den Optimierungsprozess von Wasserkraftanlagen relevanten Eingangsgrößen Anwendung finden kann und in wieweit sich hieraus Verbesserungen hinsichtlich Genauigkeit und Aussagekraft der Berechnungsergebnisse ergeben.

The design of hydropower projects requires a comprehensive planning process in order to achieve the objective to maximise exploitation of the existing hydropower potential as well as future revenues of the plant. For this purpose and to satisfy approval requirements for a complex hydropower development, it is imperative at planning stage, that the conceptual development contemplates a wide range of influencing design factors and ensures appropriate consideration of all related aspects. Since the majority of technical and economical parameters that are required for detailed and final design cannot be precisely determined at early planning stages, crucial design parameters such as design discharge and hydraulic head have to be examined through an extensive optimisation process. One disadvantage inherent to commonly used deterministic analysis is the lack of objectivity for the selection of input parameters. Moreover, it cannot be ensured that the entire existing parameter ranges and all possible parameter combinations are covered. Probabilistic methods utilise discrete probability distributions or parameter input ranges to cover the entire range of uncertainties resulting from an information deficit during the planning phase and integrate them into the optimisation by means of an alternative calculation method. The investigated method assists with the mathematical assessment and integration of uncertainties into the rational economic appraisal of complex infrastructure projects. The assessment includes an exemplary verification to what extent the Random Set Theory can be utilised for the determination of input parameters that are relevant for the optimisation of hydropower projects and evaluates possible improvements with respect to accuracy and suitability of the calculated results. / Die Auslegung von Wasserkraftanlagen stellt einen komplexen Planungsablauf dar, mit dem Ziel das vorhandene Wasserkraftpotential möglichst vollständig zu nutzen und künftige, wirtschaftliche Erträge der Kraftanlage zu maximieren. Um dies zu erreichen und gleichzeitig die Genehmigungsfähigkeit eines komplexen Wasserkraftprojektes zu gewährleisten, besteht hierbei die zwingende Notwendigkeit eine Vielzahl für die Konzepterstellung relevanter Einflussfaktoren zu erfassen und in der Projektplanungsphase hinreichend zu berücksichtigen. In frühen Planungsstadien kann ein Großteil der für die Detailplanung entscheidenden, technischen und wirtschaftlichen Parameter meist nicht exakt bestimmt werden, wodurch maßgebende Designparameter der Wasserkraftanlage, wie Durchfluss und Fallhöhe, einen umfangreichen Optimierungsprozess durchlaufen müssen. Ein Nachteil gebräuchlicher, deterministischer Berechnungsansätze besteht in der zumeist unzureichenden Objektivität bei der Bestimmung der Eingangsparameter, sowie der Tatsache, dass die Erfassung der Parameter in ihrer gesamten Streubreite und sämtlichen, maßgeblichen Parameterkombinationen nicht sichergestellt werden kann. Probabilistische Verfahren verwenden Eingangsparameter in ihrer statistischen Verteilung bzw. in Form von Bandbreiten, mit dem Ziel, Unsicherheiten, die sich aus dem in der Planungsphase unausweichlichen Informationsdefizit ergeben, durch Anwendung einer alternativen Berechnungsmethode mathematisch zu erfassen und in die Berechnung einzubeziehen. Die untersuchte Vorgehensweise trägt dazu bei, aus einem Informationsdefizit resultierende Unschärfen bei der wirtschaftlichen Beurteilung komplexer Infrastrukturprojekte objektiv bzw. mathematisch zu erfassen und in den Planungsprozess einzubeziehen. Es erfolgt eine Beurteilung und beispielhafte Überprüfung, inwiefern die Random Set Methode bei Bestimmung der für den Optimierungsprozess von Wasserkraftanlagen relevanten Eingangsgrößen Anwendung finden kann und in wieweit sich hieraus Verbesserungen hinsichtlich Genauigkeit und Aussagekraft der Berechnungsergebnisse ergeben.