Orientador: Sérgio Henrique Ferreira de Oliveira. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-graduação em Energia.

[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] Atualmente pode ser observado um cenário onde a expectativa é de uma enorme pressão sobre a demanda energética futura, as alarmantes consequências das emissões de dióxido de carbono na atmosfera e a realização do abastecimento energético seguro e com certo grau de previsibilidade. Assim torna-se essencial o desenvolvimento de métodos sustentáveis de geração e consumo energético. Baseado neste contexto, o presente estudo visa aprofundar o entendimento da relação entre o consumo de energia renovável e o crescimento econômico para um painel de doze países em desenvolvimento entre o os anos de 2003-2013. O teste de raiz unitária de Levin, Li e Chu bem como o modelo de dados em painel foi utilizado para inferir a relação causal entre as variáveis. O resultado revelou uma relação causal entre o PIB real, consumo de energias renováveis e formação bruta de capital fixo, como consequência dos seus respectivos coeficientes positivos e estatisticamente significativos. Entretanto, não pode ser verificado uma relação causal entre crescimento econômico e a força de trabalho. / [en] Nowadays, a scenario can be observed where the expectation is that there will be enormous pressure on future energy demand, the alarming consequences of carbon dioxide emissions in the atmosphere and the realization of a secure supply of energy with a certain degree of predictability. Thus, the development of sustainable energy generation and consumption methods is essential. Based on this context, this study aims to deepen the understanding of the relationship between renewable energy consumption and economic growth for a panel of twelve developing countries between the years 2003-2013. The Levin, Li and Chu unit root test as well as the panel data model were used to infer the causal relationship between the variables. The result revealed a causal relationship between real GDP, renewable energy consumption and gross fixed capital formation, as a consequence of their respective positive and statistically significant coefficients. However, a causal relationship between economic growth and the labor force can not be verified.

[pt] Atualmente, uma das principais metas do governo alemão é o desenvolvimento do mercado de veículos elétricos no país. Para tanto, o real potencial de redução de emissões atmosféricas através do uso de carros elétricos precisa ser analisado em detalhes. Para que o impacto ambiental causado por veículos elétricos seja minimizado faz-se necessário o uso de energias renováveis. Considerando-se a intermitência de tais fontes energéticas, baterias estacionárias podem ser utilizadas para aumentar a eficiência do sistema energético. Um método quantitativo se faz então necessário para determinar se o uso de energia renovável produzida em pequena escala, incluindo o sistema de armazenamento, é ambientalmente mais vantajoso quando comparado ao uso da energia fornecida pela rede elétrica Alemã. Essa análise quantitativa é possível através do método chamado análise de ciclo de vida (LCA, sigla em inglês). Esse estudo aborda o caso da concessionária de energia de Braunschweig, Alemanha, BS Energy, que pretende instalar um sistema fotovoltaico com uma bateria estacionária para o carregamento de sua frota de veículos elétricos. Para tanto, o presente trabalho tem como objetivo realizar uma análise do ciclo de vida do sistema de carregamento da frota de veículos elétricos da BS Energy para avaliar o real impacto ambiental provocado por tal sistema e fazer uma comparação com o impacto gerado pelo uso de energia proveniente da rede elétrica de Braunschweig. Para dar suporte ao trabalho será realizada uma revisão de literatura sobre o método análise de ciclo de vida, veículos elétricos, baterias de lítio e geração de energia solar. Baseado em informações disponíveis na literatura, bem como nos dados fornecidos pela BS Energy, é construído e calculado o fluxo do ciclo de vida do sistema em questão. / [en] The stated aim of the German federal government is the market preparation and launch of battery electric vehicles in Germany. The potential of electric vehicles for reducing the harmful environmental impacts of road transport in everyday conditions has to be analyzed and evaluated in detail. If electric vehicles shall realize their potential to reduce emissions and minimize the consumption of resources, the use of renewable energy is necessary. Locally generated and stored energy could increase the use of renewable energy sources for electric vehicles. A quantitative method is necessary to determine if the use of local energy is environmentally advantageous in comparison to the use of renewable energy from the grid. Life cycle assessment is a method which quantifies potential environmental impacts, and, therefore, it is a suitable method to examine the research question. The local energy provider BS/ENERGY uses electric vehicles and plans on the installation of a stationary energy storage. Within this scenario the LCA method is applyed to analyze the environmental impacts of this solution.This work carries out a detailed life cycle assessment for the local energy storage system of BS/ENERGY. To support this work a theoretic background of the method life cycle assessment and of the local generation and storage of renewable energy is presented. Based on this information, a generic workflow for the LCA of the use of locally generated and stored energy for electric vehicles is created. This workflow serves as a basis to evaluate the key parameters for the result of the LCA, identifying hot spots and uncertainties. Finally, the specific case of BS/ENERGY is analyzed, with its specific battery chemistry and use pattern. With this, it is expected that the presente work will be able to support BS Energy decision of whether to invest on the stationary battery or not, from an envirionmental point of view.

[pt] No Brasil, as três principais fontes renováveis de energia elétrica são eólica, pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) e biomassa. A comercialização da energia proveniente dessas fontes ocorre majoritariamente no ambiente de contratação regulada (ACR), através de leilões, em detrimento do ambiente de contratação livre (ACL). Isso devido ao fato de seus recursos naturais serem sazonais, estabelecendo o risco de preço-quantidade no ACL, em que o excesso ou déficit de energia gerada em relação à quantidade contratada é liquidado ao preço de liquidação de diferenças (PLD), uma variável sistêmica e altamente volátil. Contudo, a complementaridade dessas fontes permite reduzir esses riscos quando a energia é comercializada de forma conjunta, através de um fundo de energia que gera aumento do valor do portfólio com relação à comercialização individual. Esta dissertação utiliza a teoria de jogos cooperativos para analisar formas de repartir o benefício gerado, através da alocação de quotas financeiras. O conjunto de soluções onde o resultado individual das fontes no fundo é maior do que o resultado individual em qualquer subcoalisão define o núcleo do jogo. Assim, a complexidade de encontrar uma solução dentro do núcleo depende do número de subcoalizões, que cresce exponencialmente com o número de jogadores. Nesse contexto, este trabalho se propôs a apresentar: (i) um modelo de portfólio que incentiva a participação de fontes renováveis no ACL; (ii) um modelo de programação linear que busca o núcleo do jogo; (iii) uma metodologia eficiente baseada em decomposição de Benders, capaz de suprimir a questão da explosão combinatória do problema. / [en] In Brazil, the three main sources of renewable energy are wind, small run-of-river hidros (SH) and biomass. The energy sale of such sources occurs mainly in the Regulated Trading Environment (RTE), through auctions, with shy occurrences in the Free Trading Environment (FTE). This is due to the fact that their natural resources are seasonal, establishing the so-called price-quantity risk in the FTE, as the surplus or deficit of energy generated relative to the contracted amount is settled at the market’s spot price, a systemic and highly volatile variable. However, the complementary nature of these sources allows risk reduction if their energy are trade jointly, through an energy hedge pool that increases the value of the portfolio in comparison to individual strategies. This work makes use of cooperative games theory to analyze ways of sharing the generated benefit, through financial quotas allocation. The set of solutions where the individual sources results in the pool are greater than its results at any possible subcoalition defines the core of the game. Thus, the challenge of finding a solution inside the core depends on the number of subcoalitions, which grows exponentially with the number of players. In this context, this work proposes to present: (i) a model of portfolio that encourages the penetration of renewable sources in the FTE; (ii) a linear programming model that pursuits the game’s core; (iii) an efficient methodology based on Benders decomposition that is capable of suppress the problem of combinatorial explosion, typical of cooperative games with many players.

[pt] O presente trabalho trata da implementação de um sistema integrado de fornecimento de energia elétrica a sistemas isolados da rede de distribuição através de célula a combustível, combustível renovável (etanol) e painéis fotovoltaicos. Apresenta como objetivo a construção de um simulador para a otimização do sistema integrado de fornecimento de energia elétrica. O sistema consiste em um reformador de hidrogênio que utiliza etanol para a reforma do hidrogênio, uma célula a combustível do tipo PEM, painéis fotovoltaicos, banco de baterias de chumbo, inversor de corrente, compressor de hidrogênio. O sistema foi dimensionado para atender um consumidor SIGFI 45. A partir da implementação do sistema foram realizados diferentes tipos de ensaios a fim de caracterizar o funcionamento de cada um dos equipamentos separadamente. Conhecendo o funcionamento de cada equipamento foi possível simular o funcionamento deles em diferentes condições de operação. Posteriormente foi implementado um simulador em VBA desse sistema e os resultados obtidos experimentalmente foram comparados com os simulados para a validação desse simulador. Com o simulador validado foi possível simular diversos casos de operação com o intuito de otimizar o funcionamento desse sistema. / [en] This current work deals with the implementation of an integrated electrical power supply system with isolated fuel cell distribution networks: renewable fuel (ethanol) and photovoltaic panels. This thesis presents the objective of constructing a simulator in order to optimize the integrated electrical power supply system. The system consists of a hydrogen reformer that uses ethanol to produce hydrogen, a PEM fuel cell, photovoltaic panels, lead battery bank, current inverter, hydrogen compressor. The system has been sized to meet SIGFI 45 consumer. During the implementation and application of the system, different types of tests were carried out in order to characterize the behavior of each component separately. Knowing the function of each component within the system, it was possible to simulate their behavior in different operating conditions. Later, a VBA simulator of this system was created and then implemented. The results produced by the simulator were compared with those carried out experimentally to validate the accuracy of this simulation. With the validation of the simulator it was possible to simulate several operational cases in order to optimize the function of this system.

[pt] A avaliação e seleção de tecnologias de geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis visa melhorar a eficiência nas decisões de expansão dos sistemas elétricos em geral, elencando tecnologias mais adequadas em função de seus impactos ambientais, sociais, econômicos, técnicos e políticos. Os processos decisórios referentes à escolha de tecnologias de geração de energia caracterizam-se por subjetividade, incerteza e ambiguidade. Os métodos multicritério de apoio à decisão, combinados com a lógica dos conjuntos fuzzy constituem uma alternativa adequada para a modelagem de avaliação e seleção de tecnologias em ambientes sob incerteza. O objetivo principal desta dissertação é propor um modelo de avaliação e seleção de tecnologias para geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis, com o auxílio de métodos multicritério fuzzy de apoio à decisão. A pesquisa pode ser considerada aplicada, descritiva e metodológica. Quanto aos meios de investigação, a metodologia compreende pesquisa bibliográfica e documental; pesquisa experimental, com a aplicação de métodos multicritério fuzzy de apoio à decisão para hierarquização de alternativas tecnológicas de energia elétrica a partir de fontes renováveis; e desenvolvimento de um estudo empírico no Estado do Rio de Janeiro. Destacam-se como resultados a seleção de tecnologias mais adequadas em função de seus impactos ambientais, sociais, econômicos, técnicos e políticos e a demonstração da aplicabilidade do modelo proposto. No caso do Estado do Rio de Janeiro, a tecnologia que se mostrou mais adequada, dado potencial de fontes renováveis, foi a solar fotovoltaica. / [en] Assessment and selection of renewable energy generation technologies addresses to improve efficiency in electrical system expansion decisions, by selecting technologies that are more appropriate considering some criteria, like environmental, social, economic, technical and political. The decision-making processes regarding the choice of energy generation technologies are characterized by subjectivity, uncertainty and ambiguity. Multicriteria decision support method, combined with fuzzy logic, is an adequate alternative for measuring and evaluating the performance of technologies in environment under uncertainty. The main aim of this dissertation is to propose a model for selection the performance of technologies for electric power generation from renewable sources, with the support of multicriteria fuzzy decision-making methods. The research can be considered applied, descriptive and methodological. As for means of investigation, the methodology comprises bibliographical and documentary research; Experimental research, with the application of multicriteria fuzzy decision-making methods for hierarchization of technologies for electric power generation alternatives from renewable sources; and development of an empirical study in the State of Rio de Janeiro. The results highlight the selection of the most appropriate technologies according to their environmental, social, economic, technical and political impacts and the demonstration of the applicability of the proposed model. In the case of the State of Rio de Janeiro, the most appropriate technology, given the potential of renewable sources, was solar photovoltaic.

[pt] O aumento da penetração de fontes de energia intermitentes é uma realidade dentro da matriz energética brasileira. A utilização em larga escala de energia renovável diminui a flexibilidade operativa com a redução da inércia equivalente sincronizada no sistema, podendo colocar em risco a segurança e a qualidade do suprimento de energia dos sistemas elétricos de potência com a diminuição da capacidade de regulação de frequência. Com expectativas de crescimento acentuado, surgem os dispositivos de armazenamento de energia (Energy Storage Devices – ESD) como uma alternativa viável para contornar essas dificuldades, principalmente quando se trata de um sistema de potência isolado. Nesta dissertação, avalia-se o comportamento dinâmico do sistema elétrico do estado de Roraima, através de uma metodologia desenvolvida para quantificar a penetração de energia renovável intermitente em sistemas isolados. Avalia-se também como a utilização de dispositivos de armazenamento de energia podem contribuir para o controle de frequência, observando as vantagens que tais dispositivos podem acarretar nesse sistema. A construção do Mapa de Decisão pode auxiliar as análises tanto na etapa de planejamento como na fase de programação e operação dos sistemas. Nas simulações realizadas foi possível constatar que a utilização de ESD pode promover um aumento significativo na penetração de usinas renováveis intermitentes, como eólica e solar fotovoltaica, em sistemas de potência isolados / [en] The increase in the penetration of intermittent energy sources is a reality within the Brazilian energy matrix. The large-scale use of renewable energy decreases the operational flexibility with the reduction of the equivalent inertia synchronized in the system, which can endanger the safety and quality of the energy supply of electric power systems with the reduction of the frequency regulation capacity. With expectations of sharp growth, energy storage devices (ESD) appear as a feasible alternative to overcome these difficulties, particularly when it comes to an isolated power network. In this dissertation, the dynamic assessment of the electrical system of the state of Roraima is evaluated, using a methodology developed to quantify the penetration of intermittent renewable energy in isolated systems. It is also evaluated how the use of energy storage devices can contribute to frequency control, observing the advantages that such devices can bring to this system. The construction of the Decision Map can assist the analyses during the planning, programming and operation phases. In the simulations carried out, it was possible to verify that the use of ESD can promote a significant increase in the penetration of intermittent renewable plants, such as wind and solar photovoltaic, in isolated power systems.

[pt] Esta dissertação teve como objetivo desenvolver um modelo de previsão de geração de energia elétrica por meio de esforço muscular de seres humanos, utilizando uma bicicleta geradora, conectada à rede elétrica comum. A motivação resultou da experiência do autor na área de geração distribuída, que identificou uma dificuldade em instalar sistemas de geração solar fotovoltaica em topo de edifícios. Como metodologia de pesquisa, o trabalho, utilizou a regressão linear múltipla, com o software IBM SPSS servindo como executor das tarefas. As regressões apresentaram resultados promissores, apresentando um R(2) ajustado elevado, respeitando todas as premissas de uma regressão linear múltipla, e confirmando algumas suspeitas. As simulações feitas com base no modelo criado mostram um potencial de geração de energia considerável para o Brasil. Como conclusão, apesar do modelo criado ser de boa capacidade preditiva, recomenda-se mais estudos antes de uma extrapolação populacional ou um investimento financeiro. / [en] This dissertation aimed to develop a model for predicting the generation of electrical energy through human muscular effort, using a generator bicycle, connected to the common electrical grid. The motivation resulted from the author s experience in distributed generation, which identified a difficulty in installing photovoltaic solar generation systems on top of buildings. As a research methodology, the work used multiple linear regression, with the IBM SPSS software serving as the executor of the tasks. The regressions showed promising results, presenting a high ajusted R(2), considering all the premises of a multiple linear regression, and confirming some suspicions. The simulations made based on the model created show a considerable energy generation potential for Brazil. In conclusion, despite the model created being of good predictive capacity, further studies are recommended before a population extrapolation or a financial investment.

[pt] A redução da poluição e das emissões de gases de efeito estufa tem sido o foco de um grande esforço global. Nesse contexto, Certificados de Energia Renovável (RECs) são de grande importância para incentivar mudanças na matriz energética, visando à adoção de práticas sustentáveis. Dado o crescimento deste mercado e as características dos RECs, uma das potenciais ferramentas impulsionadoras da sua adoção é o protocolo de rede blockchain. Nesta pesquisa, analisamos três modelos autônomos de emissão e venda na blockchain de tokens baseados em RECs em condições de incerteza para um gerador de energia renovável. Nos três modelos, o gerador tem a opção de investir agora ou daqui a um ano para ter o direito de emitir RECs e ofertá-los através de leilões de venda trimestrais. No primeiro, assumimos que o preço do token é fixo, seguindo o conceito de uma stable coin. No segundo, consideramos que o preço segue uma função inversa da demanda sujeita a choques estocásticos. Finalmente, no terceiro, a demanda por RECs é incerta e busca-se maximizar o lucro do gerador. Realizamos uma aplicação numérica para verificarmos a validade dos modelos e concluímos, considerando os parâmetros adotados, que o gerador deverá investir no segundo modelo, pois foi o que apresentou maior VPL ( 60.992,70 Reais). Contudo, se a volatilidade da demanda for inferior a 20,00 por cento, o modelo ótimo para o gerador é o primeiro modelo. A principal contribuição deste trabalho é analisar a dinâmica do desempenho de produtos digitais sob incerteza. / [en] Reducing pollution and greenhouse gas emissions has been the focus of a major global effort. In this context, Renewable Energy Certificates (RECs) are important as they provide incentives for changes in the energy matrix, towards the adoption of sustainable practices. Given the growth of this market and the characteristics of RECs, one of the potential drivers of their adoption is the blockchain network protocol. In this research, we analyze three autonomous models for issuing and selling in the blockchain of REC based tokens for the renewable energy generator. In all three models, the generator has the option to invest now or in one year for the right to issue RECs and offer them through quarterly sales auctions. In the first model, we assume that the token price is fixed following a stable coin concept. In the second model, we consider that the price follows an inverse demand function subject to stochastic shocks. Finally, in the third model, the demand for RECs is uncertain and the purpose is to maximize the generator s profit. Through a numerical application, we verify the validity of the models and conclude, considering the parameters adopted, that the generator should invest in the second model, since it was the one with the highest NPV (60,992.70 real). However, if the demand volatility is less than 20.00 percent, the optimal model for the generator is the first model. The main contribution of this work is to analyze the performance dynamics of digital products under uncertainty.