abstract: Carbon Capture and Storage (CCS) is a climate stabilization strategy that prevents CO2 emissions from entering the atmosphere. Despite its benefits, impactful CCS projects require large investments in infrastructure, which could deter governments from implementing this strategy. In this sense, the development of innovative tools to support large-scale cost-efficient CCS deployment decisions is critical for climate change mitigation. This thesis proposes an improved mathematical formulation for the scalable infrastructure model for CCS (SimCCS), whose main objective is to design a minimum-cost pipe network to capture, transport, and store a target amount of CO2. Model decisions include source, reservoir, and pipe selection, as well as CO2 amounts to capture, store, and transport. By studying the SimCCS optimal solution and the subjacent network topology, new valid inequalities (VI) are proposed to strengthen the existing mathematical formulation. These constraints seek to improve the quality of the linear relaxation solutions in the branch and bound algorithm used to solve SimCCS. Each VI is explained with its intuitive description, mathematical structure and examples of resulting improvements. Further, all VIs are validated by assessing the impact of their elimination from the new formulation. The validated new formulation solves the 72-nodes Alberta problem up to 7 times faster than the original model. The upgraded model reduces the computation time required to solve SimCCS in 72% of randomly generated test instances, solving SimCCS up to 200 times faster. These formulations can be tested and then applied to enhance variants of the SimCCS and general fixed-charge network flow problems. Finally, an experience from testing a Benders decomposition approach for SimCCS is discussed and future scope of probable efficient solution-methods is outlined. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Industrial Engineering 2017

A relevância da infraestrutura de transporte para incrementos em produtividade, induzindo ao desenvolvimento socioeconômico de determinada região é amplamente reconhecida. O Brasil, no entanto, apresenta sérias deficiências em relação à sua infraestrutura de transporte, oriundas de seu desenvolvimento histórico e da redução de níveis de investimentos públicos no setor nas últimas décadas. Estas deficiências traduzem-se em grande concentração no modal rodoviário para o transporte de cargas, menos eficiente do que os modais ferroviário e hidroviário, resultando em reduzida competitividade das organizações nacionais. Neste contexto, objetivou-se no presente trabalho a proposição de um modelo para avaliação e seleção de investimentos em infraestrutura de transporte de cargas, considerando-se seu caráter multidimensional. Para isso, foi proposta metodologia integrando os conceitos de análise de decisão multicritério e de programação matemática, representados pela teoria de utilidade multiatributo (Multi-Attribute Utility Theory - MAUT) e por problema de otimização de fluxos em rede (Minimum Cost Network Flow Problem - MCNFP), respectivamente. No desenvolvimento do modelo foram contemplados critérios de avaliação referentes às dimensões de análise financeira, operacional e ambiental. Posteriormente, foi considerada a aplicação de versões do modelo proposto com diferentes números de períodos de análise em caso ilustrativo, representativo da rede de transporte disponível e planejada da região Norte do Brasil. A aplicação das diversas versões do modelo proposto, de forma geral, apresentou resultados compatíveis com as teorias relacionadas à avaliação deste problema de decisão, incluindo indução à multimodalidade. Algumas versões do modelo apresentaram violações em algumas de suas restrições. Estes resultados adversos não foram plenamente eliminados, devido a limitações das ferramentas adotadas para aplicação. No entanto, foi possível a correção manual destas violações, resultando em soluções viáveis que, apesar de não serem consideradas ótimas, são mais completas do que soluções obtidas por meio de metodologias unidimensionais de análise. Por fim, foram apresentadas recomendações para condução de trabalhos futuros visando eliminação dos resultados adversos do modelo proposto e complementação de sua análise. / The role of transport infrastructure in productivity increases leading to regional social-economic development is widely recognized. Brazil, however, has serious deficiencies in its transport infrastructure, rooted in the country\'s historical development and in the recent decades\' reduction of public investment in the sector. These deficiencies can be observed in Brazil\'s strong focus on roads for cargo transportation, which besides being less efficient than rail and waterways, results in reduced competitiveness of national enterprises. In this context, the aim of this work was to propose a model for evaluating and selecting investments in freight\'s transportation infrastructure, considering its multidimensional character. It was proposed a methodology integrating the concepts of multi-criteria decision analysis and mathematical programming, represented by the Multi-Attribute Utility Theory (MAUT) along with the Minimum Cost Network Flow Problem (MCNFP). The developed model included financial, operational and environmental analysis evaluation criteria. Subsequently, this study applied the proposed model into a case study of the transportation network, available and planned, of the Northern region of Brazil. Overall, the application of various versions of the proposed model yielded results consistent with related evaluation and decision making theories, including induction of multimodality. Some versions of the model presented some violations of its restrictions. These adverse results were not fully eliminated due to the limitations of the application tools utilized. It was possible, however, to manually correct these violations and obtain viable solutions that, while cannot be considered optimal, are more complete than those obtained by single dimension analysis. Finally, recommendations were made for future studies aiming at eliminating the proposed model\'s adverse outcomes, and complementing its analysis.

A relevância da infraestrutura de transporte para incrementos em produtividade, induzindo ao desenvolvimento socioeconômico de determinada região é amplamente reconhecida. O Brasil, no entanto, apresenta sérias deficiências em relação à sua infraestrutura de transporte, oriundas de seu desenvolvimento histórico e da redução de níveis de investimentos públicos no setor nas últimas décadas. Estas deficiências traduzem-se em grande concentração no modal rodoviário para o transporte de cargas, menos eficiente do que os modais ferroviário e hidroviário, resultando em reduzida competitividade das organizações nacionais. Neste contexto, objetivou-se no presente trabalho a proposição de um modelo para avaliação e seleção de investimentos em infraestrutura de transporte de cargas, considerando-se seu caráter multidimensional. Para isso, foi proposta metodologia integrando os conceitos de análise de decisão multicritério e de programação matemática, representados pela teoria de utilidade multiatributo (Multi-Attribute Utility Theory - MAUT) e por problema de otimização de fluxos em rede (Minimum Cost Network Flow Problem - MCNFP), respectivamente. No desenvolvimento do modelo foram contemplados critérios de avaliação referentes às dimensões de análise financeira, operacional e ambiental. Posteriormente, foi considerada a aplicação de versões do modelo proposto com diferentes números de períodos de análise em caso ilustrativo, representativo da rede de transporte disponível e planejada da região Norte do Brasil. A aplicação das diversas versões do modelo proposto, de forma geral, apresentou resultados compatíveis com as teorias relacionadas à avaliação deste problema de decisão, incluindo indução à multimodalidade. Algumas versões do modelo apresentaram violações em algumas de suas restrições. Estes resultados adversos não foram plenamente eliminados, devido a limitações das ferramentas adotadas para aplicação. No entanto, foi possível a correção manual destas violações, resultando em soluções viáveis que, apesar de não serem consideradas ótimas, são mais completas do que soluções obtidas por meio de metodologias unidimensionais de análise. Por fim, foram apresentadas recomendações para condução de trabalhos futuros visando eliminação dos resultados adversos do modelo proposto e complementação de sua análise. / The role of transport infrastructure in productivity increases leading to regional social-economic development is widely recognized. Brazil, however, has serious deficiencies in its transport infrastructure, rooted in the country\'s historical development and in the recent decades\' reduction of public investment in the sector. These deficiencies can be observed in Brazil\'s strong focus on roads for cargo transportation, which besides being less efficient than rail and waterways, results in reduced competitiveness of national enterprises. In this context, the aim of this work was to propose a model for evaluating and selecting investments in freight\'s transportation infrastructure, considering its multidimensional character. It was proposed a methodology integrating the concepts of multi-criteria decision analysis and mathematical programming, represented by the Multi-Attribute Utility Theory (MAUT) along with the Minimum Cost Network Flow Problem (MCNFP). The developed model included financial, operational and environmental analysis evaluation criteria. Subsequently, this study applied the proposed model into a case study of the transportation network, available and planned, of the Northern region of Brazil. Overall, the application of various versions of the proposed model yielded results consistent with related evaluation and decision making theories, including induction of multimodality. Some versions of the model presented some violations of its restrictions. These adverse results were not fully eliminated due to the limitations of the application tools utilized. It was possible, however, to manually correct these violations and obtain viable solutions that, while cannot be considered optimal, are more complete than those obtained by single dimension analysis. Finally, recommendations were made for future studies aiming at eliminating the proposed model\'s adverse outcomes, and complementing its analysis.