Anuário P&D 2014 R&D Yearbook

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1 Anuário P&D 2014 R&D Yearbook

2 MENSAGEM DO PRESIDENTE Mais qualidade e eficiência no sistema elétrico brasileiro Consistentes com a politica da Duke Energy de buscar oportunidades para aprimorar os negócios no Brasil, investimos em inovação, melhoria contínua e Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), pois entendemos que essas iniciativas são fundamentais para nos manter competitivos, otimizar processos, agregar novas tecnologias e ampliar o conhecimento e a capacitação de nossos colaboradores. Nessa direção, desenvolvemos uma série de projetos alinhados à regulamentação do setor elétrico brasileiro que determina a destinação de 1% da receita operacional líquida a iniciativas de P&D. Desde o início de nossa atuação no mercado brasileiro, demos prioridade a estudos destinados a promover mais qualidade e eficiência do sistema elétrico, além de contribuir para a preservação do meio ambiente. Devido à elevada complexidade científica e tecnológica dessas iniciativas, atuamos em parceria com institutos de pesquisa e universidades para que nos ajudem a desenvolver soluções inovadoras para o setor elétrico brasileiro e em sintonia com as necessidades da empresa. Em 2013, os recursos destinados para a área chegaram a R$ 8,0 milhões, valor acima dos R$ 6,9 milhões aplicados no ano anterior. Finalizamos seis projetos e superamos em 57% a meta regulatória de investimentos em P&D, com destaque para a permanente inovação em processos e serviços que representam importantes oportunidades de ganhos de eficiência não apenas para a empresa como para todo o setor elétrico brasileiro. No atual ciclo de P&D, um dos principais projetos em execução tem como objetivo criar um sistema global de gerenciamento de riscos setoriais para mapear e quantificar os principais fatores que impactam nossas atividades, assim como apontar as melhores formas de mitigar efeitos negativos sobre o desempenho sustentável do negócio. Esse sistema tornará mais eficiente o processo decisório, pela melhor identificação de prioridades e alocação de recursos, podendo ser replicado por outras empresas elétricas. Além disso, continuamos com projetos de avaliação de impactos de partidas e paradas sobre a vida útil de unidades geradoras, novas tecnologias aplicadas à geração a exemplo da energia do empuxo e de biomassas, estratégias para despacho de usinas hidrelétricas e térmicas, erosão de margens reservatórios e emissões de gases de efeito estufa, entre muitos outros. Como frutos adicionais, os resultados dessas pesquisas contribuem para a 2 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

3 MESSAGE FROM THE CEO More quality and efficiency in the brazilian electric system Consistent with Duke Energy s policy to seek opportunities to enhance business in Brazil, we have invested in innovation, continuous improvement, and in Research and Development (R&D) for we believe that these initiatives are critical to assuring our competitive edge, optimizing processes, adding new technologies, enhancing knowledge, and training and developing our employees. We have developed a series of projects in this direction aligned with the Brazilian electricity sector regulations that require the allocation of 1% of net operating revenues to R&D initiatives. Since the start of our operations in Brazil, we have prioritized studies that promote more quality and efficiency of the electric system, in addition to contributing to the preservation of the environment. Due to the high scientific and technological complexity of these initiatives, we work in partnership with research institutes and universities to help us to develop innovative solutions for the Brazilian electricity sector and congruent with the company s needs. In 2013, the resources allocated to R&D reached R$ 8.0 million, R$ 6.9 million more than that invested the previous year. We concluded six projects and surpassed the regulatory target of R&D investments by 57% with an emphasis on constant innovation in processes and services that represent important opportunities for gains in efficiency not only for the company, but also for the entire Brazilian electricity sector. capacitação técnica dos profissionais e pesquisadores envolvidos nos projetos e para o reconhecimento das instituições participantes como centros de excelência. Os conhecimentos e os resultados obtidos com esses trabalhos têm sido incorporados aos cursos de graduação e pós-graduação de universidades, colaborando para preparar melhor os futuros profissionais que atuarão em um mercado de trabalho cada vez mais competitivo e exigente. Acreditamos que esse conjunto de ações nos ajuda a cumprir com o nosso papel e nossa responsabilidade de contribuir para a construção do futuro do setor elétrico brasileiro, abrindo espaço para a criatividade, a inovação, o desenvolvimento tecnológico e a eficiência. Armando de Azevedo Henriques Presidente In the current R&D cycle, one of the main ongoing projects aims to create a global system to manage the risks in this sector in order to map and quantify the key factors impacting our activities, as well as identifying the best ways to mitigate the negative effects on sustainable performance of the business. By better identifying priorities and allocating resources, this system will make the decision-making process more efficient. It may also be replicated by other electricity companies. Furthermore, we are pursuing projects that assess start-up and shutdown impacts on the equipment life of generator units, new technology applied to power generation, such as buoyancy force and biomass, strategies for hydroelectric and thermal plant dispatch, erosion of reservoir margins, greenhouse gas emissions, among many others. As additional gains / benefits, the outcomes of these projects contribute to the technical training of the professionals and researchers involved in the research and to the recognition of participating institutions as centers of excellence. The knowledge and results obtained from these studies have been incorporated into graduate and undergraduate university courses, collaborating with better preparingfuture professionals who will work in an increasingly competitive and demanding market. We believe that this set of actions helps us to fulfill our role and our responsibility to contribute to building the future of the Brazilian electricity sector, making room for (or encouraging) creativity, innovation, technological development, and efficiency. Armando de Azevedo Henriques CEO 3

4 ÍNDICE INDEX PROJETOS CONCLUÍDOS COMPLETED PROJECTS ENERGIA RENOVÁVEL RENEWABLE ENERGY 8 Empuxo no aproveitamento hídrico Buoyancy in hydric resource exploitation OPERAÇÃO OPERATION 10 Impactos de partida e parada em hidrelétricas Start-up and shut-down impacts on hydroelectric units 12 Mais controle sobre vida útil de unidades geradoras More control over the equipment life of generator units PESQUISA ESTRATÉGICA STRATEGIC RESEARCH 14 Cálculo correto de garantias físicas Correct physical collateral calculation 16 Planejamento operacional Operational planning 18 Sistema realiza simulações do mercado de gás System performs simulations of gas market PROJETO ESTRATÉGICO STRATEGIC PROJECT 20 Software para otimização do despacho Software for dispatch optimization 22 Previsão de vazões otimizada por usina Runoff forecast optimized by plant 24 Instrumento para resolução de problemas de grande porte Instrument for solving large-scale problems 26 Evolução nos modelos de cálculo Evolution of the calculation models 28 Despacho individualizado por usina Individualized dispatch per plant TARIFAS DE TRANSMISSÃO TRANSMISSION RATES 30 Custos no uso do sistema de transmissão Costs for using the transmission system MEIO AMBIENTE ENVIRONMENT 32 Gases de efeito estufa em reservatórios Greenhouse gases in reservoirs 4 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

5 PROJETOS EM ANDAMENTO ONGOING PROJECTS ENERGIA RENOVÁVEL RENEWABLE ENERGY 36 Mais eficiência na energia de biomassas Greater efficiency from biomass energy 38 Modelagem de energia por meio do empuxo Modeling of energy through buoyancy PESQUISA ESTRATÉGICA STRATEGIC RESEARCH 40 Geração de energia a partir do gás natural Power generation from natural gas 42 Ampliação do parque gerador Expansion of the generator grid 44 Gerenciamento de riscos corporativos Management of corporate risks 46 Gestão estratégica de negócios Strategic business management 48 Formação de portfólios de geração complementares Creating portfolios of supplementary generation 50 Precificação de contratos bilaterais Pricing of bilateral contracts 52 Modelo computacional de otimização de despacho Computational model for optimization of dispatch PROJETO ESTRATÉGICO STRATEGIC PROJECT 54 Impacto das mudanças climáticas Impact of climate change SUPERVISÃO, CONTROLE E PROTEÇÃO MONITORING, CONTROL AND PROTECTION 56 Previsões de chuvas mais precisas More accurate rainfall forecasts MEIO AMBIENTE ENVIRONMENT 58 Identificação de peixes para repovoamento Fish species identification for repopulation 60 Monitoramento do entorno de reservatórios Monitoring the areas surrounding the reservoirs 62 Mais atenção ao controle de erosões Closer attention to erosion control SUSTENTABILIDADE SUSTAINABILITY 64 Custo-benefício de projetos socioambientais Cost-benefit of social-environmental projects 5

6 6 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

7 XXXXXX PROJETOS CONCLUÍDOS COMPLETED PROJECTS 7

8 TEMA ENERGIA RENOVÁVEL Empuxo no aproveitamento hídrico PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Estudo da geração de energia elétrica através da utilização do empuxo Fase 1 Study of electric power generation through the use of buoyancy - Phase 1 Custo total Total cost R$ ,74 R$ 1,494, Início Start 21/12/ /21/2009 Prazo final Completion 21/9/ /21/2012 Área Area Regulatória Regulatory Gerente do projeto Project manager Soraia Tamie Quicu Stahl Execução Execution Lactec/MTZ Tecnologia e Metais O projeto-piloto teve como objetivo analisar a viabilidade técnico-econômica de se obter energia diretamente a partir do empuxo fonte conhecida há muito tempo, mas não diretamente empregada na geração de energia elétrica. O estudo propôs especificações que permitissem um modelo técnica, ambiental e financeiramente viável para a geração de energia em pequeno porte. Apoiase no uso de um sistema gerador que não demande grandes quedas de água ou barragens nem pressão forte. 8 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

9 RENEWABLE ENERGY Buoyancy in hydric resource exploitation O estudo propõe uma inovação com potencial de trazer muitos benefícios às empresas de geração, à sociedade e ao meio ambiente, sendo uma alternativa às Pequenas Centrais Elétricas (PCHs), com custo muito menor. As centrais que usam esse processo são até 80% mais baratas e mais rápidas de se construir do que os sistemas atuais (cerca de seis meses, em comparação a 18 meses nas PCHs), além de permitir o aumento da geração de energia a partir da instalação de células extras. Sua utilização pode ocorrer tanto de forma principal, em locais de pouca viabilidade para aproveitamentos hídricos convencionais, como de forma adicional, em uma usina existente, aproveitando remanescentes de vazão vertida, transformando-os em energia. Três modelos foram construídos para esse estudo: dois de grande porte Adriano Gambarini UHE SALTO GRANDE (um de módulo unitário e o outro duplo) e um de pequena escala. A conclusão dessa primeira fase do projeto é que a tecnologia de geração de energia por empuxo é promissora, mas precisa de mais conhecimentos das diferentes etapas do processo para a sua real viabilização econômica. O estágio atual da tecnologia permite dizer que o custo dessa energia tende a ser baixo, pelos investimentos na construção do modelo funcional. No entanto, características da operação ainda não dominadas causam rendimento inferior ao esperado, mas com tendência a melhoria em um futuro breve. A Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) realizou a avaliação final desse projeto que obteve a nota máxima no critério de originalidade. This pilot project aims to examine the technical and economic feasibility of obtaining energy directly from buoyancy power a source of energy known for some time, but never directly employed in electric power generation. The study proposed specifications permitting a technically, environmentally, and financially viable model for small-scale power generation. It is based on using a generator system that does not require large drops, dams, or strong pressure. The study proposes an innovation with the potential to bring many benefits to energy generation companies, society, and environment as it is an alternative to Small Hydroelectric Plants (SHPs) and at a much lower cost. The plants that use this process are faster to build than current systems (approximately six months, when compared to the 18 months for SHPs), up to 80% cheaper, and allow for the increase of power generation by installing extra cells. This system may be used either as a main source in areas of lower viability for conventional water resource exploitation or as an additional source linked to an existing plant, by collecting and transforming runoff into energy. Three models were constructed for this study: two large models (a single unit module and a double unit module) and one small-scale model. The conclusion from this first phase of the project is that the technology of power generation from buoyancy is promising, yet more knowledge of the different stages of the process is needed for its real economic feasibility. The current technology allows us to say that the cost of this energy tends to be low due to the investments in building the functional model. Characteristics of the operation not yet mastered result in a yield lower than expected, but with the tendency to improve in the near future. The Brazilian Electricity Regulatory Agency (Aneel) conducted the final evaluation of this project and gave it the highest score on the criterion of originality. 9

10 TEMA OPERAÇÃO Impactos de partida e parada em hidrelétricas PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Desenvolvimento de estudo para avaliar o número de horas de operação equivalentes a um processo de partida e parada de unidades geradoras de usinas hidrelétricas Development of a study to assess the number of hours of operation equivalent to a start-up and shut-down process of generator units of hydroelectric power plants Custo total Total cost R$ ,00 R$ 1,040, Início Start 9/11/ /09/2011 Prazo final Completion 8/11/ /08/2013 Área Area Operações Operations Gerente do projeto Project manager Eugenio Claret Ribeiro Execução Execution Voith Hydro Ltda. Por conveniências operativas, com o objetivo de economizar água, as Unidades Geradoras (UGs) das usinas hidrelétricas conectadas ao Sistema Interligado Nacional (SIN) param frequentemente no período de carga leve e partem no período de carga pesada, impondo sucessivos processos de parada e partida. 10 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

11 OPERATION Adriano Almeida Start-up and shut-down impacts on hydroelectric units For operational convenience, when needing to save water, the Generator Units (GUs) of hydroelectric power plants connected to the National Interconnected Power System (NIPS) are often shut down during minimum loads and start up during peak loads, thus imposing successive start-up and shut-down processes. The objective of the study is to measure the hours of operation equivalent to a process of shutting down and starting up in order to adjust the preventive maintenance interval resulting in extended life of the GUs. O objetivo do estudo é mensurar as horas de operação equivalentes a um processo de parada e partida para ajustar o intervalo das manutenções preventivas, preservando a vida útil das UGs. Diversos componentes foram avaliados por meio de cálculo estrutural, analítico ou avaliação de elementos finitos, como, por exemplo, a carcaça, o núcleo e a coroa do rotor do gerador, o pré-distribuidor, as palhetas diretrizes, o rotor Francis e o aro de saída da turbina. Todos os componentes foram submetidos à análise de fadiga. As lonas de freio e as buchas autolubrificantes do distribuidor foram submetidas à análise de desgaste. UHE TAQUARUÇU Do ponto de vista de fadiga, os estudos concluíram que os componentes avaliados são pouco sensíveis aos processos de partida e paradas. Em relação aos componentes submetidos à análise de desgaste, os estudos concluíram que o modelo das lonas de freio e das buchas autolubrificantes analisadas devem ser substituídas respectivamente após 7 e 14 anos de operação. É importante ressaltar que os estudos consideraram a unidade geradora como uma máquina ideal, ou seja, não existem erros de projeto, montagem ou fabricação (todas as folgas estão exatamente na condição de projeto). Several components were evaluated by structural, analytical, or evaluation calculations of finite elements such as the housing, core, and the ring of the generator s rotor, the pre- distributor, the guide vanes, the Francis rotor, and the turbine s output rim. All components were subjected to analysis of fatigue. The brake pads and self-lubricating bushings of the distributor were analyzed for wear. From the point of view of fatigue, the studies concluded that the components evaluated have a low sensitivity to the start-up and shut-down processes. As for the components subjected to analysis of wear, the studies concluded that the brake pad and self-lubricating bushing models analyzed should be replaced after 7 and 14 years of operation respectively. It is important to point out that the studies considered the generator unit as an ideal machine with no errors in design, assembly, or manufacturing (all clearances are in exactly to project design). 11

12 TEMA OPERAÇÃO Mais controle sobre vida útil de unidades geradoras PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Desenvolvimento de uma metodologia para avaliar as consequências na vida útil de componentes de unidades geradoras hidrelétricas com rotores tipo Francis operando no Controle Automático de Geração (CAG) Development of a methodology for the assessment of the consequences to the equipment life of mechanical components and hydraulic structures of the hydroelectric generator units with the Francis rotor and operating under the Automatic Generation Control (AGC) system Custo total Total cost R$ ,00 R$ 1,367, Início Start 09/11/ /09/2011 Prazo final Completion 31/12/ /31/2013 Área Area Operações Operations Gerente do projeto Project manager Vicente Borri Execução Execution Voith Hydro Ltda. O objetivo deste projeto é buscar o desenvolvimento de uma metodologia que aponte as consequências da vida útil de componentes mecânicos e estruturas hidráulicas das unidades geradoras hidrelétricas que utilizam o rotor Francis operando no Controle Automático de Geração (CAG). Esses podem sofrer alterações em consequência dos diferentes ciclos de carregamento de potência ativa. 12 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

13 OPERATION Adriano Gambarini More control over the equipment life of generator units The objective of this project is to develop a methodology that identifies the consequences of the working life of mechanical components and hydraulic structures of the hydroelectric generator units that use the Francis rotor operating under the Automatic Generation Control (AGC) system. These components could be affected by different active power load cycles. The AGC is known as the secondary control frequency and is to maintaining electrical operational safety. Its function is to maintain the balance between energy load and generation in order to sustain the nominal frequency of the system s operations and scheduled exchanges. O CAG é conhecido como controle secundário de frequência e é elemento crucial da manutenção da segurança operacional elétrica. Sua função é manter o equilíbrio entre carga e geração, assegurando a frequência nominal de operação do sistema e os intercâmbios programados. Com base em um estudo técnico, cabe ao Operador Nacional do Sistema (ONS) definir as usinas selecionadas para participar do controle secundário de frequência. Desenvolve-se uma metodologia, que pode servir como referência técnica pelos agentes de geração que possuem unidades geradoras participantes do CAG. Feito isto, a avaliação permite que os agentes adaptem os intervalos e o UHE CAPIVARA conteúdo dos roteiros de manutenção, aumentando a confiabilidade dos equipamentos. A medida também auxilia a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) e os agentes de geração a adequar o contrato de remuneração por prestação de serviços ancilares (CPSA). O regime CAG tem maior impacto sobre a vida útil dos componentes quando é relacionado ao mecanismo de regulação e do eixo. Nesses, são baixas as tensões dinâmicas relativas à operação em potências constantes. Ainda assim, o valor absoluto da vida útil não deve ser assumido como verdadeiro, uma vez que foi utilizada curva de fadiga obtida em norma, e não a curva real para o material-base dos componentes. Based on a technical study, the Electric System National Operator (ONS) selects the plants to participate in the secondary control frequency. A methodology was developed for generation agents that have generator units under AGC to be used as a technical reference. Subsequently, the evaluation allows the agents to tailor the intervals and content of maintenance procedures to increase equipment reliability. This measure also assists the Brazilian Electricity Regulatory Agency (ANEEL) and generation agents on defining suitable compensation of the Ancillary Services Contract (CPSA). The AGC system has a greater impact on component life when it is related to the regulation mechanism and the shaft. In these, the dynamic voltages are low related to the operation at constant power load levels. Still, the absolute value of the useful life should not be assumed as true since a fatigue curve obtained from normal distribution was used and not the actual curve for the base material of the components. 13

14 TEMA PESQUISA ESTRATÉGICA Cálculo correto de garantias físicas PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Cálculo e revisão de certificados de garantia física no Brasil: metodologias e critérios Calculation and review of physical collateral certificate in Brazil: methodologies and criteria Custo total Total cost R$ ,00 R$ 883,700 Início Start 21/1/ /21/2011 Prazo final Completion 01/6/2013 6/01/2013 Área Area Comercial/Atacado Commercial/Wholesale Gerente do projeto Project manager Vanessa Virgínio de Araújo Execução Execution PSR Soluções e Consultoria em Engenharia Ltda. O cálculo das garantias físicas de cada usina geradora é realista quando fornece uma medida confiável da segurança de suprimento. A garantia a máxima energia que um sistema pode suprir corresponde à maior quantidade de energia possível de comercializar em contratos bilaterais e também define o fator de participação de cada hidrelétrica no Mecanismo de Realocação de Energia (MRE), no qual são compartilhados os riscos hidrológicos do Sistema Interligado Nacional (SIN). 14 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

15 STRATEGIC RESEARCH O correto dimensionamento da garantia física significa a viabilidade comercial das empresas geradoras e a segurança de suprimento do sistema. Um erro de 1% no cálculo da garantia física no sistema, levando em consideração um preço de energia de R$ 100,00/ MWh, pode representar uma diferença de mais de R$ 40 milhões mensais na receita da empresa. O projeto se propôs a reconhecer a real contribuição de cada projeto para a segurança de suprimento. Para isso, investigaram-se aspectos técnicos, econômicos e regulatórios para definir a metodologia e os critérios para o cálculo dos certificados de garantia do sistema de projetos individuais. As metodologias propostas foram testadas com sucesso. Os resultados atingidos estimulam a apresentação de propostas do ponto de vista operacional (aumento ou redução de vazões e de eficiência nas máquinas) e regulatório (como a revisão no critério de suprimento e de modelos computacionais). Correct physical collateral calculation The calculation of the physical collateral of each plant is realistic when it provides a reliable measure for supply reliability. The guarantee the maximum amount of energy that a system can supply corresponds to largest possible amount of marketable energy in bilateral contracts and also defines the participation factor of each of hydroelectric plant in the Energy Reallocation Mechanism (MRE), in which the hydrological risks of the National Interconnected Power System (NIPS) are shared. The correct measurement of physical collateral determines the commercial viability of generation companies and the reliability of the supply system. For example, a one per cent error in calculation of the physical collateral in the system, considering the energy price of R$100.00/MWh, represents a difference of over R$40 million in the company s monthly revenue. The project proposed to identify the real contribution of each project toward supply reliability. To do so, the technical, economical, and regulatory aspects were investigated to define the methodology and criteria for calculating collateral certificate of the system and individual projects. The proposed methodologies were tested successfully. The results reached encourage the presentation of proposals from an operational (increase or reduction in runoff and efficiency of equipment) and regulatory (for revision in supply criteria and computational models) point of view. 15

16 TEMA PESQUISA ESTRATÉGICA Planejamento operacional PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Modelo de otimização do despacho hidrotérmico Abordagem: PDE e PDDE (sistemas equivalentes) com a consideração de aversão ao risco e tratamento estocástico (uso estatístico do cálculo de probabilidade) da Energia Natural Afluente (ENA) Optimization model of the hydrothermal dispatch - Approach: SDP and SDDP (equivalent systems) with the consideration of risk aversion and stochastic treatment (statistical use for calculating probability) of the Natural Energy Tributary (NET) Custo total Total cost R$ ,00 R$ 551, Início Start 01/1/ /01/2012 Prazo final Completion 01/9/ /01/2013 Área Area Risco Risk Gerente do projeto Project manager Anderson Mitterhofer Iung Execução Execution Fapepe/PUC Rio Ao longo dos dois anos de execução deste projeto estratégico, foi desenvolvido um software que utiliza a mesma base de dados oficial do Setor Elétrico Brasileiro (Programa Mensal de Operação PMO). O modelo contempla todas as fases do planejamento da operação energética de médio prazo, isto é, a etapa estocástica do problema (identificação, estimação e geração de cenários hidrológicos, etc.) e a fase de otimização (cálculo da política de operação e das funções de custo futuro, simulação da operação, dentre outros). 16 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

17 STRATEGIC RESEARCH Uma ação imediata do projeto será colocar à disposição uma plataforma computacional que possibilite a comparação entre diferentes metodologias de otimização e seus processos de convergência e aversão a risco (CAR Curva de Aversão ao Risco e CVaR Conditional Value at Risk, ou Valor Condicionado ao Risco). Com isso, poderão ser construídas propostas consistentes de avanços na cadeia de modelos em vigor. No período, diversas melhorias e inovações metodológicas foram desenvolvidas, contemplando o planejamento energético de médio prazo. Pela proposta, almeja-se a continuidade da pesquisa com foco em alguns estágios específicos da modelagem com avanços e implementação de metodologias que levam em consideração o risco de déficit de energia (implementação da CAR e da CVaR), além de melhorias no processo de convergência e eficiência da Programação Dinâmica Dual Estocástica (PDDE). Pretende-se, ainda, investigar a determinação da árvore de cenários para a utilização na PDDE e as técnicas de agregação dos mesmos com vistas ao aprimoramento da subárvore utilizada nessa programação. Estes desenvolvimentos poderão ser incorporados ao modelo oficial em vigor caso os agentes setoriais (ONS, EPE, CCEE, Aneel e empresas) julguem relevantes, o que proporcionará um comportamento do Preço de Liquidação de Diferenças (PLD) e a sinalização para a expansão do sistema mais realista. Operational planning Over the two years that this strategic project spanned, we have developed a software that uses the same official database as the Brazilian Electric Sector (Monthly Operation Program - PMO). The model covers all phases of the energy operation s mid-term planning such as the stochastic stage of the problem (identification, estimation, and generation of hydrological scenarios, etc.) and the optimization phase (calculation of operating policy and the functions of future cost, simulating the operation, among other items). An immediate action of the project was to make available a computational platform that enables the comparison of different optimization methodologies and their processes of convergence and aversion to risks (RAC - Risk Aversion Curve and CVaR - Conditional Value at Risk). With this, it will be possible to construct proposals consistent with the advances in the current chain of models. During the period several methodological improvements and innovations were developed taking into consideration the medium-term energy planning. The proposal aims to continue the research focused on specific stages of modeling with advances and implementation of methodologies that take into account the risk of energy deficit (implementation of RAC and CVaR), as well as improvements in the convergence process and efficiency of Stochastic Dual Dynamic Programming (SDDP). We intend to further investigate the determination of the tree of scenarios for use in the SDDP and their aggregation techniques in order to improve the sub-tree used in this program. These developments can be incorporated into the official model if the sector agents (ONS, EPE, CCEE, Aneel, and companies) deem relevant, which will provide a behavior for the Differences Settlement Price (PLD) and a more realistic signaling for the expansion of the system. 17

18 TEMA PESQUISA ESTRATÉGICA Sistema realiza simulações do mercado de gás PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Otimização da produção e distribuição de gás natural considerando efeitos do pré-sal e insumos concorrentes sobre a política de operação hidrotérmica Optimization of the production and distribution of natural gas considering the effects of pre-salt and competing inputs on the hydrothermal operation policy Custo total Total cost $ ,00 R$ 2,117, Início Start 01/03/ /01/2011 Prazo final Completion 01/12/ /01/2013 Área Area Planejamento Energético Energy Planning Gerente do projeto Project manager Dejair Magalhães Domingues Execução Execution Gás Energy/FCT-JF/UFJF-Universidade Federal de Juiz de Fora Gas Energy / FCT-JF / UFJF - Federal University of Juiz de Fora As recentes descobertas de campos de gás nos Estados do Amazonas e do Maranhão, além de todo o potencial da camada do pré-sal para a exploração de petróleo, tornaram fundamental o estudo de ferramentas que permitem identificar oportunidades para o uso do combustível natural na geração termelétrica no Brasil. 18 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

19 STRATEGIC RESEARCH O trabalho desenvolveu uma plataforma computacional de análise e tomada de decisão para o setor de gás natural e petróleo no Brasil. O sistema cruza cenários prospectivos de oferta de gás natural com a capacidade e limitações da malha de transporte atual, fornecendo resultados regionalizados e com maior precisão que o sistema operacional vigente. O simulador também apresenta um caráter relevante de banco de dados, pelo qual é possível ter uma visão completa e analítica do comportamento histórico de todos os elos da cadeia, desde os processos exploratórios até os consumos por ponto de entrega. O dispositivo permite projetar o funcionamento da cadeia de suprimento de gás natural e seu uso pelas usinas térmicas, os efeitos dos novos campos, os investimentos em capacidade produtiva, de transporte e de distribuição, como também a evolução da demanda por diferentes segmentos de usuários. O simulador, dessa forma, pode proporcionar redução do custo de operação do sistema, além de redução na curva de aversão a risco. O simulador também possibilita avaliar a localização de uma nova termelétrica a gás natural em razão da disponibilidade do combustível, diminuindo riscos de desabastecimento. System performs simulations of gas market Recent discoveries of gas fields in the States of Amazonas and Maranhão, along with all the potential of the pre-salt layer for oil exploration, have made the study of tools that will identify opportunities to use natural gas for thermo-electric generation in Brazil essential. This work developed a computational platform for analysis and decision making for the natural gas and oil sector in Brazil. The system compares prospective scenarios of natural gas supply with the capacity and limitations of the current transportation grid, providing regionalized results and with greater accuracy than the system currently in operation. The simulator also has a relevant feature: a database by which it is possible to have a comprehensive and analytical overview of the historical behavior of all links in the chain from exploration processes to consumption per delivery point. The instrument permits forecasting the operation of the natural gas supply chain and its use by thermal power plants, the effects of new fields, the investments in productive capacity, transportation and distribution, as well as the evolution of demand by different user segments. Thus, the simulator can reduce the costs of operate the system as well as reduce the risk aversion curve. The simulator also makes it possible to evaluate the location of a new natural gas thermal power plant based on fuel availability, reducing the risks of shortages. 19

20 TEMA PROJETO ESTRATÉGICO Software para otimização do despacho PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Modelo de otimização do despacho hidrotérmico Optimization model of the hydrothermal dispatch Custo total Total cost R$ ,47 R$ 4,520, Custo Duke Duke cost R$ ,16 R$ 1,256, Início Start 01/6/209 06/01/2009 Prazo final Completion 9/4/ /09/2012 Área Area Risco Risk Gerente do projeto Project manager Anderson Mitterhofer Iung Execução Execution Fadepe/PUC Rio Apresentado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) na Chamada Pública nº 001/2008, o tema despacho hidrotérmico teve cinco linhas de pesquisas propostas. O projeto desenvolvido na Linha 1 baseou-se em um tipo de modelagem utilizado para os estudos de planejamento energético de curto e médio prazos e uma ferramenta empregada pelo Operador Nacional do Sistema (ONS) para definir quais usinas serão despachadas e qual o montante de geração de cada uma para atender à demanda de energia no país. 20 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

21 STRATEGIC PROJECT A Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE), entidade de mercado, utiliza essa modelagem para a precificação da energia no curto prazo (PLD). Sendo assim, esse tipo de desenvolvimento é fundamental para todo o setor elétrico brasileiro. O projeto pesquisou novos métodos para a otimização do sistema, previsão de energia natural afluente e melhorias no processo de convergências e eficiência de ferramentas estatísticas. A Duke participa, como cooperada, de outras quatro linhas de pesquisa relacionadas ao mesmo tema. Um dos objetivos do estudo foi manter o desenvolvimento contínuo de ferramentas de apoio à Duke Energy, que possui crescentes demandas devido a constantes modificações e evolução das diretrizes da operação do SIN. O resultado do projeto foi considerado bastante satisfatório, pois os temas previstos no cronograma são de central interesse dos agentes do setor energético atualmente e foram bem executados. Uma aplicabilidade imediata do projeto será a disponibilização de uma plataforma computacional que possibilite a comparação entre diferentes metodologias de otimização e seus processos de convergência e aversão a risco (CAR Curva de Aversão ao Risco e CVaR Conditional Value at Risk, ou Valor Condicionado ao Risco). Assim, poderão ser construídas propostas consistentes de avanços na cadeia de modelos computacionais em vigor. Software for dispatch optimization Submitted by the Brazilian Electricity Regulatory Agency (Aneel) in Public Call No. 001/2008, the subject of hydrothermal dispatch had five lines of research proposals. The project developed on Line 1 was based on a type of modeling used for short and medium-term energy planning studies and a tool used by the Electric System National Operator (ONS) to determine which plants will dispatch and the amount needed to meet the country s energy demand. Brazil s power trade chamber (CCEE), a market entity, uses this model for the short-term energy outlook (STEO). Therefore, this type of development is fundamental to the entire Brazilian electricity sector. This project researched new methods for system optimization, natural energy tributary forecast and improvements to the convergence process and efficiency of statistics tools. Duke participates, as a cooperative member, in four other research lines related to the same topic. One of the study s goals was to maintain continuous development of tools that support Duke Energy, which has increasing demands due to constant changes and developments in the operational guidelines of the NIPS (the National Interconnected Power System). The outcome of the project was considered positive as the themes listed in the schedule are of central interest to the agents in the energy industry currently and were well executed. An immediate application of the project will be to make available a computational platform that enables the comparison of different optimization methodologies and their processes of convergence and aversion to risks (RAC - Risk Aversion Curve and CVaR - Conditional Value at Risk). With this, it will be possible to construct proposals consistent with the advances in the current chain of computational models. 21

22 TEMA PROJETO ESTRATÉGICO Previsão de vazões otimizada por usina PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Modelo de otimização do despacho hidrotérmico rateio de bloco hidráulico via programação não linear Optimization model of hydrothermal dispatch Apportionment of hydraulic block via non-linear programming Custo total Total cost R$ ,60 R$ 4,487, Custo Duke Duke cost R$ R$ ,42 R$ 234, Início Start 01/3/ /01/2010 Prazo final Completion 01/3/ /01/2012 Área Area Planejamento Energético Gerente do projeto Project manager Dejair Magalhães Domingues Execução Execution Unicamp A pesquisa integra a Linha 2 de projetos estratégicos da Aneel. O planejamento da operação energética visa determinar estratégias de operação que minimizem o custo de operação do sistema durante o horizonte de planejamento (no caso brasileiro de até cinco anos para a frente). O principal objetivo do estudo é promover o aproveitamento racional dos recursos disponíveis em médio prazo, garantindo qualidade e segurança no atendimento à demanda e satisfazendo as restrições operacionais do Sistema Interligado Nacional (SIN). 22 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

23 STRATEGIC PROJECT O projeto testou um modelo individualizado de otimização a partir da previsão de vazões afluentes às usinas geradoras. No Brasil e no resto do mundo, somente a variabilidade das vazões tem sido tratada para simplificar o problema e permitir sua solução. As incertezas sobre a demanda, os custos de combustível das termelétricas e o cronograma de expansão do sistema têm sido considerados apenas pelo uso de cenários mais prováveis. A política desenvolvida nesse projeto, denominada Otimização do Despacho Interligado Nacional (Odin), baseia-se em uma modelagem determinística e não linear das vazões de usinas individualizadas, permitindo uma precisa representação das características operacionais das usinas e da interdependência entre elas. É uma alternativa ao modelo Newave adotado pelo setor elétrico, que é estocástico (faz uso estatístico do cálculo de probabilidade), equivalente e linearizado. Nesse projeto, serão desenvolvidos, implementados e testados previsores de vazões em bases mensais e semanais, em metodologia que deverá ser comparada ao modelo Previvaz utilizado pelo Operador Nacional do Sistema (ONS). Runoff forecast optimized by plant This research is part of Line 2 of Aneel s strategic projects. The purpose of planning the energy operation is to determine operational strategies that minimize the cost of the system s operation during the planning horizon (in the case of Brazil, up to five years). The main objective of the study is to promote the rational and medium-term exploitation of available resources, ensuring quality and safety in meeting demand and in compliance with the operational constraints of the National Interconnected Power System (NIPS). The project tested an individualized optimization model from tributary runoff forecasts at generator plants. In Brazil and the rest of the world, only the variability of runoffs has been treated to simplify the issue and allow for its solution. Uncertainties about demand, fuel costs of thermoelectric plants and system expansion schedules have been considered for use only in the most likely of scenarios. The policy to be developed under this project, called Odin (the National Interconnected Dispatch Optimization), is based on a deterministic and nonlinear modeling of runoff of individualized plants, permitting a precise representation of the operational characteristics of plants and the interdependence among them. It is an alternative to the Newave model adopted by the electricity sector, which is stochastic (uses statistical calculation of probability), equivalent and linear. In this project, runoff indicators were developed, implemented and tested on weekly and monthly bases, using a methodology comparable to the Previvaz model used by the Electric System National Operator (ONS). 23

24 TEMA PROJETO ESTRATÉGICO Instrumento para resolução de problemas de grande porte PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Modelo de despacho hidrotérmico ótimo para o Sistema Interligado Nacional (SIN) Optimization model of hydrothermal dispatch for the National Interconnected Power System (SIN-NIPS) Custo total Total cost R$ ,00 R$ 3,271, Custo Duke Duke cost R$ ,25 R$ 144, Início Start 01/6/ /01/2010 Prazo final Completion 01/11/ /01/2012 Área Area Operações Operations Gerente do projeto Project manager Maurilio Eijin Katekawa, Marcos Antonio Galera Silva Execução Execution Fundação para o Desenvolvimento Tecnológico da Engenharia (FDTE) Foundation for the Technological Development of Engineering (FDTE) Integrante da Linha 3 de projetos estratégicos da Aneel, teve como objetivo principal o desenvolvimento de um modelo de planejamento energético do despacho hidrotérmico das usinas que compõem o Sistema Interligado Nacional (SIN). Foi proposta uma programação não linear para problemas de grande porte, com uma plataforma moderna e atualizável (Gams General Algebraic Modeling System, ou sistema geral de modelagem algébrica). 24 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

25 STRATEGIC PROJECT Foi desenvolvido um software aplicativo moderno, com recursos facilitadores da integração com banco de dados, interfaces amigáveis e processamentos em ambiente de microprocessadores, fatores que favorecem a portabilidade e a disseminação do uso entre agentes e potenciais usuários. O modelo representa individualmente todas as usinas térmicas e hidráulicas que integram o SIN, interligações entre submercados, cronograma de manutenção das unidades geradoras e demais condicionantes da operação interligada, utilizando a mesma base de dados vigente no Operador Nacional do Sistema (ONS). São considerados aspectos como restrições de transmissão em subsistemas e cronograma de expansão do parque gerador nacional. O projeto contou também com a realização de workshops em que participaram agentes, universidades do Brasil e exterior, operadores e órgãos reguladores e de planejamento e dois minicursos abertos aos técnicos das empresas cooperadas e às demais entidades interessadas nos temas. A intenção dos encontros foi de estabelecer um amplo diálogo com os agentes do setor elétrico brasileiro. Algumas das principais contribuições da Linha 3 foram a flexibilidade na aplicação de técnicas diferenciadas e a redução no tempo de processamento entre 25% e 35%, entre outras. Instrument for solving large-scale problems This study is part of Line 3 of Aneel s strategic projects and its main objective is to develop a power planning model for hydrothermal dispatch of plants that are part of the National Interconnected Power System (NIPS). It proposes nonlinear programming for large-scale problems with a modern and updatable platform (GAMS General Algebraic Modeling System). A modern software application was developed with resources designed to simplify database integration, user-friendly interfaces, and CPU processing across platforms, which are factors that favor its portability and the use among agents and potential users. The model individually represents all the thermal and hydraulic plants that make up the NIPS, interconnections between submarkets, maintenance schedule of the generator units, and other conditions of the interconnected operation, using the same database currently used by the Electric System National Operator (ONS). It considered aspects such as transmission constraints in subsystems and expansion schedules of the Brazilian generation grid. The project also included conducting workshops with universities in Brazil and abroad, operators, as well as regulating and planning agencies, and two mini-courses open to technicians of cooperating companies and other entities interested in the subjects. The purpose of the meetings was to establish a broad dialogue with stakeholders in the Brazilian electricity sector. Some of the main contributions of Line 3 have been flexibility in applying the different techniques and a reduction in processing time between 25% and 35%, among other advantages. 25

26 TEMA PROJETO ESTRATÉGICO Evolução nos modelos de cálculo PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Plataforma computacional para o cálculo da política ótima de geração no horizonte de médio prazo do Sistema Interligado Nacional Computational platform for calculating the optimal policy for generation in the medium-term horizon of the National Interconnected Power System Custo total Total cost R$ ,37 R$ 1,710, Custo Duke Duke cost R$ ,04 R$ 67, Início Start 3/5/ /03/2010 Prazo final Completion 3/5/ /03/2012 Área Area Planejamento Energético Energy Planning Gerente do projeto Project manager Dejair Magalhães Domingues Execução Execution Fundação de Ensino e Engenharia de Santa Catarina (Feesc) Foundation for Education and Engineering at Santa Catarina (Feesc) Parte da Linha 4 de projetos estratégicos da Aneel, a pesquisa buscou desenvolver, numa perspectiva de médio prazo, uma plataforma computacional de alto desempenho para determinar a política de operação do Sistema Interligado Nacional (SIN). A intenção foi fazer a chamada operação sombra do modelo Newave adotado pelo setor elétrico e introduzir melhorias em módulos do sistema. 26 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014

27 STRATEGIC PROJECT Esses acréscimos abarcam a implementação de reservatórios equivalentes por subsistema e por bacia, enquanto o Newave faz uso de quatro reservatórios equivalentes, além da adoção da metodologia Abridged Nested Decomposition, que tem se mostrado dez vezes mais rápida em tempo de processamento que a utilizada atualmente pelo Newave (Programação Dinâmica Dual Estocástica PDDE). O modelo projetado utiliza teoria de decisão estatística e análise de decisão; programação dinâmica e processos de decisão markovianos (ferramenta de modelagem e solução de problemas); controle estocástico ótimo; e programação estocástica (uso estatístico do cálculo de probabilidade). Uma das maiores contribuições deste projeto foi a utilização do CVaR (Conditional Value at Risk, ou Valor Condicionado ao Risco) na aversão ao risco. Evolution of the calculation models This is part of Line 4 of Aneel s strategic projects. This research sought to develop a high performance computational platform to determine the operating policies of the National Interconnected Power System (NIPS) for the medium term. The purpose was to carry out the so called shadow operation of the Newave model adopted by the electricity sector and to introduce improvements to modules of this system. These modifications include the implementation of reservoir equivalents per subsystem and basin, whereas the Newave model uses four reservoir equivalents, and the adoption of the Abridged Nested Decomposition methodology with a processing time ten times faster than the currently used Newave model (Stochastic Dual Dynamic Programming - SDDP). The projected model uses the theories of statistical decision and decision analysis dynamic programming together with the Markov Decision Process (programming and troubleshooting tool); optimal stochastic control, and stochastic programming (statistical use for calculating probability). One of the main contributions of this project was the use of CVaR (Conditional Value at Risk) in risk aversion evaluation. 27

28 TEMA PROJETO ESTRATÉGICO Despacho individualizado por usina PROJETO CONCLUÍDO COMPLETED PROJECT PROJETO PROJECT Modelo de otimização do despacho hidrotérmico através de algoritmos híbridos com computação de alto desempenho Optimization model of hydrothermal dispatch through hybrid algorithms with high-performance computation Custo total Total cost R$ ,40 R$ 4,733, Custo Duke Duke cost R$ ,27 R$ 299, Início Start 01/4/ /01/2010 Prazo final Completion 01/12/ /01/2012 Área Area Operações Operations Gerente do projeto Project manager Maurilio Eijin Katekawa e José Eduardo Marques Execução Execution Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (Lactec) Institute of Technology for Development (Lactec) Parte da Linha 5 de projetos estratégicos da Aneel, pesquisa desenvolveu metodologia inovadora para a otimização do despacho hidrotérmico e a viabilização de um novo paradigma de planejamento capaz de reduzir distorções provenientes das hipóteses simplificadoras atualmente adotadas. Tem como base a modelagem individualizada por usina, detalhada, não linear, estocástica (estatística de probabilidades) e com uso de algoritmos híbridos de otimização multiobjetivo. 28 ANUÁRIO P&D R&D YEARBOOK DUKE ENERGY 2014