INCERTEZA E RISCO EM COORDENAÇÃO TÉRMICA-EÓLICA POR METODOLOGIA ESTOCÁSTICA

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1 INCERTEZA E RISCO EM COORDENAÇÃO TÉRMICA-EÓLICA POR METODOLOGIA ESTOCÁSTICA Rui Jorge Ribeiro Laia Tese apresenada à Universidade de Évora para obenção do Grau de Douor em Engenharia Mecarónica e Energia Especialidade: Energia ORIENTADORES: Mário Rui Melício da Conceição Hugo Miguel Inácio Pousinho Vicor Manuel Fernandes Mendes ÉVORA, FEVEREIRO DE 2017 INSTITUTO DE INVESTIGAÇÃO E FORMAÇÃO AVANÇADA

2 INCERTEZA E RISCO EM COORDENAÇÃO TÉRMICA-EÓLICA POR METODOLOGIA ESTOCÁSTICA Tese realizada em regime de coorienação sob orienação do Douor Mário Rui Melício da Conceição E sob orienação dos Douor Hugo Miguel Inácio Pousinho Douor Vicor Manuel Fernandes Mendes Respeivamene, Professor Auxiliar com Agregação Deparameno de Física, Escola de Ciências e Tecnologia UNIVERSIDADE DE ÉVORA Invesigador IDMEC Cenro de Sisemas Ineligenes, Insiuo Superior Técnico UNIVERSIDADE DE LISBOA Professor Caedráico Convidado Deparameno de Física, Escola de Ciências e Tecnologia UNIVERSIDADE DE ÉVORA

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4 Resumo A ese é uma conribuição no âmbio do problema para a deerminação de esraégias de ofera óimas a submeer em mercado diário de elericidade, considerando incereza e risco. A meodologia proposa em em consideração o caráer esocásico de variáveis envolvidas no problema e consiui um supore racional à exploração de coordenação eólica-érmica. A meodologia de oimização esocásica de dois esados com recurso é a base para o desenvolvimeno proposo para supore à omada de decisão de uma empresa produora de energia elérica por coordenação érmica-eólica sujeia a evenos aleaórios. Eses evenos são as fones de incereza associadas com o mercado de elericidade e com a disponibilidade de energia eólica, caracerizando a aleaoriedade do problema em esudo. As fones de incereza são descrias por um conjuno de cenários evenualmene facíveis ou com poencialidade para qualificar boas decisões. A meodologia proposa conduz a uma exploração mais fidedigna em ambiene compeiivo, acedendo com níveis superiores de racionalidade a esraégias de liciação para o mercado, endo em consideração a ponderação de risco na omada de decisão. Ainda, a meodologia em em consideração a compuação de aspeos relevanes, como a emissão anropogénica e o cumprimeno do regulameno do UCTE relaivo a segurança no fornecimeno. Casos de esudos são apresenados permiindo concluir sobre o ineresse e as vanagens que a meodologia oferece. i

5 Palavras-chave Programação Esocásica Programação Linear Ineira Misa Produor Eólico Produor Térmico Coordenação Térmico-Eólica Esraégias de Ofera Incereza e Risco ii

6 Uncerainy and Risk on Wind-Thermal Coordinaion by Sochasic Mehodology Absrac This hesis is a conribuion in he conex of he problem of he opimal offer sraegies deerminaion o submi in elecriciy markes considering uncerainy and risk. The proposed mehod akes ino accoun he sochasic characer of variables involved in he problem and provides a raional suppor for he operaion of wind-hermal coordinaion. Sochasic opimizaion of wo-sages wih recourse modelling is he basis for he proposed developmen o suppor he decision making of a company producing elecriciy by wind-hermal coordinaion subjec o random evens. These evens are he sources of uncerainy associaed wih he elecriciy marke and he availabiliy of wind power characerizing he randomness of he problem under sudy. The sources of uncerainy are described by a se of possibly achievable scenarios or wih poenial o qualify good decisions. The proposed mehod leads o a more accurae operaing in a compeiive environmen by accessing wih higher levels of raionaliy bidding sraegies o submi in he marke, having a risk weighing consideraion in decision making. Furher, he mehodology akes ino accoun relevan aspecs o be compued, such as anhropogenic emissions and compliance wih he UCTE regulaion on he securiy of supply. Case sudies are presened allowing o conclude on he ineres and he advanages offered by he mehodology. iii

7 Keywords Sochasic Programming Mixed Ineger Linear Programming Wind Power Producer Thermal Power Producer Wind-Thermal Coordinaion Offering Sraegies Uncerainy and Risk iv

8 Agradecimenos Ao Douor Mário Rui Melício da Conceição, Professor Auxiliar com Agregação, Deparameno de Física, Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade de Évora, expresso um profundo agradecimeno pela disponibilidade, pelo empo que despendeu na orienação da ese, pelos bons conselhos, pelas linhas de orienação, pela exigência e rigor que impôs e pela capacidade de perceção das dificuldades que surgiram durane os rabalhos de douorameno. Ao Douor Hugo Miguel Inácio Pousinho, Invesigador do Cenro de Sisemas Ineligenes, IDMEC, Insiuo Superior Técnico, Universidade de Lisboa, expresso um profundo agradecimeno pela assisência dada, pela disponibilidade e bons conselhos que sempre deu, pela exigência e rigor que impôs e pela capacidade de perceção das dificuldades que surgiram durane os rabalhos de douorameno. Ao Douor Vicor Manuel Fernandes Mendes, Professor Caedráico Convidado, Deparameno de Física, Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade de Évora, e Professor Coordenador com Agregação, Área Deparamenal de Engenharia Eleroécnica de Energia e Auomação, Insiuo Superior de Engenharia de Lisboa, expresso um profundo agradecimeno pela assisência dada, pela disponibilidade e bons conselhos que sempre deu, pela exigência e rigor que impôs e pela capacidade de perceção das dificuldades que surgiram durane os rabalhos de douorameno. Ao Cenro de Sisemas Ineligenes, IDMEC, Insiuo Superior Técnico, Universidade de Lisboa, expresso um profundo agradecimeno pelo ambiene de v

9 rabalho que proporcionou e pela disponibilidade financeira presada para apoio ao longo da realização dos rabalhos de douorameno. Aos docenes e colegas do Insiuo Superior de Engenharia de Lisboa expresso um profundo agradecimeno pelo incenivo que me deram para prosseguir os meus esudos académicos e que me moivaram basane para a realização do 3.º Ciclo de esudos de Ensino Superior. Aos docenes do Deparameno de Física, Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade de Évora, expresso um profundo agradecimeno pelas condições que me foram proporcionadas e pelo incenivo que me deram quer durane a pare académica do meu 3.º Ciclo de esudos de Ensino Superior, quer nos subsequenes rabalhos de douorameno. À minha colega da pare académica do 3.º Ciclo de esudos de Ensino Superior Prof. Douora Mafalda Seixas expresso um profundo agradecimeno pelo apoio presado ao longo da realização dos rabalhos de douorameno. À empresa Valorsul expresso um profundo agradecimeno pela consideração das condições proporcionadas que ornaram possível concreizar a realização dos rabalhos de douorameno conjunamene com uma aividade na empresa. À minha esposa Margare, e aos meus pais, Maria do Céu e Joaquim, a quem privei de muias horas de merecida aenção, expresso um profundo agradecimeno pelo apoio e pela força que me deram. A ouros que não mencionei por razões de espaço, viso que, são muios os que conribuíram direa ou indireamene para a elaboração dese rabalho de douorameno, desejo expresso o meu agradecimeno. vi

10 Índice Capíulo 1 Inrodução Enquadrameno Mercado Elérico Empresas Produoras Esado da Are Organização do Texo Noação Fundamenos Teóricos Inrodução Programação Esocásica Limiação do Risco Valor em Risco Valor em Risco Condicional Programação Linear Ineira Misa Oimização Esocásica para a Exploração de um Sisema Térmico Inrodução Oimização Esocásica de um Sisema Térmico vii

11 3.3 Simulação Sisema Térmico Caso_A: Impace das Emissões Caso_A: Resulados Caso_B: Segurança no Fornecimeno de Energia Elérica Caso_B: Resulados Conclusão Oimização Esocásica para a Exploração de um Sisema Eólico Inrodução Oimização Esocásica de um Sisema Eólico Simulação Sisema Eólico Caso_A: Impace de Incerezas Caso_A: Resulados Caso_B: Impace de CVaR Caso_B: Resulados Conclusão Oimização Esocásica para a Exploração de um Sisema Térmico-Eólico Inrodução Oimização Esocásica de um Sisema Térmico-Eólico Simulação de Coordenação viii

12 5.3.1 Caso_A: Coordenação Térmica-Eólica Caso_A: Análise de Resulados Caso_B: Conraos Bilaerais Caso_B: Análise de Resulados Conclusão Conclusão Caracerização da Tese e Conribuições Publicações Direções de Invesigação Referências Bibliográficas ix

13 Lisa de Figuras Figura 1.1 Relação enre o HDI e consumo de energia 2 Figura 1.2 Evolução do consumo de energia elérica per capia 4 Figura 1.3 Evolução do consumo de energia elérica per capia em Porugal 5 Figura 1.4 Deerminação do preço marginal do sisema 11 Figura 2.1 Árvore de cenários 38 Figura 2.2 Curva de froneira eficiene 47 Figura 2.3 Represenação do conceio do VaR 49 Figura 2.4 Represenação do conceio do CVaR 51 Figura 2.5 Linearização por segmenos do cuso de operação de unidades érmicas 56 Figura 3.1 Conjuno dos cenários do preço da energia 74 Figura 3.2 Conrao bilaeral, poência conraada e preço da energia 75 Figura 3.3 Oferas de energia no cenário 5 76 Figura 3.4 Afeação para EMS = 300 Mg, cenário 5 77 Figura 3.5 Afeação para EMS = 500 Mg, cenário 5 77 Figura 3.6 Lucro esperado em função do nível de emissões permiido 78 Figura 3.7 Curvas de ofera 80 x

14 Figura 3.8 Conjuno dos cenários do preço da energia elérica 84 Figura 3.9 Conrao bilaeral, poência conraada e preço da energia elérica 85 Figura 3.10 Afeação para EMS = 200 Mg, cenário 4 86 Figura 3.11 Afeação para EMS = 300 Mg, cenário 4 86 Figura 3.12 Energia oferecida para EMS = 300 Mg 87 Figura 3.13 Preços para EMS = 300 Mg 87 Figura 4.1 Preços energia elérica, novembro de Figura 4.2 Preços energia elérica, junho de Figura 4.3 Cenários energia produzida, novembro de Figura 4.4 Cenários energia produzida, junho de Figura 4.5 Faores de penalização dos preços em Figura 4.6 Faores de penalização dos preços em Figura 4.7 Energia ransacionada no mercado diário 104 Figura 4.8 Lucro horário esperado 104 Figura 4.9 Desvio do lucro esperado 105 Figura 4.10 Preços energia elérica, junho de Figura 4.11 Cenários energia produzida, junho de Figura 4.12 Faores de penalização dos preços 107 Figura 4.13 Lucro esperado em função do faor de ponderação 108 xi

15 Figura 4.14 Energia elérica oferecida em função do faor de ponderação 109 Figura 4.15 Desequilíbrio em função do faor de ponderação 109 Figura 4.16 Desvio do lucro esperado 110 Figura 4.17 Energia ransacionada 111 Figura 5.1 Preços energia elérica, novembro de Figura 5.2 Cenários energia produzida, junho de Figura 5.3 Faores de penalização dos preços em Figura 5.4 Oferas não coordenadas 127 Figura 5.5 Oferas coordenadas e não coordenadas 128 Figura 5.6 Cenários dos conraos bilaerais 130 Figura 5.7 Unidades érmicas, energia oferecida e afeada 132 Figura 5.8 Unidades érmicas, energia afeada 133 Figura 5.9 Parcelas da energia oferecida no mercado diário 134 xii

16 Lisa de Tabelas Tabela 3.1 Limies écnicos das unidades érmicas Tabela 3.2 Coeficienes da linearização das funções de cuso de produção Tabela 3.3 Coeficienes da linearização das emissões anropogénicas para a amosfera Tabela 3.4 Coeficienes da linearização dos cusos de arranque em ( /h) Tabela 3.5 Limies écnicos das unidades érmicas Tabela 3.6 Coeficienes da linearização das funções de cuso de produção Tabela 3.7 Coeficienes da linearização das emissões anropogénicas para a amosfera Tabela 3.8 Coeficienes da linearização dos cusos de arranque em ( /h) Tabela 4.1 Resulados esperados em função de Tabela 5.1 Limies écnicos das unidades érmicas Tabela 5.2 Coeficienes da linearização das funções de cuso de produção Tabela 5.3 Coeficienes da linearização dos cusos de arranque em ( /h) Tabela 5.4 Lucros com e sem coordenação érmico-eólica Tabela 5.5 Variação da poência eólica Tabela 5.6 Variação da poência érmica xiii

17 Tabela 5.7 Energia conraada por cenário de energia conraada Tabela 5.8 Lucro esperado em função do cenário da energia conraada xiv

18 Lisa de Siglas AU CVaR EDF EDP fdc fdp GEE HDI ISO MIBEL OM PEE PIE PIB PLIM Afeação de Unidades Condiional Value-a-Risk Elecricié de France Energias de Porugal função de disribuição cumulaiva função de densidade de probabilidade Gases com Efeio de Esufa Human Developmen Index Independen Sysem Operaor Mercado Ibérico de Elericidade Operador do Mercado Produor de Energia Eólica Produor Independene de Energia Produo Inerno Bruo Programação Linear Ineira Misa xv

19 PNLIM PRE RL UCTE VaR Programação Não Linear Ineira Misa Produores em Regime Especial Relaxação Lagrangeana Union for he Coordinaion of he Transmission of Elecriciy Value-a-Risk xvi

20 Lisa de Símbolos Índices i l m r Índice da unidade érmica Índice dos segmenos da linearização do cuso de funcionameno das unidades érmicas Índice do conrao bilaeral Índice da hora Índice do cenário Índice das horas fora de serviço das unidades érmicas Consanes e variáveis I Número unidades érmicas L Número de segmenos da linearização do cuso de funcionameno das unidades érmicas LS Número de segmenos da linearização da linearização da função de reserva de poência xvii

21 M T Número conraos bilaerais Número de horas Número de cenários Probabilidade de ocorrência do cenário p i Poência gerada pela unidade érmica i no cenário na hora min p i Poência mínima da unidade érmica i max p i Poência máxima da unidade érmica i bc m Preço energia conrao bilaeral m na hora b Preço energia mercado diário no cenário na hora bc p m Poência conrao bilaeral m na hora b p Poência mercado diário no cenário na hora F i Cuso operação da unidade érmica i no cenário na hora A i Cuso operação da unidade érmica i a operar com poência mínima C i Cuso paragem da unidade érmica i d i Cuso combusível da unidade érmica i no cenário na hora xviii

22 Número de horas fora de serviço das unidades érmicas b i Cuso arranque da unidade érmica i no cenário na hora u i Esado (ligado/desligado) da unidade érmica i no cenário na hora y i Arranque da unidade érmica i no cenário na hora z i Paragem da unidade érmica i no cenário na hora l F i Declive do segmeno l da linearização do cuso de funcionameno da unidade érmica i l i Poência no segmeno l da linearização do cuso de funcionameno da unidade érmica i no cenário na hora l T i Limie superior da poência no segmeno l da linearização do cuso de funcionameno da unidade érmica i l Segmeno resulane da linearização do cuso de funcionameno i onde se enquadra a poência gerada pela unidade érmica i no cenário na hora RD i Limie superior da axa de decréscimo da poência gerada pela unidade érmica i RU i Limie superior da axa de aumeno da poência gerada pela unidade érmica i xix

23 SD i Limie superior da poência gerada pela unidade érmica i anes da paragem SU i Limie superior da poência gerada pela unidade érmica i no arranque UT i Tempo mínimo de funcionameno da unidade érmica i DT i Tempo mínimo de paragem da unidade érmica i N i Tempo funcionameno da unidade érmica i J i Tempo de paragem da unidade érmica i SR Reserva de poência recomendada no cenário na hora ls S a Limie superior da reserva de poência no segmeno ls da linearização da função de reserva de poência. ls S b Declive do s segmeno ls da linearização da função de reserva de poência ls sr Segmeno resulane da reserva de poência onde se enquadra a reserva de poência no cenário na hora ls Reserva de poência no segmeno ls da linearização da função de reserva de poência no cenário na hora E i Emissões de CO2 da unidade érmica i no cenário na hora xx

24 EMS Limie das emissões de CO2 r Fe i Segmeno r da linearização das emissões anropogénicas da unidade érmica i r e i Emissões anropogénicas no segmeno r da linearização das emissões anropogénicas da unidade érmica i no cenário na hora Vss Zsp Valor da solução esocásica Lucro esperado do problema esocásico Zdp Lucro obido pela resolução deerminísica do problema D P Poência oferecida no mercado diário na hora P Poência oferecida no mercado diário na hora Desvio no mercado diário na hora Desvio no mercado diário no cenário na hora Desvio posiivo no mercado diário no cenário na hora Desvio negaivo no mercado diário no cenário na hora D Preço a que a energia é ransacionada no mercado diário xxi

25 Preço a que a energia é ransacionada para desequilíbrio posiivo do produor Preço a que a energia é ransacionada para desequilíbrio negaivo do produor R Lucro no mercado diário na hora I Lucro económico do desvio no mercado diário na hora r Faor de penalização de desequilíbrio posiivo r Faor de penalização de desequilíbrio negaivo max P Poência máxima do parque eólico CVaR Valor em risco condicional (Condiional Value-a-Risk) Nível de confiança para o resulado mínimo admissível Resulado mínimo admissível Variável auxiliar Faor de ponderação de risco xxii

26 CAPÍTULO 1 Inrodução Nese capíulo é apresenado o enquadrameno da invesigação e o conexo em que operam as empresas produoras de energia elérica, a moivação para abordar o ema e o esado da are. Ainda, é descria a forma como o exo esá organizado e a noação uilizada na ese. 1

27 Inrodução 1.1 Enquadrameno A uilização de energia apresena uma endência de crescimeno a parir do século XIX que se em verificado em associação com o aumeno do Produo Inerno Bruo (PIB) real per capia mundial, originando impaces posiivos no bem-esar social [Teixeira12]. A uilização de energia em sido primordial para o desenvolvimeno da sociedade. Ese desenvolvimeno pode ser consaado pelo índice de desenvolvimeno humano, Human Developmen Index, (HDI) [Marinez08] que é uma medida esaísica que esabelece a relação enre a uilização da energia, o desenvolvimeno económico e o desenvolvimeno social [Dias06]. O relaório sobre o desenvolvimeno humano da Organização das Nações Unidas em 2003, [UN03], que apresena o HDI para 128 países da uilização de energia per capia, é apresenado na Figura HDI (pu) Energia per capia (ep) Figura 1.1 Relação enre o HDI e consumo de energia [UN03]. Na Figura 1.1, a equação da curva obida pela regressão dos dados disponibilizados em [UN03], HDI pu 0,1165ln energia ep 0, 7202, mosra que o HDI é crescene com a maior uilização de energia per capia. Também, o 2

28 Inrodução valor HDI serve de base para o criério de denominação de um país como desenvolvido, em desenvolvimeno ou subdesenvolvidos. Um HDI baixo advém de uma PIB per capia baixo, uma produividade baixa dos faores de produção, um araso nas écnicas de produção e mão-de-obra com qualificações reduzidas. Consequenemene, rendimenos fracos, caraerizando uma siuação que não corresponde à de desenvolvimeno, i.e., uma evolução económica e esruural não favorável. O desenvolvimeno assena na combinação de mudanças menais e sociais de uma população que a ornam apa a fazer crescer cumulaiva e duradouramene o PIB. O desenvolvimeno levana, no enano, preocupações de jusiça em relação à sua coninuidade no empo, i.e., desenvolvimeno susenável, que envolve o direio das gerações fuuras em desfruarem, pelo menos, das mesmas condições de qualidade de vida que as aneriores gerações [Teixeira12]. Um desenvolvimeno susenável que saisfaz as necessidades do presene sem compromeer a capacidade de as gerações fuuras saisfazerem as suas próprias necessidades é dependene da uilização de energia, paricularmene, na forma de energia elérica, viso que, esa forma uilização ambém dia de consumo em significaivas vanagens quando comparada com as resanes. Em [Ferguson00] é afirmado que há uma fore correlação enre o consumo de energia elérica e o PIB per capia na generalidade dos países, excluindo os países produores de peróleo [Ferguson00]. Em [Teixeira12] é consado que o crescimeno económico assene nas aividades de consumo e de produção de bens e serviços, promove a criação de posos de rabalho e aumena os rendimenos, exisindo uma correlação posiiva enre o consumo de energia e o PIB e desenvolvimeno humano. No enano, apesar do consumo de energia ser deerminane para poenciar o crescimeno económico e ser um elemeno vializador para o desenvolvimeno susenável da sociedade, o seor energéico é sujeio a desafios, como é o caso da liberalização e desregulamenação inroduzida no seor energéico da conversão de ouras formas de energia para a forma de energia elérica, originando o paradigma vigene de mercado 3

29 Inrodução [Pousinho12a]. Esa conversão ambém dia de produção de elericidade em sido crescene, viso que, uma alernaiva ao consumo de energia elérica não foi enconrada e não parece que seja viável de ser enconrada. A evolução do consumo de energia elérica per capia para 156 países segundo [WB15] é apresenada na Figura Energia (kwh) Ano Figura 1.2 Evolução do consumo de energia elérica per capia [WB15]. A axa de crescimeno da energia elérica per capia para o conjuno de odos os países em 20 anos, enre 1993 e 2013, é de cerca de 45%. A evolução do consumo de energia per capia em Porugal [WB15] é apresenada na Figura

30 Inrodução Energia (kwh) Ano Figura 1.3 Evolução do consumo de energia elérica per capia em Porugal [WB15]. O crescimeno da energia previso é de 56% enre 2010 e 2014 [EIA14b]. O crescimeno previso da energia elérica no período enre 2011 e 2035 é de 2,2% ao ano [IEA13]. O consumo oal de energia elérica enre 1982 e 2012 praicamene riplicou em Porugal e mais que duplicou no conjuno de odos os países [EIA14a]. Dependência dos combusíveis fósseis Em [IEA13] é esperado que em 2035 as unidades érmicas que uilizam como combusível o carvão garanam 35% da produção oal de energia elérica e as unidades érmicas a gás naural garanam 22% da produção oal de energia elérica, i.e., é esperado que as unidades érmicas que uilizam como combusível o carvão ou o gás naural sejam responsáveis por 57% da produção oal de energia elérica [IEA13]. Pelo que, a saisfação do consumo de energia elérica coninuará dependene dos combusíveis fósseis. 5

31 Inrodução Dependência da energia eólica A crise energéica de 1973, em que é sexuplicado o preço do barril de peróleo e o embargo dos países produores de peróleo à Dinamarca, Holanda, Porugal, África do Sul e Esados Unidos da América, alerou a economia mundial, conduziu ao ressurgimeno das energias renováveis [Toffler82, Melício10]. Desa crise é de desacar, por um lado, a necessidade de assegurar a diversidade e segurança no fornecimeno de energia elérica e, por ouro lado, a obrigação de proeger o ambiene, cuja degradação é acenuada pelo uso de combusíveis fósseis. Assim, surgiu a moivação pelo renovado ineresse pelas energias renováveis. As energias renováveis desempenham um papel imporane, viso que, podem conribuir para a produção de energia elérica que de ouro modo seria produzida usando fones de energia baseadas em recursos fósseis, fone de emissões anropogénicas de Gases com Efeio de Esufa (GEE) para a amosfera [Melício10]. Ao nível da definição das políicas energéicas nacionais, cabe diversificar a ofera de fones de energia alernaivas aos recursos de origem fóssil, razão pela qual inernacionalmene se suscia a quesão do poencial de implanação das energias renováveis. O seor energéico assume uma imporância relevane na economia, viso que, proporciona uma dinâmica e esimulo na criação de novas oporunidades de negócio e de criação de emprego [Pousinho12a]. Há uma vonade políica a nível global no senido de aumenar a relevância da produção de energia com origem em fones de energia renováveis. As medidas proposas por 195 países no âmbio do denominado Acordo de Paris [COP21], para limiar o aumeno global da emperaura a 2 ºC, dão um especial relevo à uilização das energias renováveis, viso que, 40% das medidas proposas relacionadas com energia esão relacionadas com a incidência das energias renováveis [IEA15]. Em [IEA13] é esperado que em 2035 as energias de fones de energia renováveis garanam 31% da produção oal de energia elérica. O peso da poência eólica 6

32 Inrodução insalada na União Europeia em 2014 é de 14,1% do oal da poência insalada, com 128,8 GW de poência insalada [Ewea15a]. A previsão para 2030 apona para uma poência eólica insalada de 320 GW, suficiene para saisfazer 24,4% do consumo [Ewea15b]. Ambiene de mercado O ambiene em que operam as empresas produoras de energia elérica (GenCo s generaion companies) mudou nos úlimos 35 anos, com a denominada liberalização do mercado elérico [Joskow08]. Com o adveno do mercado de elericidade, o principal objeivo na oimização da geração de energia elérica passou da minimização do cuso para a maximização do lucro [Philpo06]. Trabalho desenvolvido nesa ese O rabalho desenvolvido em como objeivo usar meodologias de oimização que permiam o apoio à omada de decisão das empresas produoras de energia elérica, mediane produção érmica e produção eólica. Esa omada de decisão consise na deerminação de esraégias de ofera óimas a submeer no mercado de elericidade considerando a incereza e o risco. Nesa ese são abordados os seguines problemas principais: P1 Modelação da operação de sisemas de energia elérica por programação linear ineira-misa; P2 Planeameno de curo-prazo em sisemas de energia elérica recorrendo a uma formulação que considera a modelação esocásica; 7

33 Inrodução P3 P4 Coordenação de oferas de fornecimeno de energia elérica com origem em produção érmica e produção eólica; Desenvolvimeno de modelos que enham em consideração a incereza e o risco associados com energia eólica e o mercado. 8

34 Inrodução 1.2 Mercado Elérico A reesruuração do seor elérico originou a conversão do que é enão considerado como endo o cuso global de funcionameno subadiivo, i.e., um monopólio naural, num novo paradigma de mercado concorrencial, possibiliando uma liberdade de escolha do fornecedor de energia elérica por pare dos consumidores. O processo de liberalização é generalizado, abrangendo aualmene um número significaivo de nações, gerando mudanças no conexo económico, viso que, as medidas conservadoras preservadas ao longo da vigência do paradigma anerior, monopólio naural, foram posas em causa e iveram que ser abandonadas ou adapadas face ao novo paradigma vigene. A liberalização do seor eve como pressuposo aumenar a compeiividade e baixar os preços da energia elérica. Em ambiene compeiivo, o preço da energia elérica deixa de ser fixado por méodos próprios da regulação arifária e passa a ser esabelecido por mecanismos de mercado. A liberalização e a concorrência são faores que permiem aingir esses pressuposos. Porano, é conjeurado que o mercado compeiivo fosse apropriado para fornecer energia elérica aos consumidores com uma fiabilidade adequada e a um menor cuso. O novo paradigma compeiivo oferece duas possibilidades de comercializar a energia elérica, sendo: (i) os conraos bilaerais, que são conraos livremene esabelecidos enre produores e consumidores com condições definidas, como, a duração, a quanidade e o preço da energia elérica; e (ii) o mercado pool, que é um mercado de elericidade organizado de acordo com o funcionameno de uma bolsa e que realiza a ariculação enre as oferas de compra e de venda, deerminando as quanidades a produzir e o preço de mercado da energia elérica. 9

35 Inrodução O mercado pool é um espaço onde os paricipanes do mercado procedem às ransações de energia. Ese mercado pode ser organizado em rês sessões disinas, cada uma com uma aividade de auação própria: Mercado diário: espaço onde as ransações de energia ocorrem um dia anes do momeno em que ocorre a enrega física da energia ransacionada. No enano, as oferas êm que ser enviadas anes da aberura do mercado diário, por exemplo, em [Usaola07] são indicadas reze horas anes da aberura. Consequenemene, as previsões de supore à omada de decisões êm que ser obidas com um horizone de anecedência enre reze a rina e seis horas; Mercado inradiário: espaço complemenar ao mercado diário, onde se ransaciona energia elérica para ajusar as quanidades ransacionadas no mercado diário. Ese mercado pode er várias sessões durane um dia. No seguimeno do exemplo anerior [Usaola07], e caso haja seis sessões de aberura, as previsões de supore à omada de decisões êm que ser obidas com um horizone de anecedência enre rês a seis horas. Consequenemene, a aualização das previsões é realizada dez a rina horas depois das previsões para supore das decisões a omar no mercado diário. Mercado de balanço: espaço que em como objeivo assegurar o fornecimeno de energia elérica em condições de qualidade, fiabilidade e segurança esabelecida, verificando o equilíbrio permanene enre a produção e a procura. Uma vez realizada cada uma das sessões do mercado inradiário, o operador do sisema realiza a gesão em empo real mediane a uilização de serviços complemenares e o procedimeno de gesão de desvios. Esa gesão de desvios ende a assegurar que em empo real a frequência da rede elérica eseja denro de valores aceiáveis. 10

36 Inrodução O mercado diário esabelece o preço da energia elérica em cada uma das 24 horas para cada dia. No Mercado Ibérico de Elericidade (MIBEL), anes das 10 horas da manhã, os paricipanes apresenam ao operador do mercado as suas oferas de compra e de venda de energia para o dia seguine. O mercado assena numa base horária e porano as oferas e a energia oferecida são agrupadas em blocos horários. O operador do mercado procede à informação do preço marginal do sisema para os paricipanes do mercado, anes das 11 horas da manhã sobre os resulados do equilíbrio de mercado, incluindo os valores de energia que provêm de conraos bilaerais. A deerminação do preço marginal do sisema uiliza a inerseção enre as curvas da ofera, por ordem crescene de ofera, e da procura, por ordem decrescene da procura. A deerminação do preço marginal do sisema é apresenada na Figura 1.4. Figura 1.4 Deerminação do preço marginal do sisema. Na Figura 1.4, o preço de fecho de mercado é deerminado aravés de um procedimeno que recorre à ordenação das oferas de venda, curva de ofera, obendo uma curva monóona não decrescene; e à ordenação das oferas de compra, curva de procura, obendo uma curva monóona não crescene. Esas curvas ambém permiem deerminar por inerseção a energia conraada em cada hora. 11

37 Inrodução O valor económico correspondene ao preço fixado por ese mercado resula do correspondene ao pago pelos consumidores e é o recebido pelos produores. Uma vez esabelecidos os preços de mercado e os planos de produção, a informação é enviada ao operador do sisema para que ese obenha uma solução écnica, de acordo com os padrões de segurança e de qualidade, resolvendo quaisquer resrições écnicas na rede que possam ocorrer devido à energia que será injeada por cada unidade física que enha que enrar em conversão de acordo com os planos de produção. Enre as 14 horas e as 16 horas, é obido o Programa Diário Viável Provisório, adicionado da requisição de serviços complemenares e das necessidades de regulação secundária ou erciária, passando depois a definiivo. Em seguida, o Independen Sysem Operaor (ISO) envia o Programa Diário Viável Definiivo para o Operador do Mercado (OM) para publicação. Esa sequência de operações no mercado diário encerra às 16 horas. Às 16 horas abre a primeira sessão do mercado inradiário, onde os paricipanes do mercado negoceiam os ajuses aos seus programas de produção e consumo. O resulado de cada sessão do mercado inradiário esabelece o Programa Horário Final. 12

38 Inrodução 1.3 Empresas Produoras Uma das verenes do mercado de elericidade consise na sua organização em orno do mercado diário, direcionado para as negociações energéicas a curo prazo. Em ambiene compeiivo, uma empresa produora de energia elérica é definida como sendo uma enidade deenora de recursos energéicos disposa a paricipar no mercado de elericidade, endo como objeivo final maximizar o seu lucro esperado, sem a preocupação de esabelecer o equilíbrio enre as oferas dos produores e as cargas do sisema, a menos que haja um incenivo para isso ou enha que saisfazer conraos bilaerais [Hongling08]. O domínio que os paricipanes exercem sobre o mercado permie que as respeivas empresas sejam classificadas em dois ipos: empresas dominanes no mercado, price-maker companies [Baillo04, Flach10], e empresas omadoras de preços, price-aker companies [Conejo02a, Conejo02b, Laduranaye07]. A diferenciação deses dois ipos de empresas produoras provém de haver, no mercado de elericidade, uma concenração de capacidade de produção em algumas empresas comparaivamene com a paricipação de ouras com muio menor capacidade, implicando que a liberalização ao nível da produção possa revelar pouco poencial [Mendes10]. O poder de mercado pode ser inerpreado como a capacidade de maner, de forma renável, o preço da energia elérica acima dos níveis concorrenciais durane um período de empo ou de maner, de forma renável, a produção de energia elérica, em ermos de quanidade, abaixo dos níveis concorrenciais durane um deerminado período de empo [Twomey05]. Pelo faco de exisirem empresas produoras com capacidade de manipular unilaeralmene os preços de mercado, o mercado de elericidade não funciona em concorrência perfeia, mas sim segundo um modelo de mercado oligopolisa, i.e., um mercado onde aua 13

39 Inrodução apenas um número reduzido de paricipanes, havendo pelo menos um dominane [Soleymani06]. O Plano de Compaibilização Regulaória para o seor energéico, assinado enre Porugal e Espanha, em 8 de março de 2007, considera empresa dominane a que deenha uma quoa de mercado superior a 10% da energia elérica no MIBEL, excluindo os Produores em Regime Especial (PRE) [MIBEL09]. Em [Mendes10] é referido que o final de 2009 em Porugal a Energias de Porugal (EDP) deém 85% da quoa de mercado de produção e em Espanha as rês maiores empresas produoras de energia elérica são a Endesa, a Iberdrola e a Unión Fenosa, que no oal deêm 70% da quoa de mercado de produção. Nesa ese a formulação elaborada para os Produores Independenes de Energia (PIE) assume que eses não êm uma posição dominane no mercado, sendo assim considerados como empresas omadoras de preços, price-aker companies. 14

40 Inrodução 1.4 Esado da Are Afeação de unidades érmicas Em [Mendes94] é referido que a oimização em sisemas de energia elérica, nomeadamene o modo de operação eficiene e económico a curo prazo de recursos érmicos e de recursos hídricos, vem consiuindo um ema de permanene invesigação desde a década de sessena do século passado, devido à crescene complexidade dos problemas e aos benefícios económicos resulanes do uso da melhor solução possível, i.e., solução óima. Em [Laia11] é referido que nos úlimos rina anos em ocorrido uma crescene complexidade do problema da Afeação de Unidades (AU). A AU corresponde a um problema de minimização do cuso de operação das unidades, aravés da consideração de um número crescene de resrições que refleem a realidade das unidades. Ainda, em [Laia11] é feia referência sobre o desenvolvimeno das écnicas de oimização uilizadas para a sua resolução do problema de AU. Finalmene, é evidenciada a inclusão de novas resrições no problema de AU, não direamene relacionadas com a operação das unidades érmicas, nomeadamene, resrições de ordem écnica, ais como as resrições nas redes de ranspore de energia ou de capacidade de abasecimeno de combusível, resrições de ordem económica, em que a liberalização dos mercados conduz a uma aleração no objeivo, passando de minimização de cusos para a maximização do lucro esperado, e resrições de ordem ambienal, endo sido inroduzidas limiações ou penalizações nas emissões anropogénicas das unidades érmicas. Em [Keib94], as resrições nas emissões anropogénicas são consequência da nova legislação que é inroduzida nos Esados Unidos e em [Caalão06] nos países signaários do Proocolo de Quioo. 15

41 Inrodução Em [DL178/2003] são esabelecidas limiações às emissões para a amosfera de SO2 e de NOx provenienes de grandes insalações de combusão, ranspondo para o ordenameno jurídico nacional a Direiva n.º 2001/80/CE do Parlameno Europeu e do Conselho de 23 de ouubro. Em [Pang81] é afirmado que o problema da AU começou a ser resolvido uilizando lisas de prioridades obidas de forma heurísica, sendo que no início dos anos 80 do século XX esa ainda é uma meodologia largamene uilizada. Em [Sen98], a maioria dos operadores no ano de 1998 ainda usavam processos heurísicos devido à sua simplicidade e facilidade de implemenação. Em [Pang76], a crescene complexidade do problema da AU é já ilusrada em 1976, ao formular um problema que em em consideração não só o cuso de produção, mas ambém o cuso de arranque, dependene do empo em que a unidade eseve fora de serviço. São ambém idas em consideração as limiações associadas à reserva girane, e as resrições resulanes das limiações de pessoal de operação nos arranques e paragens das unidades e os empos mínimos para arranque e paragem. O auor recorreu à programação dinâmica endo como pono de parida uma lisa de prioridades, limiando assim a pesquisa de soluções e conornando desa forma a maldição da dimensionalidade. Embora o auor afirme que com ese méodo possa aingir reduções significaivas de combusível, não fica garanida a solução óima, viso que, as soluções esão limiadas pela lisa de prioridades inicial. Em [Wang93] é consaado que a complexidade do problema em aumenado devido à inrodução de mais resrições relacionadas com as unidades, por exemplo, o limie na variação da carga nos geradores. Uma forma de simplificar o problema é modelar a poência gerada como sendo uma função escada. Para a resolução do problema da AU incluindo o limie na variação da carga nos 16

42 Inrodução geradores, [Wang93] uilizou em 1993 uma combinação de dois méodos: redes neuronais e a programação dinâmica. Em [Rudolf99], a incereza na previsão da carga pode conduzir a uma sobre-afeação de unidades, o que se reflee no aumeno do cuso, ou, em senido oposo, numa sub-afeação, endo como consequência o aumeno do risco na operação da rede [Zhai94, Hobbs99] e evenualmene ambém maiores cusos de operação pela necessidade de aquisição de energia no mercado spo, a preços elevados [Saksornchai04] ou gerar energia de forma não económica [Hobbs99]. Em [Zhai94], é afirmado que hisoricamene, o principal criério para deerminar o valor da reserva girane é o de que o valor deve ser maior ou igual que a capacidade da maior unidade afeada. A redução de cusos moivada pela liberalização dos mercados conduziu à inrodução de novos méodos para deerminação da reserva girane, omando ambém em cona o risco, limiando ese a um valor máximo pré-definido [Zhai94]. Em [Saksornchai04], uma redução de cusos superiores a 3% é conseguida pela uilização de redes neuronais para a previsão de cargas para horizones emporais horários e diários. Em [Richer00] é apresenada uma formulação para o problema de AU baseada em aspeos económicos, moivada pela liberalização dos mercados, em que uilizando algorimos genéicos, procura maximizar o lucro em vez de minimizar os cusos. Em [Cohen83], são apresenadas as écnicas de oimização uilizadas aé 1983 agrupadas da seguine forma: Lisa de prioridades e méodos heurísicos; Programação dinâmica; 17

43 Inrodução Programação Ineira; Relaxação Lagrangeana (RL). A programação dinâmica é referida como a écnica de oimização mais uilizada. Em [Cohen83], ambém é proposo um méodo baseado em écnicas de parição e avaliação branch-and-bound para o problema de AU. Em [Manawy98] é apresenado um novo pono de siuação sobre as écnicas de oimização uilizadas, agrupando esas em rês caegorias: Técnicas clássicas de oimização, ais como programação dinâmica, programação ineira, relaxação lagrangeana e parição e avaliação; Lisa de prioridades e méodos heurísicos; Técnicas de ineligência arificial, ais como redes neuronais, algorimos genéicos exper sysems pesquisa abu e Simulaed Annealing. Foi ambém explorado por diversos auores a combinação de diferenes écnicas de oimização num mesmo algorimo para a resolução do problema da AU. Em [Merlin83] é apresenada a combinação da RL com a écnica de parição e avaliação. Esa écnica permie resolver problemas de AU de grande escala e foi implemenado na Elecricié de France (EDF). Em [Manawy99] é apresenada a combinação num único algorimo de algorimos genéicos, pesquisa abu e Simulaed Annealing. Em [Cheng00] é apresenada a combinação da RL com os algorimos genéicos. Em [Manawy99, Cheng00] é afirmado que a combinação de diferenes écnicas de oimização, quando bem sucedida, permie ober melhores lucros do que os 18

44 Inrodução obidos isoladamene por cada écnica. Esa combinação permiiu miigar as desvanagens de cada écnica de oimização para resolver o problema de AU. As resrições ambienais vêm impor novas abordagens ao problema da AU, passando a ser um problema muliobjeivo. Em [Keib94] é apresenada a avaliação do impace das resrições ambienais imposas em 1990 nos EUA, aravés do Clean Air Ac of 1990 no problema de Despacho. Segundo [Keib94] são proposas várias esraégias de despacho para o problema simulaneamene económico e ambienal, mas nenhuma das esraégias apresenadas refleia os requisios exaos da legislação. Duas formulações são apresenadas para o despacho económico. A primeira, baseada em RL, saisfaz as resrições ambienais e a segunda ira parido duma reserva de geração de compensação, denominada de compensaing generaion provision, a qual esá relacionada com aspeos específicos da legislação. Segundo [Keib94], ambas as soluções apresenadas são simples e uilizam as écnicas de despacho económico convencional apenas com ligeiras alerações. Em [Sen98] são apresenadas como funções objeivo a minimização do cuso oal de operação; a minimização das emissões; e a maximização da fiabilidade e segurança. A maximização da fiabilidade e segurança pode ambém ser considerada como uma resrição. A minimização das emissões pode ambém ser considerada como uma resrição, mas caso seja considerado um objeivo, enão o problema da AU é um problema de oimização muliobjeivo, com funções objeivo confliuosas. É consaado em [Sen98] que os méodos mais eficienes para a resolução do problema da AU muliobjeivo são a programação dinâmica com busca resria, a RL aumenada e o Simulaed Annealing. Em [Palanichamy02] é apresenada a quesão da inversão da emperaura. A inversão da emperaura é a subida da emperaura com a aliude, em oposição ao normal, devido à radiação de calor no espaço, durane a noie em condições 19

45 Inrodução climaéricas calmas e límpidas, e pode originar o afundameno de ar mais denso, frio, para os vales e bacias a uma coa inferior [Infopedia11], originando uma correne descendene de ar. O ar quene na camada superior à diferença do ar frio aua como coberura, suprimindo o movimeno ascendene verical, aprisionando o ar frio juno à superfície. Consequenemene, os poluenes emiidos são manidos juno à superfície devido à inversão da emperaura, originando uma diminuição da qualidade do ar [NOAA15]. Em [TNT09] é apresenada a noícia da more de vine pessoas em Donora, no esado da Pensilvânia nos EUA, em ouubro de Devido à inversão érmica, não houve dispersão dos poluenes das emissões amosféricas de várias indúsrias, que foram coninuamene respirados durane vários dias [TNT09]. Em [Palanichamy02] é proposa a inegração de fones de energia renováveis de energia e das novas ecnologias de armazenagem de energia com as cenrais que uilizam combusíveis fósseis no problema de AU, aingindo uma concenração conrolada de poluenes na vizinhança das fones poluidoras, com um cuso araivo, não sendo necessário incluir na função objeivo um modelo climáico. Os algorimos do problema de AU selecionados dependem das condições climaéricas. Em [Caalão05] é apresenado o problema da AU como um problema muliobjeivo com objeivos confliuosos, em que são considerados simulaneamene o cuso do combusível resulane da AU e as considerações ambienais devido ao mercado de emissões anropogénicas. É apresenada uma abordagem práica baseada em oimização muliobjeivo, conhecida por soluções de Pareo-opimal, represenadas graficamene pelas curvas de compromisso enre os criérios de cuso do combusível e as emissões anropogénicas que permiem ao decisor opar por uma AU que em em cona ambém o comércio de emissões anropogénicas. 20

46 Inrodução Em [Raglend06] é apresenada a formulação do problema da AU como um problema muliobjeivo, que inegra simulaneamene a verene económica e a verene ambienal, sendo um problema biobjeivo de despacho económico e despacho ambienal converido numa única função objeivo pela inrodução de um faor de penalização do preço. Coordenação érmico-eólica Em [Kongnam09] é afirmado que a fim de promover a geração de energia a parir de fones de energia renováveis, alguns países implemenaram várias políicas e mecanismos de apoio para incenivar ou subsidiar a geração de energia elérica a parir de fones de energia renováveis. Em [Biar12] é afirmado que esas medidas resulam enquano a incidência das energias renováveis for modesa, mas serão inexequíveis à medida que a geração de energia eólica aumenar. Em [Bahurs02] é afirmado que a conversão da energia eólica em energia elérica para comercializar no mercado diário acarrea riscos relacionados com a incereza do recurso eólico, dos preços da energia e das penalizações devidas aos desvios enre a energia oferecida e a energia fornecida. Se esas incerezas não são convenienemene consideradas, serão expecáveis perdas económicas nos resulados devido às penalizações aplicadas aos desvios. Em [Nikolova13] é afirmado que apesar da crescene incidência mundial das energias renováveis, o fornecimeno de energia é ainda foremene dependene dos combusíveis fósseis. Em [IEA14], mais de 60% da energia elérica gerada a nível mundial em origem em combusíveis fósseis. Em [Dohery05] é proposo um méodo probabilísico para quanificar as reservas necessárias para fazer face à incereza da produção eólica, concluindo 21

47 Inrodução que com o aumeno da incidência da produção eólica o sisema elérico deve aumenar a reserva para não decrescer a fiabilidade do sisema. Em [Ummels07] é apresenado um méodo de simulação que permie avaliar o impace da produção eólica na operação de sisema de energia elérica, sob o pono de visa do cuso, da fiabilidade e do impace ambienal, demonsrando que a energia eólica reduz o cuso oal do sisema e as emissões anropogénicas. Em [Vasquez09] é proposo um méodo para calcular a reserva girane óima para fazer face à incereza da produção eólica e da carga, que em como objeivo a redução do cuso oal dum sisema de energia elérica, em que o cuso é a soma do cuso de operação do sisema e o cuso socioeconómico devido ao deslasre de cargas. O méodo conduz a menores cusos de operação dos sisemas e conclui que o aumeno da incidência da produção eólica não obriga necessariamene ao aumeno da reserva girane. Em [Siahkali10] é apresenado um méodo de AU érmicas baseado num modelo probabilísico da incereza da produção eólica e da carga. É proposo um modelo em que num primeiro passo o esado das unidades érmicas é deerminado de forma deerminísica, e num segundo passo é uilizada uma meodologia esocásica para incluir as incerezas da carga e da produção eólica. Em [Liu12] é afirmado que os méodos radicionais de AU érmicas e despacho económico com a reserva girane deerminada de forma deerminísica são inadequados face à incereza da produção eólica. É apresenado um méodo probabilísico com resrições de segurança para minimizar o cuso da energia, a necessidade de reserva girane e o evenual deslasre de cargas. O méodo apresenado é baseado na disribuição probabilísica da produção eólica e da carga. A solução é execuada recorrendo à Programação Linear Ineira Misa (PLIM). Com a meodologia apresenada é deerminado o valor óimo de reserva girane que minimiza o cuso oal de operação do sisema. 22

48 Inrodução Em [Papavasiliou13] é feio um esudo comparaivo da AU enre uma meodologia esocásica e uma meodologia com resrições de segurança uilizando recursos compuacionais de elevado desempenho, endo como objeivo fazer face à elevada incereza e variabilidade do fornecimeno de energia de fones de energia renováveis, endo ambém em cona as resrições imposas ao rânsio de energia pela rede de ranspore de energia. O modelo esocásico de AU minimiza o cuso expecável da operação do sisema; o modelo com resrições de segurança minimiza garane que o sisema supora coningências significaivas sem necessidade de deslasrar cargas. O esudo conclui que o modelo com resrições de segurança afea uma quanidade superior de capacidade e em um melhor desempenho em ermos de deslasre de cargas. O modelo esocásico em um melhor desempenho em ermos de cusos expecáveis. Em [Defourny13] é abordado o aumeno do cuso da AU érmicas devido à incereza da produção eólica. É proposo um méodo para quanificar a produção eólica e as cargas com um deerminado quanil da disribuição de uma variável aleaória, a parir de previsões da produção eólica e da carga. A parir dos valores obidos da produção eólica e da carga é implemenada uma solução robusa da AU érmicas, formulada uilizando a programação ineira misa. Em [Heydari14] é proposo um méodo desinado a faciliar a enrada no mercado da produção eólica, baseado na ofera coordenada de energia de origem eólica e de cenrais a gás. Devido à incereza da produção eólica e às penalizações devidas aos desvios, comercializar energia eólica no mercado acarrea riscos elevados. O méodo proposo em como principal objeivo miigar a incereza, diminuindo a necessidade de reservas. O cuso de produção de cenrais a gás é superior ao de ouras cenrais érmicas, mas a cenral a gás em a vanagem de er empos de resposa rápidos que permiem a uilização como reserva disponibilizando rapidamene poência. Esa reserva em valor económico o que jusifica a uilização desas cenrais. 23