Tese de Doutoramento - Programa Doutoral em Engenharia Industrial e Sistemas (PDEIS)The decision making process applied to the energy sector, particularly to the electricity sector, is complex and frequently
requires the use of optimization models to deal with problems in the scope of electricity planning. The continuous
growth of renewable energy sources (RES) to generate electricity became sustainable over the last years. This growth
is justified by the increasing concerns related to the security of supply, the reduction of external energy dependency
of most European countries, including Portugal, and the reduction of greenhouse gases emissions. Despite of the
RES benefits, their integration is characterized by the difficulties on forecasting and variable electricity output. These
difficulties bring considerable challenges to the electricity system management and to its planning.
This work is focused on the assessment of the RES impacts on the electricity system and on its integration in the
long and short-term electricity planning. The main goals of this work are to analyse in which way the growth of RES
can affect the electricity system and its power plants, and also to propose new optimization models for the strategic
planning of the electricity system, which are able to recognize and include RES impacts. This will provide the decision
maker with tools that will support the design of long-term scenarios for the electricity sector.
According to the outlined goals, four different optimization models were developed. All models were tested for a
mixed hydro-thermal-wind power system, with characteristics close to the Portuguese one. The first one was proposed
for the long-term strategic electricity power planning and a 10 years planning period was considered. Its usefulness
was demonstrated by applying it for the analysis of the wind power integration in the electricity system. The second
one, with a short-term horizon, aimed to solve the problem of the commissioning of power plants based on the available
resources. The implementation of this model showed that modelling the electricity power systems requires a large
set of constraints and a large number of data and information, resulting in significant computational effort to obtain a
optimal solution. The development of a third model, a simplified approach of the short-term model, became therefore
necessary. As previously, both short-term model and its simplified approach were used for the analysis of the impacts of wind power in the electricity system and in the operation of the different power plants. The last model resulted
from the combination of the strategic electricity power planning model with the simplified model proposed for the
commissioning of the power plants. The goal of this fourth model is to allow the inclusion of RES impacts in the design
of scenarios for the electricity system, for a 10 years planning period.
The models application demonstrated the need to acknowledge and include the impacts of RES integration,
particularly wind power, on the strategic electricity expansion planning. Throughout the work, the complexity of models
was evidenced along with the difficulties that non-experienced users may face when applying them. A user-friendly
platform enabling researchers and stakeholders to deal with electricity planning problems in a simpler but reliable way
was then proposed, resulting in an important contribution for the effective dissemination and usage of these models.A tomada de decisão no sector da energia, e em particular no sector da eletricidade, é uma atividade complexa, sendo
frequentemente suportada em modelos de otimização, para apoio à resolução de problemas relativos ao planeamento
elétrico. O crescimento da utilização das fontes de energia renováveis para a produção de eletricidade tem sido consistente
nos últimos anos, sendo este crescimento justificado pelas preocupações relativas à segurança do abastecimento,
passando por estratégias de diversificação de tecnologias e fornecedores, pela necessidade de redução da
dependência energética externa de diversos paises Europeus, onde se inclui o caso português, e pelos objetivos de
redução dos gases com efeito de estufa. Apesar dos seus benefícios, a integração das energias renováveis está frequentemente
associada à dificuldade de previsão da produção de eletricidade e à produção variável, trazendo assim
desafios consideráveis à gestão do sistema elétrico e ao seu planeamento.
Este trabalho centra-se na avaliação dos impactos das energias renováveis nos sistemas elétricos e na sua
inclusão no planeamento elétrico de curto e longo prazo. Tem assim como objetivos principais analisar de que
modo o crescimento das energias renováveis poderá afetar o sistema elétrico e as diferentes unidades produtoras,
bem como propor novos modelos de otimização para planeamento estratégico para o setor elétrico que permitam
reconhecer e incluir estes impactos, dotando assim o decisor de ferramentas que o possam apoiar da definição de
cenários estratégicos de longo prazo.
De acordo com os objetivos traçados, são apresentados quatro diferentes modelos de otimização. Todos estes
modelos foram testados para um sistema elétrico com caracteristicas próximas do caso português, detacando-se as
componentes hídrica, térmica e eólica. O primeiro modelo visa o planeamento estratégico a longo prazo resultando na
apresentação e caracterização de cenários para o setor elétrico para um período de 10 anos, tendo sido demonstrada
a sua aplicação para a análise da integração da energia eólica no sistema. O segundo modelo utiliza um horizonte
temporal de curto prazo, tendo como objetivo apoiar a resolução do problema de comissionamento das unidades de geração eléctrica com base nos recursos disponíveis. A sua implementação demonstrou que a modelação dos
sistemas de geração de energia eléctrica pressupõe um conjunto de restrições e um elevado número de dados e
informações que resultam num esforço computacional significativo. Desta forma, surgiu a necessidade de desenvolver
um terceiro modelo que consiste numa versão simplificada deste modelo de curto-prazo. Ambos os modelos de curto
prazo, foram também utilizados para a análise dos impactos da energia eólica no funcionamento das diferentes
unidades de produção de eletricidade. O último modelo desenvolvido resulta da combinação do modelo estratégico
de expansão do sistema elétrico com o modelo aplicado ao problema do comissionamento das unidades de geração
eléctrica, tendo como objetivo ter em consideração os impactos das energias renováveis na definição de cenários
para o setor elétrico para um período de 10 anos.
Da aplicação dos modelos fica demonstrada a importância de reconhecer e incluir no planeamento elétrico
estratégico de longo prazo os impactos resultantes da integração de fontes renováveis de energia de produção variável,
e em particular da energia eólica, nos sistemas elétricos. Fica ainda evidente, a complexidade dos modelos e a
dificuldade de aplicação por utilizadores menos experientes. Resulta por isso como uma importante contribuição, o
desenvolvimento de uma aplicação gráfica com interface amigável que deverá permitir a ampla disseminação dos
modelos desenvolvidos e sua adaptação a diferentes sistemas elétricos
