ECONOMIA DA ENERGIA ELÉTRICA

Código da disciplina para matrícula: ELE 2551 (PÓS-GRADUAÇÃO)- constará com o nome de Tópicos Especiais de Sistemas II.

Motivação: O setor elétrico é operado e regulado por complexos modelos matemáticos, todos apoiados em uma lógica econômica que visa garantir o suprimento e a expansão do sistema ao menor custo possível e através de um ambiente de mercado que cria condições de competição em decisões de investimento e comercialização de energia elétrica. Esta é uma nova disciplina que tem como objetivo apresentar os principais conceitos técnicos, regulatórios e comerciais deste ambiente. O principal foco de aplicação será o caso brasileiro, mas outros tipos de sistemas também serão analisados.   Os alunos serão expostos a temas atuais e realistas do setor através de exemplos, leituras de artigos técnicos e exercícios computacionais. Vale ressaltar que disciplinas como essa já são uma realidade nas principais universidades de engenharia do mundo, por exemplo, Stanford, MIT e Berkeley, para mencionar apenas algumas. 

Público alvo: Alunos de pós de todas as engenharias, matemática, economia e administração. A disciplina é indicada a todos os alunos de exatas buscando uma formação inicial para atuar no mercado de energia elétrica. Alunos da graduação são bem vindos.

Horário: 6a. feira, de 13s ás 16h – Oferecida no segundo semestre de cada ano
Professor: Alexandre Street (DEE) – street@ele.puc-rio.br
Pré-requisitos: É importante ter cursado alguma disciplina de probabilidade e estatística. É importante também que o aluno tenha conhecimentos de otimização.
 

Ementa:

  • Parte 1: 
    • Conceitos básicos de sistemas elétricos; 
    • Planejamento da operação de sistemas puramente termelétricos e hidrotérmicos; 
    • Planejamento da expansão de sistemas puramente termelétricos e hidrotérmicos. 
  • Parte 2: 
    • Mercados de energia; 
    • O mercado de energia do Brasil;
    • Expansão da geração através de leilões de contratos.
    • Transmissão e distribuição
 
Programação:

AULA 1) INTRODUÇÃO 

  • Apresentação do escopo geral da disciplina, ferramentas computacionais que serão utilizadas e bibliografia
  • Revisão de conceitos de estatística básica
  • Variáveis aleatórias
  • Distribuição de probabilidade: função acumulada e densidade
  • Valor esperado e variância
  • Revisão de conceitos básicos de otimização linear
  • Modelo linear
  • Solução gráfica
  • Dualidade

 

AULAS 2-3) CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMAS ELÉTRICOS

Aula 2: História de sistemas e mercados elétricos e sua estruturação atual

  • Revisão da história da energia elétrica
  • Evolução dos sistemas elétricos e dos mercados de energia elétrica
  • Futuro dos mercados de energia elétrica

Aula 3: Conceitos básicos de sistemas elétricos

  • Conceitos físicos da geração, transmissão e consumo
  • Fluxo de potência AC e DC
  • Ferramentas computacionais (utilizaremos Julia nesse curso: https://julialang.org/)

 

AULAS 4-6) PLANEJAMENTO DA OPERAÇÃO DE SISTEMAS HIDROTÉRMICOS

Aula 4: Despacho ótimo de sistemas puramente termelétricos, confiabilidade, custo marginal de operação e restrições de transmissão

  • Modelo de despacho econômico linear sem transmissão
  • Ordem de mérito
  • Custo marginal de operação (CMO)
  • Restrições de transmissão
  • Custo marginal nodal: diferença de CMO entre barras vs. congestão da rede
  • Reservas para garantir confiabilidade: falhas de equipamentos e variações de carga
  • Restrições de unit commitment: custos fixos de start-up e shut-down, rampas e mínimo tempo up and down.

Aula 5: Sistemas hidrotérmicos com grandes reservatórios e incerteza nas afluências, custo de oportunidade do uso da água, tomada de decisão sob incerteza

  • Acoplamento temporal e restrições hídricas
  • Custo de déficit
  • Custo de oportunidade do uso da água
  • Formulação do problema de despacho HT como um modelo de otimização
  • Abordagem para solucionar o problema: solução direta ou abordagem por espaço de estados (custo imediato vs. Futuro)
  • Introduzindo incerteza nas vazões
  • Medindo o risco na operação: custo médio vs. CVaR

Aula 6: Principais técnicas e modelos computacionais utilizados no Brasil

  • Programação dinâmica
  • Programação dinâmica dual estocástica
  • Modelos de curto e longo prazo

Aula 7: Estado da arte da literatura, críticas, e o custo escondido da inconsistência entre planejamento e operação

  • Estado da arte da literatura para solucionar problemas multi-estágio
  • Inconsistência temporal
  • Modelos de precificação da energia de curto prazo: preços marginais em problemas não convexos, preço das reservas, etc.

 

AULAS 8) PLANEJAMENTO DA EXPANSÃO 

  • Formulação matemática e metodologias de solução
  • Estado da arte sobre expansão da geração e transmissão
  • Inconsistência entre planejamento e operação: custos escondidos e o crescente aumento do custo da energia
  • Os múltiplos custos de oportunidade e papéis que as linhas desempenham
  • Necessidade de se modelar incertezas de curto prazo em modelos de longo prazo
  • Elementos de flexibilidade e seus benefícios: baterias, centrais reversíveis, resposta da demanda, FACTS, Inversores, etc.

 

AULAS 9-10) O AMBIENTE DE MERCADO PARA A COMERCIALIZAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA


Aulas 9: Motivação, objetivos e implementação
  • Reforma do setor elétrico mundial: energia como commodity?
  • As “novas” instituições
  • Funcionamento de um mercado atacadista de energia
  • Despacho por custos auditados e por preços
  • Preço spot, contabilização e liquidação no mercado de curto prazo
  • Renda spot e sinais para expansão da geração
  • A aversão ao risco e o papel dos contratos de energia
  • Interface entre mecanismos de mercado e planejamento para a expansão

Aula 10: Riscos na comercialização de energia

  • Risco de preço e quantidade
  • Risco de crédito
  • Risco operacional
  • Risco de submercado (diferença de preços nodais)
  • Medidas de risco e otimização de contratos

 

AULAS 11-13) O MERCADO DE ENERGIA ELÉTRICA BRASILEIRO

Aula 11: Visão geral

  • A reforma do setor elétrico brasileiro
  • Principais diretrizes e objetivo do marco regulatório de 2004
  • Instituições
  • O duplo papel dos contratos: mitigação de risco e lastro de suprimento
  • Garantia física como respaldo dos contratos de suprimento
  • Ambientes de comercialização energia elétrica: mercado regulado e livre
  • Próximos passos e avanços regulatórios (CP33)

Aula 12: Expansão da geração via leilões de energia no ambiente de contratação regulada

  • O papel dos leilões no marco regulatório brasileiro
  • Leilões de energia nova: objetivos, principais regras e cálculo do índice de custo e benefício (ICB) e oferta avessa a risco dos geradores
  • Leilões de energia velha: leilões multiproduto vs múltiplos leilões monoproduto sequenciais, estratégia de oferta ótima de geradores com aversão a risco
  • Do MRE ao PLD, falhas do modelo atual e a constante necessidade de avanços regulatórios

Aula 13: Comercialização de energia no ambiente de contratação livre

  • Tipos de contrato no ACL: quantidade, quantidade com flexibilidade, collar, opções
  • Portfólio de fontes renováveis para mitigação de risco de preço e quantidade
  • Leilões de energia descentralizados
  • POOL de renováveis e MRE’s descentralizados via mercado
  • O ambiente livre como mecanismo indutor de inovação e expansão do sistema

 

AULAS 14-16) TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO

Aula 14: Transmissão de energia em ambiente de mercado e alocação de custos

  • A transmissão como um serviço complexo e público
  • Expansão proativa ou reativa: princípios e estado da arte da literatura e indústria
  • Expansão da transmissão em ambiente de mercado
  • Conexão entre custos de transmissão e tarifas
  • Conceitos básicos de alocação de custos de infraestrutura
  • Métodos de alocação de custos
  • O caso do Brasil: a contratação do montante de uso do sistema de transmissão (MUST) como um mecanismo de previsão descentralizado com incentivos econômicos

Aula 16: Distribuição de energia em ambiente de mercado

  • Distribuição como um serviço
  • Qualidade do fornecimento
  • Conceitos básicos de regulação da distribuição
  • As componentes da tarifa de energia
  • Revisão e reajuste tarifário
  • Os impactos dos recursos de geração distribuídos (GD)
  • O futuro das distribuidoras e os novos serviços decorrentes da alta inserção de GD,  veículos elétricos, baterias e edifícios inteligentes.