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MELP - Modelo de Expansão de Longo Prazo

Apresentação

O modelo MELP foi desenvolvido como uma ferramenta computacional auxiliar para estudos de planejamento da expansão da geração de longo prazo (usualmente para horizontes superiores a 25 anos) do sistema elétrico brasileiro. Trata-se de um modelo de otimização, que tem como função objetivo a minimização dos custos de investimentos e de operação em usinas geradoras e troncos de interligação necessários para atender à demanda futura de energia.


Com a perspectiva de crescente utilização do gás natural para geração de energia elétrica, foi incorporado ao modelo MELP a representação do sistema de gás natural, de forma a obter uma solução integrada de expansão dos dois sistemas energéticos. O sistema de gás natural é representado de forma análoga ao sistema elétrico, com a divisão do sistema nacional em subsistemas regionais interligados por gasodutos. O acoplamento entre os dois sistemas é feito através de termelétricas a gás natural.
 

A natureza discreta das variáveis que modelam os investimentos (0-não se constrói; 1-constrói-se) faz com que a minimização dos custos resulte em um problema de programação linear inteira mista. Para um sistema elétrico com as dimensões do sistema brasileiro, trata-se de um problema de grande porte que requer elevado esforço computacional para sua solução. Este problema torna-se ainda mais complexo quando se inclui a representação do sistema de gás natural, com seus inúmeros projetos de gasodutos, plantas de processamento de gás natural, unidades de regasificação para importação de gás natural liquefeito etc.


Para viabilizar a resolução do problema do ponto de vista computacional, a modelagem matemática da operação requer um compromisso entre simplicidade e precisão adequada ao horizonte de planejamento. Para o sistema elétrico brasileiro, com parque gerador predominantemente hidrelétrico, a confiabilidade de atendimento à demanda deve ser analisada considerando as incertezas hidrológicas. A representação destas incertezas é modelada no modelo MELP através da análise da operação para os cenários de hidrologia crítica e média. Esta modelagem apresenta-se adequada para o horizonte de longo prazo, pois os custos operacionais das termelétricas são definidos pelo cenário de hidrologia média (condição operativa que ocorre na maior parte dos anos de um longo horizonte) e sua capacidade definida de forma a atender plenamente à demanda de energia em cenário de hidrologia crítica. A análise operativa é feita com base nos conceitos de energia firme e média das usinas geradoras.


O problema de otimização assim formulado é resolvido através de um algoritmo Branch-and-Cut, utilizando o pacote computacional CPLEX/IBM 11. Heurísticas desenvolvidas para determinar uma solução inteira viável de boa qualidade permitem reduzir de forma substancial o tempo computacional e, viabilizaram a aplicação do programa MELP para o planejamento de longo prazo do sistema elétrico brasileiro. O modelo foi utilizado na elaboração do Plano Nacional de Energia 2030.

 

A representação da característica sazonal de geração de usinas geradoras, notadamente as usinas hidrelétricas situadas na Amazônia, é importante para o cálculo mais preciso da capacidade dos troncos de interligação. No MELP, esta representação se faz através de curvas de geração sazonais típicas. Estas curvas podem ser também aplicadas à geração dos parques eólicos e cogeração a bagaço de cana-de-açúcar.
 

Recentemente, foi incorporada ao modelo MELP uma restrição de nível máximo de emissões acumuladas de gases de efeito estufa. Através de simulações com o MELP com diferentes limites de restrição ambiental, pode-se construir a curva de eficiência, com base na qual o decisor poderá escolher a solução mais próxima de suas preferências. Do ponto de vista matemático e computacional, a inclusão desta restrição ambiental gera acoplamento temporal da geração, aumentando a complexidade do problema. Para resolvê-lo foi necessário o desenvolvimento de uma nova metodologia com base na técnica de decomposição de Dantzig-Wolfe. Para casos de maior complexidade, foi desenvolvido um algoritmo do tipo Branch-and-Price.

 

Um processo iterativo entre os programas MELP e NEWAVE (Modelo de Planejamento da
Operação de Sistemas Hidrotérmicos Interligados de Longo e Médio Prazo) também foi recentemente proposto, tendo por objetivo oferecer uma ferramenta auxiliar para os estudos decenais e quindenais de planejamento da expansão da geração.

 

Dados Principais

 

Os principais dados necessários para execução do programa MELP são:


• configuração do parque gerador;
• capacidade das interligações entre subsistemas;
• mercado de energia, para cada subsistema e período do horizonte de planejamento;
• dados técnicos e econômicos de projetos de usinas geradoras e troncos de interligação;
• custos de combustíveis das usinas termelétricas;
• custos fixos e variáveis de O&M das usinas geradoras;
• taxa de desconto.


Interface Gráfica
 

O programa MELP é parte integrante do ENCAD, sistema de encadeamento de modelos energéticos, desenvolvido pelo Cepel. Sua interface gráfica permite:


• importação dos dados de entrada de um caso já existente;
• edição dos dados de forma mais amigável;
• execução automática do programa MELP;
• exportação dos dados de saída, no formato do programa NEWAVE, o que permite a
execução sequencial dos programas MELP e NEWAVE;
• visualização de gráficos e relatórios de saída em formatos texto.

 


melp figura 1melp figura 2

Contato

Entre em contato com a área responsável através do e-mail:


 melp@cepel.br