Integrated dispatch of thermoelectric generation and production and transport of natural gas with Newton's method

Resumo: O gás natural é um combustível fóssil que pode ser utilizado tanto na indústria como no comércio, residências e veículos. Uma aplicação importante do gás natural é como fonte primária para geração de energia elétrica em usinas termelétricas. Seu uso possibilita uma maior estabilidade ao Sistema Elétrico Brasileiro, pelo fato de depender menos do nível de água nos reservatórios para atendimento da demanda de energia elétrica. Como o gás natural possui uma estocagem complexa e onerosa, a quantidade de demanda de gás afeta diretamente as suas etapas de produção e transporte, já que toda a quantidade produzida e transportada deverá ser consumida. Desse modo, a operação do sistema de suprimento de gás natural é fortemente dependente das decisões de seus consumidores. As usinas termelétricas estão entre os maiores consumidores de gás, de forma que o despacho das usinas termelétricas afeta fortemente a operação do sistema de gás. Por outro lado, restrições no sistema de suprimento de gás também podem afetar a operação das usinas termelétricas. Esta forte dependência operativa entre estes dois sistemas requer uma operação coordenada para se obter uma operação mais eficiente e segura. Esta tese apresenta um modelo de despacho econômico aplicado a usinas termelétricas que usam gás natural como fonte primária, considerando os custos de produção, transporte de gás natural e de geração de energia elétrica. A modelagem matemática resulta em um problema misto não linear. Para resolução foi utilizada uma abordagem híbrida, que combina um modelo baseado em Programação Linear e um modelo não linear. O problema não linear é resolvido através do método de NewtonAbstract: Natural gas is a fossil fuel that can be used in industry, trade, residence and vehicles, among others. An important application of natural gas is as a primary source for electricity generation in thermoelectric power plants. In the Brazilian Electric System this source increase the system stability, once it is less dependent of the water level in tanks to serve the demand for power. As natural gas storage it is more complex and expensive, the amount of gas directly affects the production and transportation stages, once the entire amount that is produced and transported must be consumed. Thus, the operation of the supply system of natural gas is strongly dependent on decisions of their consumers. The thermoelectric power plants are among the largest gas consumers, so the dispatch of thermoelectric plants affects strongly the gas system operation. On the other hand, restrictions in the gas supply system may also affect the operation of thermoelectric plants. This strong operative dependence between these two kinds of systems, requires a coordinated operation with the aim of obtaining a more efficient and safer operation. This thesis presents a model of economic dispatch applied to thermoelectric power plants that use natural gas as a primary energy source, considering the costs of production, transportation of the natural gas and electricity generation. The mathematical modeling results in a nonlinear mixed problem. For resolution was used a hybrid approach that combines a model based on Linear Programming and a nonlinear. The nonlinear problem is solved by the Newton's method