Modelagem de energia - Energy modeling

Este artigo é sobre modelagem de sistemas de energia. Para a simulação do uso de energia em edifícios, ver a simulação energética do edifício .

Modelagem de energia ou modelagem de sistema de energia é o processo de construção de modelos de computador de sistemas de energia para analisá-los. Esses modelos frequentemente empregam análises de cenário para investigar diferentes suposições sobre as condições técnicas e econômicas em jogo. As saídas podem incluir a viabilidade do sistema, emissões de gases de efeito estufa , custos financeiros cumulativos , uso de recursos naturais e eficiência energética do sistema sob investigação. Uma ampla gama de técnicas é empregada, desde amplamente econômica até engenharia ampla. A otimização matemática é freqüentemente usada para determinar o menor custo em algum sentido. Os modelos podem ser internacionais, regionais, nacionais, municipais ou autônomos no escopo. Os governos mantêm modelos nacionais de energia para o desenvolvimento de políticas energéticas .

Os modelos de energia geralmente têm como objetivo contribuir de várias maneiras para as operações do sistema, projeto de engenharia ou desenvolvimento de políticas de energia . Esta página concentra-se nos modelos de política. As simulações individuais de energia de edifícios são explicitamente excluídas, embora também sejam chamadas de modelos de energia. Modelos de avaliação integrados no estilo IPCC , que também contêm uma representação do sistema mundial de energia e são usados ​​para examinar os caminhos de transformação global até 2050 ou 2100, não são considerados aqui em detalhes.

A modelagem de energia aumentou em importância à medida que a necessidade de mitigação das mudanças climáticas cresceu em importância. O setor de fornecimento de energia é o maior contribuinte para as emissões globais de gases de efeito estufa . O IPCC relata que a mitigação das mudanças climáticas exigirá uma transformação fundamental do sistema de fornecimento de energia, incluindo a substituição de tecnologias de conversão de combustível fóssil inabaláveis ​​(não capturadas pelo CCS ) por alternativas de baixo GEE.

Tipos de modelo

Uma grande variedade de tipos de modelos estão em uso. Esta seção tenta categorizar os tipos de chave e seu uso. As divisões fornecidas não são rígidas e rápidas e existem modelos de paradigma misto. Além disso, os resultados de modelos mais gerais podem ser usados ​​para informar a especificação de modelos mais detalhados e vice-versa, criando assim uma hierarquia de modelos. Os modelos podem, em geral, precisar capturar "dinâmicas complexas, como:

  • operação do sistema de energia
  • giro de estoque de tecnologia
  • inovação tecnológica
  • comportamento da empresa e da família
  • investimento de capital energético e não energético e dinâmica de ajuste do mercado de trabalho que leva à reestruturação econômica
  • implantação de infraestrutura e planejamento urbano " 

Os modelos podem ter escopo limitado ao setor elétrico ou podem tentar cobrir um sistema de energia em sua totalidade (veja abaixo).

A maioria dos modelos de energia são usados ​​para análise de cenário . Um cenário é um conjunto coerente de suposições sobre um sistema possível. Novos cenários são testados em relação a um cenário de linha de base - normalmente business-as-usual (BAU) - e as diferenças no resultado são anotadas.

O horizonte de tempo do modelo é uma consideração importante. Os modelos de um ano - definidos no presente ou no futuro (digamos 2050) - pressupõem uma estrutura de capital não evolutiva e se concentram na dinâmica operacional do sistema. Os modelos de um ano normalmente incorporam detalhes técnicos e temporais consideráveis ​​(geralmente resolução por hora) (como planta de geração individual e linhas de transmissão). Modelos de longo alcance - lançados ao longo de uma ou mais décadas (do presente até, digamos, 2050) - tentam encapsular a evolução estrutural do sistema e são usados ​​para investigar a expansão da capacidade e questões de transição do sistema de energia.

Os modelos costumam usar a otimização matemática para solucionar a redundância na especificação do sistema. Algumas das técnicas utilizadas derivam da pesquisa operacional . A maioria depende da programação linear (incluindo programação inteira mista ), embora alguns usem programação não linear . Os solucionadores podem usar otimização clássica ou genética , como CMA-ES . Os modelos podem ser dinâmicos recursivos, resolvendo sequencialmente para cada intervalo de tempo e, portanto, evoluindo ao longo do tempo. Ou podem ser enquadrados como um único problema intertemporal voltado para o futuro e, portanto, assumir uma previsão perfeita. Modelos baseados em engenharia de ano único geralmente tentam minimizar o custo financeiro de curto prazo , enquanto modelos baseados em mercado de ano único usam otimização para determinar compensação de mercado . Modelos de longo alcance, geralmente abrangendo décadas, tentam minimizar os custos de curto e longo prazo como um único problema intertemporal.

O lado da demanda (ou domínio do usuário final) tem historicamente recebido atenção relativamente escassa, geralmente modelada por apenas uma curva de demanda simples . As curvas de demanda de energia do usuário final, pelo menos no curto prazo, são normalmente consideradas altamente inelásticas .

À medida que as fontes de energia intermitentes e o gerenciamento da demanda de energia crescem em importância, os modelos precisam adotar uma resolução temporal por hora para capturar melhor sua dinâmica em tempo real. Modelos de longo alcance são frequentemente limitados a cálculos em intervalos anuais, com base em perfis diários típicos e, portanto, são menos adequados para sistemas com energia renovável variável significativa . A otimização de despacho para o dia seguinte é usada para auxiliar no planejamento de sistemas com uma porção significativa de produção de energia intermitente em que a incerteza em torno das previsões de energia futura é contabilizada usando a otimização estocástica.

As linguagens de implementação incluem GAMS , MathProg , MATLAB , Mathematica , Python , Pyomo , R , Fortran , Java , C , C ++ e Vensim . Ocasionalmente, planilhas são usadas.

Conforme observado, os modelos integrados do estilo IPCC (também conhecidos como modelos de avaliação integrados ou IAM) não são considerados aqui em detalhes. Os modelos integrados combinam submodelos simplificados da economia mundial , agricultura e uso da terra e o sistema climático global , além do sistema mundial de energia. Os exemplos incluem GCAM, MESSAGE e REMIND.

Pesquisas publicadas sobre modelagem de sistemas de energia se concentraram em técnicas, classificação geral, visão geral, planejamento descentralizado, métodos de modelagem, integração de energias renováveis, políticas de eficiência energética, integração de veículos elétricos, desenvolvimento internacional e o uso de modelos em camadas para apoiar a política de proteção climática . Os pesquisadores do Projeto Percursos de Descarbonização Profunda também analisaram tipologias de modelos. Um artigo de 2014 descreve os desafios da modelagem à medida que os sistemas de energia se tornam mais complexos e os fatores humanos e sociais se tornam cada vez mais relevantes.

Modelos do setor elétrico

Modelos do setor elétrico são usados ​​para modelar sistemas elétricos. O escopo pode ser nacional ou regional, dependendo das circunstâncias. Por exemplo, dada a presença de interconectores nacionais, o sistema elétrico da Europa Ocidental pode ser modelado na sua totalidade.

Modelos baseados em engenharia geralmente contêm uma boa caracterização das tecnologias envolvidas, incluindo a rede de transmissão CA de alta tensão, quando apropriado. Alguns modelos (por exemplo, modelos para a Alemanha) podem assumir um único barramento comum ou "placa de cobre" onde a grade é forte. O lado da demanda em modelos do setor elétrico é normalmente representado por um perfil de carga fixo .

Os modelos baseados no mercado, além disso, representam o mercado de eletricidade predominante , que pode incluir preços nodais .

A teoria dos jogos e os modelos baseados em agentes são usados ​​para capturar e estudar o comportamento estratégico nos mercados de eletricidade .

Modelos de sistema de energia

Além do setor elétrico, os modelos de sistema de energia incluem aquecimento, gás, mobilidade e outros setores, conforme apropriado. Os modelos de sistemas de energia geralmente têm escopo nacional, mas podem ser municipais ou internacionais.

Os chamados modelos top-down são amplamente de natureza econômica e baseados no equilíbrio parcial ou no equilíbrio geral . Os modelos de equilíbrio geral representam uma atividade especializada e requerem algoritmos dedicados . Modelos de equilíbrio parcial são mais comuns.

Os chamados modelos de baixo para cima capturam bem a engenharia e geralmente contam com técnicas de pesquisa operacional . As plantas individuais são caracterizadas por suas curvas de eficiência (também conhecidas como relações de entrada / saída), capacidade nominal, custos de investimento ( capex ) e custos operacionais ( opex ). Alguns modelos permitem que esses parâmetros dependam de condições externas, como a temperatura ambiente.

A produção de modelos híbridos de cima para baixo / de baixo para cima para capturar tanto a economia quanto a engenharia provou ser um desafio.

Modelos estabelecidos

Esta seção lista alguns dos principais modelos em uso. Normalmente, são administrados por governos nacionais. Em um esforço da comunidade, um grande número de modelos de sistemas de energia existentes foram coletados em modelos de fichas técnicas na Plataforma de Energia Aberta .

SALTO

LEAP, a Plataforma de Análise de Baixas Emissões (anteriormente conhecida como Sistema de Planejamento de Alternativas de Energia de Longo Alcance) é uma ferramenta de software para análise de política energética , planejamento de redução da poluição do ar e avaliação de mitigação da mudança climática .

O LEAP foi desenvolvido no Centro dos EUA do Stockholm Environment Institute (SEI). O LEAP pode ser usado para examinar os sistemas de energia municipais, estaduais, nacionais e regionais. O LEAP é normalmente usado para estudos entre 20–50 anos. A maioria de seus cálculos ocorre em intervalos anuais. O LEAP permite que analistas de políticas criem e avaliem cenários alternativos e comparem suas necessidades de energia, custos e benefícios sociais e impactos ambientais. Em junho de 2021, o LEAP tinha mais de 6.000 usuários em 200 países e territórios

Simulação de sistema de energia

O MAPS (Multi-Area Production Simulation) da General Electric é um modelo de simulação de produção usado por várias Organizações Regionais de Transmissão e Operadores de Sistema Independentes nos Estados Unidos para planejar o impacto econômico das instalações propostas de transmissão e geração de energia elétrica no atacado regulado pela FERC mercados. Partes do modelo também podem ser usadas para a fase de comprometimento e despacho (atualizado em intervalos de 5 minutos) na operação dos mercados atacadistas de eletricidade para as regiões RTO e ISO. O PROMOD da ABB é um pacote de software semelhante. Essas regiões ISO e RTO também utilizam um pacote de software GE chamado MARS (Multi-Area Reliability Simulation) para garantir que o sistema de energia atenda aos critérios de confiabilidade (uma expectativa de perda de carga (LOLE) não superior a 0,1 dias por ano). Além disso, um pacote de software GE chamado PSLF (Positive Sequence Load Flow) e um pacote de software Siemens chamado PSSE (Power System Simulation for Engineering) analisa o fluxo de carga no sistema de energia para curtos-circuitos e estabilidade durante estudos de planejamento preliminar por RTOs e ISOs.

MARKAL / TIMES

Artigo principal: MARKAL

MARKAL (MARKet ALlocation) é uma plataforma de modelagem de sistemas integrados de energia, usada para analisar questões energéticas, econômicas e ambientais em nível global, nacional e municipal ao longo de períodos de tempo de várias décadas. O MARKAL pode ser usado para quantificar os impactos das opções de políticas sobre o desenvolvimento de tecnologia e o esgotamento dos recursos naturais. O software foi desenvolvido pelo Programa de Análise de Sistemas de Tecnologia de Energia (ETSAP) da Agência Internacional de Energia (IEA) durante um período de quase duas décadas.

TIMES (O Sistema Integrado MARKAL-EFOM) é uma evolução do MARKAL - ambos os modelos de energia têm muitas semelhanças. O TIMES sucedeu ao MARKAL em 2008. Ambos os modelos são modelos de equilíbrio parcial dinâmico, explícito em tecnologia, dos mercados de energia . Em ambos os casos, o equilíbrio é determinado pela maximização do excedente total do consumidor e do produtor por meio da programação linear . MARKAL e TIMES são escritos em GAMS .

O gerador modelo TIMES também foi desenvolvido no âmbito do Programa de Análise de Sistemas de Tecnologia de Energia (ETSAP). O TIMES combina duas abordagens sistemáticas diferentes, mas complementares, para modelar a energia - uma abordagem de engenharia técnica e uma abordagem econômica. O TIMES é um gerador de modelo bottom-up rico em tecnologia, que usa programação linear para produzir um sistema de energia de menor custo, otimizado de acordo com uma série de restrições especificadas pelo usuário, de médio a longo prazo. É usado para "a exploração de possíveis futuros de energia com base em cenários contrastados".

Em 2015, os geradores modelo MARKAL e TIMES estão em uso em 177 instituições espalhadas por 70 países.

NEMS

Artigo principal: Sistema Nacional de Modelagem de Energia

O NEMS (Sistema Nacional de Modelagem de Energia) é um modelo de política governamental dos Estados Unidos de longa data, administrado pelo Departamento de Energia (DOE). O NEMS calcula preços e quantidades de combustível de equilíbrio para o setor de energia dos EUA. Para fazer isso, o software resolve iterativamente uma sequência de programas lineares e equações não lineares. O NEMS foi usado para modelar explicitamente o lado da demanda, em particular para determinar as escolhas de tecnologia do consumidor nos setores de construção residencial e comercial.

O NEMS é usado para produzir o Outlook anual de energia a cada ano - por exemplo, em 2015.

Críticas

Os modelos de políticas públicas de energia têm sido criticados por serem insuficientemente transparentes . O código-fonte e os conjuntos de dados devem pelo menos estar disponíveis para revisão por pares , se não publicados explicitamente. Para melhorar a transparência e a aceitação pública, alguns modelos são realizados como projetos de software de código aberto , muitas vezes desenvolvendo uma comunidade diversa à medida que avançam. OSeMOSYS é um exemplo.

Veja também

Em geral

Modelos

  • ACEGES - um modelo de economia computacional global baseado em agente
  • iNEMS (Sistema Integrado de Modelagem de Energia Nacional) - um modelo nacional de energia para a China
  • MARKAL - um modelo de energia
  • NEMS - o modelo de energia nacional do governo dos EUA
  • Perspectivas prospectivas em sistemas de energia de longo prazo (POLES) - um modelo de simulação mundial do setor de energia
  • KAPSARC Energy Model - um modelo do setor de energia para a Arábia Saudita 

Leitura adicional

  • Vídeo introdutório sobre modelagem de sistema de energia aberta com exemplo de linguagem  python
  • Vídeo introdutório com referência a políticas públicas 

Referências

links externos