PROJECTO Nº PTDC/ENR/64971/2006
“Modelos Multiobjectivo em Problemas de Avaliação de Eficiência Energética”
(Outubro 2007 - Setembro
2010)
“Multiobjective
Models for Energy Efficiency Evaluation”
(Oct
2007 - Sept 2010)
Equipa de
investigação / Research
Team
Carlos Henggeler
Antunes (IR)
Álvaro Gomes
Humberto Matos Jorge
Luís Miguel Pires Neves
António Gomes Martins
Luís
Miguel Cândido Dias
João Clímaco
Dulce Coelho
Dulce Fernão
Pires
Paulo Tavares
Resumo
As medidas de promoção da
eficiência energética, nomeadamente as que visam a
alteração da forma e/ou amplitude da procura, têm sido
implementadas pelas operadoras, quer com objectivos operacionais ou económicos,
quer como suporte a politicas energéticas e ambientais. Estes
objectivos, em geral de natureza conflituosa, continuam válidos mesmo em
ambientes reestruturados. Nestes ambientes, com o aparecimento de diversas
entidades nas diferentes funções em que o sector foi dividido, os
objectivos com a implementação deste tipo de medidas podem
também variar de entidade para entidade, contribuindo para uma maior
dificuldade na avaliação das medidas de eficiência
energética. Neste contexto, como objectivo principal do projecto
destaca-se o desenvolvimento de modelos multiobjectivo que possam ser usados
para a avaliação de medidas de promoção da
eficiência energética a diferentes níveis de
agregação da procura e de acordo com os objectivos de diferentes
potenciais promotores (entidades).
Dentro
das medidas de promoção da eficiência energética as
que mais frequentemente têm sido utilizadas são aquelas que visam
a alteração da forma e amplitude da procura de energia
eléctrica. A correcta identificação e
quantificação dos impactos das acções nas suas
diferentes vertentes (económica, energética, de qualidade de
serviço e ambiental) são essenciais para a sua
avaliação. Para isso, pode ser necessário simular os
cenários físicos que se pretendem analisar e fazer repercutir
sobre eles as acções pretendidas. O recurso a modelos adequados,
que sintetizem a procura ao nível de agregação pretendido,
tendo como base a modelação de algumas utilizações
finais de electricidade, e cuja estrutura e parametrização
possibilitem a simulação das acções, permite responder
a essa necessidade. Para lidar com a multidimensionalidade inerente ao problema
recorrer-se-á a modelos multiobjectivo que contemplem um número
suficiente de eixos de avaliação (de natureza técnica,
económica e de qualidade de serviço). A avaliação
adequada dos impactos a diferentes níveis de agregação da
procura e, portanto, segundo o interesse de diferentes potenciais agentes
económicos existentes nos diversos ramos de actividade no mercado da
energia eléctrica, ficará dessa forma salvaguardada. No contexto
de modelos de programação multiobjectivo, a pesquisa de
soluções admissíveis será efectuada com recurso a
algoritmos genéticos. Como os algoritmos genéticos trabalham com
conjuntos de representações de potenciais soluções,
permitindo caracterizar de forma mais abrangente o espaço de pesquisa, a
experiência da equipa indica ser esta a abordagem mais adequada para este
problema. Em problemas multicritério (em que o universo das alternativas
é explicitamente conhecido à priori), pretende-se desenvolver
sistemas de apoio à decisão para a classificação
das iniciativas de promoção da eficiência energética
em categorias ordenadas, área em que a equipa possui uma vasta
experiência, quer na aplicação, quer na
construção de ferramentas metodológicas (método
IRIS, por exemplo).
Abstract
The promotion of energy efficiency, namely
those actions aimed at changing the shape and level of the demand, has been
implemented by the utilities with operational or economic goals, or supporting
energy and environmental policies. These usually conflicting objectives
maintain their attractiveness even in a restructured electricity sector. In
this scenario, several entities exist in each branch of activity meaning that
the goals when implementing energy efficiency actions may also vary from entity
to entity, thus making the assessment of such actions harder. In this context,
the main objective of this project is the development of multiobjective
models able to be used in the assessment of energy efficiency actions at
different demand aggregation levels and according to the objectives of
different entities that may be interested in the promotion of such actions.
Among
all the energy efficiency promoting actions those aimed at changing the shape
and the level of the demand were the most often implemented. However, a
previous assessment of these actions must be done in a detailed and careful way
in order to avoid eventual negative effects, such as increase in maximum
demand, strong reduction of revenues or discomfort caused to consumers. Such
evaluation requires suitable load models that allow the simulation of both the
demand and energy efficiency actions at different demand aggregation levels. These
models are based on physically-based end-use models. In order to be able do
deal with the multiple objectives and combinatorial characteristics of the
problem, adequate multiobjective mathematical models
are used, explicitly addressing the multiple, conflicting and incommensurate
aspects of evaluation (of technical, economical and quality of service nature).
The suitable assessment of energy efficiency actions impacts at different
demand aggregation levels and according to different entities existing in the
several branches of activities will be possible in this way. In the context of multiobjective programming models the search for
non-dominated solutions will be based on genetic algorithms (GAs). The choice of GAs as the
most suited methodological approach is based on experience of the research
team. These problems are characterized by difficult search spaces, in which
both the morphology and the location of solutions are unknown. GAs, while search and optimization tools, are well suited
for complex and combinatorial multiobjective problems
since they work with a set of potential solutions in each generation allowing a
broader characterization of the search space. In multicriteria
problems (in which the alternatives are known a-priori) the goal is to develop
decision support systems that enable the classification of the energy
efficiency actions according to pre-defined ordered categories. The members of
the research team have a fruitful experience on the development, use and
implementation of methodological tools devoted to these problems (such as the IRIS
method).
Project
objectives
The main objective of this proposal is the development
and implementation of models and methodologies for energy efficiency assessment
in restructured power systems. Four main tasks will be carried out: development
of multiobjective models able to deal with all the
aspects under evaluation and usable by different entities; development of a
computational platform capable of simulating both the demand and the energy
efficiency actions at different demand aggregation levels; implementation of a
genetic algorithm suited for the identification and search for non-dominated
solutions; development of a decision support system (DSS) to be used in the assignment
of energy efficiency alternatives to pre-defined ordered categories.
Relatório
2008 / Report 2008
Este
relatório de progresso documenta o primeiro ano completo de trabalho do
projecto durante 2008, no qual o esforço de I&D no âmbito do
desenvolvimento de modelos multiobjectivo para problemas de eficiência
energética, em particular no sector eléctrico, foi enquadrado nas
seguintes vertentes principais.
-
Desenvolvimento de modelos de programação matemática com
múltiplas funções objectivo para problemas de controlo
directo de cargas. Este tipo de medidas de promoção da
eficiência energética, visando a alteração da forma
e/ou amplitude da procura, têm sido implementadas pelas operadoras, quer
com objectivos operacionais ou económicos, quer como suporte a
políticas energéticas e ambientais. Estes objectivos, em geral de
natureza conflituosa, continuam válidos mesmo em ambientes
reestruturados. com o aparecimento de diversas entidades nas diferentes
funções em que o sector eléctrico foi dividido. A
finalidade da implementação deste tipo de medidas pode
também variar de entidade para entidade, contribuindo para uma maior
dificuldade na sua avaliação, e requerendo uma visão
integrada dos diversos aspectos em jogo no problema (de natureza
económica, técnica, de qualidade de serviço, etc.). Um
propósito essencial nesta vertente do projecto é o
desenvolvimento de modelos de programação multiobjectivo que
possam ser usados para a avaliação de medidas de controlo directo
de cargas, para a promoção da eficiência energética,
a diferentes níveis de agregação da procura e de acordo
com os objectivos de diferentes potenciais promotores. Ainda neste âmbito
foram desenvolvidos e testados modelos “fisicamente baseados” para
a simulação dos cenários físicos que sintetizam a
procura ao nível de agregação na rede pretendido, tendo
como base a modelação de algumas utilizações finais
de electricidade, e cuja estrutura e parametrização possibilitam
a simulação das acções de promoção da
eficiência energética, em especial o controlo directo de cargas.
-
Ainda no quadro das redes eléctricas de distribuição foi
prosseguido o desenvolvimento de modelos de programação
matemática multiobjectivo para apoio ao planeamento da
localização e dimensionamento de condensadores para
compensação do factor de potência.
-
Fruto de uma cooperação internacional iniciada num projecto
anterior, foi prosseguido o trabalho na área da análise
multicritério para a avaliação da eficiência de
unidades de cogeração (biogás) na Áustria para o
qual foi possível obter dados reais.
-
Dado que as questões de promoção da eficiência
energética estão estreitamente ligadas aos edifícios (um
dos sectores cujo consumo de energia mais tem crescido) foram prosseguidos
estudos de simulação do comportamento térmico de
edifícios, tendo em vista avaliar o comportamento energético
futuro de várias soluções arquitectónicas e
construtivas, bem como auxiliar na selecção e dimensionamento dos
sistemas activos de apoio. Os resultados destas simulações
encontram-se a ser trabalhados para a sua incorporação futura em
modelos de apoio à decisão.
- A
reflexão teórica e metodológica sobre as questões de
eficiência energética ligadas à sustentabilidade deu ainda
origem, num contexto de cooperação internacional, a um trabalho
sobre a construção de uma oferta de formação em
Energia para a Sustentabilidade, na Universidade de Coimbra.
As
abordagens algorítmicas desenvolvidas no âmbito deste projecto
para a avaliação de medidas de eficiência energética
com modelos de programação multiobjectivo e/ou análise
multicritério têm proporcionado adicionalmente vários
resultados de natureza teórica e metodológica, por exemplo na
área das meta-heurísticas.
No
quadro deste projecto está a ser organizado um “stream” de
sessões com o tema “Energy, Environment & Climate”, na
23rd European Conference on Operational Research, a ter lugar em Bona, em Julho
de 2009, com organização de C. Henggeler Antunes (IP do
projecto), P. Letmathe (Univ. Siegen, Germany) e H.-J. Luethi (ETH Zurich,
Switzerland).
O projecto
enquadrou ainda, na sequencia de trabalhos realizados em projectos anteriores,
a preparação de três “special issues” de
revistas científicas internacionais (Energy Policy, International
Journal of Energy Sector Management e European Journal of Operational Research)
com o tema “Operational research models and methods in the energy
sector”.
Publicações
“Special issues” de revistas
científicas
Special Section
“Operational research models and methods in the energy sector”. C. Henggeler Antunes, A. Gomes
(Guest-Editors), Energy Policy, vol. 36, issue 7, 2293-2459, July 2008. [Inclui o texto: Henggeler Antunes, C., A. Gomes.
Operational research models and methods in the energy sector—Introduction
to the special issue, Energy Policy, vol. 36, issue 7, 2293-2295, July 2008]
Special issue “Operational research models and
methods in the energy sector”. C. Henggeler Antunes, A. Gomes (Eds.). International
Journal of Energy Sector Management, vol. 2, no. 3, 2008. [Inclui o texto: Henggeler Antunes, C., A. Gomes.
Guest Editorial, International Journal of Energy Sector Management, vol. 2, no.
3, 314-317, 2008]
Feature cluster
“Operational research models and methods in the energy sector”. C. Henggeler Antunes, A. Gomes (Eds.). European
Journal of Operational Research [disponível no site da Elsevier, aguarda
publicação].
Publicações
em revistas científicas com arbitragem
Alves, M. J.,
J. Clímaco, C. Henggeler Antunes, H. Jorge, A. G. Martins. "Stability
analysis of efficient solutions in multiobjective
integer programming: a case study in load management". Computers
and Operations Research, vol. 35, issue 1, 186-197, 2008. [Impact
Factor=1.147]
Gomes, A., C.
Henggeler Antunes, A. Martins. “Design of an Adaptive
Mutation Operator in an Electrical Load Management Case Study”. Computers
and Operations Research, vol. 35, issue 9, 2925 – 2936, 2008.
[IF=1.147]
Gouveia, M. C.,
L. C. Dias, C. Henggeler Antunes. "Additive DEA based on MCDA with imprecise
information". Journal of the Operational Research
Society, vol. 59 54-63, 2008. [IF=0.784]
Neves, L., A.
Martins, C. Henggeler Antunes, L. Dias. "A multi-criteria
decision approach to sorting actions for promoting energy efficiency". Energy Policy,
vol. 36, issue 7, 2351-2363, 2008. [IF=1.901]
Madlener, R., C. Henggeler Antunes, L. Dias.
“Assessing the performance of biogas plants with multi-criteria and data
envelopment analysis”. European Journal of Operational Research (aceite para publicação).
[IF=1.096]
Henggeler Antunes, C., C. Barrico, A.
Gomes, Dulce F. Pires, A.
G. Martins. ,"An evolutionary algorithm for reactive
power compensation in radial distribution networks". Applied Energy (aceite para publicação).
[IF=1.077]
Neves,
L., L. Dias. A. G. Martins, C. Henggeler Antunes. "Building a decision model
to appraise energy efficiency initiatives". European Journal of Operational Research (aceite para
publicação). [IF=1.096]
Publicações
em actas de eventos científicos com arbitragem
Coelho, D., C.
Henggeler Antunes, A. G. Martins. “Using SSM for
Structuring Decision Support in Urban Energy Planning”. Posters
and Doctoral Colloquium Proceedings of the IFIP TC8/WG8.3 Working Conference -
International Conference on Collaborative Decision Making (CDM’08), July
2008,
Henggeler
Antunes, C., A. Gomes, A. G. Martins. “A two-phase decision support approach
for the selection of load control actions”. Proceedings
of the IEEE Europe 2008 - International Engineering Management Conference,
41-45,
Gomes, A., C.
Henggeler Antunes, A. G. Martins. “Improving the
responsiveness of NSGA-II in dynamic environments using an adaptive mutation
operator – a case study”. In I. Lovrek, R.J. Howlett, and L.C. Jain (Eds.), “Knowledge-Based and
Intelligent Information & Engineering Systems” - 12th International Conference KES 2008, Zagreb, Croatia,
September 3-5-, 2008, Proceedings, Part I. Lecture Notes in Computer Science,
vol. 5177, 90–97, Springer-Verlag, 2008.
Tavares, P., A. G. Martins, A. Gaspar. “Analysis of the performance improvement of building passive
systems by the use of automation”. In Proceedings of the Conference Air Conditioning and the Low
Carbon Cooling Challenge,
Apresentações
em eventos científicos (para além das mencionadas no item
anterior)
Oliveira, C.,
C. Henggeler Antunes. “Um modelo multiobjectivo intervalar para o estudo
das interacções economia-energia-ambiente”. 13º
Congresso da APDIO - Associação Portuguesa de
Investigação Operacional, Vila Real 2008.
Teses de
Doutoramento (em curso)
Dulce Coelho,
“Apoio à Decisão em Planeamento Energético Urbano
Integrado”. Tese de Doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de
Computadores, especialidade de Sistemas de Energia, Universidade de Coimbra (em
curso).
Dulce
Fernão Pires, “Desenvolvimento de metodologias para tratar o
problema do planeamento/operação das redes de
distribuição de energia eléctrica”. Tese de
Doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores,
especialidade de Sistemas de Energia, Universidade de Coimbra (em curso).
Paulo Tavares,
“Estratégias de aumento do potencial bioclimático de
edifícios com recurso à automação”, Tese de
Doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores,
especialidade de Sistemas de Energia, Universidade de Coimbra (em curso).
Dissertações
de Mestrado (concluídas)
Nuno Enes de
Oliveira, “Avaliação da eficiência das áreas
de rede da EDP Distribuição”, Mestrado (pré-Bolonha)
em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (FCTUC). Aprovada em
Julho de 2008 com a classificação de Muito Bom.
Dissertações
de Mestrado (em curso)
Nelson Arcanjo,
“Compensação do factor de potência em redes radiais
usando GRASP - Greedy Randomized Adaptive
Search Procedure”, Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de
Computadores (FCTUC).
Paulo Lima,
“Compensação do factor de potência em redes radiais
usando Simulated Annealing”,
Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (FCTUC).
Artigos
submetidos para publicação
Pires, D. F.,
C. Henggeler Antunes, A. G. Martins. “An NSGA-II Based
Approach to VAR Planning in Radial Distribution Networks”.
Batterman,
S., A. G. Martins, C. Henggeler Antunes,
F. Freire, M. C. Gameiro
“Development and Application of Competencies for Graduate Programs in
Energy and Sustainability”.