Depletion of fossil fuels, deforestation, climate change, industrialization of developing countries, population growth, interactions between society and energy vectors, and governments efforts to guarantee affordable electricity prices to their populations are some of the factors that have motivated studies focused on the expansion of energy systems. These systems present complex factors and processes such as obtention of primary energy sources, energy conversion processes, market regulation, consumers behavior, infrastructure costs, generation costs, and supply and demand uncertainties. Under this context, statistical and optimization-based techniques have enabled researchers to better comprehend the role that energy plays on society, economy, and environment. Taking Brazil as a case study, this thesis investigates alternatives for energy use expansion, particularly in the power sector. Risks related to generation and transmission costs are studied under the light of portfolio theory. Through a new modelling framework that integrates an agent-based model with a portfolio theory-based model, impacts of second-generation ethanol production and land use constraints for biomass cultivation are assessed with respect to bioelectricity generation. Moreover, a statistical analysis based on K-means algorithm and hypothesis testing is conducted to investigate relations between sugarcane expansion, which is the main source for bioelectricity generation in Brazil, and human development. Also, a hierarchical multi-period and multiregion optimization modelling framework capable of dealing with uncertainties on renewable generation and cost minimization is applied. Results point that the expansion of bioelectricity is preferred among other thermopower sources; however, limited availability of sugarcane bagasse may reduce its expansion, mainly under a scenario where second-generation ethanol is produced in scale. From the socioeconomic perspective, it is evidenced that sugarcane investors express preference to locate their mills where human development is higher but benefits from sugarcane activities to local population is unclear. Finally, it is shown that the use of renewable technologies in the power sector is beneficial for both the environment and economical spheres; however, emissions reduction targets will not be achieved without new policies to accelerate their expansion.

Esgotamento de combustíveis fósseis, desmatamento, mudanças climáticas, industrialização de países em desenvolvimento, crescimento populacional, interações entre sociedade e fontes energéticas, e esforços dos governos para garantir preços de eletricidade acessíveis para suas populações são alguns dos fatores que têm motivado estudos voltados para a expansão de sistemas energéticos. Esses sistemas apresentam fatores e processos complexos, como obtenção de fontes de energia primária, processos de conversão de energia, regulação do mercado, comportamento dos consumidores, custos de infraestrutura, custos de geração e incertezas na oferta e demanda. Nesse contexto, técnicas estatísticas e de otimização têm permitido aos pesquisadores compreender melhor o papel que a energia desempenha na sociedade, economia e meio ambiente. Adotando o Brasil como estudo de caso, esta tese investiga alternativas para a expansão do uso de energia, principalmente no setor elétrico. Os riscos relacionados aos custos de geração e transmissão são estudados à luz da teoria de portfólios. Através de uma nova estrutura de modelagem que integra um modelo baseado em agentes com um modelo baseado na teoria de portfólios, os impactos da produção de etanol de segunda geração e as restrições de uso da terra para o cultivo de biomassa são avaliados com relação à geração de bioeletricidade. Além disso, uma análise estatística baseada no algoritmo K-means e testes de hipóteses é conduzida para investigar relações entre a expansão da cana-de-açúcar, principal fonte de geração de bioeletricidade no Brasil, e o desenvolvimento humano. Também, uma estrutura de modelagem hierárquica de otimização multiperíodo e multirregional capaz de lidar com as incertezas na geração renovável e com a minimização de custos é aplicada. Resultados apontam que a expansão da bioeletricidade é mais vantajosa do que outras fontes termelétricas; entretanto, a disponibilidade limitada de bagaço cana de açúcar pode reduzir sua expansão, principalmente em um cenário onde o etanol de segunda geração é produzido em escala. Do ponto de vista socioeconômico, evidencia-se que os investidores canavieiros têm preferência por localizar usinas onde o desenvolvimento humano é maior, mas os benefícios da atividade para a população local não são claros. Por fim, é evidenciado que o uso de tecnologias renováveis no setor elétrico é benéfico tanto para a esfera ambiental quanto econômica; entretanto, metas de redução de emissões não serão alcançadas sem novas políticas para acelerar sua expansão.