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A state-of-charge based formulation for storage participation in electricity markets: Technical Reference

Dieses Papier schlägt ein neuartiges Strommarktdesign für Speichergeräte vor, das technische Randbedingungen wie den Ladezustand und den Wirkungsgrad des Lade-Entlade-Zyklus einbezieht, indem es die Notwendigkeit kontinuierlicher Gebote innerhalb eines Zeithorizonts eliminiert und statlich ein einzelnes Gebot am Ende des Horizonts erfordert, um Abweichungen im Ladezustand zu steuern.

Ursprüngliche Autoren: Ross Baldick

Veröffentlicht 2026-06-16

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CC BY 4.0

Ursprüngliche Autoren: Ross Baldick

Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen

Stellen Sie sich das Stromnetz wie eine riesige, geschäftige Küche vor. In dieser Küche gibt es Köche (Kraftwerke), die Mahlzeiten (Strom) zubereiten, und Kunden, die diese bestellen. Lange Zeit hatte die Küche nur zwei Arten von Köchen: solche, die sofort kochen konnten, aber teuren Brennstoff benötigten (wie Gas- oder Kohlekraftwerke), und solche, die kostenlos kochten, aber nur, wenn die Sonne schien oder der Wind wehte (Solar- und Windkraft).

Kürzlich hat die Küche ein neues Werkzeug erhalten: eine riesige, magische Speisekammer (Energiespeicher). Diese Speisekammer kann Lebensmittel (Strom) aufnehmen, wenn sie günstig und im Überfluss vorhanden sind, sie speichern und sie später servieren, wenn sie teuer und knapp sind.

Das Problem ist, dass die aktuellen Regeln dafür, wie die Speisekammer an der Küche teilnimmt, verwirrend und ineffizient sind. Dieses Papier, geschrieben von Ross Baldick, schlägt einen neuen, einfacheren Satz von Regeln vor, um die Speisekammer besser arbeiten zu lassen.

Hier ist die Aufschlüsselung der Ideen des Papiers unter Verwendung einfacher Analogien:

1. Der alte Weg: Das „Ratespiel“

Derzeit muss der Besitzer der Speisekammer wie ein Wahrsager agieren. Um zu entscheiden, wann er die Speisekammer füllen und wann er sie leeren soll, muss er für jede einzelne Stunde des nächsten Tages eine Liste mit Preisen einreichen.

Der Fehler: Er muss raten, wie hoch der Strompreis um 14:00 Uhr, 15:00 Uhr, 16:00 Uhr usw. sein wird.
Das Ergebnis: Wenn er falsch rät, trifft er schlechte Entscheidungen. Er könnte die Speisekammer füllen, wenn er eigentlich Platz hätte sparen sollen, oder sie leeren, wenn er eigentlich hätte warten sollen. Dies führt zu verschwendetem Geld und einer weniger effizienten Küche. Es ist, als würde man versuchen, Schach zu spielen, während man die Augen verbunden hat und rät, wohin der Gegner ziehen wird.

2. Der neue Weg: Der „Ladestands“-Ansatz (State of Charge - SOC)

Der Autor schlägt ein System vor, bei dem der Besitzer der Speisekammer nicht die stündlichen Preise erraten muss. Stattdessen sagt er dem Küchenmanager (dem Marktbetreiber) nur eine einfache Sache:

„Ich möchte, dass meine Speisekammer am Ende des Tages zu X % gefüllt ist.“

Der Küchenmanager verwendet dann einen Supercomputer, um den besten Weg zu finden, die Speisekammer über den Tag verteilt zu füllen und zu leeren, um dieses Ziel zu erreichen und gleichzeitig die gesamte Küche effizient am Laufen zu halten.

3. Die Kernmerkmale des neuen Systems

Die „Round-Trip“-Steuer (Effizienz)
Das Papier erkennt an, dass die Speisekammer nicht perfekt ist. Wenn Sie 100 Äpfel hineingeben, bekommen Sie später vielleicht nur 90 heraus, weil einige zerquetscht wurden oder verrottet sind (dies wird als Round-Trip-Effizienz bezeichnet). Die neue Mathematik berücksichtigt diesen Verlust automatisch, sodass der Küchenmanager genau weiß, wie viel „Lebensmittel“ tatsächlich verfügbar ist.

Das „Ende-des-Tages“-Gebot
Anstatt jedes Mal eine stündliche Schätzung abzugeben, platziert der Besitzer der Speisekammer nur eine einzige Wette: „Ich bin bereit, (oder bereit zu), X $ zu zahlen (oder zu akzeptieren), um die Speisekammer am Ende des Tages mit einer anderen Menge an Lebensmitteln als zu Beginn des Tages zu haben.“

Wenn er glaubt, dass der Strom morgen sehr teuer sein wird, könnte er bieten, die Speisekammer am Ende des Tages voller zu haben.
Wenn er glaubt, dass es günstig sein wird, könnte er bieten, die Speisekammer am Ende des Tages leerer zu haben.
Dieses einzelne Gebot ersetzt hunderte von stündlichen Schätzungen.

Die „Degradations“-Kosten
Genau wie ein echtes Küchenregal abgenutzt wird, wenn man es zu oft öffnet und schließt, nutzt sich auch das Speichermedium bei jedem Laden und Entladen ab. Das neue Modell enthält eine kleine „Verschleiß“-Kostenrechnung in der Mathematik, um sicherzustellen, dass die Speisekammer nicht überbeansprucht wird.

4. Warum das wichtig ist (Der „Aha!“-Moment)

Das Papier argumentiert, dass das aktuelle System die Besitzer von Speichern dazu zwingt, ein Spiel zu spielen, in dem sie nicht gut sind (die Zukunft vorherzusagen). Das neue System ermöglicht es dem Besitzer der Speisekammer, sich auf das zu konzentrieren, was er weiß (wie viel Energie er am Ende des Tages haben möchte), und überlässt dem Marktbetreiber die komplexe Mathematik darüber, wann diese Energie bewegt werden soll.

Die Analogie des Pendlers:

Alter Weg: Sie müssen Ihrem Chef für jeden einzelnen Tag des nächsten Monats exakt sagen, wann Sie das Haus verlassen und wann Sie bei der Arbeit ankommen, wobei Sie die Verkehrsbedingungen erraten müssen. Wenn Sie falsch raten, werden Sie entlassen (oder zahlen eine Strafe).
Neuer Weg: Sie sagen Ihrem Chef einfach: „Ich muss um 9:00 Uhr bei der Arbeit sein.“ Der Chef (der Markt) findet dann den besten Weg und die beste Abfahrtszeit für Sie unter Berücksichtigung von Verkehr, Straßensperrungen und Treibstoffkosten. Sie tauchen einfach auf, wenn Sie gebraucht werden.

5. Der „Nebeneffekt“: Hilfe für normale Menschen

Das Papier schlägt auch vor, dass dieselbe „Speisekammer“-Logik auf normale Stromverbraucher (wie Fabriken oder sogar Haushalte) angewendet werden könnte.

Stellen Sie sich eine Fabrik vor, die pro Tag 1.000 Einheiten Energie benötigt, aber es nicht darauf ankommt, wann sie diese nutzt.
Unter den neuen Regeln könnte die Fabrik wie ein „Speichergerät“ agieren. Sie könnten sagen: „Ich brauche 1.000 Einheiten bis zum Ende des Tages.“ Der Markt würde dann ihren Verbrauch automatisch auf die günstigsten Zeiten des Tages verschieben, was ihnen Geld spart, ohne dass sie Experten für Strompreise sein müssen.

Zusammenfassung

Das Papier schlägt einen smarteren Weg vor, den Strommarkt für Speicher zu betreiben. Anstatt die Besitzer von Speichern zu zwingen, den zukünftigen Strompreis jede Stunde vorherzusagen, erlaubt es ihnen einfach, ihr Ziel anzugeben, wie viel Energie sie am Ende des Tages übrig haben möchten. Der Markt übernimmt dann die schwere Arbeit, um den effizientesten Weg dorthin zu finden, was Geld spart und das Netz zuverlässiger macht.

Technisches Resümee: Eine auf dem Ladezustand basierende Formulierung für die Teilnahme von Speichern an Elektrizitätsmärkten

Problemstellung
Die Arbeit befasst sich mit der Herausforderung, hohe Anteile von Energiespeichersystemen (ESS) in Elektrizitätsmärkte zu integrieren, insbesondere da die Durchdringung erneuerbarer Energien zunimmt und steuerbare thermische Ressourcen abnehmen. Der Autor argumentiert, dass aktuelle Marktdesigns in den US-organisierten Märkten (betrieben von ISOs/RTOs) ESS unzureichend repräsentieren. Der vorherrschende Ansatz modelliert Speicher als ein Paar aus Erzeuger und Last, was den Speicherbesitzer dazu zwingt, intervallweise Gebote (für das Laden) und Angebote (für das Entladen) über den gesamten Dispatch-Horizont hinweg einzureichen.

Dieser traditionelle Ansatz zwingt ESS-Besitzer dazu, die Strompreise innerhalb des Dispatch-Horizonts zu prognostizieren, um optimale Lade- und Entladeentscheidungen zu treffen. Die Arbeit führt aus, dass solche Prognosen aufgrund der Unsicherheit hinsichtlich zufälliger Ereignisse (z. B. Erzeugung erneuerbarer Energien) und Systembedingungen inhärent fehleranfällig sind. Folglich führen Prognosefehler zu suboptimalem Dispatch, erhöhten Betriebskosten und verringerter Markteffizienz. Darüber hinaus verschärft, wenn die ESS-Durchdringung steigt, die Endogenität der Preisprognosen (bei der die Prognose eines ESS von den Handlungen anderer abhängt) diese Ineffizienzen. Das Papier postuliert, dass aktuelle Modelle die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Speichern – nämlich die zeitliche Kopplung über den Ladezustand (State-of-Charge, SOC) und den Wirkungsgrad des Lade-Entlade-Zyklus ohne Brennstoffkosten – nicht erfassen können.

Methodik
Das Papier schlägt ein Marktdesign vor, bei dem der unabhängige Systembetreiber (ISO) den Ladezustand (SOC) des ESS zentral optimiert und dabei technische Merkmale wie den Wirkungsgrad des Lade-Entlade-Zyklus sowie SOC-Grenzen explizit modelliert.

Formulierung: Der Dispatch-Horizont wird in Intervalle $t = 1, \dots, T$ unterteilt. Der ISO definiert Variablen für die Ladeleistung ( $p_t$ ), die Entladeleistung ( $g_t$ ) und den Ladezustand ( $s_t$ ).
SOC-Dynamik: Der SOC entwickelt sich gemäß einer linearen Gleichung, die den Ladeeffizienz ( $\alpha$ ), die Entladeeffizienz ( $\beta$ ) und die Selbstentladung ( $\gamma$ ) berücksichtigt. Entscheidend ist, dass das Modell erzwingt, dass Laden und Entladen nicht gleichzeitig stattfinden können.
Kostenstruktur: Das Modell enthält Degradationskosten, die proportional zu den Lade- und Entladeraten sind.
Gebots-/Angebotsmechanismus: Anstatt intervallweiser Gebote reicht der ESS-Besitzer ein:
1. Technische Parameter (Kapazität, Effizienz, Degradationskoeffizienten) ein.
2. Ein einzelnes End-of-Horizon-Gebot/Angebot. Dies ist eine Zahlungsbereitschaftsfunktion, $w(\Delta s_T)$ , welche den Wert darstellt, die Abweichung des endgültigen SOC ( $s_T$ ) vom „Nicht-Teilnahme“-SOC ( $\bar{s}_T$ , der SOC, falls der ESS nichts tun würde).
Optimierung: Der ISO löst ein Wohlfahrtsmaximierungsproblem (Minimierung der Gesamtsystemkosten einschließlich Degradation und Subtraktion der Gebotsvorteile) unter Berücksichtigung von Leistungsbilanz, Übertragungsgrenzen und der SOC-Dynamik. Die locational marginal prices (LMPs) werden aus den Lagrange-Multiplikatoren der Systembeschränkungen abgeleitet.
Abrechnung: Die Abrechnung erfolgt auf Basis der geladenen und entladenen Energie zu den LMPs zuzüglich des Gebotsvorteils für die SOC-Abweichung. Es gibt keine direkte Vergütung für den SOC selbst.

Wesentliche Beiträge

Eliminierung der Preisprognose innerhalb des Horizonts: Der primäre Beitrag ist ein Marktdesign, das die Notwendigkeit für ESS-Besitzer beseitigt, die Preise innerhalb des Dispatch-Horizonts zu prognostizieren. Der ISO übernimmt die zeitliche Optimierung, während der ESS lediglich den Wert der Energie nach Ende des Horizonts bewerten muss.
Getreue technische Repräsentation: Das Modell integriert den Wirkungsgrad des Lade-Entlade-Zyklus und die SOC-Beschränkungen explizit in die zentrale Dispatch-Optimierung, was den Anforderungen von FERC Order 841 entspricht, die einzigartigen Merkmale elektrischer Speicherressourcen anzuerkennen.
Effizienz und Skalierbarkeit: Durch die Entkopplung des ESS von der Notwendigkeit, volatile Intra-Horizon-Preise vorherzusagen, zielt das Design darauf ab, den durch Prognosefehler verursachten suboptimalen Dispatch zu reduzieren. Das Papier verweist auf aktuelle Arbeiten, die zeigen, dass das Lösen dieser Formulierung für über 100 ESS-Einheiten in großskaligen Systemen (z. B. MISO) innerhalb der Zeitrahmen von Vortagesmärkten rechnerisch machbar ist.
Erweiterung auf nachfrageseitige Ressourcen: Das Papier zeigt auf, dass das SOC-Modell spezialisiert werden kann, um preisreaktive Nachfrage (z. B. industrielle Lasten mit täglichen Energieanforderungen) darzustellen, indem die Ladekapazität auf Null gesetzt wird und die Last als energiebegrenzte Ressource behandelt wird.

Ergebnisse
Das Papier illustriert das vorgeschlagene Design anhand eines stilisierten Vortagesmarkt-Beispiels mit 6 Intervallen, das thermische Erzeugung, regenerative Erzeugung und einen einzelnen ESS umfasst.

Basisfall: Bei moderaten zukünftigen Preisfeststellungen lädt der ISO den ESS während Phasen mit niedrigen Preisen bzw. hohem regenerativen Angebot auf und entlädt ihn während Phasen mit hoher Nachfrage. Der ESS erzielt einen positiven Überschuss, ohne spezifische Intervallpreise vorhersagen zu müssen.
Hohe Zahlungsbereitschaft: Wenn der ESS höhere zukünftige Preise prognostiziert, passt der ISO den Dispatch so an, dass mehr Energie zurückgehalten wird (höherer End-of-Horizon-SOC), was die Grenzkostenbildung in späteren Intervallen verändert.
Vergleich zu aktuellen Designs: Das Papier argumentiert, dass bei Verwendung von Intervall-Geboten der gleiche wohlfahrtsoptimale Dispatch erfordert hätte, dass der ESS Gebote abgibt, die exakt den Clearing-Preisen entsprechen. Wenn der ESS feste Preise oder unvollkommene Prognosen verwendet, würde dies wahrscheinlich zu einem negativen Überschuss oder einem suboptimalen Dispatch führen. Das vorgeschlagene Modell garantiert einen positiven Überschuss (Arbitragegewinn), ohne eine Intra-Horizon-Preisprognose zu erfordern.

Bedeutung und Ansprüche
Das Papier behauptet, dass seine vorgeschlagene Formulierung einen robusteren und effizienteren Mechanismus für die Teilnahme von Speichern bietet, insbesondere wenn die ESS-Durchdringung zunimmt. Es argumentiert, dass die derzeitige Abhängigkeit der ESS-Besitzer von der Prognose der Intra-Horizon-Preise ein struktureller Fehler ist, der zu operativen Herausforderungen führt, die denen bei ungenauen Übertragungs- oder Einheitszuordnung-Modellen ähneln.

Der Autor betont, dass das Design mit der Philosophie der US-organisierten Märkte kompatibel ist, die historisch darauf angewiesen waren, technische Merkmale (z. B. Übertragungsbeschränkungen, Einheitszuordnungskosten) explizit darzustellen, um die Wohlfahrt zu verbessern. Indem der SOC und der Wirkungsgrad des Lade-Entlade-Zyklus als zentral für die Optimierung und nicht bloß als Beschränkungen für nutzerseitig eingereichte Gebote behandelt werden, entspricht das Design dem Mandat der FERC Order 841, Barrieren für die Teilnahme von Speichern zu beseitigen. Das Papier schließt damit, dass das Modell zwar signifikante Änderungen an bestehenden Marktstrukturen erfordert und die Behandlung von Regelleistung (Ancillary Services) für die Zukunft offen lässt, aber eine notwendige Grundlage für die Skalierung der Speicherintegration in Systemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien bietet.