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

Cet article propose une nouvelle conception de marché de l'électricité pour les dispositifs de stockage qui intègre des contraintes techniques telles que l'état de charge et l'efficacité de l'aller-retour en éliminant la nécessité d'enchères continues au cours de l'horizon tout en exigeant une offre unique de fin d'horizon pour gérer les écarts de l'état de charge.

Auteurs originaux : Ross Baldick

Publié 2026-06-16

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Ross Baldick

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez le réseau électrique comme une cuisine géante et trépidante. Dans cette cuisine, il y a des chefs (les centrales électriques) qui préparent des repas (l'électricité) et des clients qui passent commande. Pendant longtemps, la cuisine n'avait que deux types de chefs : ceux qui pouvaient cuisiner instantanément mais nécessitaient un carburant coûteux (comme les centrales à gaz ou au charbon), et ceux qui cuisinaient gratuitement mais seulement quand le soleil brillait ou que le vent soufflait (le solaire et l'éolien).

Récemment, la cuisine a acquis un nouvel outil : un immense garde-manger magique (le stockage d'énergie). Ce garde-manger peut prendre de la nourriture (l'électricité) quand elle est peu chère et abondante, la stocker, puis la servir plus tard, quand elle est chère et rare.

Le problème est que les règles actuelles de participation de ce garde-manger à la cuisine sont confuses et inefficaces. Ce document, écrit par Ross Baldick, propose un nouvel ensemble de règles plus simples pour faire mieux fonctionner le garde-manger.

Voici la décomposition des idées du document en utilisant des analogies simples :

1. L'ancienne méthode : Le « jeu de devinettes »

Actuellement, le propriétaire du garde-manger doit agir comme un devin. Pour décider quand remplir le garde-manger et quand le vider, il doit soumettre une liste de prix pour chaque heure de la journée suivante.

Le défaut : Il doit deviner quel sera le prix de l'électricité à 14h00, 15h00, 16h00, etc.
Le résultat : S'il se trompe dans ses prévisions, il prend de mauvaises décisions. Il pourrait remplir le garde-manger alors qu'il aurait dû garder de l'espace, ou le vider alors qu'il aurait dû attendre. Cela conduit à un gaspillage d'argent et à une cuisine moins efficace. C'est comme essayer de jouer aux échecs avec un bandeau sur les yeux, en devinant les mouvements de son adversaire.

2. La nouvelle méthode : L'approche par « État de Charge » (SOC)

L'auteur propose un système où le propriétaire du garde-manger n'a pas besoin de deviner les prix horaires. Au lieu de cela, il dit simplement au gestionnaire de la cuisine (l'opérateur du marché) une chose simple :

« Je veux que mon garde-manger soit rempli à X % à la fin de la journée. »

Le gestionnaire de la cuisine utilise ensuite un super-ordinateur pour déterminer la meilleure façon de remplir et de vider le garde-manger tout au long de la journée afin d'atteindre cet objectif tout en assurant le fonctionnement efficace de toute la cuisine.

3. Les caractéristiques clés du nouveau système

La « taxe de cycle complet » (Efficacité)
Le document reconnaît que le garde-manger n'est pas parfait. Si vous mettez 100 pommes dedans, vous n'en récupérerez peut-être que 90 plus tard parce que certaines ont été écrasées ou ont pourri (ce qu'on appelle l'efficacité de cycle complet ou rendement de l'aller-retour). Les nouveaux calculs intègrent cette perte automatiquement, afin que le gestionnaire de la cuisine sache exactement quelle quantité de « nourriture » est réellement disponible.

L'offre de « fin de journée »
Au lieu de deviner chaque heure, le propriétaire du garde-manger ne fait qu'un seul pari : « Je suis prêt à payer (ou à accepter) X $ pour que mon garde-manger se termine la journée avec une quantité de nourriture différente de celle du début. »

S'il pense que l'électricité sera très chère demain, il pourrait proposer de terminer la journée avec le garde-manger plus plein.
S'il pense qu'elle sera peu chère, il pourrait proposer de terminer la journée avec le garde-manger plus vide.
Ce pari unique remplace des centaines de devinettes horaires.

Le coût de « dégradation »
Tout comme une étagère de garde-manger réelle s'use si on l'ouvre et la ferme trop souvent, le dispositif de stockage s'use à chaque fois qu'il charge et décharge. Le nouveau modèle inclut un petit coût d'« usure et de fatigue » dans les calculs, garantissant que le garde-manger n'est pas surmené.

4. Pourquoi cela importe (Le moment « Eurêka ! »)

Le document soutient que le système actuel force les propriétaires de stockage à jouer un jeu qu'ils ne maîtrisent pas (prédire l'avenir). Le nouveau système permet au propriétaire du stockage de se concentrer sur ce qu'il sait (quelle quantité d'énergie il veut avoir à la fin de la journée) et laisse l'opérateur du marché gérer les calculs complexes pour savoir quand déplacer cette énergie.

L'analogie du pendulaire :

L'ancienne méthode : Vous devez dire à votre patron l'heure exacte à laquelle vous quitterez votre maison et l'heure à laquelle vous arriverez au travail pour chaque jour du mois prochain, en devinant les conditions de circulation. Si vous vous trompez, vous êtes licencié (ou vous payez une pénalité).
La nouvelle méthode : Vous dites simplement à votre patron : « Je dois être au travail à 9h00. » Le patron (le marché) détermine ensuite le meilleur itinéraire et l'heure de départ idéale pour vous, en tenant compte du trafic, des fermetures de routes et des coûts de carburant. Vous vous présentez simplement quand vous devez être là.

5. L'effet secondaire : Aider les utilisateurs ordinaires

Le document suggère également que cette logique de « garde-manger » pourrait être appliquée aux utilisateurs d'électricité ordinaires (comme les usines ou même les foyers).

Imaginez une usine qui a besoin d'utiliser 1 000 unités d'énergie par jour, mais qui ne se soucie pas du moment où elle les utilise.
Sous les nouvelles règles, l'usine pourrait agir comme un « dispositif de stockage ». Elle pourrait dire : « J'ai besoin de 1 000 unités d'ici la fin de la journée. » Le marché déplacerait alors automatiquement sa consommation vers les moments les moins chers de la journée, lui faisant économiser de l'argent sans qu'elle ait besoin d'être experte en prix d'électricité.

Résumé

Le document propose une manière plus intelligente de gérer le marché de l'électricité pour le stockage. Au lieu de forcer les propriétaires de stockage à deviner le prix futur de l'électricité chaque heure, il leur permet simplement d'énoncer leur objectif concernant la quantité d'énergie qu'ils souhaitent avoir à la fin de la journée. Le marché effectue ensuite le gros du travail pour trouver la manière la plus efficace d'y parvenir, ce qui permet d'économiser de l'argent et de rendre le réseau plus fiable.

Résumé Technique : Une formulation basée sur l'état de charge pour la participation des systèmes de stockage aux marchés de l'électricité

Énoncé du problème
Le document traite du défi que représente l'intégration de niveaux élevés de systèmes de stockage d'énergie (SSE) dans les marchés de l'électricité, particulièrement à mesure que la pénétration des énergies renouvelables augmente et que les ressources thermiques pilotables diminuent. L'auteur soutient que les conceptions de marché actuelles dans les marchés organisés américains (opérés par les ISO/RTO) représentent inadéquatement les SSE. L'approche prédominante modélise le stockage comme une paire de générateur et de charge, obligeant le propriétaire du stockage à soumettre des offres et des appels d'offres intervalle par intervalle (pour la charge) et de décharge sur l'horizon de répartition.

Cette approche traditionnelle force les propriétaires de SSE à prévoir les prix de l'électricité au sein de l'horizon de répartition pour prendre des décisions optimales de charge et de décharge. L'auteur soutient que de telles prévisions sont intrinsèquement sujettes à l'incertitude concernant les événements aléatoires (ex. : production renouvelable) et les conditions du système. Par conséquent, les erreurs de prévision entraînent une répartition sous-optimale, des coûts opérationnels accrus et une efficacité de marché réduite. De plus, à mesure que la pénétration des SSE croît, l'endogénéité des prévisions de prix (où la prévision d'un SSE dépend des actions des autres) exacerbe ces inefficacités. Le document pose que les modèles actuels ne parviennent pas à capturer les caractéristiques physiques fondamentales du stockage : les liens intertemporels via l'état de charge (SOC) et l'efficacité de l'aller-retour, sans coût de combustible.

Méthodologie
Le document propose un modèle de marché où l'opérateur de système indépendant (ISO) optimise centralement la trajectoire de l'état de charge (SOC) du SSE, en modélisant explicitement les caractéristiques techniques telles que l'efficacité de l'aller-retour et les limites de SOC.

Formulation : L'horizon de répartition est divisé en intervalles $t = 1, \dots, T$ . L'ISO définit des variables pour la puissance de charge ( $p_t$ ), la puissance de décharge ( $g_t$ ) et le SOC ( $s_t$ ).
Dynamique du SOC : Le SOC évolue selon une équation linéaire incorporant l'efficacité de charge ( $\alpha$ ), l'efficacité de décharge ( $\beta$ ) et l'autodécharge ( $\gamma$ ). Crucialement, le modèle impose que la charge et la décharge ne puissent pas se produire simultanément.
Structure des coûts : Le modèle inclut des coûts de dégradation proportionnels aux taux de charge et de décharge.
Mécanisme d'offre/appel d'offres : Au lieu d'appels d'offres intervalle par intervalle, le propriétaire du stockage soumet :
1. Des paramètres techniques (capacité, efficacité, coefficients de dégradation).
2. Une offre/appel d'offres unique de fin d'horizon. Il s'agit d'une fonction de volonté de payer, $w(\Delta s_T)$ , représentant la valeur de la déviation du SOC final ( $s_T$ ) par rapport au SOC de « non-participation » ( $\bar{s}_T$ , le SOC si le SSE n'intervenait pas).
Optimisation : L'ISO résout un problème de maximisation du bien-être (minimisation du coût total du système, incluant la dégradation, et soustraction des bénéfices des offres) sous contraintes d'équilibre de puissance, de transmission et de dynamique de SOC. Les prix marginaux locaux (LMP) sont dérivés des multiplicateurs de Lagrange des contraintes du système.
Règlement : Le règlement est basé sur l'énergie chargée et déchargée aux LMP, plus le bénéfice de l'offre pour la déviation du SOC final. Il n'y a pas de paiement direct pour le SOC lui-même.

Contributions clés

Élimination de la prévision des prix intra-horizon : La principale contribution est un modèle de marché qui élimine l'obligation pour les propriétaires de SSE de prévoir les prix au sein de l'horizon de répartition. L'ISO gère l'optimisation intertemporelle, tandis que le SSE doit seulement évaluer la valeur de l'énergie après la fin de l'horizon.
Représentation technique fidèle : Le modèle incorpore explicitement l'efficacité de l'aller-retour et les contraintes de SOC dans l'optimisation de la répartition centrale, s'alignant sur les exigences de l'Ordre 841 de la FERC pour reconnaître les caractéristiques uniques des ressources de stockage électrique.
Efficacité et extensibilité : En découplant le SSE de la nécessité de prédire les prix volatils intra-horizon, le modèle vise à réduire la sous-optimalité de la répartition causée par les erreurs de prévision. Le document cite des travaux récents indiquant que la résolution de cette formulation pour plus de 100 unités de SSE dans des systèmes à grande échelle (ex. : MISO) est informatiquement réalisable dans les délais du marché la veille (day-ahead).
Extension aux ressources de la demande : Le document démontre que le modèle de SOC peut être spécialisé pour représenter la demande sensible au prix (ex. : charges industrielles avec des besoins énergétiques quotidiens) en fixant la capacité de charge à zéro et en traitant la charge comme une ressource limitée en énergie.

Résultats
Le document illustre le modèle proposé via un exemple stylisé de marché la veille comprenant 6 intervalles, présentant de la génération thermique, de la génération renouvelable et un seul SSE.

Cas de base : Avec des prévisions de prix futurs modérées, l'ISO charge de manière optimale le SSE pendant les intervalles de bas prix/riches en renouvelables et décharge pendant les intervalles de haute demande. Le SSE réalise un surplus positif sans avoir besoin de prédire les prix spécifiques de chaque intervalle.
Haute volonté de payer : Lorsque le SSE prévoit des prix futurs plus élevés, l'ISO ajuste la répartition pour conserver plus d'énergie (SOC de fin d'horizon plus élevé), modifiant ainsi la tarification marginale dans les intervalles ultérieurs.
Comparaison avec les conceptions actuelles : Le document soutient que si des appels d'offres intervalle par intervalle étaient utilisés, atteindre la même répartition optimale pour le bien-être nécessiterait que le SSE soumette des offres correspondant parfaitement aux prix de règlement. Si le SSE utilise des prix fixes ou des prévisions imparfaites, il aboutirait probablement à un surplus négatif ou à une répartition sous-optimale. Le modèle proposé garantit un surplus positif (profit d'arbitrage) sans nécessiter de prédiction de prix intra-horizon.

Signification et affirmations
Le document affirme que sa formulation proposée offre un mécanisme plus robuste et efficace pour la participation du stockage, particulièrement à mesure que la pénétration du stockage augmente. Il soutient que la dépendance actuelle des propriétaires de SSE à la prévision des prix intra-horizon est un défaut structurel qui entraîne des défis opérationnels analogues à ceux causés par des modèles de transmission ou d'engagement d'unités inexacts.

L'auteur souligne que la conception est compatible avec la philosophie des marchés organisés américains, qui ont historiquement évolué pour représenter explicitement les caractéristiques techniques (ex. : contraintes de transmission, coûts d'engagement d'unités) afin d'améliorer le bien-être. En traitant le SOC et l'efficacité de l'aller-retour comme centraux pour l'optimisation plutôt que comme des contraintes sur les offres soumises par les utilisateurs, la conception respecte le mandat de l'Ordre 841 de la FERC visant à lever les barrières à la participation du stockage. Le document conclut que, bien que le modèle nécessite des changements importants dans les structures de marché existantes et laisse les services auxiliaires pour des travaux futurs, il fournit une fondation nécessaire pour l'intégration du stockage dans les réseaux à haute teneur en énergies renouvelables.