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

Sintesi Tecnica: Una formulazione basata sullo Stato di Carica per la partecipazione dei sistemi di accumulo nei mercati dell'elettricità

Definizione del problema
Il documento affronta la sfida dell'integrazione di elevati livelli di sistemi di accumulo dell'energia (ESS) nei mercati dell'elettricità, in particolare con l'aumentare della penetrazione delle rinnovabili e la diminuzione delle risorse termiche programmabili. L'autore sostiene che i modelli di mercato attuali nei mercati organizzati degli Stati Uniti (gestiti da ISO/RTO) rappresentano inadeguatamente gli ESS. L'approccio prevalente modella l'accumulo come una coppia di generatore e carico, richiedendo al proprietari dell'ESS di presentare offerte e bid intervallo per intervallo (per la carica) e offerto (per la scarica) lungo l'orizzonte di dispacciamento.

Questo approccio tradizionale costringe i proprietari di ESS a prevedere i prezzi dell'elettricità all'interno dell'orizzonte di dispacciamento per prendere decisioni ottimali di carica e scarica. Il documento sostiene che tali previsioni sono intrinsecamente soggette all'incertezza derivante da eventi casuali (ad es. produzione da rinnovabili) e condizioni di sistema. Di conseguenza, gli errori di previsione portano a un dispacciamento sub-ottimale, a costi operativi aumentati e a una ridotta efficienza del mercato. Inoltre, con la crescita della penetrazione degli ESS, l'endogeneità delle previsioni di prezzo (dove la previsione di un ESS dipende dalle azioni di altri) esacerba tali inefficienze. Il documento pone che i modelli attuali non riescono a catturare le caratteristiche fisiche fondamentali dell'accumulo: i collegamenti inter-temporali tramite lo Stato di Carica (SOC) e l'efficienza di carica e scarica (round-trip efficiency), senza costi di combustibile.

Metodologia
Il documento propone un design di mercato in cui l'Operatore di Sistema Indipendente (ISO) ottimizza centralmente la traiettoria dello Stato di Carica (SOC) dell'ESS, modellando esplicitamente le caratteristiche tecniche come l'efficienza di carica e scarica e i limiti del SOC.

• Formulazione: L'orizzonte di dispacciamento è diviso in intervalli $t = 1, \dots, T$. L'ISO definisce le variabili per la potenza di carica ($p_t$), la potenza di scarica ($g_t$) e il SOC ($s_t$).
• Dinamica del SOC: Il SOC evolve secondo un'equazione lineare che incorpora l'efficienza di carica ($\alpha$), l'efficienza di scarica ($\beta$) e l'autodiscarica ($\gamma$). Fondamentalmente, il modello impone che non possano verificarsi contemporaneamente carica e scarica.
• Struttura dei costi: Il modello include i costi di degradazione proporzionali ai tassi di carica e scarica.
• Meccanismo di Bid/Offer: Invece di bid intervallo per intervallo, il proprietario dell'accumulo presenta:
  1. Parametri tecnici (capacità, efficienza, coefficienti di degradazione).
  2. Un singolo bid/offer di fine orizzonte. Si tratta di una funzione di disponibilità a pagare, $w(\Delta s_T)$, che rappresenta il valore della deviazione del SOC finale ($s_T$) rispetto al SOC di "non partecipazione" ($\bar{s}_T$, ovvero il SOC se l'ESS non facesse nulla).
• Ottimizzazione: L'ISO risolve un problema di massimizzazione del benessere (minimizzazione del costo totale del sistema, inclusa la degradazione, sottraendo i benefici dei bid) soggetto a vincoli di bilancio di potenza, vincoli di trasmissione e dinamiche del SOC. I Prezzi Marginali Locali (LMP) sono derivati dai moltiplicatori di Lagrange dei vincoli di sistema.
• Regolamento (Settlement): Il regolamento si basa sull'energia caricata e scaricata agli LMP, più il beneficio del bid per la deviazione del SOC finale. Non esiste un pagamento diretto per il SOC stesso.

Contributi chiave

1. Eliminazione della previsione dei prezzi nell'orizzonte temporale: Il contributo principale è un design di mercato che elimina l'obbligo per i proprietari di ESS di prevedere i prezzi all'interno dell'orizzonte di dispacciamento. L'ISO gestisce l'ottimizzazione inter-temporale, mentre l'ESS deve solo valutare il valore dell'energia dopo la fine dell'orizzonte.
2. Rappresentazione tecnica fedele: Il modello incorpora esplicitamente l'efficienza di carica e scarica e i vincoli del SOC nell'ottimizzazione centrale del dispacciamento, allineandosi ai requisiti dell'Ordine FERC 841 per riconoscere le caratteristiche uniche delle risorse di accumulo elettrico.
3. Efficienza e scalabilità: Decoupling (disaccoppiamento) l'ESS dalla necessità di prevedere i prezzi volatili intra-orizzonte, il design mira a ridurre la sub-ottimalità del dispacciamento causata dagli errori di previsione. Il documento cita studi recenti che indicano come la risoluzione di questa formulazione per oltre 100 unità ESS in sistemi su larga scala (ad es. MISO) sia computazionalmente fattibile entro i tempi del mercato day-ahead.
4. Estensione alle risorse lato domanda: Il documento dimostra che il modello SOC può essere specializzato per rappresentare la domanda sensibile al prezzo (ad es. carichi industriali con requisiti energetici giornalieri) impostando la capacità di carica a zero e trattando il carico come una risorsa limitata dall'energia.

Risultati
Il documento illustra il design proposto attraverso un esempio stilizzato di mercato day-ahead a 6 intervalli, caratterizzato da generazione termica, generazione da fonti rinnovabili e un singolo ESS.

• Caso Base: Con previsioni di prezzi futuri moderate, l'ISO carica l'ESS durante gli intervalli a basso prezzo/ricchi di rinnovabili e lo scarica durante gli intervoli ad alta domanda. L'ESS ottiene un surplus positivo senza dover prevedere i prezzi specifici degli intervalli.
• Alta disponibilità a pagare: Quando l'ESS prevede prezzi futuri più elevati, l'ISO adatta il dispacciamento per trattenere più energia (SOC di fine orizzonte più elevato), alterando la determinazione del prezzo marginale negli intervalli successivi.
• Confronto con i design attuali: Il documento sostiene che, se venissero utilizzati i bid intervallo per intervallo, ottenere lo stesso dispacciamento ottimale per il benessere richiederebbe che l'ESS presentasse bid che corrispondessero perfettamente ai prezzi di clearing. Se l'ESS utilizza prezzi fissi o previsioni imperfette, probabilmente risulterebbe in un surplus negativo o in un dispacciamento sub-ottimale. Il modello proposto garantisce un surplus positivo (profitto da arbitraggio) senza richiedere la previsione dei prezzi intra-orizzonte.

Significatività e affermazioni
Il documento afferma che la formulazione proposta offre un meccanismo più robusto ed efficiente per la partecipazione dell'accumulo, particolarmente all'aumentare della penetrazione degli stessi. Sostiene che l'attuale dipendenza dalla previsione dei prezzi intra-orizzonte da parte dei proprietari di ESS sia un difetto strutturale che porta a sfide operative analoghe a quelle causate da modelli imprecisi di trasmissione o di unit commitment.

L'autore sottolinea che il design è compatibile con la filosofia dei mercati organizzati degli Stati Uniti, che si sono storicamente evoluti per rappresentare esplicitamente le caratteristiche tecniche (ad es. vincoli di trasmissione, costi di unit commitment) per migliorare il benessere. Trattando il SOC e l'efficienza di carica e scarica come elementi centrali dell'ottimizzazione piuttosto che come vincoli sui bid presentati dagli utenti, il design aderisce al mandato dell'Ordine FERC 841 di rimuovere le barriere alla partecipazione dell'accumulo. Il documento conclude che, sebbene il modello richieda cambiamenti significativi alle strutture di mercato esistenti e lasci i servizi ausiliari a lavori futuri, esso fornisce una base necessaria per scalare l'integrazione dell'accumulo in reti ad alta penetrazione di rinnovabili.