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Optimal Bidding Strategy of Wind–Hydrogen Integrated Energy Systems in Energy and Ramping Service Market

Questo articolo propone una strategia di offerta ottimale bi-livello per sistemi energetici integrati vento-idrogeno che partecipano sia ai mercati dell'energia che a quelli della rampa, la quale incorpora l'efficienza dinamica dell'elettrolizzatore a membrana a scambio protonico e la doppia identità di prosumer del sistema per massimizzare la redditività e la stabilità del mercato.

Autori originali: Peng Gao, Bingcheng Huang, Lirong Deng, Qiting Huang, Yi Sun, Mingming Chen, Cheng Qi

Pubblicato 2026-07-01

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CC BY 4.0

Autori originali: Peng Gao, Bingcheng Huang, Lirong Deng, Qiting Huang, Yi Sun, Mingming Chen, Cheng Qi

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immaginate una rete elettrica come una pista da ballo enorme e ad alta tensione. La musica è la domanda di elettricità da parte di case e imprese, e i ballerini sono i generatori di energia. Per molto tempo, la musica è stata costante, suonata da generatori affidabili come le centrali a carbone e gas. Ma ora, abbiamo aggiunto un nuovo ballerino: l'Energia Eolica.

Il vento è un ottimo ballerino, ma è imprevedibile. A volte ruota velocemente in modo frenetico (vento forte) e a volte si ferma del tutto (aria calma). Questo fa traballare l'intera pista da ballo, creando la necessità di un "osservatore" che possa istantaneamente accelerare o rallentare per evitare che tutti inciampino. Nel mondo dell'energia, questo osservatore è chiamato Ramping (regolazione della potenza).

Questo articolo propone un nuovo ballerino super intelligente: il Sistema Energetico Integrato Vento-Idrogeno (WH-IES). Ecco come funziona, suddiviso in concetti semplici:

1. Il Ballerino Intelligente: Vento + Idrogeno + Batterie

Pensate al WH-IES come a una squadra composta da tre parti:

Le Turbine Eoliche: Generano elettricità quando soffia il vento.
Il Serbatoio di Idrogeno (La "Macchina del Tempo"): Quando il vento soffia troppo forte e c'è troppa elettricità, il sistema non spreca semplicemente quell'energia in eccesso. La usa per scindere l'acqua in gas idrogeno e conservarlo in un serbatoio. Più tardi, quando il vento si ferma e l'elettricità è necessaria, trasforma quell'idrogeno nuovamente in elettricità usando una cella a combustibile.
La Piccola Batteria (L' "Ammortizzatore"): Questa piccola batteria si trova tra il vento e il produttore di idrogeno. Il suo unico compito è quello di smorzare gli urti in modo che il produttore di idrogeno non diventi nervoso o inefficiente.

2. La Ricetta Segreta: Il Produttore di Idrogeno "Intelligente"

In passato, gli scienziati assumevano che la macchina che produce idrogeno (l'elettrolizzatore) fosse come una lampadina: o funzionava al 100% o era allo 0%. Pensavano che fosse ugualmente efficiente a qualsiasi velocità.

La grande scoperta dell'articolo: Il produttore di idrogeno è in realtà più simile a un motore d'auto.

Se guidate un'auto a una velocità molto bassa con una marcia alta, il motore sussulta e spreca benzina.
Se guidate alla velocità perfetta, siete super efficienti.
Se lo sforzate troppo, si scalda e diventa inefficiente.

Questo articolo costruisce un modello che sa che il produttore di idrogeno ha un "punto ottimale". Dice al sistema: "Non far funzionare la macchina a una velocità bassa e inefficiente solo per essere pronti; spegnila completamente se il prezzo è basso, o falla funzionare alla velocità perfetta per risparmiare denaro." Questo risparmia molta energia.

3. La Doppia Vita: Acquirente e Venditore

Questa è la parte più creativa dell'articolo. Di solito, un parco eolico è solo un acquirente nel "Mercato del Ramping". Poiché il vento è imprevedibile, il parco eolico deve pagare altre centrali elettriche per essere pronte a correggere i suoi errori.

Ma questo articolo afferma che il sistema Vento-Idrogeno è un Prosumer (Produttore + Consumatore).

Come Consumatore: Acquista servizi di ramping quando il vento è troppo selvaggio per il proprio serbatoio di idrogeno.
Come Produttore: Poiché possiede un serbatoio di idrogeno, può vendere servizi di ramping alla rete! Può dire: "Posso accelerare o rallentare la mia produzione di idrogeno istantaneamente per aiutare la rete a rimanere stabile."

È come una persona che di solito acquista un'assicurazione contro gli incidenti stradali, ma che anche lavora come conducente professionista e viene pagata per aiutare gli altri a evitare incidenti.

4. La Strategia: Giocare il Gioco del Mercato

L'articolo utilizza un "Gioco a Due Livelli" per capire il modo migliore per offrire (fare offerte su) elettricità e servizi di ramping:

Livello 1 (Il WH-IES): "Quanto dovrei vendere? Quanto idrogeno dovrei produrre? Voglio guadagnare il massimo."
Livello 2 (L'Operatore di Mercato): "Ok, ho ricevuto le offerte di tutti. Sceglierò le più economiche e affidabili per mantenere accese le luci."

Il sistema gioca costantemente questo gioco contro se stesso per trovare l'equilibrio perfetto. Non si limita a indovinare il prezzo; calcola come le proprie azioni cambieranno il prezzo di mercato.

5. I Risultati: Perché è Importante

Gli autori hanno testato questo sistema su una simulazione al computer di una rete elettrica (un sistema a 6 nodi). Ecco cosa hanno scoperto:

Più Soldi: Trattando il produttore di idrogeno come un "motore d'auto intelligente" (efficienza dinamica) e agendo sia come acquirente che come venditore, il sistema ha generato maggiori profitti rispetto ai sistemi che assumevano che la macchina fosse sempre ugualmente efficiente o che agissero solo come acquirenti.
Meno Sprechi: Il sistema ha sprecato meno energia eolica perché sapeva esattamente quando produrre idrogeno in modo efficiente.
Rete Stabile: Vendendo servizi di ramping, il sistema Vento-Idrogeno ha aiutato la rete a evitare "salti di tensione". Ha tolto pressione alle tradizionali centrali a carbone e gas, mantenendo l'intera pista da ballo stabile.
Più Economico per Tutti: Poiché il sistema Vento-Idrogeno ha aiutato a stabilizzare la rete, il prezzo dei "servizi di ramping" (il costo per mantenere la rete stabile) è effettivamente sceso per tutti gli altri.

Riassunto

Questo articolo introduce una strategia affinché un impianto di energia Vento-Idrogeno smetta di essere un ospite passivo e imprevedibile alla festa dell'energia e diventi un ospite intelligente e redditizio. Comprendendo che la sua macchina per la produzione di idrogeno funziona meglio a velocità specifiche e realizzando che può vendere stabilità alla rete, questo sistema risparmia denaro, riduce gli sprechi e mantiene le luci accese in modo più affidabile.

Sintesi Tecnica: Strategia di Offerta Ottimale per Sistemi di Energia Integrata Vento-Idrogeno nei Mercati dell'Energia e dei Servizi di Ramping

1. Definizione del Problema

La rapida espansione dell'energia eolica ha aumentato significativamente la variabilità e l'incertezza dei carichi netti del sistema elettrico, creando un urgente bisogno di maggiore flessibilità di sistema. Sebbene i sistemi di energia integrata vento-idrogeno (Wind-Hydrogen Integrated Energy Systems, o WH-IES), che integrano lo stoccaggio di energia tramite idrogeno (HES), offrano una soluzione promettente per lo stoccaggio a lunga durata e il ramping flessibile, la letteratura esistente presenta tre limitazioni primarie:

Modellazione Fisica Imprecisa: Molti studi assumono un'efficienza di produzione di idrogeno costante per gli elettrolizzatori a membrana a scambio protonico (PEMEL), trascurando l'impatto delle fluttuazioni della potenza in ingresso e dei frequenti cicli di start-stop sulla resa effettiva dell'idrogeno.
Caratterizzazione Incompleta del Mercato: La ricerca esistente tratta spesso i WH-IES esclusivamente come consumatori di servizi di ramping o come generatori flessibili, fallendo nel modellare sistematicamente la loro duplice identità di "prosumer" nei mercati di ramping (ovvero, la generazione simultanea di domanda di ramping dovuta alle fluttuazioni del vento e la fornitura di capacità di ramping tramite l'HES).
Interazione di Mercato Semplificata: Le attuali strategie di offerta trattano spesso i WH-IES come "price-taker" con prezzi esogeni, ignorando l'impatto strategico delle offerte su larga scala dei WH-IES sui prezzi di aggiudicazione del mercato e sui conseguenti cicli di feedback.

Questo articolo affronta tali lacune proponendo una strategia di offerta ottimale per i WH-IES che partecipano ai mercati congiunti dell'energia e dei servizi di ramping, incorporando l'efficienza dinamica dell'elettrolizzatore e un modello di mercato prosumer completo.

2. Metodologia

2.1 Modellazione Fisica del WH-IES

Gli autori sviluppano un modello fisico dettagliato del WH-IES, composto da turbine eoliche (WT), PEMEL, serbatoi di idrogeno (HT), celle a combustibile (FC) e sistemi di accumulo a batteria (BES).

Efficienza Dinamica del PEMEL: A differenza dei modelli convenzionali, questo lavoro incorpora un modello di efficienza dinamica in cui l'efficienza di produzione dell'idrogeno varia con la potenza in ingresso. La curva di efficienza non lineare è approssimata utilizzando un metodo di linearizzazione a tratti per mantenere la trattabilità computazionale all'interno di un quadro di Programmazione Lineare Intera Mista (MILP). Un BES è integrato per stabilizzare le condizioni operative dell'elettrolizzatore e prevenire operazioni inefficienti a basso carico.
Vincoli dei Componenti: Il modello include vincoli per il flusso di potenza, la dinamica dello stoccaggio dell'idrogeno (tenendo conto delle perdite per auto-scarica e dei limiti di carica/scarica) e i limiti di ramping per tutti i componenti.

2.2 Caratterizzazione del Ramping Orientata al Mercato

Il documento modella sistematicamente il WH-IES come un prosumer nel mercato del ramping:

Domanda di Ramping: Calcolata sulla base delle variazioni deterministiche delle previsioni eoliche e degli errori di previsione stocastici, richiedendo potenzialmente l'acquisto di prodotti di Ramping Flessibile in Salita (FRU) e in Discesa (FRD).
Capacità di Ramping: Determinata dallo stato operativo dell'HES (stato di carica/scarica, livelli di idrogeno) e dai limiti dei dispositivi.
Duplice Identità: Il modello calcola esplicitamente la domanda netta di ramping esterna. Se la capacità interna dell'HES è insufficiente, il sistema acquista servizi; se esiste una capacità eccedente, il sistema vende servizi al mercato.

2.3 Framework di Ottimizzazione Bi-livello

Viene stabilito un modello di ottimizzazione bi-livello per simulare l'interazione strategica tra il WH-IES e l'Operatore di Sistema Indipendente (ISO):

Livello Superiore (WH-IES): Massimizza il profitto totale (ricavi dal mercato dell'energia + ricavi dal mercato del ramping - costi operativi - costi dei servizi di ramping) ottimizzando la dispacciamento interno e le strategie di offerta.
Livello Inferiore (ISO): Minimizza i costi operativi totali del sistema (costi di generazione e di servizi di ramping) soggetti a bilancio di potenza, topologia di rete (flusso di potenza DC) e vincoli operativi di tutti i partecipanti al mercato.
Approccio di Soluzione: Il problema bi-livello è riformulato come un Programma Matematico con Vincoli di Equilibrio (MPEC). Applicando le condizioni di Karush–Kuhn–Tucker (KKT) e la teoria della dualità forte, il problema di aggiudicazione del mercato al livello inferiore viene trasformato in un insieme di vincoli equivalenti, consentendo di risolvere l'intero problema in modo efficiente.

3. Contributi Chiave

L'articolo rivendica tre contributi primari:

Integrazione dell'Efficienza Dinamica: L'incorporazione dell'efficienza di produzione di idrogeno dinamica dei PEMEL nelle strategie di offerta. Ciò migliora l'accuratezza della stima dello stato dell'idrogeno e consente al sistema di evitare regioni di funzionamento inefficienti, migliorando le prestazioni economiche.
Modellazione della Duplice Identità di Prosumer: Una caratterizzazione sistematica del WH-IES sia come fonte di domanda di ramping che come fornitore di servizi di ramping. Ciò consente un quadro unificato per ottimizzare il compromesso tra l'acquisto e la vendita di capacità di ramping.
Framework di Offerta Strategica: Lo sviluppo di una strategia di offerta bi-livello per i mercati congiunti di energia e ramping. L'uso della riformulazione MPEC assicura che l'impatto strategico delle offerte del WH-IES sui prezzi di aggiudicazione del mercato sia catturato, offrendo uno strumento decisionale più realistico rispetto ai modelli price-taker.

4. Risultati dello Studio di Caso

La strategia proposta è stata validata utilizzando un sistema IEEE a 6 nodi modificato con tre casi comparativi:

Caso 1: Partecipazione al mercato congiunto con efficienza PEMEL costante.
Caso 2: Partecipazione al mercato congiunto considerando solo il ruolo di consumatore nel mercato del ramping.
Caso 3: Il metodo proposto (efficienza dinamica + ruolo di prosumer).

Risultati Chiave:

Prestazioni Economiche: Il Caso 3 ha ottenuto il profitto giornaliero totale più elevato ($34.888,43), superando il Caso 1 ($34.679,62) e il Caso 2 ($34.090,84).
Impatto dell'Efficienza Dinamica: Rispetto al Caso 1, considerare l'efficienza dinamica (Caso 3) ha ridotto i costi di produzione dell'idrogeno evitando punti di funzionamento a bassa efficienza. Ciò ha portato a un incremento del 12,2% dei ricavi da Prodotti di Ramping Flessibile (FRP) preservando la riserva di potenza per i servizi di ramping senza sacrificare l'efficienza energetica.
Impatto del Prosumer: Rispetto al Caso 2, il modello prosumer (Caso 3) ha ridotto significativamente i costi dei servizi di ramping (da $1.749,04 a$ 117,76). Fornendo servizi di ramping internamente, il WH-IES ha ridotto la dipendenza da generatori termici costosi, ha abbassato i costi di scomputo dell'eolico e ha stabilizzato i prezzi di mercato.
Stabilità del Mercato: La partecipazione con doppio ruolo ha alleviato la pressione di ramping sulle unità termiche durante i periodi di picco, prevenendo bruschi aumenti dei prezzi dei prodotti di ramping (ad esempio, i prezzi FRD sono rimasti stabili nel Caso 3 rispetto ai picchi osservati nel Caso 2).

5. Significato e Rivendicazioni

L'articolo afferma che il framework di offerta bi-livello proposto fornisce un riferimento teorico per l'operatività orientata al mercato dei sistemi accoppiati vento-idrogeno su larga scala. Nello specifico, sostiene che:

Accuratezza: La modellazione dell'efficienza dinamica dell'elettrolizzatore evita la sovrastima della produzione di idrogeno tipica dei modelli a efficienza fissa, portando a una pianificazione più affidabile.
Flessibilità: Trattare il WH-IES come un prosumer permette al sistema di passare da un centro di costo passivo a un generatore di ricavi attivo, riducendo i costi di ramping complessivi del sistema ed estendendo la vita utile delle apparecchiature HES attraverso l'ammorbidimento dei cicli di carica/scarica.
Interazione di Mercato: Il framework cattura con successo le interazioni di tipo game-theoretic tra il WH-IES e il mercato elettrico, consentendo un processo decisionale ottimale in condizioni di equilibrio di mercato.

Gli autori concludono che il loro approccio coordina efficacemente le prestazioni economiche del WH-IES con la domanda di energia e servizi di ramping della rete, pur notando che lavori futuri esploreranno la modellazione dell'incertezza (ad esempio, l'ottimizzazione robusta distributiva) e i meccanismi di accoppiamento multi-energia che coinvolgono le condotte di idrogeno.