📈 economics

Profit-Oriented Planning and Multi-Market Operation Model for Hybrid Energy Storage Systems

Dit artikel stelt een tweelaags optimalisatiekader voor dat gezamenlijk de optimale dimensionering van de capaciteit en meermarktbiedstrategieën bepaalt voor een hybride energiesystem met prijsvormende eigenschappen, waardoor een strategische toewijzing van heterogene opslagcomponenten tussen energie-arbitrage- en reservemarkten mogelijk wordt om de winstgevendheid te maximaliseren.

Oorspronkelijke auteurs: Lizhong Zhang, Junqi Liu, Jianxiao Wang, Lei Zhu

Gepubliceerd 2026-05-19

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Lizhong Zhang, Junqi Liu, Jianxiao Wang, Lei Zhu

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je het elektriciteitsnet voor als een gigantische, bruisende markt waar elke seconde elektriciteit wordt gekocht en verkocht. In het verleden werd deze markt voornamelijk gerund door grote energiecentrales (zoals gasgeneratoren) en een paar voorspelbare bronnen (zoals wind en zonne-energie). Maar naarmate we meer wind- en zonne-energie toevoegen, wordt de markt wilder en moeilijker te voorspellen, als een stormachtige zee. Om het licht aan te houden, hebben we "schokdempers" nodig die Energieopslagsystemen (ESS) worden genoemd – in feite gigantische batterijen die overtollige energie kunnen opslaan wanneer deze goedkoop is en deze vrijgeven wanneer deze duur is.

Dit artikel stelt een nieuwe, slimmere manier voor om deze batterijen te runnen, specifiek wanneer een operator twee verschillende soorten batterijen bezit die samenwerken als een team (een Hybride Energieopslagsysteem, of HESS).

Hier is de uiteenzetting van hun idee met behulp van eenvoudige analogieën:

1. Het Probleem: De "Eén-maat-vat-voor-alle" Fout

De meeste eerdere studies behandelden alle batterijen hetzelfde, of gingen ervan uit dat ze slechts passieve spelers waren die moesten accepteren wat de marktprijs bepaalde (zoals een klant in een supermarkt die niet kan onderhandelen).

In werkelijkheid is een grote batterijoperator echter als een groothandel. Als ze besluiten een enorm hoeveelheid energie in één keer te verkopen, kunnen ze de marktprijs daadwerkelijk veranderen. Ze zijn een "prijsmaker", geen "prijsnemer".

Bovendien zijn niet alle batterijen hetzelfde gebouwd.

Batterij A (De Marathonloper): Heeft een enorme tank (hoge energie) maar een smalle pijp (laag vermogen). Het is geweldig om veel water vast te houden, maar kan het niet snel uitstorten.
Batterij B (De Sprinter): Heeft een kleine tank maar een brandblusserslang (hoog vermogen). Het kan energie ongelooflijk snel loslaten, maar raakt snel leeg.

Het artikel betoogt dat je deze twee niet als één vage vlek mag behandelen. Je hebt een strategie nodig die de "Marathonloper" langeafstandstaken laat uitvoeren en de "Sprinter" snelle, hoogtempo taken.

2. De Oplossing: Een Twee-Niveau Spelplan

De auteurs hebben een wiskundig "spel" op twee niveaus bedacht om de beste strategie te bepalen:

Niveau 1 (De Baas - Capaciteitsplanning): De Baas beslist hoe groot de tanks moeten zijn voor zowel de Marathonloper als de Sprinter. Ze beslissen ook hoe ze in de markt moeten bieden. De Baas wil zoveel mogelijk geld verdienen.
Niveau 2 (De Scheidsrechter - Marktvereffening): De Scheidsrechter (de Netbeheerder) kijkt naar alle biedingen van de Baas, de windparken en de gascentrales. De taak van de Scheidsrechter is het net tegen de laagst mogelijke kosten in balans te brengen. De Scheidsrechter stelt de uiteindelijke prijzen vast op basis van wie wat heeft aangeboden.

De Magie: De Baas speelt eerst, maar is slim genoeg om precies te voorspellen hoe de Scheidsrechter zal reageren op hun biedingen. Dit stelt de Baas in staat om strategisch te wedden om de winst te maximaliseren.

3. De Strategie: Specialisatie en Teamwork

De resultaten tonen aan dat de beste manier om dit hybride team te runnen, specialisatie is:

De Sprinter (Hoog Vermogen): Deze batterij wordt gebruikt voor Arbitrage. Het laadt snel op wanneer de prijzen laag zijn en stort zijn energie snel uit wanneer de prijzen pieken. Het springt ook in de "Real-Time" markt (de noodmarkt) om plotselinge fouten in de windvoorspelling te corrigeren.
De Marathonloper (Hoge Capaciteit): Deze batterij wordt gebruikt voor Reserves. Het houdt een stabiele hoeveelheid energie klaar om opgeroepen te worden om het net stabiel te houden. Het hoeft niet snel te bewegen; het moet gewoon aanwezig zijn wanneer nodig.

De Geheime Ingrediënt: Interne Overdrachten
Het artikel introduceert een cool kenmerk: Interne Krachtoverdracht. Stel je voor dat de twee batterijen zich in hetzelfde gebouw bevinden. Als de Sprinter vol zit maar de Marathonloper leeg is, en de netverbinding is verstopt (zoals een file op de weg naar de stad), kan de Sprinter zijn overtollige energie direct aan de Marathonloper doorgeven binnen het gebouw. Dit houdt het team flexibel, zelfs wanneer de buitenwereld geblokkeerd is.

4. De Resultaten: Wie verdient het geld?

Toen ze de cijfers berekenden:

De Sprinter verdiende het meeste geld. Omdat het snel kon bewegen, pakte het de grootste prijsschommelingen in de energiemarkt.
De Marathonloper verdiende stabiel, betrouwbaar geld door reserve-diensten te verlenen.
De Real-Time Markt was lastig. Vaak waren de prijzen in de noodmarkt (real-time) lager dan in de geplande markt (day-ahead). Dus eindigden de batterijen vaak met laden in de real-time markt (goedkoop kopen) in plaats van verkopen, wat het tegenovergestelde is van wat je zou verwachten.

5. Waarom Dit Belangrijk Is

Dit artikel bewijst dat als je een mix van verschillende batterijtechnologieën bezit, je ze niet zomaar bij elkaar moet gooien. Door ze te behandelen als distincte karakters met verschillende sterktes en ze intern met elkaar te laten "praten", kun je aanzienlijk meer winst maken.

Het is als het runnen van een bezorgbedrijf: je gebruikt geen langzame, zware vrachtwagen om een enkele dringende brief te bezorgen, en je gebruikt geen snelle, dure motorfiets om een ton meubels te verplaatsen. Je gebruikt het juiste gereedschap voor het juiste werk, en je laat hen hun routes coördineren om files te vermijden. Dit artikel biedt het regelboek voor hoe je dat doet met elektriciteit.

Technische Samenvatting: Winstgerichte Planning en Multi-Markt Operationeel Model voor Hybride Energieopslagsystemen

Probleemstelling
De toenemende penetratie van variabele hernieuwbare energiebronnen vereist een verhoogde flexibiliteit van het energiesysteem, wat leidt tot de implementatie van onafhankelijke energieopslagexploitanten (ESOs). Hoewel de bestaande literatuur uitgebreid ingaat op de dimensionering van capaciteit voor prijsnemer-opslagsystemen of de operationele coördinatie van geaggregeerde gedistribueerde middelen, ontbreekt er een gezamenlijke optimalisatie van capaciteitsplanning en meermarktbieding voor een prijsmaker-ESO die een Hybride Energieopslagsysteem (HESS) beheert. Bestaande modellen slagen er vaak niet in de technologische heterogeniteit van geïntegreerde componenten te behouden, en aggregeren diverse opslagtechnologieën vaak tot een enkele biedentiteit, wat individuele operationele voordelen verbergt. Bovendien gaan bestaande optimalisatiemodellen er doorgaans van uit dat energietransfers uitsluitend plaatsvinden tussen opslageenheden en het hoofdnet, waarbij de operationele flexibiliteit die wordt geboden door interne energierouting tussen co-gevestigde heterogene systemen wordt genegeerd.

Methodologie
De auteurs stellen een twee-niveau optimalisatiekader voor om winstgerichte beslissingen betreffende capaciteitsplanning en meermarktoperatie voor een ESO die twee heterogene opslagsystemen ( $s_1$ en $s_2$ ) beheert, gezamenlijk te optimaliseren.

Bovenste Niveau Probleem (ULP): De ESO treedt op als prijsmaker en maximaliseert de totale winst door de optimale nominale capaciteiten ( $E_s$ ) te bepalen en prijs-quantiteitsaanbiedingen in te dienen op de dagvooraf gezamenlijke energie-reservemarkt en de real-time balanceringsmarkt. De ULP modelleert expliciet het interne vermogensoverdrachtsmechanisme tussen de twee opslagsystemen, waardoor gecoördineerd energiebeheer mogelijk is wanneer de toegang tot het net beperkt is. De doelstellingsfunctie omvat opbrengsten uit energie-arbitrage, reservevoorziening en real-time balancing, minus marginale operationele kosten en afgeschreven investeringskosten.
Onderste Niveau Problemen (LLP): Deze vertegenwoordigen de marktverhelderingsprocessen van de Systeemoperator (SO).
- LLP 1 (Dagvooraf): Een kostenminimalisatieprobleem dat energie en opwaartse/afwaartse-reservecapaciteiten co-optimaliseert op basis van ingediende aanbiedingen van de ESO, windgeneratoren en gasgeneratoren. Het bepaalt verhelderingsprijzen ( $\lambda$ ) en schema's.
- LLP 2 (Real-time): Een kostenminimalisatieprobleem dat de balanceringsmarkt verheldert om het systeemevenwicht te herstellen na afwijkingen in windvoorspellingen. Het maakt gebruik van eerder ingekochte dagvooraf reserves en nieuwe real-time aanbiedingen, waarbij inzet strikt beperkt is tot dagvooraf verplichtingen.
Oplossingstechniek: Het twee-niveau model wordt herschreven als een enkelvoudig wiskundig programma met evenwichtsbeperkingen (MPEC). Om de niet-convexe en bilineaire termen (producten van endogene prijzen en quantiteiten) te behandelen, passen de auteurs een Big-M-herschrijving en McCormick-hullen toe om het probleem te lineariseren tot een Mixed-Integer Lineair Programma (MILP). Vanwege de grote schaal van het resulterende MILP wordt een Benders-decompositie-algoritme gebruikt. Deze benadering scheidt langetermijninvesteringsvariabelen (capaciteiten) van kortetermijnoperationele beslissingen, genereert afzonderlijke optimaliteitscuts voor elke typische dag om informatie te behouden en convergentie te versnellen.

Belangrijkste Bijdragen

Twee-niveau Kader voor Prijsmaker HESS: Het artikel stelt een nieuw kader voor dat capaciteitsplanning voor twee heterogene opslagsystemen en hun deelname aan zowel dagvooraf als real-time markten co-optimaliseert, waarbij de ESO expliciet wordt gemodelleerd als prijsmaker wiens biedingen de verhelderingsprijzen beïnvloeden.
Systeem-gedifferentieerde Biedstrategieën: In tegenstelling tot modellen die opslag aggregeren, staat dit kader de ESO toe om onafhankelijke prijs-quantiteitsaanbiedingen in te dienen voor elke technologie per markt. Dit benut de complementaire kenmerken van gediversifieerde opslag (bijvoorbeeld hoge energiedichtheid versus hoge vermogensdichtheid) om marktdelname op maat te maken.
Expliciete Modellering van Interne Vermogensoverdracht: Het model formuleert het vermogensoverdrachtsmechanisme tussen heterogene opslagsystemen. Dit maakt gecoördineerd intern energiebeheer mogelijk, wat een kritieke buffer biedt om marktdelname en winstgevendheid te handhaven wanneer netuitwisselingscapaciteiten beperkt zijn.

Resultaten
Numerieke experimenten met data uit de Australische National Electricity Market (dagvooraf) en de Canadese AESO (wind) tonen het volgende aan:

Optimale Capaciteitsallocatie: Het model bepaalt een gemengd investeringsportfolio waarbij het systeem met een hoog vermogen-capaciteit ratio ( $s_2$ ) wordt gedimensioneerd om winsten uit arbitrage te benutten via snelle, hoogvolume-transfers in volatiele prijsvensters. Daarentegen wordt het systeem met een laag vermogen-capaciteit ratio ( $s_1$ ) geoptimaliseerd om zich te specialiseren in het leveren van basisreserve-marges op de dagvooraf markt.
Markteffect: Als prijsmaker verplaatst de ESO strategisch het marktevenwicht. Tijdens ontlading voegt het capaciteit toe aan de merit-order om marktaandeel te veroveren van marginale gasgeneratoren zonder lagere prijsniveaus te activeren. Tijdens oplading biedt het strategisch aan om de capaciteit van goedkopere generatoren te uitgeven, waardoor de activering van duurdere eenheden die de marginale verhelderingsprijs zouden verhogen, wordt vermeden.
Winstverdeling: De dagvooraf markt dient als de primaire inkomstenstroom. Het hoogvermogenssysteem ( $s_2$ ) genereert het grootste deel van de gezamenlijke operationele winst, met name in energie-arbitrage, terwijl het laagvermogenssysteem ( $s_1$ ) aanzienlijk bijdraagt aan reserve-inkomsten. Real-time marktwinsten zijn over het algemeen negatief, aangezien de ESO de neiging heeft om in real-time op te laden om windvoorspelling-afwijkingen te balanceren wanneer real-time prijzen lager zijn dan dagvooraf prijzen.
Waarde van Interne Transmissie: Onder scenario's met beperkte nettoegang (congestie) wordt interne vermogensoverdracht geactiveerd. Dit mechanisme stelt de exploitant in staat om vermogen binnen het hybride systeem te herverdelen, netbeperkingen te mitigeren en optimale capaciteitsplanningsbeslissingen te beïnvloeden.

Betekenis
Het artikel stelt dat zijn kader gedifferentieerde biedstrategieën en flexibiliteit in marktdelname biedt voor HESS, waardoor de algehele winstgevendheid wordt verhoogd. Door technologische heterogeniteit te behouden en interne coördinatie te modelleren, toont de studie aan dat het behandelen van opslagsystemen als een verenigde, prijsmakende entiteit effectievere strategische planning mogelijk maakt dan het aggregeren ervan of het behandelen ervan als prijsnemers. De resultaten valideren de noodzaak van onafhankelijke beslissingsvariabelen voor heterogene systemen en benadrukken de waarde van interne coördinatie om marktdelname te handhaven onder fysieke netbeperkingen. De auteurs merken op dat toekomstig werk de impact van onzekerheden in hernieuwbare generatie- en lastvoorspellingen, evenals gedetailleerde degradatiemodellen en meeroperator-marktevenwicht, zal onderzoeken.