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

Resumo Técnico: Uma Formulação Baseada no Estado de Carga para a Participação de Armazenamento em Mercados de Eletricidade

Definição do Problema
O artigo aborda o desafio de integrar altos níveis de sistemas de armazenamento de energia (ESS) nos mercados de eletricidade, particularmente à medida que a penetração de renováveis aumenta e os recursos térmicos despacháveis diminuem. O autor argumenta que os designs de mercado atuais nos mercados organizados dos EUA (operados por ISOs/RTOs) representam inadequadamente o ESS. A abordagem predominante modela o armazenamento como um par de gerador e carga, exigindo que o proprietário do armazenamento envie lances (bids) de intervalo em intervalo (para carga) e ofertas (offers) (para descarga) ao longo do horizonte de despacho.

Esta abordagem tradicional força os proprietários de ESS a prever os preços da eletricidade dentro do horizonte de despacho para tomar decisões ótimas de carga e descarga. O artigo sustenta que tais previsões são inerentemente sujeitas à incerteza em relação a eventos aleatórios (ex: produção renovável) e condições do sistema. Consequentemente, erros de previsão levam a despachos subótimos, custos operacionais elevados e redução da eficiência do mercado. Além disso, conforme a penetração de ESS cresce, a endogeneidade das previsões de preço (onde a previsão de um ESS depende das ações de outros) exacerba essas ineficiências. O artigo postula que os modelos atuais falham em capturar as características físicas fundamentais do armazenamento: ligações intertemporais via Estado de Carga (SOC) e eficiência de ciclo completo (round-trip efficiency), sem custos de combustível.

Metodologia
O artigo propõe um design de mercado onde o Operador de Sistema Independente (ISO) otimiza centralmente a trajetória do Estado de Carga (SOC) do ESS, modelando explicitamente características técnicas como a eficiência de ciclo completo e limites de SOC.

• Formulação: O horizonte de despacho é dividido em intervalos $t = 1, \dots, T$. O ISO define variáveis para a potência de carga ($p_t$), potência de descarga ($g_t$) e SOC ($s_t$).
• Dinâmica do SOC: O SOC evolui de acordo com uma equação linear incorporando a eficiência de carga ($\alpha$), eficiência de descarga ($\beta$) e autodescarga ($\gamma$). Crucialmente, o modelo impõe que carga e descarga não ocorram simultaneamente.
• Estrutura de Custos: O modelo inclui custos de degradação proporcionais às taxas de carga e descarga.
• Mecanismo de Lance/Oferta: Em vez de lances intervalo a intervalo, o proprietário do armazenamento envia:
  1. Parâmetros técnicos (capacidade, eficiência, coeficientes de degradação).
  2. Um único lance/oferta de fim de horizonte. É uma função de disposição-para-pagar, $w(\Delta s_T)$, que representa o valor de desviar o SOC final ($s_T$) do SOC de "não-participação" ($\bar{s}_T$, o SOC se o ESS não fizesse nada).
• Otimização: O ISO resolve um problema de maximização de bem-estar (minimizando o custo total do sistema, incluindo degradação, e subtraindo os benefícios dos lances) sujeito ao balanço de potência, restrições de transmissão e dinâmica de SOC. Os Preços Marginais Locacionais (LMPs) são derivados dos multiplicadores de Lagrange das restrições do sistema.
• Liquidação (Settlement): A liquidação é baseada na energia carregada e descarregada aos LMPs, mais o benefício do lance pela desviação do SOC final. Não há pagamento direto pelo SOC em si.

Principais Contribuições

1. Eliminação da Previsão de Preço Intra-Horizonte: A principal contribação é um design de mercado que remove a necessidade de os proprietários de ESS preverem preços dentro do horizonte de despacho. O ISO lida com a otimização intertemporal, enquanto o ESS só precisa avaliar o valor da energia após o fim do horizonte.
2. Representação Técnica Fiel: O modelo incorpora explicitamente a eficiência de ciclo completo e as restrições de SOC na otimização de despacho central, alinhando-se aos requisitos da Ordem FERC 841 para reconhecer as características únicas dos recursos de armazenamento elétrico.
3. Eficiência e Escalabilidade: Ao desacoplar o ESS da necessidade de prever preços voláteis intra-horizonte, o design visa reduzir a sub-otimalidade do despacho causada por erros de previsão. O artigo cita trabalhos recentes indicando que resolver esta formulação para mais de 100 unidades de ESS em sistemas de grande escala (ex: MISO) é computacionalmente viável dentro dos prazos do mercado do dia anterior (day-ahead).
4. Extensão para Recursos do Lado da Demanda: O artigo demonstra que o modelo de SOC pode ser especializado para representar a demanda responsiva ao preço (ex: cargas industriais com requisitos diários de energia) ao definir a capacidade de carga como zero e tratar a carga como um recurso limitado por energia.

Resultados
O artigo ilustra o design proposto através de um exemplo estilizado de mercado do dia anterior com 6 intervalos, apresentando geração térmica, geração renovável e um único ESS.

• Caso Base: Com previsões de preços futuros moderadas, o ISO carrega o ESS de forma ótima durante intervalos de baixo preço/alta presença de renováveis e descarrega durante intervalos de alta demanda. O ESS alcança um excedente positivo sem precisar prever preços específicos de cada intervalo.
• Alta Disposição-para-Pagar: Quando o ESS prevê preços futuros mais altos, o ISO ajusta o despacho para reter mais energia (maior SOC de fim de horizonte), alterando o preço marginal em intervalos posteriores.
• Comparação com Designs Atuais: O artigo argumenta que, se lances intervalo a intervalo fossem usados, alcançar o mesmo despacho ideal de bem-estar exigiria que o ESS enviasse lances que coincidissem perfeitamente com os preços de liquidação. Se o ESS utilizar preços fixos ou previsões imperfeitas, provavelmente resultaria em excedente negativo ou despacho subótimo. O modelo proposto garante excedente positivo (lucro de arbitragem) sem exigir a previsão de preços intra-horizonte.

Significância e Alegações
O artigo afirma que sua formulação proposta oferece um mecanismo mais robusto e eficiente para a participação de armazenamento, particularmente conforme a penetração de armazenamento aumenta. Argumenta que a dependência atual de que os proprietários de ESS prevejam preços intra-horizonte é uma falha estrutural que leva a desafios operacionais análogos aos causados por modelos imprecisos de transmissão ou de compromisso de unidade (unit commitment).

O autor enfatiza que o design é compatível com a filosofia dos mercados organizados dos EUA, que historicamente evoluíram para representar explicitamente características técnicas (ex: restrições de transmissão, custos de compromisso de unidade) para melhorar o bem-estar. Ao tratar o SOC e a eficiência de ciclo completo como centrais para a otimização, em vez de como restrições sobre lances enviados pelo usuário, o design adere ao mandato da Ordem FERC 841 de remover barreiras à participação do armazenamento. O artigo conclui que, embora o modelo exija mudanças significativas nas estruturas de mercado existentes e deixe serviços ancilares para trabalhos futuros, ele fornece uma base necessária para escalar a integração do armazenamento em redes com altas proporções de renováveis.