[論文レビュー] The Value of Ancillary Services for Electrolyzers

Andrea Gloppen Johnsen, Lesia Mitridati+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2023

Electric Power System Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、デンマークにおけるエレクトロライザーの周辺サービス—周波数抑制予備（FCR）および手動周波数復旧予備（mFRR）—の財務的価値を評価するための混合整数線形最適化モデルを提案する。アクティベーションを考慮した入札戦略をモデル化することで、2021年にDK1に位置するエレクトロライザーは57%の利益増加が可能であり、2022年にDK2では最大5.4倍の利益増加が見込まれる。mFRRのアクティベーションは水素生産および利益予測に顕著な影響を与える。

ABSTRACT

Although primarily designed for hydrogen production, electrolyzers can support power systems by providing various ancillary services, opening new revenue streams that enhance their economic viability. This paper investigates the participation of an electrolyzer in frequency-supporting reserve markets, analyzing how bid structures and activation intensities affect its value. We develop a mixed-integer linear program to co-optimize electricity procurement and reserve provision, and analytically derive the opportunity cost of reserve provision, which determines the optimal bid price. Using historical price and frequency data from western Denmark, we show that asymmetric, hourly reserve products often entail no opportunity cost and can increase profits by up to 47%. However, energy-intensive reserves may disrupt hydrogen production and risk unmet demand. Our findings reveal that flexible bidding can mitigate these risks while maintaining profitability. We also highlight the benefits of diversifying across reserve products and offer two recommendations: System operators should reconsider reserve bid structures to better accommodate electrolyzers, and electrolyzer owners should not overlook energy-intensive reserve services when hydrogen demand is flexible.

研究の動機と目的

• エレクトロライザーが水素生産の主な役割を超えて、周辺サービス（FCRおよびmFRR）に果たす財務的価値を評価すること。
• 既存の文献におけるギャップを埋めるために、エレクトロライザーの物理的制約と予備供給のアクティベーションが水素出力に与える影響をモデル化すること。
• 完全なアクティベーションの洞察（オラクルケース）と、保守的な（悲観的）アクティベーション手法を比較することで、現実的な利益の上限を提示すること。
• mFRRアクティベーションを無視すると、特にエネルギー集約的な予備市場において、周辺サービスの価値が過大評価されてしまうかどうかを評価すること。
• 現実の運用制約下でのグリッドサービス参加による潜在的収益増を明確にすることで、投資意思決定を支援すること。

提案手法

• エレクトロライザーの非線形効率を分段線形近似により捉える混合整数線形プログラミング（MILP）モデルを構築する。
• オンライン、スタンバイ、オフの3つの運用状態を含み、最小負荷制約（10%）および遷移時間遅延を組み込む。
• mFRRおよびFCRのアクティベーションが水素生産に与える影響をモデル化するためのアクティベーションを考慮した制約を導入し、収益の過大評価を防ぐ。
• 日次市場、FCRおよびmFRR市場の過去の価格およびアクティベーションデータを用いて、事後的な利益分析を実施する。
• 3つのシナリオ—周辺サービスなし（下限）、ロバストなアクティベーション（α=1）、オラクルの洞察（α=0）—の利益結果を比較する。
• 固定価格の二国間水素契約を用いて、2021年におけるDK1の10 MWエレクトロライザーおよび2022年におけるDK2の10 MWエレクトロライザーにモデルを適用する。

Figure 1: Distribution of day-ahead, FCR, and upward mFRR prices in $\rm{DK}1$ and $\rm{DK}2$ in $2021$ and $2022$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2021年および2022年にデンマークのエレクトロライザーがFCRおよびmFRR市場に参加することで、どの程度の追加的利益を得られたか？
• RQ2 mFRRアクティベーションを考慮に入れることで、周辺サービスの推定価値および水素生産の信頼性にどの程度の影響が生じるか？
• RQ3 悲観的（ロバスト）なアクティベーションモデルと楽観的（オラクル）なモデルとの間で、周辺サービス参加の利益にどの程度の差が生じるか？
• RQ4 FCRおよびmFRRの価格は、合計周辺サービス収益にそれぞれどの程度の寄与を果たしているか？
• RQ5 水素出力に与えるアクティベーション効果を無視した場合、周辺サービスの価値が過大評価されるリスクは何か？

主な発見

• 2021年、DK1に位置するエレクトロライザーは、FCRおよびmFRRサービス提供により57%の利益増加が可能であり、FCRの価格が高いことから、主にFCRがその主な要因となっている。
• 2022年、DK2においては、利益増加が顕著で、ロバストなアクティベーションモデルでは2.7倍、オラクルケースでは5.4倍に達する。これは高い潜在的価値を示している。
• mFRRアクティベーションを無視すると、価値が著しく過大評価される。2022年のmFRR専用ケースでは、水素需要の82トンが満たされなかった。
• ロバストなアクティベーション手法（α=1）により、二重市場参加ケースの利益は0.9百万ユーロから2.5百万ユーロに増加し、財務的実現可能性が裏付けられた。
• 2021年および2022年ともに、FCRの価格はmFRRの価格の数倍であり、FCRが周辺サービス収益の主な貢献者となっている。
• 本研究は、2022年の高い周辺サービス価格が持続可能ではない可能性を示しており、今後の分析では価格トレンドおよびヨーロッパ全体の市場統合を考慮する必要があると強調している。

Figure 3: Ex-post annual profit in $\rm{DK}1\ 2021$ and $\rm{DK}1\ 2022$ .