[논문 리뷰] The Value of Ancillary Services for Electrolyzers

Andrea Gloppen Johnsen, Lesia Mitridati외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 06.

Electric Power System Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 덴마크의 전기분해기에서 주파수 유지보수 예비력(Frequency Containment Reserve, FCR)과 수동 주파수 복구 예비력(manual Frequency Restoration Reserve, mFRR)의 재정적 가치를 평가하기 위해 혼합정수선형계획모델을 제안한다. 활성화 인식 기반 입찰 전략을 모델링함으로써, 2021년도 DK1 지역 전기분해기는 FCR 및 mFRR 시장에 참여함으로써 수익을 57% 더 벌 수 있었고, 2022년 DK2 지역에서는 최대 5.4배까지 수익 증가를 기대할 수 있었으며, mFRR 활성화가 수소 생산 및 수익성 추정에 큰 영향을 미친다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전기분해기의 주요 수소 생산 기능 외에도 예비 서비스—FCR 및 mFRR의 재정적 가치를 평가하기 위해.
• 기존 문헌의 격차를 메우기 위해 전기분해기의 물리적 제약 조건과 예비력 활성화가 수소 생산에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 완벽한 활성화 정보를 가진 오라클 사례와 낙관적인 활성화 접근 방식을 비교함으로써 현실적인 수익 한계를 제공하기 위해.
• 특히 에너지 집약적인 예비력 시장에서 mFRR 활성화를 忽시할 경우 예비 서비스 가치가 과대평가되는 지 여부를 평가하기 위해.
• 실제 운영 제약 조건 하에서 전력망 서비스 참여로 인한 잠재적 수익 증가를 정량화하여 投資 결정을 지원하기 위해.

제안 방법

• 전기분해기의 비선형 효율성을 조각별 선형 근사화를 통해 포괄하는 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 개발한다.
• 온라인, 대기, 정지의 세 가지 운영 상태를 포함하고, 최소 하중 제약 조건(10%)과 전이 시간 지연을 반영한다.
• mFRR 및 FCR 활성화가 수소 생산에 미치는 영향을 모델링하기 위해 활성화 인식 제약 조건을 도입하여 수익 과대평가를 방지한다.
• 과거의 당일 전역, FCR 및 mFRR 시장 가격 및 활성화 데이터를 사용하여 후행 수익 분석을 수행한다.
• 세 가지 시나리오—예비 서비스 미참여(하한), 강건한 활성화(α=1), 오라클 인사이트(α=0) 사이의 수익 결과를 비교한다.
• 이중 시장 참여 사례의 수익성을 검토하기 위해, 고정 가격으로 이중 계약을 체결한 10MW 전기분해기를 DK1(2021년) 및 DK2(2022년)에 적용한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 덴마크의 전기분해기는 2021년과 2022년에 FCR 및 mFRR 시장에 참여함으로써 추가로 얼마나 많은 수익을 올릴 수 있었는가?
• RQ2 mFRR 활성화를 고려할 경우 예비 서비스 가치 평가 및 수소 생산 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 예비 서비스 참여에 있어 낙관적인(오라클) 모델과 비관적인(강건) 모델 간의 수익 차이는 얼마인가?
• RQ4 FCR 및 mFRR 가격은 각각 예비 서비스 총 수익에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 수소 생산에 대한 활성화 영향을 忽시할 경우 예비 서비스 가치가 과대평가되는 위험은 무엇인가?

주요 결과

• 2021년 DK1 지역 전기분해기는 FCR 및 mFRR 서비스 제공으로 인해 수익을 57% 더 많이 벌 수 있었으며, 높은 가격으로 인해 FCR가 주요 동력원이었다.
• 2022년 DK2 지역에서는 강건한 활성화 모델 기준 수익이 2.7배 증가했고, 오라클 사례에서는 5.4배 증가하여 높은 잠재적 가치를 보였다.
• mFRR 활성화를 忽시할 경우 가치가 크게 과대평가되며, 2022년 mFRR 전용 사례에서 수소 수요 불충족이 발생하여 82톤의 수소가 충족되지 않았다.
• 강건한 활성화 접근 방식(α=1)은 이중 시장 참여 사례에서 수익을 0.9에서 2.5백만 유로로 증가시켜 재정적 타당성을 입증했다.
• FCR 가격은 mFRR 가격보다 몇 배나 높아, 2021년과 2022년 모두에서 FCR가 예비 서비스 수익의 주요 기여 요소였다.
• 이 연구는 2022년의 높은 예비 서비스 가격이 지속 가능하지 않을 수 있으며, 향후 분석에서는 가격 추세와 유럽 전역의 시장 통합을 고려해야 한다고 강조한다.

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