[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种混合整数线性优化模型，用于评估丹麦电解槽在频率 containment reserve（FCR）和手动频率恢复备用（mFRR）辅助服务中的金融价值。通过建立考虑激活影响的投标策略模型，研究显示，2021年丹麦DK1区域的电解槽若参与这些市场，利润可提高57%；2022年在DK2区域，利润最高可提升至5.4倍，其中mFRR激活对氢气产量和利润估算具有显著影响。

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.

研究动机与目标

• 评估辅助服务——FCR与mFRR——在丹麦电解槽中的金融价值，超越其主要的制氢功能。
• 通过建模电解槽的物理约束及备用激活对氢气产量的影响，弥补现有文献的空白。
• 通过对比理想激活情况（完美洞察）与稳健（悲观）激活方法，提供现实的利润边界。
• 评估忽略mFRR激活是否会导致对辅助服务价值的高估，尤其是在能源密集型备用市场中。
• 通过量化在现实运行约束下参与电网服务的潜在收入增长，为投资决策提供依据。

提出的方法

• 开发一种混合整数线性规划（MILP）模型，通过分段线性逼近方法捕捉电解槽的非线性效率。
• 纳入三种运行状态——在线、待机和关闭，同时考虑最低负载约束（10%）和状态转换时间延迟。
• 引入考虑激活影响的约束条件，以建模mFRR和FCR激活对氢气产量的影响，防止对收入的高估。
• 利用历史日前市场、FCR和mFRR市场价格及激活数据，开展事后利润分析。
• 在三种情景下比较利润结果：不参与辅助服务（下限）、稳健激活（α=1）和理想洞察（α=0）。
• 将模型应用于10 MW电解槽在DK1（2021年）和DK2（2022年）的案例，采用固定价格的双边氢气合同。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 2021年和2022年，丹麦电解槽参与FCR和mFRR市场可额外获得多少利润？
• RQ2 考虑mFRR激活对辅助服务估值和氢气产量可靠性的影响有多大？
• RQ3 在辅助服务参与中，悲观（稳健）激活模型与乐观（理想）模型之间的利润差异是多少？
• RQ4 FCR和mFRR价格如何影响各自对总辅助服务收入的相对贡献？
• RQ5 若忽略激活对氢气产量的影响，可能导致辅助服务价值被高估，其风险是什么？

主要发现

• 2021年，DK1区域的电解槽通过提供FCR和mFRR服务，利润可提高57%，其中FCR因价格更高而成为主要驱动因素。
• 2022年在DK2区域，利润提升显著：稳健激活模型下为2.7倍，理想洞察模型下高达5.4倍，表明其具有巨大潜在价值。
• 忽略mFRR激活会导致价值被严重高估，因其可能造成氢气需求无法满足——2022年仅参与mFRR的案例中，有82吨氢气未被满足。
• 稳健激活方法（α=1）使双市场参与案例的利润从0.9百万欧元提升至2.5百万欧元，证明了其财务可行性。
• FCR价格为mFRR价格的数倍，使FCR在2021年和2022年均成为辅助服务收入的主要贡献者。
• 本研究指出，2022年辅助服务的高价格可能不可持续，未来分析必须考虑价格趋势及欧洲市场一体化的影响。

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