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高頻度のデイ・トレーディングによるバッテリー貯蔵の利益最大化

概要

  • グリッド規模の バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS)の収益最大化に焦点
  • 高頻度自動取引戦略 の導入と評価
  • 動的計画法 による高速な最適化手法を提案
  • ドイツのオーダーブックデータを用いた 年間バックテスト
  • 取引速度 が収益に与える重要性を強調

グリッド規模バッテリーの高頻度取引戦略と収益最大化

  • バッテリーエネルギー貯蔵システム (BESS)による電力市場取引の収益最大化
  • 連続インターデイ電力市場 に適応した自動高頻度取引戦略の開発
  • リミットオーダーブック の動向、マーケットルール、技術的制約を明示的に考慮
  • 標準的な ローリング・イントリンシック戦略 を連続市場向けに適用
  • 動的計画法による近似解法 で、厳密な混合整数線形計画法(MILP)より2~3桁高速化
  • 年間の ドイツオーダーブックデータ を用いた詳細なバックテスト実施
  • 提案手法は 取引利益を損なわず、すべての重要なオーダーブック更新に即応可能
  • 分単位再最適化 より14%、 時間単位再最適化 より58%高い収益達成
  • 取引速度の向上が 収益性に直結 する点を実証

アルゴリズム拡張と追加収益

  • 高速アルゴリズムを活用し、 パラメトリック拡張版ローリング・イントリンシック戦略 を訓練
  • 年間収益を アウト・オブ・サンプルで8.4%増加 させることに成功

研究の主な貢献

  • 高頻度取引の収益ポテンシャル の定量的な証明
  • 動的計画法 による現実的かつ迅速なバックテストの実現
  • 取引戦略の拡張性 とさらなる収益向上の可能性を提示

関連分野

  • Trading and Market Microstructure (q-fin.TR)
  • Systems and Control (eess.SY)
  • Optimization and Control (math.OC)

論文情報

  • arXiv:2504.06932 [q-fin.TR]
  • DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.06932
  • 著者: David Schaurecker
  • 提出日: 2025年4月9日(v1), 2025年4月17日(v2)

Hackerたちの意見

この分野には全然詳しくないんだけど、潜在能力があるトレーディング戦略をなんで公開するの?ヘッジファンドに売る方が良くない?それとも、これは業界がすでにやってることを正式に発表してるだけなの?

これは「紙上だけの取引」じゃないよ。実際のハードウェアがグリッドに統合されてる必要がある。

一見利益が出そうな戦略は、実際に金融文献で常に発表されてるよ。中には実際に機能するものもあるけど(通常は利益が出るのは短期間だけ)、ほとんどは技術的な理由で全然機能しない(先読みバイアス、モデルがスリップや取引コストを考慮していない、無限の流動性を仮定している、大きすぎて現実的にリバランスできないポートフォリオなど)。また、いくつかは機能するけど、よりシンプルな戦略と比べてリスク調整後のリターンが不利なものもある。

このトレーディング戦略は、フル投資(バッテリー、電子機器、サブスクリプション)に対してかなりのリターン(少なくとも数パーセント)を上げてるの?そうでなければ、これはすでに他の手段で利益を得ているバッテリー所有者にしか関係ないよね(例えば、夜にバッテリーを使う家庭用の人たち)。

著者たちは大学から来てるんだ。公的資金で支援されてるし、そう簡単にお金持ちになれるわけじゃないよ。バッテリー貯蔵システムに特化してるんだ。基本的には、投資家がバッテリー貯蔵システムに投資したくなるように面白くしてるってこと。

学術的なプロトタイプから実際の取引に移行するには、まだやるべきことがたくさんあるよ:リアルタイムデータ、市場アクセス、SCADA、コンプライアンス&法務、セキュリティ… それに、バッテリーを所有している物理的なプレイヤーでなければならないし、単なるペーパー取引じゃダメなんだ。

他の人が言ってることに加えて、この論文は電力価格の予測をスルーしてるんだよね。これってすでにすごく複雑な問題で、特にアメリカの市場ではゾーン価格があるから、実際にグリッドで動作する利益の出るバッテリーシステムを構築するには必要なんだ。バッテリーのスタートアップで働いてる人たちといくつか話したけど、もっと一般的なアプローチは価格を予測して、最適なストレージの決定を見つけるために最適化を行うって感じだね。システムのパフォーマンスは、アルゴリズムが価格について完璧な情報を持っているときにどれだけうまくいくかを見れば測れるよ(もちろん、価格について完璧な情報があれば、バッテリーを最適化するのは簡単だけど)。

現実の柔軟なストレージ資産の最適化は、現在複数の市場で機能していて、時にはもっと複雑な境界条件もあるよね。私たちが示しているのは、連続的な日中市場での高頻度取引が重要で、特により最適なパラメータ化された戦略をトレーニングする際に関係があるということ。アイデアについての詳細や理論を公開するのも賢い考えだと思うけど、必ずしも完成した取引商品ではないよね ;)

ただし、バッテリーを同時に充電・放電することは物理的に不可能なので、そのような取引は防がなければなりません。著者たちは、電気料金がマイナスで、バッテリーが完璧に効率的でない場合、エネルギーを無駄にすることでお金をもらうために同時に充電と放電をしたいが、それができないことを観察しています。これは馬鹿げた制限です。BESSのパワーエレクトロニクスや制御アルゴリズムを少し変更すれば、電力を消費して温まることはできるし、バッテリーセルに電流を送ったり受け取ったりせずに、BESSのヒートシンクを利用して余剰電力を吸収してそのサービスを販売できるはずです。もっと真剣に言うと、時折マイナス価格が発生する世界では、バッテリーが自己放電できるように、電力を輸出せずに制御された電力制限の方法で放電する必要があります。これを考慮に入れた最適化アルゴリズムが必要です。実際のグリッド規模のBESSシステムがこの機能を持っているか気になります。

私は大規模な商業用やグリッド規模のストレージ用のハードウェアとソフトウェアを作る業界で働いてる。これにはいくつかの課題があって、安全性、熱暴走、資産のライフサイクル(限られたサイクル数がある)などがある。また、ACインバータとDC側のシステムアーキテクチャは、サプライチェーンの非常に異なる場所から来ることが多く、垂直統合が進んでいないため、サプライチェーンのどこかで妥協しないと実際に機能させることができない状況になる。それを考えると、これらのシステムは大量のエネルギーを扱っていて、その熱を放散するには負荷バンクが必要だよ。

バッテリーは、例えば1分間充電してから放電するサイクルを繰り返すこともできるんじゃない?例えば、電気料金が-28€/MWh(今日のドイツみたいに)で、バッテリーの効率が80%なら、充電で28€/MWhもらって、放電で22€返すことになって、6€/MWhの利益が出るよ。

論文で話されているかは分からないけど、オーストラリアではすでに負の価格の電力でバッテリーを充電し、その電力をまだ負だけどゼロに近い価格で売って利益を上げた事例が記録されているらしい。最初に聞いたときは、ゼロを超えるまで待てなかったのが不思議だったけど、高頻度取引の話をしているなら納得できるね。価格が異なるレベルの負の間に何度も買ったり売ったりして、後の価格上昇に備えて充電に切り替えたのかもしれない。往復の非効率も役立つしね。

ある国では、国鉄が外の照明をたくさん点けるんだ(昼間に)、もし価格が負ならね。

確かに、BESSのパワーエレクトロニクスや制御アルゴリズムを少し変更すれば、電力を消費して温まることができて、バッテリーセルに電流を送ったり受け取ったりしないようにできる。これでBESSのヒートシンクを利用して余剰電力を吸収し、そのサービスを売ることができる。特にダミーロードを設計しない限り、システムの効率はこれを行う能力に反比例する。二次システムが必要なんだ。電力システムはバッテリー端子を出力または入力に接続できるから、両方を同時にオンにするとバッテリーをバイパスすることになる。これをショートスルー電流と呼び、一般的には破壊的なプロセスと見なされている。もし十分に速くオンオフできれば、破壊的でないレベルに制限できるかもしれないけど、実際にはほとんどのシステムは十分に速く切り替えられない。バッテリー負荷で動作するように設計されていて、その抵抗はトランジスタ自体の約10倍以上だし、実際には何百倍も高いことが多い。これが効率に関わってくるんだ。もし電力システムが98%の効率なら(これはバッテリー自体の熱に失われる電力は含まない)、電子機器は通常通過する電力の1/50しか消費できないということ。さらに、スイッチをショート位置にすると、定格電流の50倍を通そうとする。もっと速く切り替えないといけないし、確実に50倍以上速くしないといけないから、運用範囲を超えてしまうだろう。大きな抵抗を持つのは比較的簡単だけど、バッテリー電力システムにはあまり適していない。バッテリーは非常に低インピーダンスで、電力システムは低電圧・高電流に変換するために存在している。抵抗は高電圧の方が安いから、電力システムはちょっとした手抜きなんだ。全体的な解決策は、もっとバッテリーを増やすことだね。供給過剰は一時的な問題で、これからもずっとそうだろう。

うちには地熱暖房があって、160mの穴に繋がったヒートポンプがあるんだ。スカンジナビアでは結構一般的だよ。このヒートポンプは夏に家を冷やすための冷却ループもサポートしてる。だから、ヒートポンプは家から井戸に熱を移してて(ほんの少しだけ温める感じ)。そのループに抵抗負荷を入れて、岩盤にその熱を蓄えることもできると思うよ。

それってバッテリーを放電させることになって、充電サイクルを無駄にするからバッテリーの劣化に繋がるんじゃない?

バランス調整…それってBESSの容量の1-0.5%くらいだと思う。LFEセルのインピーダンスがすごく高いから、少しエネルギーを充電すると、保護のために切断される前にエネルギーがちょっと動くことがあるんだよね。過電圧とか。

発電した電力がダンプ負荷に流されて、ストレージの所有者に余計なお金を稼がせるって考えると、なんかイライラする理由がわからない。システムレベルでは非効率的だけど、結局熱として放出されるエネルギーを解放するのが害になるわけじゃないはずなのに。それでも、なんか無駄に感じちゃうんだよね。この本を探さなきゃいけなかったんだけど、「過去20年間、エンジニアの間で機械が多くの応用において有用な目的を果たせるという認識が高まってきた。たとえその特性が従来の善の基準に合わなくても。エンジニアの主な目的はお金を稼ぐこと、つまり材料の物理的特性を経済的に利用することだ。しかし、経済的な考慮は商品の初期コストや運用コストにとどまらず、その商品が使用される状況において関連するすべてのことにまで及ぶ。」エリック・R・レイスウェイト、特別目的のための誘導機械。

海岸近くのエリアを見つけて、1マイル離れたところに2つの大きな電極を水中に突き刺して、価格がマイナスのときに回路に電流を流せば、利益が出る!

ヨーロッパのいくつかの市場で、バッテリーやアルゴリズムをプログラムしてこれをやってるよ。今まさに進行中なんだ。イギリスでは、ヘッジファンドが短期の予備市場でバッテリーを構築して入札する方法を見つけた結果、バッテリーから得られる利回りが二桁から2%に落ちた。北ユトランドやロンドンには、こういう取引を専門にしている企業がいくつかあるよ。

その利回りは、何の基準に対してのもの?

少なくとも、電力網は良くなってるし、全てがほぼゼロサムってわけでもないよね…。

時々、効率的な市場があなたに訪れることがある(それはいいことだね)。

もうすでに、連続的な日中市場で秒単位、あるいはそれ以下のレベルで取引してるの?もしそうなら、どうやって戦略をバックテストしたの?それとも、最適化のパラメトリック拡張のためのバックテストはまだあまり関係ないのかな?

オーストラリアでは、5分間のスポット価格がAmber Electricのような小売業者を通じて多くの家庭にアクセス可能になったよ。価格が変動する中、再選された政府からの大きな家庭用バッテリーの補助金もあって、バッテリーはアービトラージだけで早く元が取れるんだ。EMHASSは最適化を行う面白いツールだね。

ヨーロッパでも似たような感じで、15分ごとに大きなスポットオークションがあって、配電に近い時間帯には連続オークションもあるんだ。普通の株式市場みたいな感じ。今、何百万もの家庭用デバイスがそこで取引されてるよ。

そうそう、イギリスでここ数年EMHASSを使ってるよ。大きなアレイ(12.8kWpの東西分割)があるけど、出力制限が5kWと低いんだ。冬は夜間に7ペンス/kWh(インテリジェントオクトパスゴー)で充電して、昼間はその蓄えたエネルギーを使ってピーク料金を避けてる。夏は、ピーク発電時間の前にバッテリーのほとんどを放電して、カットされた電力から充電できるようにしてるよ(SolarEdgeシステムでのインポートを最小限にするために放電するけど、カットされた電力から充電するのも有効だね)。

余ったエネルギーを$pet_topicに使おうって言ってる人には、https://www.moderndescartes.com/essays/factobattery/を読んでみることをおすすめするよ。要するに、フリーエネルギーの多くの用途は、フリーエネルギーの収穫可能性をはるかに上回る資本コストがかかるってこと。

EVを使えばいいじゃん。EVは主にエネルギー貯蔵デバイスだから、運転するのは1日20〜30分くらいの人が多い。残りの23時間はエネルギー貯蔵デバイスとして機能してるんだ。価格がマイナスのときに余剰電力を吸収できるし、価格が高いときには電力をグリッドに供給することもできるよ!

これって、もっとバッテリーを作るようなもんだね(ただし、追加のハードウェア付きで)。EVはこういうことには向いてるかもしれないけど、容量を確保するために100%未満で充電しておく必要があると思う。

そうそう、これに関しては「スマートカー充電器」が提案されてるし、グリッドオペレーターが接続された機器をコントロールできるときにできることもいろいろあるよ。私の知る限りではあまり普及してないけど、たぶんそれが車のバッテリーを早く劣化させるからだと思う。「バーチャル発電所」は、実際にこのアイデアに近いことが行われてるものだね。バッテリーを持ってる個人が集まって、需要を少し減らす能力をグリッドに売るっていう仕組み。テスラがPowerwallsでパイロットプログラムをやったはずだよ。

10k以上のバッテリーパックを30k以上の車両に搭載して、パワーサイクルで最大航続距離を減らして小銭を稼ぐって感じだね。

バッテリーの生産率が今や複数のTWh/年に迫ってきてる。これが車両や家庭用ストレージ、グリッドストレージにたくさんのバッテリーが溜まることにつながってる。もちろん、これらのバッテリーの主な目的はグリッドをサポートすることじゃなくて、他の用途なんだけど、もし充電されてれば、電力を売るために使えるかもしれない。今のところ、ほとんどのEVは電力を供給できないけど、これは変わり始めてる。何千台、何万台の車両で小規模な実験がすでに行われていて、うまくいってるみたい。今、数千万台の車両がグリッドの一部になることを想像してみて。余剰電力を吸収したり、必要なときに電力を供給するための待機電力がかなりの量になるよ。もう一つ興味深い点は、グリッドの需要が変動するにつれて、多くのケーブルが少なくとも一部の時間は十分に活用されていないってこと。つまり、余剰の発電とケーブルの容量があれば、バッテリーを充電するための十分な容量があるってこと。今のところ、その電力の多くは捨てられてるけど、バッテリーがあればこの余剰電力をより良く活用できる。たくさんのローカルバッテリーがあれば、必要なときにケーブルの容量を解放できて、需要が減ったときに再充電できるし。最後に、バッテリーの価格が下がってきてる。ナトリウムイオンセルの生産がいくつかの場所で増えてきてるから、かなり安くなるかもしれない。これらは希少な金属や材料に依存してないし、NMCに比べてかなり長持ちするんだよね。

余剰電力を吸収したり、必要なときに電力を供給するための待機電力がかなりの量になる。… そして、少数の大手メーカーやリモートコントロールのディスパッチャー/トレーダー企業がハッキングされた場合、深刻な問題になる。数週間前のスペインの停電は、技術的な故障による小さな警告に過ぎなかった。でも、これが戦争行為の一環として使われることを想像してみて?ロシアのウクライナ侵攻の初日には、Viasat衛星のハッキングがあり、5800基の風力タービンがリモートコントロール機能の喪失により停止したんだ。[1] それに、他のブランドのためにホワイトラベルを提供することが多い大手の中国のインバーターやパワーバンクコントローラーのベンダーを想像してみて。これは全く違うゲームになるよね。[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Viasat_hack

今のところ、その電力の多くは捨てられてる。電力はどうやって捨てられるの?ピーク発電を削減するか、もしかしたらベースロード発電所も出力を減らすことが期待されると思うけど。(私の知る限りでは、「ベースロード」とは継続的に運転されることが期待されるもので、「ピーク」は必要なときに起動し、不要なときに停止するように設計されてる。)

「今のところ、ほとんどのEVは電力を供給できない」それに、供給する必要もないよね。人々はバッテリーをサイクルさせて寿命を縮めたくないから。この用途には、軽量化された車両用ではなく、その目的に特化したバッテリーが必要だと思う。

私たちの論文に興味を持ってくれてありがとう!このテーマに関心がある人がいるのを見るのは嬉しいね!

「私たちの方法は、90分未満で2400万以上の最適化問題を解決できます。」この一文はかなりのインパクトがあるね。よく見ると、恥ずかしいほど並列処理された低次元の問題をバッチ処理してるだけで、ライブのレイテンシーもネットワークのI/Oも、グリッドAPIのジッターもない。静的なデータセットをメモリ内で叩いてるだけ。実際の市場では、ストールや切断、価格のスリップ、キューの遅延があるけど、ここにはそれがない。だから、2400万という数字は抽象的にはかっこいいけど、実際にはクリーンルームでの計算に過ぎない。ベンチマークを最適化しただけに感じる。

アルゴ取引の実行に伴う面倒な詳細をすべて加味しても、アルゴリズムは数マイクロ秒内にどのポジションを取るべきかの答えを提供してくれる。これがリミットオーダーブックで取引する際に欲しいものだよね。

https://octopusenergy.group/kraken-flex これはすでにイギリスで産業規模で行われているよ。