Grid frequency stabilization using batteries in cellular network base stations

The electrical system has been required to face many new challenges in latest years due to renewable energy sources development. The production of energy from renewable sources, from photovoltaic panels and wind turbines in particular requires to adjust the operation of the electrical system, keeping into account new conditions, soliciting a necessary review of the traditional practices for managing protection and quality. Main problems are related to production profile forecasting, obviously affected by the uncertain and intermittent production of renewables, and to the provision of ancillary services, since renewable sources are not able to provide some. Energy storage systems are attracting the interest of many players in the energy market due to their capability to decouple the timeline of production and consumption by keeping exceeding energy. Despite high costs of energy storage technology, which is expected to decrease in years thanks to innovation and industrialization and massive market development, a number of applications are being investigated to basically address grid peak demand conditions, grid emergency black-outs and shaping energy production preventing the wastage of renewable intermittent production, particularly when exceeding energy demand. Different directions are being explored to improve the business case for the deployment of energy storage systems in modern grids. Regulation is working against the technical and economic rules to pave the way for the convenient application of storage systems, including the capability of energy storage systems to provide ancillary services. The usage of the batteries in electric vehicles for providing ancillary services has been studied and is currently in place in markets with high penetration of electric vehicles, such as Denmark. The objective of the thesis is to explore the possibility to use battery systems deployed in the base stations of cellular telecom networks to provide ancillary services. In particular, the focus of the work is to investigate the capability of batteries deployed in existing cellular base stations to offer regulation of the primary frequency of the power grid. The work has focused on the Italian market, keeping into account current regulation provisions and the footprint of cellular base stations, with associated power demand and associated energy storage plants. The technical capability to take advantage of cellular base stations’ batteries for regulating primary frequency has been investigated by developing a simple power exchange model. The numerical results confirm the feasibility and the interest in the application of energy storage in cellular base stations to provide primary frequency regulation. The network architecture and the technologies used to enable the exchange of information needed to operate the proposed functions has been developed as part of the thesis. The evolution of cellular networks towards 5G, bringing a larger number of base stations and new deployment patterns has been studied as well in order to derive an extension of the basic model and to infer future applications of energy storage systems in 5G networks for primary frequency regulation. The thesis work has been carried out with the tutorship of Global ENEL innovation and research.

Lo sviluppo delle fonti di energia rinnovabili ha richiesto al sistema elettrico di affrontare molte nuove sfide negli ultimi anni. La produzione di energia da fonti rinnovabili, in particolare da pannelli fotovoltaici e turbine eoliche, richiede che gestione del sistema elettrico venga rivista, tenendo conto delle nuove condizioni, per mantenere gli standard qualità del servizio. I principali problemi sono legati alla previsione del profilo produttivo, ovviamente influenzata dalla produzione incerta e intermittente delle rinnovabili e dalla fornitura di servizi accessori, in quanto le fonti rinnovabili non sono in grado di fornirne alcuni. I sistemi di accumulo stanno attirando l'interesse di molti attori sul mercato dell'energia, infatti presentano molti benefici, tra cui la capacità di separare la timeline di produzione e consumo. Queste tecnologie, ad oggi, presentano ancora dei coti elevati, ma si prevede che diminuiranno negli anni a venire, grazie agli investimenti nella ricerca nel settore. Per questi motivi sono state studiate diverse applicazioni di sistemi di accumulo in grado di aiutare il sistema elettrico, offrendo servizi ausiliari, evitando congestioni e, se accoppiati a fonti di produzione rinnovabili, evitando la produzione intermittente. Sono state esplorate diverse configurazioni per migliorare le applicazioni e la distribuzione di sistemi di stoccaggio nelle reti moderne. Si sta lavorando anche nel settore legale, per adeguare le norme tecniche ed i corrispettivi economici alle nuove esigenze. Una delle più particolari applicazioni fin ora studiate è l'uso delle batterie dei veicoli elettrici per la fornitura di servizi accessori, in particolare il servizio di regolazione di frequenza primaria, ed è attualmente in atto nei mercati con elevata penetrazione di veicoli elettrici, come la Danimarca. L'obiettivo della tesi è quello di esplorare la possibilità di utilizzare i sistemi di batterie installati nelle stazioni base delle reti di telecomunicazione, per fornire il servizio di regolazione primaria di frequenza. Il lavoro si è concentrato sul mercato italiano, tenendo conto delle disposizioni vigenti in materia di regolamentazione e della distribuzione sul territorio delle stazioni base, con la relativa domanda di potenza e gli impianti di accumulo installati. La capacità tecnica di sfruttare le batterie delle stazioni base per la regolazione della frequenza primaria è stata studiata sviluppando un semplice modello di scambio di potenza, come suggerito dalla definizione del grado di statismo. I risultati numerici confermano la fattibilità e l'interesse per l'uso dei sistemi di accumulo nelle stazioni base per fornire la regolazione della frequenza primaria. L'architettura di rete e le tecnologie utilizzate per consentire lo scambio di informazioni necessarie per operare le funzioni proposte sono state sviluppate come parte della tesi. L'evoluzione delle reti cellulari verso la tecnologia 5G, che richiederà un numero maggiore di stazioni base e nuovi modelli di distribuzione, è stata studiata per ottenere un'estensione del modello di base e per concludere con la proposta di future applicazioni dei sistemi di accumulo in reti 5G per la regolazione della frequenza primaria . Il lavoro di tesi è stato svolto con la tutela del settore Innovation and Development di ENEL.