Battery energy storage systems for ancillary services provision

The increasing of Renewable Energy Source (RES) generation requires the power system to become more flexible, in order to manage its variability and uncertainty at various timeframes. Energy storage systems, such as electrochemical technologies, represent a broadly deployable asset, which could support effectively RES development. In this thesis, critical issues related to the increasing penetration of non-programmable renewable sources and different regulatory frameworks of storage systems are described. Such systems are flexible and able to provide those services that the electric system needs to keep itself in safety condition. The present work describes a novel objective-based Mixed Integer Linear-constrained Programming (MILP) model to simulate battery energy storage systems behaviour within the Italian ancillary services market, aimed at the investigation of the economic viability of these storage technologies in the provision of balancing service and secondary and tertiary reserve in the programming phase. For this reason, the presented model has been integrated in the ancillary service market simulator MODIS, a simulation tool able to simulate the Italian ancillary service market in a whole year. The effects of Battery Energy Storage Systems (BESSs) integration in the Italian context have been then studied, creating appropriate case-studies. To do that, it has been necessary to implement a new procedure in MODIS pre-process that allows the simulation of forecast scenarios. Finally, it has been chosen to analyze the impact of two BESS technologies (Lithium-ion and Sodium-Sulfur), characterized by different investment costs and parameters, in 2015 and in a mid-term forecast scenario (2021).

L’aumento della generazione da fonti rinnovabili richiede che il sistema elettrico diventi più flessibile al fine di gestire la variabilità e incertezza caratteristiche di tali fonti. I sistemi di accumulo dell’energia, in particolare i sistemi elettrochimici, rappresentano uno strumento ampiamente applicabile in grado di supportare efficacemente lo sviluppo delle fonti rinnovabili. Nell’elaborato di tesi, le problematiche correlate alla sempre maggiore penetrazione delle fonti rinnovabili non programmabili e diversi quadri regolatori per i sistemi di accumulo a batteria vengono presentati. Essendo molto flessibili, questi sistemi sono in grado di prestare proprio quei servizi di rete necessari al sistema elettrico per il mantenimento di condizioni di sicurezza e stabilità. Durante il lavoro di tesi si è quindi sviluppato un nuovo modello, basato sulla programmazione lineare intera mista, in grado di simulare il comportamento delle batterie all’interno del mercato dei servizi ancillari italiano, al fine di valutare la fattibilità economica di questi sistemi di accumulo nella prestazione del servizio di bilanciamento e di riserva secondaria e terziaria nella fase di programmazione. Per questo motivo, il modello presentato è stato inserito nel simulatore di mercato di servizi ancillari MODIS, un simulatore in grado di riprodurre il contesto italiano per un intero anno. Sono stati quindi studiati gli effetti della presenza di sistemi di accumulo a batteria in opportuni casi di studio. Tuttavia, è stato necessario andare a modificare il simulatore, implementando nella fase di pre-processo una procedura che permettesse la simulazione di scenari previsionali. Si è quindi scelto di analizzare l’impatto di due tecnologie di batterie (agli Ioni di Litio e al Sodio-Zolfo), caratterizzare da costi e parametri differenti, al 2015 e in uno scenario previsionale di medio-termine (2021).