Empirical modeling and market simulation of a utility scale grid connected battery system. Case study Edison Altomonte

In the context of the Edison's Innovation project dedicated to batteries, this thesis work is aimed at developing an empirical model for a utility scale Lithium Ion Battery Energy Storage System (BESS), based on experiments programmed and conducted by the author, to be used for simulating the provision of four different selected services, evaluating technical and economic performances under alternative hypotheses and strategies. A preliminary description of the to be simulated services and of the BESS's components is the starting point to critically look at the scientific literature and define the strategies that better suit the modeling and simulation needs of this work. Edison Altomonte's commissioning was carefully followed by the author, developing an expertise about large scale remotely connected battery systems. The experiments on the system required a long execution time for the electrochemical characterization, DC-DC, but the model's validation proved good accuracy in forecasting the battery's SOC and the average cell voltage, both for the PV unbalance reduction and for the primary frequency control services. Basing on the simulation of different services and strategies over 5 months to 1 year periods and in accordance with the developed model, the following key findings were identified: 1. The auxiliaries result as the main cause of energy consumptions for the BESS, ending up in penalizing the overall energy efficiency 2. The inverter and the transformer are responsible of the second highest share of losses in all the simulations, quite stable around 30% 3. The electrochemical DC-DC losses represent a minor portion of the losses, increasing when the service is characterized by a high number of equivalent cycles per day and by operations at higher C-rates 4. The analysis of the earnings per equivalent cycle shows a strong link between BESS activity and earnings, due to the high weight of auxiliaries' consumptions 5. As expected, none of the considered services can provide a positive economic return during the plant's lifetime. The potential to increase revenues from battery based services probably lays in the combination of different simultaneous offers with appropriate strategies dedicated to SOC restoration. The main active power services that could be offered through the system have been investigated, developing some experience in the design of control logics algorithms and making of the simulator an easily customizable tool for the future investigation of profitable strategies and of the impact of new market regulations.

Nell'ambito del progetto di Edison Innovation dedicato alle batterie, questo lavoro di tesi è finalizzato allo sviluppo di un modello empirico per un Battery Energy Storage System (BESS) utility scale agli ioni di litio. Costruito sulla base di esperimenti programmati e condotti dall'autore, il modello sarà utilizzato per simulare la fornitura di diversi servizi, valutando le prestazioni tecniche ed economiche del sistema secondo diverse strategie. Una descrizione preliminare dei servizi da simulare e dei componenti del BESS è il punto di partenza per esaminare criticamente la letteratura scientifica e definire le strategie che meglio si adattano alle esigenze di modellazione e simulazione di questo lavoro. Il commissioning di Edison Altomonte è stato attentamente seguito dall'autore, sviluppando una certa esperienza sui sistemi di batterie di larga scala monitorati da remoto. Gli esperimenti sul sistema hanno richiesto tempi lunghi per la caratterizzazione elettrochimica, DC-DC, ma la validazione del modello ha rivelato una buona precisione nella previsione del SOC della batteria e della tensione media di cella, sia per quanto riguarda il servizio di riduzione degli sbilanciamenti PV che per la regolazione primaria di frequenza. A seguito della simulazione dei diversi servizi e strategie su periodi compresi tra 5 mesi e 1 anno, in accordo con il modello sviluppato, sono stati identificati i seguenti risultati chiave: 1. Gli ausiliari risultano la causa principale dei consumi energetici per il BESS, finendo per penalizzarne l'efficienza energetica complessiva 2. L'inverter e il trasformatore sono responsabili della seconda quota più alta di perdite in tutte le simulazioni, piuttosto stabile intorno al 30% 3. La componente elettrochimicha è responsabile di una parte minore delle perdite, in aumento quando il servizio è caratterizzato da un numero elevato di cicli equivalenti al giorno e da operazioni ad alto C-rate 4. L'analisi dei ricavi per ciclo equivalente mostra un forte legame tra l'attività del BESS e il saldo economico, a causa del peso elevato dei consumi degli ausiliari 5. Come previsto, nessuno dei servizi considerati può portare a un ritorno economico positivo durante la vita dell'impianto. Il potenziale per aumentare i ricavi dei servizi offerti dalle batterie probabilmente sta nella combinazione di diverse offerte simultanee, con strategie appropriate dedicate al ripristino del SOC. I principali servizi di potenza attiva predisposti per Edison Altomonte sono stati analizzati, sviluppando una certa esperienza nella progettazione di logiche di controllo e rendendo il simulatore uno strumento facilmente personalizzabile per la futura valutazione di strategie redditizie o dell'impatto di nuove normative di mercato.