Simulation tool for secondary reserve provision of a thermoelectric power plant combined with a battery energy storage system

The Italian Electric System is facing a transition period, due to the integration of renewable energy sources in the national mix and changes in the demand side. Projects aimed at improving efficiency and reliability of the current network energy services are already in testing phase, most of them using new technologies: among these, energy storage systems can play a key role in the Italian Electric System. The present study foresees the implementation of an advanced analytical model, which integrates an electrochemical storage system in the provision of Secondary Reserve, coupled with an existing thermoelectric plant. The objective of this work is to evaluate the economic feasibility of this kind of system, with respect to the current scenario, where the sole conventional plant operates in the supply of Secondary Reserve. After analysing the market context and the main technologies for energy storage, the analytic tool is presented. It considers the main characteristics and the technical constraints of a system composed by a coal-fired USC plant and Li-ion electrochemical storage. Technical modelling is integrated by a cost and revenue evaluation model, reflecting the dynamic operation of the system within the Ancillary Service Market. Such system is applied to a real case, according to the Terna Grid Code regulation. The proposed simulations show that, in terms of overall operating profit, coupling a storage system to a conventional power plant for the provision of secondary reserve has limited advantages in terms of operating profit: some of the configurations in fact, have an annual operating profit higher than the reference scenario, but the economic difference is restrained. Therefore, some features of the model that must be optimized are identified: for an optimal exploitation of the storage it is necessary to implement an operating strategy that maximizes the BESS usage when the economic convenience is higher, hence in presence of upward energy requirements. Therefore, a more refined recharge strategy is necessary to guarantee the availability of storage where its exploitation is more advantageous. Concluding, the integration of BESSs in the current electric system could be a solution in the future as it determines a more regular operation of traditional systems and, by implementing the suggested improvements, it could allow a reduction in the operating costs.

Il Sistema Elettrico Italiano si trova in un periodo di transizione, dovuto all'integrazione delle fonti rinnovabili nel mix energetico ed al cambiamento dei consumi. Sono già in fase di sperimentazione progetti volti al miglioramento e all’efficientamento degli attuali servizi energetici di rete, attraverso l’utilizzo di nuove tecnologie: tra queste, i sistemi di accumulo di energia possono giocare un ruolo chiave nel Sistema Elettrico Italiano di domani. Il presente studio implementa un modello analitico avanzato, che integra un sistema di accumulo elettrochimico nel servizio di fornitura di Riserva Secondaria, in accoppiamento ad un impianto termoelettrico già esistente. L’obiettivo finale è quello di valutare la fattibilità economica di un sistema di questo tipo, rispetto allo scenario attuale, in cui l’impianto convenzionale opera da solo in fornitura di riserva secondaria. Dopo aver analizzato il contesto di mercato e le possibili tecnologie per l’accumulo di energia, viene presentato il tool, che considera le principali caratteristiche ed i vincoli tecnici di un sistema composto da un impianto USC alimentato a carbone e da uno storage elettrochimico Li-ion. La modellazione tecnica è integrata ad un modello di valutazione di costi e ricavi, legati al funzionamento dinamico del sistema all’interno del Mercato dei Servizi Ancillari. Tale sistema viene applicato ad un caso reale, secondo lo schema dettato dal Codice di Rete Terna. Dalle simulazioni proposte emerge che l’accoppiamento di un sistema di accumulo ad un impianto tradizionale per la fornitura di riserva secondaria ha delle limitate potenzialità in termini di utile operativo complessivo: per alcune delle configurazioni studiate, infatti, l’utile operativo annuo risulta superiore rispetto allo scenario di riferimento, ma la differenza economica non risulta particolarmente elevata. Vengono analizzati quindi alcuni aspetti del modello da ottimizzare: per uno sfruttamento ottimale dello storage è necessario implementare una strategia di funzionamento che massimizzi l’utilizzo del BESS nei momenti di maggiore convenienza economica, quindi in presenza di offerte di riserva a salire. È quindi necessario definire una strategia di ricarica più elaborata, che garantisca la disponibilità dello storage nei momenti in cui il suo utilizzo è più vantaggioso. In conclusione, l’integrazione di sistemi di accumulo nell’attuale Sistema Elettrico potrebbe essere una soluzione perseguibile in futuro poichè determina un funzionamento più regolare degli impianti tradizionali e, sviluppando le migliorie suggerite, può consentire una riduzione dei costi operativi.