Distributed energy resources : a new asset for ancillary services market

This thesis can be framed in the Italian electricity market scenario, which is facing deep changes both from a technical and a regulatory point of view. Ancillary services market has been considered as the main topic for this final dissertation, pointing out how its behaviour results strictly related with the increasing penetration of renewable energy sources. In this context, after the emission of the decree 300/2017/R/eel, various pilot projects have been introduced, deeply analysing the virtual enabled mixed unit (UVAM, Unità Virtuale Abilitata Mista) and its applications. This analysis considers an aggregate, representing a UVAM, constituted by 3000 residential units and a commercial one. These units are coordinated by a new market figure, namely the aggregator. The present work analysis the potentialities that these new players can introduce in the balancing market. These new resources are generally identified as Distributed Energy Resources (DERs); they can be alternatively generators, loads or storage systems. In this work, each residential unit has been considered enabled to install a solar power plant, an energy storage system, a controllable dish-washer, a controllable washing-machine and a controllable air-conditioner. On the other hand, the commercial unit, has a controllable air-conditioning system installed. The potential of the DERs is given by their power flexibility, provided through load shifting of dish-washer and washing-machine, load modulation of the air-conditioner and smart management of the energy storage system. To compute an economical estimation of the benefits introduced by these new resources, prices of the historical offers presented in the balancing market have been analyzed. Particularly, in order to associate to each offer, submitted at a given price, a certain probability of being accepted in the market, a market-analysis tool has been developed using MATLAB software. Then, adopting the same software, two optimization algorithms have been implemented. The first one maximizes the incomes that can be achieved by the aggregator on the balancing market. According to the results obtained from the market analysis and to other specific problem constraints, the model will provide the bidding power quantity, the bidding time and the scheduling of the flexible devices. The second one, instead, focuses on minimizing the costs in order to accomplish a predefined dispatching order, pointing out the different flexibility contributes and capabilities of residential and commercial units. The final results can be grouped in two main categories: the ones obtained from the market-analysis and those assessed by the optimization algorithms. Even if the analysis of the balancing market was intended to provide input data for the optimization algorithms, also some considerations on the historical registered prices have been done. Relatively to 2017 balancing market, a general trend for the accepted offer prices could be identified: they were higher during colder months and, generally, during weekly days with respect to holidays. Moreover, comparing different market zones behaviours, it has been shown how North market zone is characterized by a higher number of accepted offers with respect to the others. Concerning the optimization algorithms, their results confirm that DERs can effectively be exploited for balancing market purpose, allowing relevant power modulation. From an economical point of view, the generated profits have been redistributed among the aggregator and the different units, both residential and commercial. Due to the considered assumptions and scenarios, which are quite premature for the current Italian market structure, the economics of the studied case are not very profitable. In any case, large improvement margins are still exploitable, and the unstoppable dynamics that are changing the electricity market structure will surely involve these new resources, leading to regulatory documents review in order to increase the technical and economic feasibility of these projects.

Il presente lavoro di tesi è figlio dei recenti e profondi cambiamenti che stanno interessando la struttura del mercato elettrico Italiano. È stato evidenziato lo stretto legame esistente tra la diffusione delle cosiddette risorse energetiche distribuite (DER), in particolare le piccole unità di produzione a fonti rinnovabili, e le criticità che il mercato dei servizi di dispacciamento Italiano si trova a dover affrontare. In questo contesto, l'emanazione della delibera 300/2017/R/eel segna un mutamento radicale, abilitando alla partecipazione al mercato dei servizi ancillari un vasto panorama di utenti, precedentemente esclusi. Punto focale di questa delibera è stato l'approvazione di alcuni progetti pilota, dei quali è stato preso in esame quello denominato UVAM, Unità Virtuale Abilitata Mista. L'analisi condotta ha preso in esame un aggregato di utenze costituito da 3000 unità residenziali e da un’unità commerciale. Queste unità si interfacciano con un nuovo agente di mercato, denominato aggregatore, il quale ha il compito di coordinare la flessibilità offerta da ciascuna di esse. Con il termine flessibilità, si fa riferimento alla possibilità, da parte dell'aggregatore, di agire in maniera diretta su alcuni dispositivi degli utenti, definiti nel seguito controllabili. In questo lavoro, le utenze residenziali possono abilitare al controllo alcuni elettrodomestici tra cui la lavatrice e la lavastoviglie, un climatizzatore ed, infine, un sistema di accumulo elettrico. Per quanto riguarda l'utenza commerciale, essa abilita al controllo solamente il sistema di climatizzazione. L'aggregatore è incaricato di gestire la flessibilità fornita da ciascuna utenza, con l'obbiettivo di trovare una strategia efficace per offrire servizi di dispacciamento. L'analisi delle potenzialità di questo aggregato viene svolta seguendo una logica a cascata. Come primo passo, è stata condotta un'analisi economica sul mercato dei servizi di dispacciamento per l'anno 2017, in particolare sono stati analizzati i prezzi delle offerte accettate sul mercato del bilanciamento, ricavando una relazione tra essi e la probabilità di accettazione sul mercato. Successivamente, utilizzando i dati di mercato analizzati, due algoritmi di ottimizzazione sono stati sviluppati: il primo con l'obbiettivo di trovare quali siano il periodo della giornata, il livello di potenza e la configurazione dei dispositivi controllabili che massimizzano i ricavi dovuti dalla partecipazione al mercato dei servizi di dispacciamento; il secondo con l'obbiettivo di trovare la configurazione dei dispositivi più economica, sottolineando i diversi contributi forniti dalle utenze residenziali rispetto a quelle commerciali, per rispettare un ordine di dispacciamento predefinito. Per quanto riguarda i risultati ottenuti, due contributi principali possono essere distinti. Il primo fa riferimento ai risultati ottenuti dall'analisi di mercato, il secondo, invece, si focalizza sui risultati ottenuti dai problemi di ottimizzazione. Per quanto riguarda l'analisi di mercato, oltre ai dati che correlano prezzi e probabilità di accettazione, è stato possibile osservare come nei mesi invernali, rispetto a quelli estivi, i prezzi sul mercato del bilanciamento registrati risultino maggiori. Stesso comportamento si registra confrontando i prezzi infra-settimanali con quelli del fine settimana. Focalizzando l'attenzione sui risultati ottenuti dalle simulazioni degli algoritmi di ottimizzazione, da un punto di vista teorico, è possibile provare l'efficace ruolo ricoperto da queste nuove risorse di dispacciamento nel fornire servizi di bilanciamento nel mercato elettrico. Volendo trarre delle conclusioni economiche, i risultati non risultano essere di primo impatto promettenti. Tuttavia, è importante tenere in considerazione quelle che sono state le diverse ipotesi di studio formulate, non tralasciando il fatto che questo genere di applicazioni è alquanto prematuro se paragonato all'attuale struttura del mercato Italiano. Per concludere, è importante prendere coscienza di come le diverse problematiche che stanno inficiando il sistema elettrico nazionale risulteranno essere sempre più influenti. Sarà quindi fondamentale adeguare il mercato elettrico da un punto di vista tecnico e regolatorio, facendo in modo che queste nuove tipologie di risorse flessibili possano trovare sempre più conveniente il loro ingresso nel sistema.