A multi-objective cash flow algorithm proposal for residential photovoltaic and battery storage systems

Technical development of lithium-ion batteries (LIBs), which has taken place in the last decades, has increased the importance of this technology in residential applications. This work presents an algorithm to manage in a satisfying economical way the storage battery system for residential photovoltaic plants. The novelty of this study is the addition of degradation mechanisms, that unavoidably affects the battery, in an economical optimization, so that the consumer can exploit the best theoretical trade-off between minimum cash flow and maximization of the battery lifetime. Aging effects can be modelled introducing two aging typologies: cycle aging and calendar aging. The obtained degradation models can be inserted in a cash flow minimization algorithm at the end of the process (diagnostics insertion), to perform a reliable end of life battery estimations or, alternatively, inside the algorithm (active insertion) to perform a multi-objective minimization of the cashflow and of the degradation process. With the new proposal of a multi-objective algorithm (active insertion), simulations show the possibility to postpone the battery replacement of about one year, considering a little cashflow increment. Another important goal obtained through this approach is the opportunity to estimate and/or to target the end of life of the battery according to evolving conditions in the economical/technological scenario. Economic and environmental observations lead to a discussion on the sustainability of this investment which has disadvantages such as the high cost, but also possible advantages in environmental and grid stabilization terms.

Negli ultimi decenni, il grande sviluppo tecnico delle batterie agli ioni di litio (LIBs), ha permesso l’implementazione di tale tecnologia anche nelle applicazioni residenziali. Questo elaborato si propone di presentare un algoritmo in grado di gestire efficacemente, dal punto di vista economico e prestazionale, i sistemi di accumulo per impianti fotovoltaici di tipo residenziale. La novità di questo studio risiede nell’aggiunta di modelli semi-empirici di degrado della batteria all’interno di un'ottimizzazione economica, così da proporre al consumatore il miglior compromesso teorico tra massimizzazione dei profitti economici e corretta gestione della batteria. Il degrado della batteria deriva da due tipologie di invecchiamento: da ciclo e da calendario. Questi due degradi possono essere inseriti in un algoritmo di minimizzazione del flusso di cassa come strumenti diagnostici alla fine del processo (inserzione diagnostica), per eseguire stime affidabili sul fine vita della batteria. Alternativamente, è possibile inserirli all'interno dell’algoritmo per eseguire un’ottimizzazione multipla del flusso di cassa e del processo di degrado (inserzione attiva). Utilizzando la nuova proposta di algoritmo multi-obiettivo (inserzione attiva dei modelli), è possibile posticipare la sostituzione della batteria di circa un anno, a scapito di un lieve incremento dell’energia prelevata dalla rete che impatterà negativamente nel flusso di cassa. Oltre a ciò, è possibile stimare e/o indirizzare il fine vita della batteria in base alle condizioni in evoluzione nello scenario economico/tecnologico. Osservazioni di tipo economico ed ambientale portano ad una discussione sulla sostenibilità di questo investimento che presenta svantaggi come l’elevato costo, ma anche possibili vantaggi in termini ambientali e di stabilizzazione della rete.