Optimized management of dispatchable thermal loads in retail industry for the supply of ancillary services

In the last recent years, Italy has experienced deep changes due to the high penetration of renewable power plants for electricity production. These changes will be more and more radical in the next years due to the goals that our Country wants to achieve be-fore the 2030. It goes without saying that, a radical change of electricity production power plants portfolio, is directly connected to a needed reform of the Electricity Market and, in particular, of the Ancillary Services one. For this reason, ARERA opened the market to new participants in 2017 through the Decree 300/2017/R/eel. Three pilot projects have been launched since 2017 with the aim to find new resources for the Ancillary Services market. The purpose of this thesis work is to evaluate the profitability of the participation to the MSD for the asset owner of a consumption unit (a supermarket) by being part of an UVAM (Unità Virtuale Abilitata Mista). The first part of the work is focused on the above-mentioned changes that Italy is fac-ing and will face in the near future, explaining what the drawbacks of a high penetra-tion of the Renewable Energy Sources (RES) are. In the second part, the UVAM pilot project is analysed. Firstly, by a regulatory point of view in order to point out which are the rules that the UVAM has to respect to par-ticipate to the MSD. Then, the results of the pilot project, referred to the year 2019, are presented to understand if UVAMs are already exploited as innovative solutions for Ancillary Services supply. Results show that, during the last year, Terna did not send them a huge number of dispatching orders, meaning that UVAMs still have to demon-strate their full potential. In the third part, the MILP optimization model used for the numerical analysis is pre-sented. In particular, the supermarket’s participation to the MSD has been added to the model developed in [21]. The supermarket can provide increasing balancing services by shifting its electrical consumption thanks to the thermal capacity of its refrigeration units. In this work, the UVAM is assumed to be composed by consumption units of the same type. The results of the optimization process are two different operative scenari-os of the supermarket: the “base” and the “call” one. The former represents an opera-tive condition in which the supermarket is able to provide the service, but the dispatch-ing order is not sent by the TSO. The latter is instead the operation of the unit when it effectively has to execute the dispatching order. Since the operative scenarios are computed simultaneously, the objective function of the model is the sum of the operat-ing costs of the scenarios, weighed on the probability that the scenarios occur. This means that if a scenario has a 100% probability to occur, the operating costs of the other one are not considered in the objective function. Finally, starting from a probability of the “call” scenario equal to 0, the profitability of the supermarket’s participation to the MSD is analysed as a function of the number of days in which the unit is called to provide the service. Then, the weights of the scenar-ios “base” and “call” in the objective function are changed and the analysis is repeated in order to study the impact of the occurrence probability of the scenarios on the oper-ation of the supermarket. Another parameter taken into account is the modulating ca-pacity offered by the supermarket, since, being the UVAM formed by units of the same type, this parameter is directly related to number of units needed to reach the minimum modulating capacity of 1MW. The results show that the supermarket’s participation to the MSD is not very profita-ble, even if many dispatching orders are sent by Terna and that the most profitable UVAM’s architecture results to be the one constituted by at least four units, offering 250 kW each.

Negli ultimi anni l'Italia ha vissuto profondi cambiamenti dovuti all'elevata penetrazione di impianti rinnovabili per la produzione di energia elettrica. Nei prossimi anni questi cambiamenti saranno più evidenti considerati gli obiettivi che il nostro Paese vuole raggiungere entro il 2030. È chiaro che un cambiamento radicale degli impianti per la produzione elettrica è direttamente collegato alla necessità di una riforma del mercato elettrico e, in particolare, di quello dei servizi di dispacciamento. Per questo motivo, ARERA ha aperto il mercato a nuovi partecipanti nel 2017 attraverso il decreto 300/2017/R/eel. Da allora sono stati realizzati tre progetti pilota con l'obiettivo di trovare nuove risorse per il mercato dei servizi ancillari. Lo scopo di questa tesi è di valutare la redditività della partecipazione al MSD per il proprietario di un'unità di consumo (un supermercato) facente parte di una UVAM (Unità Virtuale Abilitata Mista). La prima parte del lavoro è incentrata sui cambiamenti che l'Italia sta affrontando e che dovrà affrontare nel prossimo futuro, spiegando quali sono le criticità di un'elevata penetrazione delle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER). Nella seconda parte viene analizzato il progetto pilota UVAM. In primo luogo, da un punto di vista normativo, al fine di indicare quali sono le regole che l’UVAM deve rispettare per partecipare al MSD. Vengono poi presentati i risultati del progetto pilota, riferiti all'anno 2019, per comprendere se le UVAM siano già sfruttate come soluzioni innovative per la fornitura di servizi ancillari. I risultati mostrano che, durante l'ultimo anno, Terna non ha inviato loro un gran numero di ordini di dispacciamento, il che significa che le UVAM devono ancora dimostrare il loro pieno potenziale. Nella terza parte, viene presentato il modello di ottimizzazione MILP utilizzato per l'analisi numerica. In particolare, la partecipazione del supermercato al MSD è stata aggiunta al modello sviluppato in [21]. Il supermercato può fornire servizi di bilanciamento a salire modulando il proprio consumo elettrico grazie alle capacità termiche delle sue unità di refrigerazione. In questo lavoro, si assume che l'UVAM sia composta da unità di consumo dello stesso tipo. I risultati del processo di ottimizzazione sono due diversi scenari operativi del supermercato: il "base" e il "call". Il primo rappresenta una condizione operativa in cui il supermercato è in grado di fornire il servizio, ma l'ordine di dispacciamento non viene inviato dal TSO. Il secondo rappresenta invece il funzionamento dell'unità quando deve effettivamente eseguire l'ordine di dispacciamento. Poiché gli scenari operativi vengono calcolati simultaneamente, la funzione obiettivo del modello è la somma dei costi operativi degli scenari, ponderati sulla probabilità che questi si verifichino. Ciò significa che se uno scenario ha una probabilità di verificarsi del 100%, i costi operativi dell'altro non vengono considerati nella funzione obiettivo. Infine, partendo da una probabilità dello scenario "call" pari a 0, la redditività della partecipazione del supermercato al MSD viene analizzata in funzione del numero di giorni in cui l'unità è chiamata a fornire il servizio. Successivamente, vengono modificati i pesi dei due scenari “base” e “call” nella funzione obiettivo e l’analisi viene ripetuta al fine di studiare l’impatto della probabilità di occorrenza degli scenari sul funzionamento del supermercato. Un altro parametro preso in considerazione è la capacità di modulazione offerta dal supermercato, poiché, essendo l'UVAM formata da unità dello stesso tipo, questo parametro è direttamente correlato al numero di unità necessarie per raggiungere la capacità di modulazione minima di 1MW. I risultati mostrano che la partecipazione del supermercato al MSD non è molto redditizia, anche se il numero di ordini di dispacciamento inviati da Terna è elevato e che l’architettura dell’UVAM più redditizia risulta essere quella costituita da almeno quattro unità, ciascuna in grado di operare una modulazione di 250 kW.