Effective management of aggregated energy storage systems at domestic level for self-consumption and frequency regulation

This study addresses the issue of increasing the flexibility resources of the Italian electric power system through the participation of the demand in the market, focusing on the analysis at a domestic level. It focuses on different strategies that the prosumer could integrate to guarantee the increase of self-consumption, but also the participation in the Ancillary Services Market (ASM) Three different case studies are considered: the provision of only self-consumption (Behind-the Meter case), provision of self-consumption and tertiary reserve in a market with no minimum bid (Unconstrained case), and another case considering both services with the constraint of the minimum bid size (Aggregated case), representing a likely future regulatory scheme. The first three chapters provide a literature review of (1) The Domestic Prosumer role, providing an overview of the synergies between Photovoltaic System and Battery Energy Storage Systems (BESS); (2) Electricity Markets in Italy, with particular attention to Day-Ahead Market(DAM), ASM, and the evolution of the market; (3) Aggregation, detailing the types of aggregators, and the uses worldwide. In Chapter 4, the methodology is explained, and the models of the BESS for the different cases are presented. Chapter 5 shows the description of the data used in the thesis, while Chapter 6 shows the results of the simulations and sensitivity analysis in all the cases. The outcome of this study highlights that participation in the ASM allows prosumers to increase self-consumption, increase revenues, and, thus, the BESS investment interest. If we focus on aggregation, it is noticed that by having more houses aggregated, better results can be achieved, but we do better if the minimum bid size is decreased to have more energy exchanged on ASM; whereas by do not have a minimum bid size, we do even better since it shows the highest self-consumption and the highest revenues of all the cases.

Il presente studio affronta il tema delle risorse di flessibilità del sistema elettrico italiano attraverso la partecipazione della domanda al mercato, concentrando l'analisi a livello nazionale. In particolare, la tesi si focalizza sulle diverse strategie che un prosumer potrebbe adottare per ottenere l'aumento dell'autoconsumo, in aggiunta alla partecipazione al mercato dei servizi di dispacciamento. Sono presi in considerazione tre diversi casi studio: la fornitura di solo autoconsumo (caso Behind-the Meter), la fornitura di autoconsumo e di riserva terziaria in un mercato senza vincolo di offerta minima (caso Unconstrained) e uno scenario che considera entrambi i servizi con il vincolo della dimensione minima dell'offerta (caso Aggregated), che rappresenta un probabile schema di regolamentazione futuro. I primi tre capitoli del lavoro forniscono una rassegna della letteratura in materia di (1) ruolo del Prosumer residenziale, fornendo una panoramica delle sinergie tra sistema fotovoltaico e storage; (2) Mercati dell'energia elettrica in Italia, con particolare attenzione alla struttura del Mercato del Giorno Prima (MGP) e del Mercato per il Servizio di Dispacciamento (MSD) e all'evoluzione del mercato; (3) Aggregazione, con il dettaglio delle tipologie di aggregatori e degli usi a livello mondiale. Nel capitolo 4 viene spiegata la metodologia e vengono presentati i modelli di sistema di accumulo a batteria per i diversi casi. Il capitolo 5 illustra la descrizione dei dati utilizzati nella tesi. Il capitolo 6 mostra i risultati delle simulazioni e dell'analisi di sensibilità in tutti gli scenari. Gli esiti dello studio mostrano che la partecipazione al MSD permette ai Prosumer di aumentare l'autoconsumo e anche migliorare la redditività dell’investimento. Se ci concentriamo sull'aggregazione, emerge che avendo più utenti residenziali aggregati, è possibile ottenere risultati migliori. Tuttavia, è meglio diminuire la dimensione minima dell'offerta per incrementare la quota di energia scambiata su MSD; eliminando addirittura il vincolo di offerta minima, si incorre in un caso ancora migliore, perché si conseguono l’autoconsumo più elevato e i maggiori ricavi.