Battery energy storage system for multiple service provision

Renewable energy sources (i.e. solar and wind) have been playing an increasingly important role in the electrical grid since their technology development became sufficiently mature to spur production at economic scale. Reinforcing this decades long trend are aggressive European policies in the effort to make the energy industry more sustainable, with the bigger aim to fight climate change. The Italian government is aligned with the ambitious European objectives and released a detailed plan to meet them. On the other hand, the Italian TSO Terna s.p.a. has been putting in place measures to cope with the intermittency of renewable energy sources causing a lower inertia of the electrical system. Among others, the most recent measure is the Fast Reserve pilot project through which energy storage technologies are incentivized to provide an innovative ancillary service. Fast reserve requires to have a very fast response time (<1s) and it is introduced in addition to other ancillary services, and not to replace any of them. Furthermore, it will not be integrated in the market, but directly requested by Terna at need. After an introduction to the Italian electricity market and exploring in detail why and how innovative services such as Fast Reserve will be crucial in the operation of the grid in the near future, in Chapter 2 different storage technologies are evaluated. A summary of the most important features for each of them is presented. In this study a NMC Li-ion cell is modelled in Simulink taking into account electrical, thermal, and aging data characteristics from the manufacturer. The modelling approach is explained in chapter 3 and the algorithm used to carry out the analysis is roll out in the following chapter 4. Chapter 5 instead covers the market strategies in two different scenarios. A comprehensive tecno-economical analysis is developed to investigate the economic feasibility of the BESS system delivering Fast reserve and MSD teriary reserve simultaneously. A total of four scenarios are taken into consideration while sensibility to the economic results are investigated. Eventually, an economical optimization for the size of BESS is carried out taking into account all the foreseeable costs. The thesis has been developed at STE Energy, an Italian company operating at international scale in the renewable energy and electrical infrastructure sectors, in close collaboration and on behalf of Delos Power, the second largest Italian operator in the production of electricity from photovoltaics power plants. The main objective of the study is to investigate potential economical returns of a battery energy storage system installed in conjunction with the already existing photovoltaic solar fields.

Le fonti rinnovabili per la produzione di energia elettrica, principalemente solare ed eolica, stanno avendo un ruolo sempre più cruciale nella rete elettrica, specialmente da quando le tecnologie sono diventate sufficientemente mature da arrivare alla loro produzione su scala mondiale. A rafforzare questa tendenza sono le politiche europee particolarmente aggressive nella lotta al cambiamento climatico, nello sforzo di trasformare l’intero settore energetico all’insegna della sostenibilità. Il governo italiano si dimostra allineato agli ambiziosi obiettivi europei, rilasciando un piano energetico dettagliato per raggiungerli (PNIEC). D’altro canto, Terna, l’operatore che gestisce le reti per la trasmissione dell’energia elettrica in Italia, sta mettendo in atto misure per far fronte all’intermittenza delle fonti energetiche rinnovabili, con l’obiettivo di mitigare gli effetti derivanti da una minore inerzia nel sistema elettrico. Tra le altre, la misura più recente consiste nel progetto pilota di riserva ultrarapida, attraverso il quale gli accumuli sono incentivati a fornire un servizio di potenza ausiliare innovativo per regolare la frequenza di rete. Tale servizio richiede una risposta pressochè istantanea minore di un secondo e verrà introdotta in aggiunta ad altri servizi ancillari e non in loro sostituzione. Inoltre, non sarà integrato nel mercato dei servizi di dispacciamento, ma sarà richiesto direttamente da Terna con obbligo di servizio. Il primo capitolo introduce la struttura del mercato elettrico italiano ed esplora in dettaglio le caratteristiche del servizio innovativo di riserva ultrarapida. Nel capitolo 2 vengono valutate diverse tecnologie di accumulo, viene presentato un riepilogo delle caratteristiche più importanti per ognuna di esse, selezionando poi la migliore per l’applicazione d’interesse. In questo studio, un sistema di accumulo a celle agli ioni di litio del tipo NMC viene modellato in Simulink. I principi generali vengono esposti nel terzo capitolo e nel successivo si entra in merito a ciascun blocco del sistema. Il quinto capitolo espone le strategie di mercato e di gestione di carica del sistema di accumulo, secondo la suddivisione in due ipotetici scenari. Il quinto capitolo infine presenta i risultati dell’analisi tecnico economica di un particolare caso studio con i ritorni economici in funzione di quattro diverse combinazioni di scenari, tenendo poi conto dell’influenza della taglia del progetto sui ritorni economici relativi all’investimento. Lo studio è stato svolto presso STE Energy, società italiana che opera su scala internazionale nel settore energia rinnovabile e nelle infrastrutture elettriche, in stretta collaborazione e per conto di Delos Power, secondo operatore in Italia nella produzione di energia elettrica, nell’ottica di indagare i potenziali ritorni economici di un sistema di accumulo da installare in concomitanza con i già esistenti campi fotovoltaici.