MILP model for energy arbitrage using residential BESS : analysis and results based on real data

The development of the electricity market over the last decades is based on introducing renewable, clean electricity production methods prioritizing decarbonisation and environmental sustainability. Photovoltaic and wind power plants are expected to be among the renewable energy sources (RES-E) used the most in the future, but their intermittent and unpredictable production lead to instability on the grid. Battery energy storage systems (BESS) are considered one of the best solutions, because they can provide multiple services to the grid. However, their economic feasibility is still not fully examined. In this study, the possibility of implementing energy arbitrage with a Li-ion BESS installed in residential households is explored, aiming to understand the possible reduction on the consumers’ electricity bills and thus enhance the investments in this sector. The analysis conducted has been based on real data for different Italian use cases where both a Li-ion BESS and a PV plant were installed. The consumption and production profile, along with some BESS’ parameters, were given for each case. These were used to compute the systems’ efficiency under different operating conditions. Based on that, an energy arbitrage strategy was developed on the Italian Day-Ahead Market using a Mixed Integer Linear Programming (MILP) deterministic model for each use case. The optimization process considers a variable efficiency for the BESS and extra losses on the system. Furthermore, this work proposes a rolling-horizon algorithm in which a sequence of daily MILP sub models is solved, while considering production, consumption and market’s prices based on profile from historical data. Indeed, the model updates its strategy every hour using a perfect foresight on the following 24 hours. The validity of the model was tested for each system, by comparing the model behaviour, without energy arbitrage, with the use case given. In the results, the new value of energy passing through the battery was analysed, along with the new electricity bill for each consumer for a one-year period. Finally, the possible advantages of enabling this new possibility in the residential sector are explored.

Lo sviluppo costante del mercato elettrico negli ultimi decenni è spinto dall'introduzione di nuovi e più sostenibili metodi di produzione elettrica che privilegiano la decarbonizzazione e la sostenibilità ambientale. Gli impianti fotovoltaici ed eolici dovrebbero essere tra le risorse rinnovabili più utilizzate in futuro, ma la loro produzione non costante e non prevedibile porta a instabilità sulla rete elettrica. I sistemi di accumulo elettrochimico (BESS) sono considerati una delle migliori soluzioni, in quanto possono fornire molteplici servizi alla rete. Tuttavia, la loro fattibilità economica non è ancora completamente esaminata. In questo lavoro, è esplorata la possibilità di implementare una strategia di arbitraggio energetico attraverso sistemi di accumulo di energia a batteria al litio (Li-ion BESS) installate nel settore residenziale, al fine di comprendere una possibile riduzione delle bollette elettriche dei consumatori. L'analisi condotta si è basata su dati reali relativi a diversi casi d'uso italiani in cui sono stati installati sia un impianto Li-ion BESS che un impianto fotovoltaico. Il profilo di consumo e produzione, insieme ad alcuni parametri del sistema di accumulo BESS, sono stati ricevuti per ogni caso d’uso. Questi sono stati utilizzati per calcolare l'efficienza dei sistemi in condizioni diverse. Sulla base di ciò, è stata implementata una strategia di arbitraggio energetico sul Mercato del Giorno Prima italiano utilizzando un modello deterministico Mixed Integer Linear Programming (MILP) per ogni caso d'uso. Il processo di ottimizzazione ha considerato un'efficienza variabile per il BESS e perdite extra sul sistema. Inoltre, questo lavoro propone un algoritmo di Rolling-Horizon in cui viene risolta una sequenza di sotto modelli PLIM giornalieri, tenendo conto dei valori storici di produzione, consumo e prezzi di mercato. Il modello, infatti, aggiorna la sua strategia ogni ora usando una previsione perfetta sulle 24 ore successive. La validità del modello è stata testata per ogni sistema, confrontando il comportamento del modello, senza arbitraggio energetico, con il caso d'uso di riferimento. Nei risultati è stato analizzato il nuovo valore dell'energia che passa attraverso la batteria, insieme alla nuova bolletta elettrica per ciascun consumatore, per un periodo di un anno. Vengono esplorati, infine, i possibili vantaggi derivanti dall'attuazione di questa nuova possibilità nel settore residenziale.