The role of lithium-ion batteries in energy communities : a simulation model for the sustainability assessment of collective solutions for energy transition in Italy

The energy transition path imposed by the European Union directives is transforming the electrical and economic systems of the Member States. Renewable energy, energy efficiency and final consumptions electrification are the three pillars of the decarbonisation trend, which must be supported by innovations capable of integrating those aspects both at infrastructural and market levels. An important role is played by two innovations whose interaction constitutes the topic of the dissertation: the electrochemical storage of electric energy and energy communities. Electrochemical storage, currently dominated by lithium-ion battery technologies, represents an innovation in the electricity grid and markets active participation. It is a new and progressively cheaper source of flexibility capable of coping with the needs of a system increasingly conditioned by the uncertainty of intermittent renewable energy sources. On the other hand, energy communities represent an innovative business model that allows the aggregation of final consumers in communities for the purpose of implementing decentralized energy projects, thus connected to the distribution network, for the sharing of economic, social and environmental benefits. Both solutions and their participation in the electricity markets are extensively discussed by the European directives on renewable energy and on the common rules for the creation of a European electricity market. However, these two innovations can coexist within the same model, which can disclose the potential of the electricity demand side in providing flexibility services to the system. A simulation model developed in MATLAB is proposed for the quantitative evaluation of the role of distributed lithium-ion batteries solutions within energy communities. This computational model is then used with the aim of answering some research questions regarding the sustainability of these solutions in energy communities.

Il percorso di transizione energetica imposto dalle direttive dell’Unione Europea sta rivoluzionando i sistemi elettrici e, di conseguenza, le economie degli Stati membri. Le energie rinnovabili, l’efficienza energetica e l’elettrificazione dei consumi sono le tre fondamenta di tale percorso, il quale deve però essere sostenuto da innovazioni capaci di integrare pienamente questi aspetti sia a livello infrastrutturale che di mercato. Un ruolo importante viene giocato da due innovazioni la cui interazione è alla base del lavoro di tesi: l’accumulo elettrochimico di energia elettrica e le comunità energetiche. Gli accumuli elettrochimici, dominati attualmente dalle tecnologie delle batterie agli ioni di litio, rappresentano una innovazione se intesi per la loro partecipazione attiva sulla rete e sui mercati elettrici. Essa rappresenta una nuova e sempre più economica fonte di flessibilità capace di fare fronte alle necessità di un sistema sempre più condizionato dall’intermittenza ed aleatorietà delle fonti energetiche rinnovabili non programmabili. Le comunità energetiche rappresentano invece un business model innovativo che permette l’aggregazione di collettività di consumatori finali ai fini della realizzazione di progetti energetici decentralizzati, ovvero connessi alla rete di distribuzione, per la condivisione di benefici economici, sociali e ambientali. Entrambe le soluzioni e la loro partecipazione ai mercati elettrici vengono ampiamente discusse dalle direttive europee sulle energie rinnovabili e sulle regole comuni per la creazione di un mercato elettrico europeo. Tali innovazioni possono però coesistere all’interno dello stesso modello, il quale può sbloccare il potenziale del lato della domanda elettrica nella fornitura di servizi di flessibilità al sistema. Un modello di simulazione sviluppato in MATLAB viene proposto per la valutazione quantitativa del ruolo di soluzioni di batterie al litio distribuite all’interno di comunità energetiche. Tale modello computazionale viene poi impiegato con lo scopo di rispondere ad alcune domande di ricerca riguardanti la sostenibilità di tali soluzioni nelle comunità energetiche.