Efficiency Assessment of Residential Batteries for Energy Arbitrage

Photovoltaic systems and wind farms will increasingly dominate power generation in the future. At the same time, a de-centralized approach is emerging as an alternative solution to centralized generation. The transition to a high penetration of non-programmable renewable energy sources involves on the one hand the pursuit of environmental sustainability and de- carbonization, but on the other hand it creates problems related to the safety and reliability of the electricity system. For this reason, European Union countries are considering expanding participation in the provision of ancillary services to distributed generators, and among the candidates for this service, battery energy storage systems (BESSs) and demand side management (DSM) have proven to be among the most effective. However, the market for storage systems has not yet reached maturity. In this study, the central work was to validate the functional parameters of three lithium-ion battery models, two of which were theorized in a previous dissertation. Through ad hoc cycles, made possible thanks to the collaboration with Sonnen S.r.l., the profiles of production, consumption and exchange with the electric grid have been used to validate the values of charge, discharge, and round-trip efficiency. The new updated parameter values were then used to make energy arbitrage considerations for the residential sector. The arbitrage analysis was performed by initially taking the annual average prices of the Day-Ahead Market as a reference. Later, a more precise analysis was made by taking the average value on a monthly basis. Next, the estimated gains from implementing this new residential battery potential are presented. Finally, considerations were made about the different levels of depth of discharge (DoD) that the battery can provide for this type of service.

Gli impianti fotovoltaici e gli impianti eolici domineranno sempre di più la produzione di energia elettrica in futuro. Allo stesso tempo un approccio de-centralizzato si sta proponendo come soluzione alternativa alla produzione centralizzata. La transizione verso un'alta penetrazione delle fonti di energia rinnovabile non programmabili comporta da una parte il perseguimento della sostenibilità ambientale e della de-carbonizzazione, ma dall’altra parte crea problemi legati alla sicurezza e all'affidabilità del sistema elettrico. Per questo motivo, i paesi dell'Unione Europea stanno considerando di estendere la partecipazione alla fornitura di servizi ausiliari ai generatori distribuiti, e tra i candidati a questo servizio, i sistemi di accumulo elettrochimico (BESS), insieme alla gestione attiva dei consumi, si sono rivelati tra i più efficaci. Tuttavia, il mercato dei sistemi di accumulo non ha ancora raggiunto la maturità. In questo studio, il lavoro centrale è stato quello di validare i parametri funzionali di tre modelli di batterie agli ioni di litio, di cui due teorizzati in una precedente tesi di laurea. Attraverso dei cicli ad hoc, resi possibili grazie alla collaborazione con Sonnen s.r.l., sono stati utilizzati i profili di produzione, consumo e scambio con la rete per validare i valori di rendimento di carica, scarica e di round-trip. I nuovi valori aggiornati dei parametri sono stati in seguito utilizzati per fare considerazioni sull’arbitraggio di energia per il settore residenziale. L’analisi sull’arbitraggio è stata svolta prendendo come riferimento inizialmente i prezzi medi annuali del Mercato del Giorno Prima. In seguito, è stata fatta un’analisi più precisa prendendo il valore medio su base mensile. Vengono illustrati, in seguito, i guadagni stimati derivanti dall’attuazione di questa nuova potenzialità delle batterie residenziali. Infine, sono state fatte delle considerazioni sui diversi livelli di profondità di scarica che la batteria è in grado di garantire a questo tipo di servizio.