Aging and MILP modelling for BESS

The targets set by the European Commission for the future of the energy sector are very ambitious. One of the most important is the achievement of share of power capacity from Renewable Energy Sources (RES) equal to 32.5 % by 2030. To fulfill this objective important changes, and consequent investments in new assets should be done in the electric power system. Battery Energy Storage System (BESS) tied with the electric grid represents one of the possible solutions to overcome the principal thresholds of green resources. The modularity of BESS, and their capacity to store a sustained amount of energy solve the non-programmability of the RES. Moreover, the capability to behave both as a generator and a load ensures an important source of stability for the electric grid. Consequently, in the next years, these characteristics will lead to widespread adoption of this technology in the energy sector. However, BESS has a series of drawbacks that limits their usage. The principal downsides for these systems are aging and power flow management. Indeed, BESS are affected by important reductions of performance throughout time and the energy stored should be handled in an optimal way to fulfill all the services from which are in charge. This master thesis work has developed two distinct models to analyze and evaluate these problems. The first activity has focused on a detailed bibliographic research, useful to increase the knowledge on the topic and the modelization approaches proposed. Afterwards the results of the research allowed an update for an empirical BESS model in {SIMULINK}^{TM}. The addition relies on the implementation of aging mechanisms capable to estimate the lifetime of the system. Instead, the second stage of the project focused on the development of three distinct BESS Mixed Integer Linear Programming (MILP) models capable to optimize the operation of the storage system in a given energy district. This work aims to provide a series of tools for the definition of parameters fundamental for the management of a BESS project such as the lifetime of the system and the cash flow generated by this asset.

Gli obiettivi fissati dalla Commissione Europea per il settore energetico sono molto ambiziosi. Tra i tanti, uno dei più rilevanti è sicuramente il raggiungimento di una capacità di produzione da Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) uguale al 32.5 % entro il 2030. Per raggiungere questo target sostanziali cambiamenti, e conseguenti investimenti in nuove risorse, verranno affrontati dal sistema elettrico. I Sistemi di Accumulo Elettrochimico (SDAE) accoppiati con la rete rappresentano una delle possibili soluzioni per risolvere le principali problematiche legate alle fonti rinnovabili. La modularità dei SDAE e la loro capacità di immagazzinare importanti quantità di energia può risolvere l’imprevedibilità delle FER. Inoltre, la possibilità di operare sia come carico che, come generatore, permette ai SDAE di essere un importante risorsa per la stabilizzazione della frequenza di rete. Queste caratteristiche, Nei prossimi anni, queste caratteristiche porteranno ad una diffusa adozione di questi sistemi nel settore energetico. Tuttavia, i SDAE presentano una serie di svantaggi che limitano il loro utilizzo. I principali problemi sono dovuti all’invecchiamento e alla gestione dei flussi di potenza. I SDAE sono sottoposti ad importanti meccanismi di degradazione che riducono le loro prestazioni durante la loro vita. Inoltre, l’energia immagazzinata in essi deve essere gestita in maniera ottimale per fornire tutti I servizi per il quale son stati incaricati. Il lavoro di laurea magistrale qui trattato ha sviluppato due distinti modelli per analizzare e valutare questi problemi. Come prima attività si è sviluppata una dettagliata ricerca bibliografica, utile ad approfondire la materia e gli approcci modellistici ad oggi consolidati e in fase di studio. I risultati della ricerca hanno consentito l’aggiornamento di un modello di SDAE empirico in {SIMULINK}^{TM}.Quest’ultimo è stato modificato con l’implementazione dei meccanismi di invecchiamento che hanno reso possibile una stima delle aspettative di vita del sistema. La seconda parte del progetto si è concentrata sullo sviluppo di tre modelli di SDAE in un ambiente di programmazione lineare misto-interi (PLMI) capaci di ottimizzare le operazioni del sistema di accumulo in un determinato distretto energetico. Il principale obiettivo di questo lavoro risiede nello sviluppo di strumenti necessari per la definizione di parametri fondamentali per la gestione di progetti basati sui SDAE come la durata e il valore generato da questo tipo di investimento.