BESS project modeling for service stacking: techno-economic evaluation in capacity and balancing markets

One of the most important targets set by the European Commission is to achieve a 32.5% share of renewable energy from the total installed capacity by 2030. However, the variability associated with intermittent renewable sources, such as wind and solar, has prompted con cerns regarding the reliability and stability of the power systems. Battery Energy Storage System (BESS) is one of the possible solutions to overcome the non-programmability asso ciated with these energy sources. The capabilities of BESS to store a consistent amount of energy and to behave as a load by releasing it ensures an essential source of flexibility to the power system. Nevertheless, BESS has some drawbacks that pose limitations to its uti lization. Indeed, effectively managing the stored and released energy is crucial, considering the degradation of performance associated with these systems over time. The substantial CAPEX required to install these systems represents a current constraint, impeding their broader adoption. This work evaluates a techno-economic analysis of 2MW/4MWh BESS providing multiple services, namely participating in capacity and balance markets. The anal ysis is based on a BESS model implemented in SIMULINK, adopting online data gathered from an LFP battery facility. The model evaluates the auxiliary power consumption, state of charge, state of health, and the round-trip efficiency of the overall system. The analysis is based on three price profiles: 2019 (Business-As-Usual), 2020 (COVID-19), and 2022 (Gas Crisis). Furthermore, this work conducts two case studies to analyze the behavior of the BESS. The first case involves a comparison of the BESS’s performance when exclusively participating in the capacity market versus engaging in service stacking. The results show unfavorable economic behavior in the three years simulated, mainly due to the size of the BESS and the associated high CAPEX. Therefore, the second case entails a sensitivity anal ysis, specifically evaluating the influence of CAPEX and upward bid price on the economic viability of the project. The results obtained show an improvement in the project’s IRR when decreasing the CAPEX (compatible with the future expectations) or increasing the upward bid price, eventually reaching positive values. However, the project still yields a negative NPV, indicating an unprofitable nature.

Uno degli obiettivi più importanti fissati dalla Commissione Europea è quello di raggiungere una quota del 32,5% di energia rinnovabile sulla capacità installata totale entro il 2030. Tuttavia, la variabilità associata alle fonti rinnovabili intermittenti, come l’eolico e il solare, ha suscitato preoccupazioni per quanto riguarda l’affidabilità e la stabilità dei sistemi di alimentazione. Il sistema di accumulo di energia a batteria è una delle possibili soluzioni per superare la non programmabilità associata a queste fonti energetiche. La capacità dei BESS di immagazzinare una quantità consistente di energia e di comportarsi come un carico rilasciandola garantisce una fonte essenziale di flessibilità e stabilità al sistema elettrico. Tuttavia, i BESS presentano alcune caratteristiche peculiarii che influenzano fortemente il loro funzionamento. Infatti, è fondamentale gestirela l’energia immagazzinata e rilasciata in maniera efficaceè , considerando il degrado delle prestazioni associate a questi sistemi nel tempo. L’ingente CAPEX richiesto per l’installazione di questi sistemi rappresenta un vincolo attuale, che ne impedisce una più ampia adozione. Questo lavoro valuta un’analisi tecnico-economica di BESS che forniscono servizi multipli, in particolare la partecipazione ai mercati della capacità e dell’equilibrio. L’analisi si basa su un modello di BESS implementato in SIMULINK, adottando dati online raccolti da un impianto di batterie LFP. Il modello valuta il consumo di energia ausiliaria, lo stato di carica, lo stato di salute e l’efficienza del sistema complessivo. L’analisi si basa su tre profili di prezzo: 2019, 2020 e 2022. Inoltre, questo lavoro conduce due casi di studio per analizzare il comportamento del BESS. Il primo caso prevede un confronto tra le prestazioni dei BESS quando partecipano esclusivamente al mercato della capacità e quando si impegnano nel service stacking. I risultati mostrano un comportamento economico sfavorevole nei tre anni simulati, dovuto principalmente alle dimensioni del BESS e all’elevato CAPEX associato. Pertanto, il secondo caso un’analisi di sensibilità, valutando in particolare l’influenza del CAPEX e del prezzo di offerta al rialzo sulla redditività economica del progetto. I risultati ottenuti mostrano un miglioramento del IRR del progetto quando si diminuisce il CAPEX (compatibile con scenario al prossimo futuro) co o si aumenta il prezzo dell’offerta, raggiungendo infine valori positivi.