The role of battery energy storage systems in the italian electricity market: a review of business models

In recent decades, the energy transition has gained significant momentum to combat climate change and reduce greenhouse gas emissions. The increasing integration of non-programmable renewable energy sources (NPRES), such as solar and wind power, has profoundly transformed the Italian electricity system, bringing new challenges in grid management, balancing supply and demand, and frequency stability. In this context, Battery Energy Storage Systems (BESS) have proven to be essential tools for enhancing grid flexibility and supporting energy dispatch. This thesis examines the role of BESS in the Italian electricity market and their integration into auction mechanisms, with a particular focus on Revenue Stacking opportunities: the possibility of maximizing revenues by providing multiple services. These services include, for example, Time Shifting, Arbitrage, the Capacity Market, Fast Reserve, and other ancillary services in the Ancillary Services Market (ASM) and the Balancing Market (BM), which are crucial for the system's stability and efficiency. Special attention is also given to the UVAM (Virtually Enabled Mixed Units) pilot project, designed to enable a larger number of stakeholders to participate in the dispatching services market, thereby promoting greater decentralization and distribution in the management of the national electricity system. This project represents a significant innovation, opening the ancillary services market to new units, including non-relevant ones, and making it possible to integrate not only consumption units but also production plants and storage systems within the same aggregators. Among the most prominent initiatives, the MACSE (Electric Storage Capacity Procurement Mechanism) is discussed, a model of incentivization designed to optimize the integration of renewable sources by effectively managing periods of energy overproduction, allowing large-scale storage systems to actively participate in competitive auctions organized by Terna for the energy market. The thesis also explores the risks arising from the phenomenon of Revenue Cannibalization, a side effect of the expansion of BESS. In addition to examining emerging economic models for BESS, the thesis presents an Excel tool, entirely developed by me, that simulates the economic prospects for various Business Models with BESS, calculating costs, revenues, and profits over the entire battery lifecycle, considering market prices in the Day-Ahead Market (DAM) and ASM for each zone of the Italian electricity market. The Excel model, customizable based on parameters such as power required at the connection point, daily operating hours (and therefore capacity), Round Trip Efficiency (RTE), and so on, also provides an actual system sizing, calculating the minimum number of BESS and Power Conversion Systems (PCS) necessary to realize the investment. For this purpose, the products used are those of Huawei, the company where I completed my internship. The model, thanks to other technical and financial indicators such as the Levelized Cost of Storage (LCOS) and Internal Rate of Return (IRR), offers a detailed and adaptable economic analysis tailored to the specific needs of users. Eligible cases include MACSE with Time Shifting and Arbitrage, Fast Reserve with Time Shifting and Arbitrage, Capacity Market with Time Shifting and Arbitrage; and the case where the BESS is connected to a photovoltaic plant is also analyzed, examining its hourly production in each zone of the Italian electricity market: BESS with PV self-consumption and Time Shifting. The research concludes with a reflection on the prospects of storage systems in the Italian energy context, highlighting the most profitable Business Models and emphasizing how, with robust regulatory support, BESS will become not only essential tools for grid stability and good earning opportunities, but also crucial tools to achieve the decarbonization goals set for 2030.

Qui Negli ultimi decenni, la transizione energetica ha subito una forte accelerazione per contrastare i cambiamenti climatici e ridurre le emissioni di gas serra. L'integrazione crescente delle fonti rinnovabili non programmabili (FER-NP), come il solare e l'eolico, ha trasformato profondamente il sistema elettrico italiano, portando nuove sfide nella gestione della rete, nell'equilibrio tra domanda e offerta e nella stabilità della frequenza. In questo contesto, i Sistemi di Accumulo con Batterie (BESS) si sono rivelati strumenti essenziali per aumentare la flessibilità della rete e per supportare il dispacciamento dell'energia. Questa tesi esamina il ruolo dei BESS nel Mercato Elettrico Italiano e la loro integrazione nei meccanismi di asta, con un focus particolare sulle opportunità di Revenue Stacking, ossia la possibilità di massimizzare i ricavi fornendo molteplici servizi. Tra questi servizi si annoverano, ad esempio, il Time Shifting, l'Arbitraggio, il Capacity Market, la Fast Reserve ed altri servizi ancillari nel Mercato dei Servizi di Dispacciamento (MSD) e nel Mercato del Bilanciamento (MB), che sono fondamentali per la stabilità e l'efficienza del sistema. Un'attenzione particolare è rivolta, inoltre, al progetto pilota UVAM (Unità Virtualmente Abilitate Miste), concepito per permettere a un numero maggiore di attori di partecipare al mercato dei servizi di dispacciamento, favorendo così una maggiore decentralizzazione e distribuzione nella gestione del sistema elettrico nazionale. Questo progetto rappresenta un'innovazione significativa per il sistema elettrico italiano, aprendo il mercato dei servizi ancillari a nuove unità, comprese quelle non rilevanti e rendendo possibile l'integrazione, all'interno degli stessi aggregati, non solo delle unità di consumo, ma anche degli impianti di produzione e dei sistemi di accumulo. Tra le iniziative di maggiore rilievo viene discusso il MACSE (Meccanismo di Approvvigionamento di Capacità di Stoccaggio Elettrico), un modello di incentivazione progettato con l'intento di ottimizzare l'integrazione delle fonti rinnovabili, gestendo in modo efficace i periodi di sovrapproduzione energetica, consentendo ai sistemi di accumulo di grande scala di partecipare attivamente ad aste competitive organizzate da Terna per il mercato dell’energia. La tesi esplora inoltre i rischi derivanti dal fenomeno della Revenue Cannibalization, un effetto collaterale dell'espansione dei BESS. Oltre a esaminare i modelli economici emergenti per i BESS, la tesi presenta uno strumento Excel, da me interamente sviluppato, che simula le prospettive economiche per vari Modelli di Business con i BESS, calcolando costi, ricavi e utili lungo l'intera vita della batteria, tenendo conto dei prezzi di mercato sul Mercato del Giorno Prima (MGP) e MSD per ogni zona del mercato elettrico italiano. Il modello Excel, personalizzabile in base a parametri come potenza richiesta al punto di connessione, ore di funzionamento giornaliere (e quindi capacità), efficienza di carica-scarica (RTE) e così via, fornisce anche un vero e proprio dimensionamento del sistema, calcolando il numero minimo necessario di BESS e di Power Conversion System (PCS) necessari per realizzare l’investimento. A tal fine, i prodotti utilizzati sono quelli di Huawei, azienda presso la quale ho svolto il mio stage. Il modello, grazie anche ad altri indicatori tecnici e finanziari, come il Levelized Costs of Storage (LCOS), o l’Internal rate of return (IRR), offre così un’analisi economica dettagliata e adattabile alle specifiche esigenze degli utenti. I casi elegibili sono MACSE con Time Shifting e Arbitraggio, Fast Reserve con Time Shifting e Arbitraggio, Capacity Market con Time Shifting e Arbitraggio; viene anche analizzato il caso in cui il BESS sia collegato a un impianto fotovoltaico, esaminando la produzione oraria di quest'ultimo in ogni zona del mercato elettrico italiano: Bess con PV e Time Shifting. La ricerca si conclude con una riflessione sulle prospettive future dei sistemi di accumulo nel contesto energetico italiano, sottolineando quali siano i Modelli di Business più redditizi ed evidenziando come, grazie anche a un supporto normativo robusto, i BESS diventeranno non solo strumenti essenziali per la stabilità della rete e per buone opportunità di guadagno, ma anche strumenti cruciali per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione fissati per il 2030.