Utility-scale energy storage: a comprehensive review and economic assessment of the MACSE mechanism in Italy

Climate change is one of the most pressing global challenges, with the energy sector being the primary contributor of CO₂ emissions. Decarbonising the sector requires a large-scale transition to renewable energy sources, however, the intermittent nature of renewables introduces significant stability challenges for electrical grids. Energy storage systems (ESS) are essential for addressing these challenges by ensuring grid reliability, enhancing flexibility, and enabling a successful energy transition. However, widespread deployment of ESS remains dependent on adequate financial incentives for investors, as existing revenue models, such as price arbitrage and ancillary service markets, have proven insufficient to support a large-scale expansion. This thesis examines the MACSE incentive, the first long-term global mechanism designed to support the deployment of energy storage systems (ESS). It does so by analysing the profitability of a lithium-ion battery contracted under this framework, identifying the key factors influencing project attractiveness, and assessing the mechanism’s alignment with the needs identified in the literature. The methodology employed in this study is based on a discounted cash flow analysis, complemented by a sensitivity assessment. The findings indicate that the mechanism yields an internal rate of return of 5.76% and an undiscounted payback period of approximately 12 years. Furthermore, 98% of the total revenues generated originate from fixed monthly payments not influenced by market price fluctuations. However, the actual profitability of investments under MACSE will depend on multiple factors, including future trends in battery costs, reserve price dynamics in the auction process, individual companies’ cost of capital, and investors’ risk tolerance. Finally, the analysis identifies initial capital expenditure (CAPEX) and the reserve price set during the auction as the two most critical factors influencing project profitability. Furthermore, the findings suggest that the MACSE mechanism effectively addresses most of the key challenges currently faced by the energy storage sector, as highlighted in the literature. However, certain limitations remain, including the high minimum size requirement of 1 MW, the absence of direct investment cost reductions measures, and the reliance on price arbitrage to sustain the functionality of the newly created time-shifting market.

Il cambiamento climatico è attualmente tra le sfide globali più urgenti. Il settore energetico rappresenta la principale fonte di emissioni di CO2 e la sua decarbonizzazione richiede una transizione su larga scala alle energie rinnovabili, la cui natura intermittente pone tuttavia problemi di stabilità per le reti elettriche. I sistemi di accumulo energetico sono essenziali per mitigare questi problemi, garantendo affidabilità e flessibilità della rete così da consentire una transizione energetica di successo. Tuttavia, la diffusione di questi sistemi è strettamente legata alla presenza di incentivi in grado di aumentare la loro profittabilità agli occhi degli investitori, poiché gli attuali modelli di business, come l'arbitraggio e i mercati dei servizi di dispacciamento, sono inadeguati per garantire stabili ritorni su ampia scala. Questa tesi analizza il MACSE, il primo schema di incentivazione globale a lungo termine concepito per sostenere la diffusione dei sistemi di accumulo energetico. L’analisi si concentra sulla valutazione della redditività di una batteria al litio contrattualizzata all’interno di questo meccanismo, identificando i principali fattori che ne influenzano la profittabilità e verificando la capacità del MACSE di rispondere ai bisogni individuati nella letteratura. La metodologia adottata si basa su un'analisi dei flussi di cassa scontati, integrata da un'analisi di sensitività. I risultati mostrano che il MACSE genera un tasso di rendimento interno del 5,76% e un periodo di ritorno di circa 12 anni. Inoltre, il 98% dei ricavi totali proviene da fonti non influenzate da variazioni nei prezzi di mercato. Tuttavia, la redditività effettiva degli investimenti nel meccanismo dipenderà da diversi fattori, tra cui l’evoluzione futura dei costi delle batterie, le dinamiche del prezzo di riserva nelle aste, il costo del capitale delle singole aziende e la propensione al rischio degli investitori. Infine, l’analisi identifica il capitale iniziale (CAPEX) e il prezzo di riserva fissato durante l'asta come i due fattori con il maggiore impatto sulla redditività del progetto. I risultati suggeriscono inoltre che il MACSE risponde a molte delle attuali criticità degli accumuli energetici, in linea con quanto evidenziato dalla letteratura. Tuttavia, permangono alcune limitazioni, tra cui un’elevata soglia minima di partecipazione fissata a 1 MW, l’assenza di misure per ridurre i costi di investimento e la dipendenza dall’arbitraggio per sostenere la funzionalità del mercato dei prodotti di time-shifting.