Optimal revenue stacking and degradation-aware scheduling of a grid-scale BESS-PV Plant in the italian electricity markets

The accelerating integration of intermittent Renewable Energy Sources (RES) presents significant challenges to the stability of modern power grids and the economic efficiency of electricity markets. Battery Energy Storage Systems (BESS) are a key enabling technology for this transition, yet their financial viability hinges on complex 'revenue stacking' strategies across multiple markets. This, however, introduces a critical trade-off between maximizing short-term revenue and managing long-term battery degradation. This thesis develops a holistic, multi-market co-optimization framework for a grid-scale BESS co-located with a photovoltaic (PV) plant, specifically tailored for the Italian electricity market structure. The methodology employs a two-stage approach: first, a suite of high-performance XGBoost models generates probabilistic price forecasts for the Day-Ahead (MGP), Ancillary Services (MSD), and Balancing (MB) markets. Second, these scenarios are integrated into a stochastic Mixed-Integer Linear Program (MILP) in GAMS to determine the optimal, degradation-aware bidding strategy. The results demonstrate the profound economic impact of this strategy, quantifying that multi-market revenue stacking can increase profitability by over fifteen-fold compared to a simple arbitrage approach, while the synergistic integration of PV adds a further 15% to the total revenue. The framework also provides deep insights into optimal daily operations, showcasing how the model intelligently allocates BESS and PV capacity to the most valuable market at any given hour. Ultimately, this work provides a comprehensive and practical framework that successfully balances immediate economic returns with the long-term imperative of asset health, offering a robust decision-making tool for BESS operators and contributing to the broader objectives of enhancing grid flexibility and supporting renewable integration.

L’integrazione crescente di fonti rinnovabili intermittenti (RES) pone sfide significative sia alla stabilità delle reti elettriche moderne sia all’efficienza economica dei mercati dell’energia. I sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS) rappresentano una tecnologia fondamentale per affrontare queste sfide; tuttavia, la loro redditività dipende da strategie complesse di "revenue stacking" su più mercati, che comportano un compromesso tra massimizzazione dei ricavi a breve termine e gestione del degrado della batteria nel lungo periodo. In questa tesi viene sviluppato un framework integrato di co-ottimizzazione multi-mercato per un BESS su scala di rete co-locato con un impianto fotovoltaico (PV), specificamente progettato per la struttura del mercato elettrico italiano. La metodologia segue un approccio in due fasi: inizialmente, una serie di modelli XGBoost ad alte prestazioni produce previsioni probabilistiche dei prezzi per il mercato Day-Ahead (MGP), i Servizi Ancillari (MSD) e il mercato di Bilanciamento (MB). Successivamente, tali scenari vengono incorporati in un Programma Lineare Intero Misto (MILP) stocastico, implementato in GAMS, al fine di determinare una strategia di offerta ottimale che tenga conto del degrado della batteria. I risultati mostrano un impatto economico significativo di questa strategia: il revenue stacking multi-mercato può aumentare la redditività di oltre quindici volte rispetto a un approccio basato sul semplice arbitraggio, mentre l’integrazione sinergica del PV contribuisce a un incremento ulteriore del 15% dei ricavi totali. Il framework fornisce inoltre indicazioni dettagliate sulle operazioni giornaliere ottimali, evidenziando come la capacità di BESS e PV venga allocata in modo intelligente al mercato più redditizio in ciascuna fascia oraria. Complessivamente, questo lavoro offre un approccio completo e pragmatico, in grado di bilanciare efficacemente i ritorni economici immediati con la preservazione a lungo termine dello stato dell’asset, costituendo uno strumento decisionale robusto per gli operatori di BESS e contribuendo agli obiettivi più ampi di aumentare la flessibilità della rete e supportare l’integrazione delle fonti rinnovabili.