Literature review for explicit ancillary service provision in Multi Energy System: toward a multi-vector reliability framework

This study presents a systematic literature review of explicit ancillary service provision in Multi Energy Systems (MES), motivated by the increasing penetration of inverter-based, stochastic resources and the corresponding decline of rotational inertia in modern power systems. The literature is classified along four dimensions energy carrier (electricity, heat, mobility, and hydrogen), ancillary ser vice type (frequency-related and non-frequency services), optimization technique (mixed-integer linear programming (MILP), two-stage stochastic programming, ro bust optimization), and market participation context (day-ahead and real-time markets). Twenty two studies are analyzed to identify recurring methodological patterns, including the prevalence of deterministic optimization for infrastructure sizing and the growing adoption of uncertainty aware frameworks for reliability constrained bidding, and to show how flexibility pooling across energy carriers can mitigate the physical limits of single-vector systems. Building on this synthe sis, five recurring research gaps are identified: the limited treatment of financial risk in non-compliance scenarios, the persistence of carrier isolated optimization despite the conceptual promise of cross-vector synergy, the reliance on linear ap proximations for inherently non-linear degradation processes, the neglect of local distribution level constraints in service provision that is conventionally modeled at the transmission level, and the absence of a universal reliability metric capable of comparing the heterogeneous performance of electrical, thermal, and mobility based assets. In response, the thesis proposes a corresponding research agenda centered on risk aware optimization, deeper cross-vector coordination, high fidelity physical and regulatory modeling, and the standardization of a universal reliability metric, to guide future work toward bankable, reliability aware explicit ancillary service provision in MES.

Questo studio presenta una rassegna sistematica della letteratura sulla fornitura esplicita di servizi ausiliari nei sistemi multi-energia (MES), motivata dalla crescente penetrazione di risorse stocastiche basate su inverter e dal corrispondente declino dell’inerzia rotante nei moderni sistemi di potenza. La letteratura viene classificata secondo quattro dimensioni: il vettore energetico (elettricità, calore, mobilità e idrogeno), il tipo di servizio ausiliario (servizi di frequenza e non di frequenza), la tecnica di ottimizzazione (ad esempio, la programmazione lineare intera mista- MILP, la programmazione stocastica a due stadi, l’ottimizzazione robusta) e il contesto di partecipazione al mercato (mercati day-ahead e real-time). Ventidue studi vengono analizzati per identificare modelli metodologici ricorrenti, tra cui la prevalenza dell’ottimizzazione deterministica per il dimensionamento delle infrastrutture e la crescente adozione di framework sensibili all’incertezza (uncertainty-aware) per le offerte vincolate dall’affidabilità, e per dimostrare come il pooling della flessibilità tra diversi vettori energetici possa mitigare i limiti fisici dei sistemi a singolo vettore. Sulla base di questa sintesi, vengono identificati cinque gap di ricerca ricorrenti: la limitata trattazione del rischio finanziario negli scenari di non conformità, la persistenza di ottimizzazioni frammentate e isolate per singolo vettore nonostante la promessa concettuale della sinergia cross-vettore, l’affidamento ad approssimazioni lineari per processi di degradazione intrinsecamente non lineari, la negligenza dei vincoli locali a livello di distribuzione nella fornitura di servizi convenzionalmente modellati a livello di trasmissione, e l’assenza di una metrica di affidabilità universale in grado di confrontare le prestazioni eterogenee di asset elettrici, termici e legati alla mobilità. In risposta a ciò, la tesi propone un corrispondente programma di ricerca incentrato sull’ottimizzazione sensibile al rischio, su un coordinamento cross-vettore più profondo, su una modellazione fisica e regolatoria ad alta fedeltà e sulla standardizzazione di una metrica di affidabilità universale, al fine di guidare i lavori futuri verso una fornitura esplicita di servizi ausiliari che sia bancabile, sicura e consapevole dell’affidabilità nei sistemi multi-energia.