Analysis on the optimization of the integration of an Energy Storage System (BESS) in a photovoltaic plant: perspectives and challenges

The objective of this thesis is to develop a tool for conducting technical-economic feasibility analyses in the implementation of a battery energy storage system (BESS) coupled with a renewable energy production system, specifically a photovoltaic plant. To achieve this goal, an internship was completed at STE Energy S.r.l., a company active in the renewable energy sector. The developed tool has been used to determine optimal daily power flows between the components of an electrical system, composed by a photovoltaic plant, an electrochemical storage system, and the national power grid. The photovoltaic plant considered in the simulations is located in San Bellino (RO), but the algorithm can be adapted to consider different systems. The determination of power flows is based on solving a Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimization problem designed to maximize the revenues generated by the system. This problem has been implemented in the Matlab computing environment. To showcase the tool's capabilities, different scenarios were carefully examined, identifying two primary scenario: the first one assume the energy storage system fulfil an arbitrage function only, while the second one, in addition to arbitrage, simulate the system's involvement in a pilot project aimed at enhancing the inertia of the national electrical grid, which is under threat due to the continuous integration of intermittent energy sources. Specifically, this thesis work involved simulating the system's participation in Terna's Fast Reserve project. For each scenario, various simulations were conducted to determine the optimal size of the storage system to be associated with the photovoltaic plant. Subsequently, simulations were performed to assess whether different electricity price scenarios could impact the economic feasibility of the plant. Finally, a sensitivity analysis was carried out to evaluate whether a significant reduction in the costs of the storage system could make the plant more economically viable.

L'obiettivo di questa tesi è sviluppare uno strumento per condurre analisi di fattibilità tecnico-economiche nell'implementazione di un sistema di accumulo di energia batterie (BESS) accoppiato con un sistema di produzione di energia rinnovabile, nello specifico un impianto fotovoltaico. Per raggiungere questo obiettivo, è stato completato uno stage presso STE Energy S.r.l., un'azienda attiva nel settore delle energie rinnovabili. Lo strumento sviluppato è stato utilizzato per determinare flussi ottimali di potenza giornalieri tra i componenti di un sistema elettrico, composto da un impianto fotovoltaico, un sistema di accumulo elettrochimico e la rete elettrica nazionale. L'impianto fotovoltaico considerato nelle simulazioni è situato a San Bellino (RO), ma l'algoritmo può essere adattato per considerare sistemi diversi. La determinazione dei flussi di potenza si basa sulla risoluzione di un problema di ottimizzazione Mixed Integer Linear Programming (MILP) progettato per massimizzare i ricavi generati dal sistema. Questo problema è stato implementato nell'ambiente di calcolo Matlab. Per dimostrare le capacità dello strumento, sono stati esaminati attentamente diversi scenari, identificando due scenari principali: il primo ipotizza che il sistema di accumulo di energia svolga solo la funzione di arbitraggio, mentre il secondo, oltre all'arbitraggio, simula la partecipazione del sistema in un progetto pilota mirato a migliorare l'inerzia della rete elettrica nazionale, minacciata dalla continua integrazione di fonti energetiche intermittenti. In particolare, questo lavoro di tesi ha coinvolto la simulazione della partecipazione del sistema al progetto Fast Reserve di Terna. Per ciascuno scenario, sono state condotte varie simulazioni per determinare la dimensione ottimale del sistema di accumulo da associare all'impianto fotovoltaico. Successivamente, sono state eseguite simulazioni per valutare se diversi scenari di prezzi dell'elettricità potessero influenzare la fattibilità economica dell'impianto. Infine, è stata effettuata un'analisi di sensitività per valutare se una significativa riduzione dei costi del sistema di accumulo potesse rendere l'impianto più economicamente viable.