Operational profit maximization of a wind farm with flexible technologies in a multi-market environment under uncertainty

Thumbnail Image

Files

master_Kumpulainen_Touko_2025.pdf (2.34 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-07-30

Department

Major/Subject

Energy Systems and Markets

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

64

Series

Abstract

Flexibility plays a central role in addressing the variability of renewable energy sources, like wind power. Technologies such as Battery Energy Storage Systems (BESS) and market mechanisms like intraday (ID) trading are commonly employed to mitigate short-term fluctuations. In parallel, growing interest in sector coupling with gas and heat systems has introduced new avenues for enhancing flexibility, expanding the range of operational strategies available to wind farm owners (WFOs). This thesis investigates how combining multiple sources of flexibility, including Power-to-Gas (PtG), gas storage, Gas-to-Power (GtP), BESS, and multi-market participation, can enhance the operational profitability of WFOs. To this end, a Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model is developed to simulate and optimize the operation of a wind-integrated multi-energy system over a one-year period. The model includes key decision variables related to energy and gas allocation, facilitating the analysis of optimal system operation under varying conditions. Six case studies are presented to evaluate the role of individual technologies and market setups in shaping profitability. The results show that adding BESS improves performance by reducing curtailment and imbalance penalties. Access to the gas market, together with PtG-GtP units, further expands flexibility, and the integration of heat recovery introduces a valuable new profit stream. These findings highlight the benefits of sector coupling and multi-market participation in managing overproduction and maximizing revenue. The developed model provides a practical decision-support tool for WFOs aiming to evaluate operational strategies in a multi-energy environment under uncertainty.

Joustavuus on keskeisessä roolissa uusiutuvien energialähteiden, kuten tuulivoiman, tuotannon vaihtelun hallinnassa. Lyhyen aikavälin vaihtelua pyritään yleisesti tasapainottamaan teknologioilla kuten akkuenergiavarastoilla (BESS) sekä markkinamekanismeilla, kuten intraday-kaupalla. Samanaikaisesti kasvava kiinnostus sektori-integraatioon kaasun ja lämmön kanssa on avannut uusia mahdollisuuksia joustavuuden lisäämiseen ja operatiivisten strategioiden laajentamiseen tuulivoimatoimijoille (WFO). Tutkimuksessa selvitetään, missä määrin joustavuuden eri lähteiden, kuten PtG:n, GtP:n, kaasu- ja akkuvarastojen sekä monimarkkinaosallistumisen, yhteiskäyttö voi parantaa tuulivoimatoimijoiden operatiivista kannattavuutta. Tätä varten kehitetään Mixed Integer Linear Programming (MILP) -malli, jonka avulla simuloidaan ja optimoidaan tuulivoimaan integroidun monienergiajärjestelmän käyttöä vuoden ajanjaksolla. Malli sisältää keskeiset päätösmuuttujat, jotka liittyvät energian ja kaasun jakamiseen eri teknologioiden ja markkinoiden välillä vaihtelevissa olosuhteissa. Työssä esitetään kuusi tapaustarkastelua, joissa arvioidaan yksittäisten teknologioiden ja markkinarakenteiden vaikutusta kannattavuuteen. Tulokset osoittavat, että BESS:n lisääminen parantaa järjestelmän suorituskykyä vähentämällä tuotannon rajoittamista ja epätasapainomaksuja. Pääsy kaasumarkkinoille sekä PtG- ja GtP-teknologioiden hyödyntäminen lisää järjestelmän joustavuutta edelleen, ja hukkalämmön hyödyntäminen tuo uuden merkittävän tulovirran lämpömarkkinoilta. Tulokset korostavat sektori-integraation ja monimarkkinaosallistumisen etuja tuotannon ylijäämän hallinnassa ja markkinatuottojen maksimoinnissa. Kehitetty malli toimii käytännöllisenä päätöksenteon tukena WFO:ille, jotka arvioivat toimintastrategioita monienergiaympäristössä epävarmuuden vallitessa.

Description

Supervisor

Pourakbari Kasmaei, Mahdi

Keywords

battery energy storage system, curtailment reduction, electricity market, gas market, gas-to-power, heat market, modelling, operational optimization, profit maximization, wind power

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508196344

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC