Optimising a bidding strategy for a renewable energy system with batteries in the Nordic markets

Thumbnail Image

Files

master_Kauraala_Aurora_2025.pdf (857.88 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | 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

Systems and Operations Research

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mathematics and Operations Research

Language

en

Pages

59

Series

Abstract

The Finnish power market is undergoing a rapid transformation driven by the increasing share of variable renewable energy sources (VRES), particularly wind and solar. This shift has resulted in increased price volatility, including frequent negative prices and occasional extreme spikes, highlighting the growing need for flexibility in the power system. Simultaneously, the reduced profitability of traditional energy arbitrage strategies has made participation in reserve markets, such as frequency containment reserves for disturbances (FCR-D), an increasingly important revenue stream for flexible assets such as battery energy storage system (BESS). As a result, determining how and when to participate in different electricity markets has become a more complex decision-making problem for asset owners. This thesis addresses this challenge by developing a stochastic optimisation model for market bidding, aimed at maximizing the profits of a hybrid energy portfolio consisting of a solar power plant and a BESS. The model is designed to participate in both the day-ahead and up- and down-regulating FCR-D markets. The model considers uncertainty in day-ahead prices and FCR-D market prices, and solar power production using scenarios. A case study based on Finnish market conditions is conducted to evaluate the profitability of the proposed approach. Although bidding optimisation has been widely studied in the literature, studying pricing strategies remains relevant due to the evolving markets and the role of opportunity cost for zero marginal production, coupled with BESS. Moreover, relatively little research has focused on the Finnish context, particularly for a hybrid plant consisting of a solar plant and BESS. The results demonstrate that the proposed bidding strategy improves profitability. Over a 30-day case study using 2024 data, the optimized system with the best price strategy increased profits by 5.58\% compared to the naive strategy, with the greatest profit during summer due to higher solar production and favorable up-regulating FCR-D prices. The BESS enables load-shifting and helps reduce imbalances. Additionally, profit increased nearly linearly with battery size.

Suomalaiset sähkömarkkinat muuttuvat nopeasti lisääntyneen uusiutuvan tuotannon, etenkin aurinko- ja tuulivoiman johdosta. Tämän seurauksena hintojen vaihtelu on kasvanut, esimerkiksi negatiivisia hintoja ja ajoittaisia hintapiikkejä nähdän yhä useammin. Tämä korostaa joustavuuden tarvetta verkossa. Samanaikaisesti mahdolliset tuotot vuorokausimarkkinoilta ovat pienentyneet, korostaen tarvetta osallistua usealle markkinalle, esimerkiksi tajuusohjattuun käyttö- tai häiriöreserviin, etenkin joustavilla resursseilla. Tämän seurauksena päätöksenteko siitä, miten ja millä markkinoilla operoidaan on muuttunut entistä kompleksisemmaksi ongelmaksi. Tämä dilomityö käsittelee tätä ongelmaa kehittämällä stoksatisen optimointimallin tarjousten tekemiseen. Tavoitteena on maksimoida tuottoja hybridilaitokselle, joka koostuu aurinkovoimalasta ja akusta. Malli on suunniteltu toimimaan vuorokausimarkkinoilla sekä ylös- ja alassäätö häiriöreservissä. Malli ottaa epävarmuuden markkinahinnoissa ja tuotannossa huomioon käyttämällä skenaarioita. Työssä on tehty kokeellinen tutkimus suomalaisilla markkinoilla, esitetyn metodin arvioimiseksi. Siitä huolimatta, että tarjousoptimointia on tutkittu laajasti, hintastrategioiden tutkiminen on edelleen relevanttia muuttuvien markkinoiden sekä hybridilaitosten vaihtoehtoiskustannusten johdosta. Tämän lisäksi tutkimus Suomalaisilla markkinoilla, etenkin aurinkovoimasta ja akusta muodostuvalle hybrilaitoksille, on ollut vähäistä. Kokeelliset tulokset osoittavat, että ehdotettu tarjousoptimointi parantaa tuottavuutta. Valituilta kolmeltakymmeneltä päivältä vuodelta 2024, optimoiduilla tarjouksilla ja parhaalla hinta strategialla kasvu tuotoissa oli 5.58\% verrattuna tilanteeseen, jossa systeemi oli optimoitu, mutta käytettiin naiivia hintastrategiaa. Parasta hintastrategiaa käyttämällä suurin kasvu tuotoissa nähtiin kesältä, suurimmaksi osaksi johtuen kasvaneesta tuotannosta ja lisääntyneistä tuotoista ylössäätävästä häiriöreservistä. Akun avulla voidaan toteuttaa kuormansiirtoa ja akku auttaa myös pienentämään tasevirheen määrää. Tämän lisäksi, tuotot lisääntyvät lähes lineaarisesti, kun akun kokoa kasvatetaan.

Description

Supervisor

Oliveira, Fabricio

Thesis advisor

Hankimaa, Helmi

Keywords

electricity markets, bidding optimisation, stochastic programming, BESS, renewable energy, reserve markets

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508196499

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI