Techno-Economic Analysis of Battery Energy Storage Systems in Wind Power Plants and Reserve Markets
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
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
2024-08-19
Department
Major/Subject
Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
140+2
Series
Abstract
The increased share of renewable energy sources causes issues in the power system, which must be able to balance energy production and consumption at all times. These operational challenges can be addressed by utilizing battery energy storage systems. The recent fluctuations in electricity market prices have, however, made it more difficult for companies to evaluate the profitability of these systems, both in conjunction with existing wind power plants and as standalone systems. This thesis investigates the operation and annually generated revenues of a lithium-ion battery energy storage system in wind power balance error management and in Finnish electricity reserve markets by formulating two optimization models. First, a Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model is formulated to analyze the utilization of a battery energy storage system in wind power balance error management. After that, the utilization of a standalone battery energy storage system in the Finnish reserve markets is researched by formulating a Mixed-Integer Nonlinear Programming (MINLP) model, which is further recast into an equivalent MILP model. Both models are simulated for one year using data from 2023. Finally, profitability analyses based on the simulated annual revenues are conducted using the two models to examine the long-term profitability outlook of the investments. Based on the research, the utilization of a battery energy storage system decreases the wind power balance error. However, the low revenues combined with high investment costs do not support the battery energy storage system investment solely for wind power balance error management, with a payback period of over 20 years. The research also shows that the operation of a standalone battery energy storage system in the Finnish reserve markets is profitable, with a net present value of 8.6 million euros and a payback period of under five years.Uusiutuvien energialähteiden määrän kasvu aiheuttaa ongelmia sähköjärjestelmässä, jonka on tasapainotettava energiantuotantoa ja -kulutusta jatkuvasti. Nämä toiminnalliset haasteet voidaan ratkaista hyödyntämällä akkuvarastoja. Viimeaikaiset sähkönhinnan vaihtelut ovat kuitenkin vaikeuttaneet näiden järjestelmien kannattavuuden arviointia, sekä osana olemassa olevia tuulivoimaloita että itsenäisinä järjestelminä. Tässä diplomityössä on tutkittu litiumioniakkuvaraston toimintaa ja sen mahdollisia vuosituottoja tuulivoiman tasehallinnassa sekä Suomen sähkön reservimarkkinoilla. Tutkimus on toteutettu muodostamalla kaksi erillistä optimointimallia. Akkuvaraston toimintaa tuulivoiman tasehallinnassa on tutkittu ensin muotoilemalla Mixed-Integer Linear Programming (MILP) -malli. Tämän jälkeen akkuvaraston toimintaa Suomen reservimarkkinoilla on tutkittu muotoilemalla Mixed-Integer Nonlinear Programming (MINLP) -malli, josta on muotoiltu vastaava MILP-malli. Molempia malleja on simuloitu yhden vuoden ajan käyttämällä vuoden 2023 tietoja. Lopuksi simuloinneista saatuja vuosittaisia tuottoja on hyödynnetty kannattavuusanalyysien tekemisessä investointien pitkän aikavälin kannattavuuden tutkimiseksi. Tutkimuksen perusteella akkuvarasto pystyy vähentämään tuulivoiman tasevirhettä. Kuitenkin alhaiset vuosittain tuotetut tulot yhdistettynä korkeisiin investointikustannuksiin eivät tue pelkästään tuulivoiman tasehallintaan tarkoitetun akkuinvestoinnin kannattavuutta, sillä investoinnin takaisinmaksuaika on yli 20 vuotta. Tutkimus osoittaa myös, että erillisen akkuvaraston toiminta Suomen reservimarkkinoilla on kannattavaa, investoinnin nettonykyarvon ollessa 8.6 miljoonaa euroa ja takaisinmaksuajan ollessa alle viisi vuotta.Description
Supervisor
Pourakbari Kasmaei, MahdiThesis advisor
Ant-Wuorinen, RistoKeywords
BESS, battery, battery energy storage, battery operation, battery profitability, wind power plant