Maximizing battery energy storage value in the Finnish electricity market

Thumbnail Image

Files

master_Jylhä_Ilmari_2025.pdf (1.42 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

2025-05-26

Department

Major/Subject

Energy Systems and Markets

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

62

Series

Abstract

The increasing share of renewable energy and the decline of combustion-based generation are significantly reshaping the Finnish power system. To maintain real-time balance between supply and demand, the Finnish Transmission System Operator (TSO) Fingrid operates several reserve markets, including the Frequency Containment Reserve (FCR) markets. Battery Energy Storage Systems (BESS) have emerged as key providers in these markets, offering fast and flexible power. However, participation in these services involves complex trade-offs between revenue opportunities and technical limitations. While previous studies have analyzed BESS profitability in reserve markets, limited research addresses the long-term impact of degradation and the optimal operation strategies under market constraints. This thesis aims to quantify the economic effects of battery degradation and develop an optimization model that maximizes BESS profit while manageing degradation over time based on cycle depth. Three operation strategies were evaluated, exclusive participation in Frequency Containment Reserve for Normal operations (FCR-N) and in Frequency Containment Reserve for Disturbances (FCR-D) and a combined strategy optimized for net profit. The results indicate that battery degradation plays a noticeable role in shaping optimal operation, particularly in scenarios with frequent activations such as FCR-N. While FCR-D led to lowest degradation exposure, the combined optimized strategy achieved the highest overall profit. In this thesis, degradation was not included directly as a cost component, but was used to guide the optimization by influencing bidding strategy. The findings suggest that relying too heavily on degradation to restrict bidding can lead to overly cautious operation, underutilizing the battery and missing significant revenue opportunities. Therefore, degradation should not be overly emphasized in the optimization process, but rather considered as a long-term factor to be balanced against short-term market opportunities. Future work should explore multi-market strategies and incorporate energy arbitrage into the model.

Uusiutuvan energian kasvava osuus ja fossiilisen tuotannon väheneminen muuttavat merkittävästi Suomen sähköjärjestelmää. Järjestelmän reaaliaikaisen tasapainon ylläpitämiseksi kantaverkkoyhtiö Fingrid operoi useita reservimarkkinoita, mukaan lukien taajuuden vakautusreservit FCR-N ja FCR-D. Akkuenergiavarastot ovat nousseet keskeisiksi toimijoiksi näillä markkinoilla tarjoten nopeaa ja joustavaa tehoa. Osallistuminen näihin markkinoihin vaatii kuitenkin tasapainottelua taloudellisten mahdollisuuksien ja teknisten rajoitteiden välillä. Vaikka aiemmissa tutkimuksissa on analysoitu akkujärjestelmien kannattavuutta reservimarkkinoilla, vain harvat teokset ovat käsitelleet kulumisen pitkäaikaisia vaikutuksia ja optimaalista käyttöstrategiaa markkinarajoitteiden puitteissa. Tämän työn tavoitteena on arvioida taloudellisia vaikutuksia, joita akun kulumisella on, sekä kehittää optimointimalli, joka maksimoi akkujärjestelmän tuoton halliten samalla kulumista ajan myötä perustuen syklien syvyyteen. Työssä arvioitiin kolmea käyttöstrategiaa, pelkkää osallistumista FCR-N:ään, pelkkää osallistumista FCR-D:hen ja yhdistettyä strategiaa, joka on optimoitu net- totuoton maksimoimiseksi. Tulokset osoittavat, että akun kulumisella on selkeä vaikutus optimaaliseen käyttöön, erityisesti tilanteissa, joissa aktivointeja tapahtuu usein, kuten FCR-N:ssä. Vaikka FCR-D aiheutti vähiten kulumista, yhdistetty optimointistrategia tuotti suurimman kokonaisvoiton. Tässä työssä kulumista ei käsitelty suoraan kustannustekijänä, vaan se toimi optimoinnin ohjaavana tekijänä vaikuttamalla tarjousstrategiaan. Tulokset viittaavat siihen, että liiallinen varovaisuus kulumisen välttämiseksi voi johtaa merkittäviin menetettyihin tulomahdollisuuksiin. Kulumista ei siis tulisi korostaa liikaa optimointiprosessissa, vaan se tulisi nähdä pitkän aikavälin tekijänä. Tulevassa tutkimuksessa tulisi tarkastella useamman markkinan strategioita ja sisällyttää esimerkiksi energian arbitraasi optimointiin.

Description

Supervisor

Lehtonen, Matti

Thesis advisor

Kaunola, Ville

Keywords

BESS, kuluminen, sähkömarkkinat, optimointi, simulointi, FCR

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104466

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC