PIANIFICAZIONE OTTIMA PER SISTEMI DI ACCUMULO A BATTERIA CONSIDERANDO L’INVECCHIAMENTO CICLICO E STRATEGIE DI REVAMPING A LUNGO TERMINE

BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEMS ARE EXPECTED TO PLAY A PIVOTAL ROLE IN FUTURE LOW-CARBON POWER SYSTEMS. AS A MATTER OF FACT, THEIR INTRINSIC FLEXIBILITY MAY BE EXPLOITED TO PROVIDE MULTIPLE ANCILLARY SERVICES, THUS CONTRIBUTING TO THE NETWORK SECURITY AND RELIABILITY. HOWEVER, INEVITABLE CAPACITY DEGRADATION PHENOMENA - ASSOCIATED TO THE BATTERY OPERATION - MAY SHORTEN THE ASSETS’ USEFUL LIFETIME AND COMPROMISE THEIR ABILITY TO EFFECTIVELY DELIVER THE REQUIRED SERVICES. TO MITIGATE THESE RISKS, PROJECT DEVELOPERS SHOULD RELY ON SCHEDULING MODELS CAPABLE OF ACCOUNTING FOR THESE DEGRADATION MECHANISMS, WHILE IDENTIFYING POSSIBLE STRATEGIES TO RESTORE THE DEGRADED CAPACITY. NEVERTHELESS, DEVELOPING SUCH OPERATIONAL MODELS IS NOT A TRIVIAL TASK. NOT ONLY THESE DEGRADATION MECHANISMS ARE CHARACTERIZED BY NON-LINEAR BEHAVIORS, BUT ALSO THE REVAMPING ACTIONS ARE STRICTLY SENSITIVE TO THE MARKET CONDITIONS. THE PROPOSED THESIS ADDRESSES THIS RESEARCH GAP BY INTRODUCING A NOVEL AND INNOVATIVE DETERMINISTIC FRAMEWORK CAPABLE OF CO-OPTIMIZING THE SHORT-TERM CYCLIC OPERATION AND THE LONG-TERM REVAMPING STRATEGIES FOR A BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM ARBITRAGING IN THE WHOLESALE ENERGY MARKET AND PARTICIPATING TO THE CAPACITY MARKET. NOTABLY, THE PROPOSED METHODOLOGY IS ABLE TO FIND THE OPTIMAL SEQUENCE OF CYCLIC ACTIONS WHILE ACCOUNTING FOR THE CORRESPONDING INSTANTANEOUS AND NON-LINEAR DEGRADATION. ADDITIONALLY, IT PROVIDES SMART REVAMPING STRATEGIES TO RESTORE THE DEGRADED CELLS IN ORDER TO MAXIMIZE THE ARBITRAGE REVENUES WHILE GUARANTEEING THE DELIVERABILITY OF THE CONTRACTED CAPACITY. THE FIRST PART OF THE WORK DEALS WITH THE FORMULATION AND RESOLUTION OF THE PROPOSED OPTIMIZATION PROBLEM. SPECIFICALLY, THE FRAMEWORK HAS BEEN SOLVED CONSIDERING TWO APPROACHES, EACH OF THEM BASED ON A DIFFERENT METHODOLOGY. THE FIRST APPROACH LEVERAGES A MIXED INTEGER LINEAR PROGRAMMING ALGORITHM, WHERE THE NON-CONVEX DEGRADATION HAS BEEN INTEGRATED WITH AD-HOC REFORMULATION TECHNIQUES. THE SECOND APPROACH IS BASED ON A DYNAMIC PROGRAMMING ALGORITHM, ALLOWING FOR THE DIRECT INTEGRATION OF THE NON-LINEAR DEGRADATION. KEY FINDINGS INDICATE THAT CONSIDERING THE CAPACITY DEGRADATION AND ACCOUNTING FOR POSSIBLE REVAMPING ACTIONS MAY BOOST THE NET REVENUES OF THE SYSTEM. FURTHERMORE, A SET OF COMPREHENSIVE CASE STUDIES INVESTIGATES THE MAIN SIMILARITIES AND DIFFERENCES, TOGETHER WITH THE MAIN ADVANTAGES AND DISADVANTAGES, FEATURING THE TWO MODELLING APPROACHES. THE SECOND PART OF THE WORK DEALS WITH THE MODELING EXTENSIONS OF THE PROPOSED FRAMEWORK. SPECIFICALLY, THE CAPABILITY OF THE MIXED INTEGER LINEAR PROGRAMMING MODEL TO PROVIDE FLEXIBLE REVAMPING STRATEGIES HAS BEEN LEVERAGED TO CONSIDER THREE TECHNO-ECONOMIC FEATURES RELATED TO REAL LIFE REVAMPING ACTIONS. THESE INCLUDE THE DOWNTIME PERIOD, THE FIXED COSTS FOR LABOR AND INSTALLATION EXPANSES AND THE RESIDUAL VALUES FOR THE DEGRADED CELLS. RESULTS REVEAL THE ADDITIONAL ECONOMIC BENEFITS ARISING FROM THE INTEGRATION OF THESE FEATURES. SIMILARLY, THE DYNAMIC PROGRAMMING MODEL’S CAPABILITY TO PROVIDE ACCURATE SOLUTIONS FOR HIGH-DIMENSIONAL PROBLEMS WITH LOW COMPUTATIONAL TIME HAS BEEN EXPLOITED TO CONSIDER A BATTERY STORAGE SYSTEM INSTALLED BEHIND-THE-METER OF A PHOTOVOLTAIC GENERATOR WITHIN A RENEWABLE ENERGY COMMUNITY. KEY FINDINGS DEMONSTRATE THE ADDED VALUE OF INTEGRATING A BATTERY IN AN ENERGY-SHARING ENVIRONMENT AND THE DEPENDENCE ON THE GEOGRAPHICAL LOCATION AND TECHNICAL PARAMETERS. TO CONCLUDE, THIS WORK OFFERS VALUABLE INSIGHTS FOR BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM STAKEHOLDERS - INCLUDING PROJECT DEVELOPERS, OPERATORS, POLICYMAKERS AND RESEARCHES - ON THE OPTIMAL OPERATION OF THESE ASSETS ACROSS MULTI-YEARS PLANNING HORIZONS.

I SISTEMI DI ACCUMULO ENERGETICO A BATTERIA SONO DESTINATI A SVOLGERE UN RUOLO FONDAMENTALE NEI FUTURI SISTEMI ELETTRICI . INFATTI, LA LORO FLESSIBILITÀ PUÒ ESSERE SFRUTTATA PER FORNIRE MOLTEPLICI SERVIZI ANCILLARI, CONTRIBUENDO COSÌ ALLA SICUREZZA E AFFIDABILITÀ DELLA RETE. TUTTAVIA, LA PROGRESSIVA DEGRADAZIONE DELLA CAPACITÀ - ASSOCIATA ALL’UTILIZZO DELLA BATTERIA - PUÒ RIDURRE LA VITA UTILE DI QUESTI SISTEMI E COMPROMETTERE LA LORO CAPACITÀ DI EROGARE EFFICACEMENTE I SERVIZI RICHIESTI. PER MITIGARE QUESTI RISCHI, GLI OPERATORI DOVREBBERO AFFIDARSI A MODELLI DI PIANIFICAZIONE IN GRADO DI TENERE CONTO DI QUESTI MECCANISMI DI DEGRADAZIONE, IDENTIFICANDO ALLO STESSO TEMPO POSSIBILI STRATEGIE PER RIPRISTINARE LA CAPACITÀ DEGRADATA. TUTTAVIA, SVILUPPARE TALI MODELLI OPERATIVI NON È UN SEMPLICE. NON SOLO QUESTI MECCANISMI DI DEGRADAZIONE SONO CARATTERIZZATI DA ANDAMENTI NON LINEARI, MA ANCHE LE AZIONI DI RIPOTENZIAMENTO DELLA CAPACITÀ SONO STRETTAMENTE SENSIBILI ALLE CONDIZIONI DI MERCATO. LA PRESENTE TESI AFFRONTA QUESTO PROBLEMA INTRODUCENDO UN NUOVO E INNOVATIVO MODELLO DETERMINISTICO CAPACE DI CO-OTTIMIZZARE L'OPERAZIONE CICLICA NEL BREVE TERMINE ASSIEME ALLE STRATEGIE DI REVAMPING A LUNGO TERMINE PER UN SISTEMA DI ACCUMULO ENERGETICO A BATTERIA CHE EFFETTUA OPERAZIONI DI ARBITRAGE NEL MERCATO DELL'ENERGIA ALL'INGROSSO E CHE PARTECIPA AL MERCATO DELLA CAPACITÀ. IN PARTICOLARE, LA METODOLOGIA PROPOSTA È IN GRADO DI INDIVIDUARE LA SEQUENZA OTTIMALE DI CICLAGGIO TENENDO CONTO DELLA CORRISPONDENTE DEGRADAZIONE ISTANTANEA E NON LINEARE. INOLTRE, FORNISCE STRATEGIE DI REVAMPING PER RIPRISTINARE LE CELLE DEGRADATE AL FINE DI MASSIMIZZARE I RICAVI DALL’ARBITRAGGIO, GARANTENDO AL CONTEMPO L’EROGAZIONE DELLA CAPACITÀ RICHIESTA. LA PRIMA PARTE DEL LAVORO SI OCCUPA DELLA FORMULAZIONE E DELLA RISOLUZIONE DI QUESTO PROBLEMA DI OTTIMIZZAZIONE. NELLO SPECIFICO, IL MODELLO È STATO RISOLTO CONSIDERANDO DUE APPROCCI, CIASCUNO BASATO SU UNA METODOLOGIA DIFFERENTE. IL PRIMO APPROCCIO SI BASA SU UN ALGORITMO DI PROGRAMMAZIONE LINEARE MISTA INTERA, DOVE LA DEGRADAZIONE NON CONVESSA È STATA INTEGRATA MEDIANTE TECNICHE DI RIFORMULAZIONE AD-HOC. IL SECONDO APPROCCIO SI BASA SU UN ALGORITMO DI PROGRAMMAZIONE DINAMICA, CONSENTENDO L'INTEGRAZIONE DIRETTA DELLA DEGRADAZIONE NON LINEARE. I RISULTATI INDICANO CHE CONSIDERARE LA DEGRADAZIONE DELLA CAPACITÀ E TENERE CONTO DI POSSIBILI AZIONI DI REVAMPING PUÒ INCREMENTARE I RICAVI NETTI DEL SISTEMA. INOLTRE, IL LAVORO ANALIZZA ANCHE LE PRINCIPALI SOMIGLIANZE E DIFFERENZE, INSIEME AI PRINCIPALI VANTAGGI E SVANTAGGI, CHE CARATTERIZZANO I DUE APPROCCI MODELLISTICI. LA SECONDA PARTE DEL LAVORO SI OCCUPA DELLE ESTENSIONI MODELLISTICHE DEL MODELLO PROPOSTO. NELLO SPECIFICO, LA CAPACITÀ DEL MODELLO DI PROGRAMMAZIONE LINEARE MISTA INTERA DI FORNIRE STRATEGIE DI REVAMPING FLESSIBILI È STATA SFRUTTATA PER CONSIDERARE TRE ASPETTI TECNICO-ECONOMICI RELATIVI ALLE AZIONI DI REVAMPING NELLA VITA REALE. QUESTI INCLUDONO IL PERIODO DI FERMO IMPIANTO, I COSTI FISSI PER LE SPESE DI MANODOPERA E INSTALLAZIONE E I VALORI RESIDUI DELLE CELLE DEGRADATE. I RISULTATI RIVELANO I BENEFICI AGGIUNTIVI DERIVANTI DALL'INTEGRAZIONE DI QUESTI ASPETTI. ALLO STESSO MODO, LA CAPACITÀ DEL MODELLO BASATO SULLA PROGRAMMAZIONE DINAMICA DI FORNIRE SOLUZIONI ACCURATE IN TEMPI COMPUTAZIONALI RIDOTTI È STATA SFRUTTATA PER SIMULARE UN SISTEMA A BATTERIA INSTALLATO DIETRO AL CONTATORE DI UN GENERATORE FOTOVOLTAICO ALL'INTERNO DI UNA COMUNITÀ ENERGETICA RINNOVABILE. I RISULTATI PRINCIPALI DIMOSTRANO IL VALORE AGGIUNTO DELL’INTEGRATE UNA BATTERIA IN UNA COMUNITÀ ENERGETICA E LA DIPENDENZA DI TALE SISTEMA DALLA LOCALIZZAZIONE GEOGRAFICA E DAI PARAMETRI TECNICI. IN CONCLUSIONE, QUESTO LAVORO OFFRE VARI SPUNTI PER I VARI STAKEHOLDER DEI SISTEMI A BATTERIA - INCLUSI SVILUPPATORI DI PROGETTI, OPERATORI E RICERCATORI - SULL'OPERAZIONE OTTIMA DI QUESTI IMPIANTI SU PERIODI DI PIANIFICAZIONE PLURIENNALI.