A global trend in electricity generation has been that, in order to reduce the effect of global warming, wind and solar power will raise their share in the energy production. Consequently, there will be to more and more grid connected electricity generation that can't be designed in real time, depending on the required consumption needs, which increases the grid instability. Thus, large-scale electro-chemical battery storage systems have been considered as a potential solution for electricity imbalance challenges.
On March 1st 2017, a 2 MW and 1 MWh lithium ion battery energy storage system started operating in Finland under the project name of Batcave. The purpose of this thesis is to simulate how the battery storage system in question would operate in Finnish electricity reserve markets with the support of hydropower. The simulation is conducted with a designed battery model and operated throughout the data of 2016 in the hourly market of frequency containment reserve for normal operation. For the battery simulations two principal scenarios were chosen: All-scenario and Hydro-scenario. In All-scenario the battery operates in all possible market hours that provide income and in Hydro-scenario the battery functions in the same hours when the hydroelectric power would be operated.
Simulation results indicate that from all the active hours 8 % of that time the battery wasn't able to operate whereas it included over one third of the total energy flow that the battery wasn't capable of delivering. Thus, temporally the battery can operate alone rather well but when idling occurs, the hydro backup reserve is required to perform this task in a technical manner. Furthermore, the size and cost of additional energy capacities are too substantial in order to reach a completely autonomic battery with no backup reserves or additional optimizations and always carrying out the grid requirements.
From the net present value calculations throughout the battery life expectancy, All-scenario has better profitability prospects than Hydro-scenario. Consequently, it is more profitable to operate the battery almost as much as possible to assure quick cash flow than spare its use. With All-scenario the project can be profitable with an investment subsidy. The optimization calculations indicate that the minimum price limit of bidding the battery in frequency containment reserve for normal operation has a desirable scope of values. Further studies should focus on systematic battery use and active data analyzing to further improve the battery model and enhance the technical and economic operation of battery storage system.Globaalisti sähköntuotannossa on havaittavissa pyrkimystä vähentää kasvihuoneilmiötä lisäämällä sekä tuuli- että aurinkovoimaa. Näin ollen sähköntuotannossa esiintyy yhä enemmän tuotantoa, jota ei voida ohjata reaaliaikaisesti kulutuksen mukaisesti, mikä puolestaan kasvattaa verkon epävakautta. Tämän seurauksena ison mittakaavan sähkökemiallisia akkuvarastointijärjestelmiä pidetään potentiaalisena ratkaisuna sähköverkon tasapainotushaasteisiin.
1. Maaliskuuta 2017 aloitti Suomessa toimintansa 2 MW:n ja 1 MWh:n kokoinen litium-ioni akkuvarastointijärjestelmä nimeltään Batcave. Tämän diplomityön tarkoituksena on simuloida, miten kyseinen akkuvarastointijärjestelmä toimisi Suomen sähköreservi-markkinoilla vesivoiman avulla. Simulointi on suoritettu akkumallilla, joka on mallinnettu operoimaan taajuusohjatun käyttöreservin tuntimarkkinalla hyödyntäen vuoden 2016 tietoja. Akkusimulointiin valittiin kaksi skenaariota: All-skenaario ja Hydro-skenaario. All-skenaariossa akku toimii jokaisella mahdollisella tuottavalla markkina-tunnilla kun taas Hydro-skenaariossa akku toimii samoilla tunneilla kuin vesivoima.
Simulointitulokset osoittavat, että kaikista aktiivisista tunneista 8 % oli sellaista aikaa, jolloin akku ei pystynyt toimimaan, kun taas energiamäärällisesti se vastasi yli kolmasosaa energiavirtauksista, joita akku ei pystynyt toteuttamaan. Näin ollen ajallisesti akku pystyy operoimaan melko itsenäisesti, mutta jos tyhjäkäyntiä tapahtuu, niin vesivoimaa tarvitaan vastaamaan sen teknisiin vaatimuksiin. Tämän lisäksi ekstra-energiakapasiteetin hankkiminen olisi liian massiivista ja kallista, jotta täysin itsenäinen akkusysteemi voisi toimia ilman varareserviä tai ylimääräistä optimointia ja samalla pystyisi aina toteuttamaan pakolliset verkkovaatimukset.
Nettonykyarvolaskelmat akun elinajanodotteeseen asti osoittavat, että All-skenaariolla on paremmat tuotto-odotukset kuin Hydro-skenaariolla. Näin ollen on kannattavampaa käyttää akkua miltei niin paljon kuin mahdollista taatakseen nopea rahavirta kuin säästää sen käyttöä. All-skenaariolla projekti voi olla tuottava investointitukien kanssa. Lisäksi optimointilaskut viittaavat siihen, että akulla on havaittavissa tuottoisin tarjousväli taajuusohjatun käyttöreservin tuntimarkkinalla. Jatkotutkimukset on suotavaa kohdistaa akun systemaattiseen käyttöön ja aktiiviseen data-analysointiin, jotta akkumallia voitaisiin entisestään kehittää ja akkuvarastointisysteemin teknistä- ja taloudellista toimintaa parantaa
