Techno-economic analysis of energy storage systems for electricity and opportunities in the Western Balkan

Abstract

As an expansion of renewables in the electricity markets continues, variability and volatility in the grids require additional flexibility utensils. Energy storage systems, as they can provide the flexibility needed, are considered a key component for efficient power systems transitioning from fossil fuels to renewable energy sources. In this thesis storage systems for electricity are analyzed from the technical and economic perspective, considering energy storage profitability in the electricity markets. The collected up-to-date research on storage systems for electricity gives a comprehensive review of the current studies regarding all relevant parameters for storage utilization in the electricity markets. From the conducted review, the following research questions arise for the analysis in the research papers. The first question, about the energy storage systems’ economic justification in the electricity markets, is answered within the economic assessment of different types of storage for electricity depending on capital-recovery-factors, life cycle costs, full load hours, the price spread of electricity in day-ahead markets, and the Levelized cost of energy storage. Additionally, the mixed-integer optimization model is performed with the subtraction of the total storage costs. The model objective is maximizing profits in price arbitrage for the analyzed electricity markets and is subject to energy storage capacity constraints. The second question, about major prospects and barriers for the implementation of storage for electricity systems in the Western Balkan, is answered within the study case in all three research papers. The third question, regarding the impact of renewables on storage for electricity systems in the Western Balkan countries, is answered with an econometric model, electricity market price distribution, and full load hours. The results from the carried out research show: i) pumped hydro storage with 111 €/MWh is economically justified for arbitrage, unlike lithium-ion batteries with 864 €/MWh of Levelized cost of storage; ii) An average yearly profit of pumped hydro storage for a study case with 83% of electricity generation from renewables, is 70% lower compared to the case highly dependent on fossil generation when 2000 full load hours considered; iii) The ultimate profitability of energy storage systems, when used as flexibility measures in the electricity markets, depends on the full load hours, electricity market price spreads and investment costs of technology; iv) With the development of renewables in the Western Balkan region, energy storage price arbitrage prospects are promising.

Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien in den Stromsystemen ist eine Flexibilität von Stormspeichersystemen erforderlich, um die in den Netzen auftretenden Schwankungen und Volatilität auszugleichen. Speichersysteme für Strom gelten als Schlüsselkomponente für den effizienten Übergang von Energiesystemen von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Quellen. In dieser Dissertation werden Stormspeichersysteme aus technischer und wirtschaftlicher Sicht analysiert, wobei die Rentabilität der Energiespeicherung auf den Strommärkten eine wichtige Randbedingung ist. Die Beschreibung der wissenschaftlichen Literatur zu Stromspeichern gibt einen umfassenden Überblick über die aktuellen Studien zu allen relevanten Parametern für die Speichernutzung in Strommärkten. Aus dieser Literaturanalyse ergeben sich die folgenden Forschungsfragen für die Analyse in dieser Arbeit. Die erste Frage über die Stormspeichersysteme wird aufgrund der wirtschaftlichen Bewertung verschiedener Stromspeichersysteme in Abhängigkeit von Annuitätenfaktoren, Lebenszykluskosten, Volllaststunden, der Strompreisspanne und die „Levelized Kosten der Speichersysteme“ beantwortet. Darüber hinaus wird das Gemischt-Ganzzahlige Lineare Optimierung mit der Subtraktion der Gesamtspeicherkosten durchgeführt. Das Ziel des Modells ist die Gewinnmaximierung bei der Preisarbitrage für die analysierten Stormmärkte und unterliegt den Kapazitätsbeschränkungen der Stormspeichersysteme. Die zweite Frage zu den wichtigsten Aussichten und Hindernissen für die Umsetzung von Stormspeichersystemen am Westbalkan wird in allen drei Forschungsarbeiten beantwortet. Die dritte Frage bezüglich der Auswirkungen erneuerbarer Erzeugung auf Stormspeichersysteme in der Westbalkan wird bei einen ökonometrischen Modell, Strommarktpreisverteilung und Volllaststunden beantwortet. Die Ergebnisse der durchgeführten Forschung zeigen dass: i) Pumpspeicher mit 111 €/MWh „Levelized Kosten der Speichersysteme“ sind im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien mit 864 €/MWh für Arbitrage wirtschaftlich gerechtfertigt; ii) Der durchschnittliche jährliche Gewinn von Pumpspeicher ist für einen Studienfall mit 83 aus erneuerbaren Erzeugung, um 70 % niedriger als für den Studienfall der stark von der fossilen Erzeugung abhängt, wenn 2000 Volllaststunden berücksichtigt werden; iii) Die letztendliche Rentabilität von Stormspeichersystemen, wenn sie als Flexibilitätsmaßnahmen auf den Strommärkten eingesetzt werden, hängt von den Volllaststunden, den Strompreisspannen und den Investitionskosten der Technologie ab; iv) Mit der Entwicklung erneuerbarer Energien in der Westbalkan Region sind die Aussichten für eine Preisarbitrage der Stormspeichersysteme vielversprechend.