Teollisen kokoluokan akuston hyödyntämisen kannattavuus sähkömarkkinoilla
Laukkanen, Juuso (2023)
2023
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-11-01
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202310118761
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202310118761
Tiivistelmä
Sähköakustot ovat keskeisiä komponentteja siirryttäessä kohti uusiutuviin energianlähteisiin perustuvia sähköjärjestelmiä. Käynnissä oleva energiamurros ja erityisesti uusiutuvien energian-lähteiden, kuten aurinko- ja tuulivoiman, lisääntyminen sähköjärjestelmässä tarvitsee rinnalleen energiavarastoja. Energiavarastot, kuten akustot, ovat elintärkeitä, jotta sähkön tuotannon- ja kulutuksen tasapaino voidaan säilyttää jatkossakin. Tässä työssä perehdyttiin teollisen kokoluokan akustoihin ja niiden taloudellisiin edellytyksiin toimia sähkömarkkinoilla. Tavoitteena oli luoda parempaa ymmärrystä sähkömarkkinaympäristön vaikutuksesta akustojen kannattavuuteen.
Työssä perehdyttiin tieteellistä kirjallisuutta hyödyntäen sekä akustojen teknisiin ominaisuuksiin ja rajoitteisiin että sähkö- ja reservimarkkinoiden rakenteeseen ja toimintaan. Lisäksi selvitettiin akustojen mahdollisia käyttökohteita sähkömarkkinoilla. Akustolla suoritettava sähkömarkkina-arbitraasi ja akuston hyödyntäminen reservimarkkinalla olivat tarkemman taloudellisen tarkastelun kohteena. Taloudellista kannattavuutta arvioitiin mallintamalla referenssiakuston toimintaa sekä sähkö- että reservimarkkinalla ja laskemalla investoinnin nettonykyarvo. Lisäksi lyhyesti tarkasteltiin akuston allokoinnin kannattavuutta. Allokoinnilla tarkoitetaan akuston kapasiteetin jakoa eri käyttötarkoituksiin. Työssä suoritettiin myös markkina-analyysi Suomen, Ruotsin ja Norjan sähkömarkkinoista. Markkina-analyysi kattoi maiden tuotanto- ja kulutusportfoliot, siirtoverkot ja hinta-alueet sekä sähkön- ja reservien hinnat.
Työssä todettiin referenssiakustolla suoritettu arbitraasi taloudellisesti kannattamattomaksi riippumatta akustolla suoritettavien vuorokausittaisten syklien määrästä. Yhdellä purku/lataus -syklillä vuorokaudessa referenssiakuston 10 vuoden nettonykyarvo vuoden 2022 sähkömarkkinan hinnoilla oli –2 176 783 € ja kahdella syklillä –1 052 996 €. Reservimarkkinoilta saatiin parempia tuottoja ja referenssiakustolla useat reservit olivat taloudellisesti kannattavia ylläpitää. Esimerkiksi FCR-N-reservin 10 vuoden nettonykyarvo oli vuoden 2022 reservien keskihinnoilla 2 938 262 €. Lisäksi allokoinnin todettiin parantavan akuston tuloja verrattuna pelkästään arbitraasiin 59,42 % ja reservimarkkinalla toimimiseen 29,13 %. Markkina-analyysissa huomattiin Suomen ja Etelä-Ruotsin hinta-alueiden olevan houkuttelevia akustojen hyödyntämiselle esimerkiksi arbitraasiin ja kuormansiirtoon, sillä näillä alueilla oli korkeat sähkön hinnat ja suuri sähkön hinnan volatiliteetti. Ruotsissa on kohdemaihin verrattuna korkeimmat reservien hinnat ja näin ollen akuston hyödyntäminen reservimarkkinoilla on Ruotsissa taloudellisesti kannattavinta.
Tutkimuksen perusteella voidaan todeta akustoilla olevan monenlaisia käyttökohteita sähkömarkkinaympäristössä. Hyödyntäminen reservimarkkinalla vaikuttaa olevan yksittäisistä käyttökohteista taloudellisesti kannattavinta. Sähkömarkkina-arbitraasi on referenssiakuston tapauksessa kannattamatonta nykyisessä markkinaympäristössä. Markkinamuutoksilla ja erityisesti hintojen vaihtelulla voi olla suuri vaikutus yksittäisten käyttökohteiden kannattavuuteen. Tätä hintojen vaihteluun liittyvää riskiä voidaan pienentää varmistamalla akuston hyödynnettävyys mahdollisimman monella eri markkinalla ja allokoimalla akustoa eri käyttötarkoituksiin. Akuston käytön jatkuvalla allokoinnilla ja tehokkaalla optimoinnilla voidaan parantaa investoinnin kannattavuutta. Battery energy storage systems are key components in the transition towards electricity systems based on renewable energy sources. The ongoing energy transition and in particular the increase of renewable energy sources such as solar and wind power in the electricity system needs to be accompanied by energy storage. Energy storage, such as batteries, is vital to maintain a balance between electricity production and consumption in the future. This study looked at industrial-scale batteries and their economic conditions for operating in the electricity market. The aim is to create a better understanding of the impact of the electricity market environment on the profitability of batteries.
The work drew on the scientific literature to understand the technical characteristics and constraints of batteries, as well as the structure and functioning of the electricity and reserve markets. The potential uses of batteries in the electricity market were also explored. The electricity market arbitrage with battery and the use of battery in the reserve market were the subject of a more detailed economic analysis. The economic viability was assessed by modelling the operation of a reference battery in both the electricity and reserve markets and calculating the net present value of the investment. The profitability of battery allocation was also briefly assessed. Allocation refers to the allocation of battery capacity to different uses. The study also carried out a market analysis of the electricity markets in Finland, Sweden, and Norway. The market analysis covered the countries' generation and consumption portfolios, transmission networks and price zones, and electricity and reserve prices.
The study found arbitrage on a reference battery to be economically unviable, regardless of the number of daily cycles on the battery. With one discharge/charge cycle per day, the 10-year net present value of the reference battery at 2022 electricity market prices was -2 176 783 € and with two cycles -1 052 996 €. Better returns were obtained on the reserve market and several re-serves were economically viable to maintain with the reference battery. For example, the 10-year net present value of the FCR-N reserve was 2 938 262 € at average reserve prices in 2022. In addition, the allocation was found to improve the revenues by 59.42 % compared to arbitrage alone and by 29.13 % compared to the reserve market alone. The market analysis found that the price areas of Finland and southern Sweden are attractive for the use of batteries for arbitrage and load-shifting, for example, due to high electricity prices and high electricity price volatility. Sweden has the highest reserve prices compared to the target countries and therefore the use of battery storage in the reserve market is most economically viable in Sweden.
The study concludes that batteries have a wide range of applications in the electricity market environment. Participation in the reserve markets appears to be the most economically viable of the individual applications. In the case of the reference battery, electricity market arbitrage is unprofitable in the current market environment. Market changes, and in particular price fluctuations, can have a major impact on the profitability of individual applications. This risk of price fluctuations can be reduced by ensuring the availability of the battery in as many different markets as possible and by allocating the battery to different applications. Continuous allocation and effective optimization of battery use can improve the return on investment.
Työssä perehdyttiin tieteellistä kirjallisuutta hyödyntäen sekä akustojen teknisiin ominaisuuksiin ja rajoitteisiin että sähkö- ja reservimarkkinoiden rakenteeseen ja toimintaan. Lisäksi selvitettiin akustojen mahdollisia käyttökohteita sähkömarkkinoilla. Akustolla suoritettava sähkömarkkina-arbitraasi ja akuston hyödyntäminen reservimarkkinalla olivat tarkemman taloudellisen tarkastelun kohteena. Taloudellista kannattavuutta arvioitiin mallintamalla referenssiakuston toimintaa sekä sähkö- että reservimarkkinalla ja laskemalla investoinnin nettonykyarvo. Lisäksi lyhyesti tarkasteltiin akuston allokoinnin kannattavuutta. Allokoinnilla tarkoitetaan akuston kapasiteetin jakoa eri käyttötarkoituksiin. Työssä suoritettiin myös markkina-analyysi Suomen, Ruotsin ja Norjan sähkömarkkinoista. Markkina-analyysi kattoi maiden tuotanto- ja kulutusportfoliot, siirtoverkot ja hinta-alueet sekä sähkön- ja reservien hinnat.
Työssä todettiin referenssiakustolla suoritettu arbitraasi taloudellisesti kannattamattomaksi riippumatta akustolla suoritettavien vuorokausittaisten syklien määrästä. Yhdellä purku/lataus -syklillä vuorokaudessa referenssiakuston 10 vuoden nettonykyarvo vuoden 2022 sähkömarkkinan hinnoilla oli –2 176 783 € ja kahdella syklillä –1 052 996 €. Reservimarkkinoilta saatiin parempia tuottoja ja referenssiakustolla useat reservit olivat taloudellisesti kannattavia ylläpitää. Esimerkiksi FCR-N-reservin 10 vuoden nettonykyarvo oli vuoden 2022 reservien keskihinnoilla 2 938 262 €. Lisäksi allokoinnin todettiin parantavan akuston tuloja verrattuna pelkästään arbitraasiin 59,42 % ja reservimarkkinalla toimimiseen 29,13 %. Markkina-analyysissa huomattiin Suomen ja Etelä-Ruotsin hinta-alueiden olevan houkuttelevia akustojen hyödyntämiselle esimerkiksi arbitraasiin ja kuormansiirtoon, sillä näillä alueilla oli korkeat sähkön hinnat ja suuri sähkön hinnan volatiliteetti. Ruotsissa on kohdemaihin verrattuna korkeimmat reservien hinnat ja näin ollen akuston hyödyntäminen reservimarkkinoilla on Ruotsissa taloudellisesti kannattavinta.
Tutkimuksen perusteella voidaan todeta akustoilla olevan monenlaisia käyttökohteita sähkömarkkinaympäristössä. Hyödyntäminen reservimarkkinalla vaikuttaa olevan yksittäisistä käyttökohteista taloudellisesti kannattavinta. Sähkömarkkina-arbitraasi on referenssiakuston tapauksessa kannattamatonta nykyisessä markkinaympäristössä. Markkinamuutoksilla ja erityisesti hintojen vaihtelulla voi olla suuri vaikutus yksittäisten käyttökohteiden kannattavuuteen. Tätä hintojen vaihteluun liittyvää riskiä voidaan pienentää varmistamalla akuston hyödynnettävyys mahdollisimman monella eri markkinalla ja allokoimalla akustoa eri käyttötarkoituksiin. Akuston käytön jatkuvalla allokoinnilla ja tehokkaalla optimoinnilla voidaan parantaa investoinnin kannattavuutta.
The work drew on the scientific literature to understand the technical characteristics and constraints of batteries, as well as the structure and functioning of the electricity and reserve markets. The potential uses of batteries in the electricity market were also explored. The electricity market arbitrage with battery and the use of battery in the reserve market were the subject of a more detailed economic analysis. The economic viability was assessed by modelling the operation of a reference battery in both the electricity and reserve markets and calculating the net present value of the investment. The profitability of battery allocation was also briefly assessed. Allocation refers to the allocation of battery capacity to different uses. The study also carried out a market analysis of the electricity markets in Finland, Sweden, and Norway. The market analysis covered the countries' generation and consumption portfolios, transmission networks and price zones, and electricity and reserve prices.
The study found arbitrage on a reference battery to be economically unviable, regardless of the number of daily cycles on the battery. With one discharge/charge cycle per day, the 10-year net present value of the reference battery at 2022 electricity market prices was -2 176 783 € and with two cycles -1 052 996 €. Better returns were obtained on the reserve market and several re-serves were economically viable to maintain with the reference battery. For example, the 10-year net present value of the FCR-N reserve was 2 938 262 € at average reserve prices in 2022. In addition, the allocation was found to improve the revenues by 59.42 % compared to arbitrage alone and by 29.13 % compared to the reserve market alone. The market analysis found that the price areas of Finland and southern Sweden are attractive for the use of batteries for arbitrage and load-shifting, for example, due to high electricity prices and high electricity price volatility. Sweden has the highest reserve prices compared to the target countries and therefore the use of battery storage in the reserve market is most economically viable in Sweden.
The study concludes that batteries have a wide range of applications in the electricity market environment. Participation in the reserve markets appears to be the most economically viable of the individual applications. In the case of the reference battery, electricity market arbitrage is unprofitable in the current market environment. Market changes, and in particular price fluctuations, can have a major impact on the profitability of individual applications. This risk of price fluctuations can be reduced by ensuring the availability of the battery in as many different markets as possible and by allocating the battery to different applications. Continuous allocation and effective optimization of battery use can improve the return on investment.