Evaluating multi-use operation of battery energy storage systems in a cyber-physical energy system testbed

Schmidtke, Florian; Hug, Gabriela; Ulbig, Andreas

doi:HT031301850

Evaluating multi-use operation of battery energy storage systems in a cyber-physical energy system testbed

Schmidtke, Florian^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Florian Schmidtke, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Ulbig, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Hug, Gabriela (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08916
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1020343/files/1020343.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Aktive Energieverteilnetze (614010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Batteriespeichersystem (frei) ; Cyber-Physisches Energiesystem (frei) ; battery energy storage system (frei) ; co-simulation (frei) ; cyber-physical energy system (frei) ; multi-use (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Batteriespeichersysteme (BESS) sind eine vielversprechende dezentrale Lösung für den kurzfristigen Ausgleich der zunehmend volatilen Erzeugung und Nachfrage in Energiesystemen. Die Flexibilitätsanforderungen werden durch den schnellen Ausbau volatiler erneuerbarer Erzeugung und die zunehmende Elektrifizierung der Mobilitäts- und Wärmesektoren getrieben. Allerdings werden verfügbare Leistung und Kapazität häufig für Einzelanwendungen genutzt, was trotz steigender Flexibilitätsanforderungen zu ungenutztem Potenzial von BESS führt. Diese Dissertation zielt darauf ab, den Mehrfachnutzungsbetrieb von BESS zu optimieren, bei dem Leistungs- und Energieressourcen dynamisch über verschiedene Anwendungen hinweg zugewiesen werden. Durch die Maximierung der BESS-Nutzung für verschiedene Dienste, wie Systemdienstleistungen, Lastmanagement und lokales Netzengpassmanagement, soll diese Dissertation sowohl die technische Effizienz als auch den wirtschaftlichen Wert von BESS innerhalb eines dezentralen cyber-physischen Energiesystems steigern. Zu diesem Zweck wird eine Co-Simulationsforschungsumgebung entwickelt, um Betriebsstrategien für den Mehrfachnutzungsbetrieb von BESS zu entwerfen und zu validieren. Dieses Multi-Agenten-Simulationsframework schafft eine realitätsnahe Umgebung, um die Interaktionen zwischen BESS, BESS-Betreibern und externen Akteuren zu testen und die Entwicklung von Strategien zu unterstützen, die Zuverlässigkeit und Flexibilität verbessern und zur effektiven Integration von BESS in ein zukünftiges cyber-physisches Energiesystem beitragen. In diesem Zusammenhang werden durch diese Dissertation folgende Teilbeiträge geleistet. Erstens wird, basierend auf den Prinzipien des Smart Grid Architecture Model (SGAM), eine Co-Simulationsforschungsumgebung entwickelt, um Multi-Agenten-Simulationen innerhalb cyber-physischer Energiesysteme auf Basis des mosaik-Frameworks zu ermöglichen. Diese Umgebung unterstützt die Entwicklung und Integration individueller Akteursmodelle zusammen mit der notwendigen Informationsarchitektur und erlaubt zeitabhängige Informationsflüsse und realitätsnahe Betriebsprozesse. Innerhalb dieser Co-Simulationsforschungsumgebung werden Algorithmen für den Mehrfachnutzungsbetrieb von BESS entworfen und validiert. Diese Algorithmen werden entwickelt, um den BESS-Betrieb im Zeitverlauf innerhalb von Energiemanagementsystemen zu koordinieren und die Anforderungen verschiedener Akteure und Anwendungen zu berücksichtigen. Echtzeitplanung und operative Harmonisierung einzelner Anwendungen werden integriert, um eine nahtlose Funktionalität sicherzustellen. Auf der Ebene des Verteilnetzes werden verschiedene Typen von BESS mit unterschiedlichen technischen und betrieblichen Eigenschaften berücksichtigt. Um dies zu adressieren, werden zwei Fallstudien mit unterschiedlichen Anforderungen innerhalb der Co-Simulationsforschungsumgebung implementiert und bewertet: (i) großskalige BESS für kombinierte Netz- und Systemdienstleistungen zusätzlich zum Arbitragehandel und (ii) aggregierte kleinskalige BESS innerhalb einer Konfiguration eines virtuellen Kraftwerks (VPP). Abschließend wird der Einfluss der Mehrfachnutzungsstrategien aus der Perspektive verschiedener Akteure analysiert und bewertet. Aus Sicht des BESS-Betreibers – sei es ein einzelner Kunde oder ein virtuelles Kraftwerk – liegt der Fokus auf der Bewertung der Betriebsergebnisse und der Effektivität. Zusätzlich wird die Perspektive des Netzbetreibers berücksichtigt, um den Einfluss des BESS-Betriebs auf Netzzuverlässigkeit und Auslastung zu bewerten. Durch diese Analysen bietet diese Arbeit eine umfassende Bewertung des Mehrfachnutzungsbetriebs von BESS. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Dissertation sind wie folgt. Erstens führen Einzel- und Mehrfachnutzungsbetriebe in verschiedenen Konfigurationen zu erheblichen Unterschieden in der Nutzung von BESS in den beiden Fallstudien. Sowohl die Verteilung der relativen Leistung als auch der Ladezustand (State of Charge, SoC) werden stark durch die Betriebsstrategie beeinflusst, was zu deutlichen Unterschieden in der Nutzung und der erwarteten Degradation des BESS führt. Insbesondere bei Fokus auf den Arbitragehandel ist eine Spitzenleistungsnutzung zwischen 95% und 100% vorherrschend. Wird der Arbitragehandel jedoch mit anderen Anwendungen kombiniert, verläuft die Leistungsnutzung gleichmäßiger. Das zweite zentrale Ergebnis betrifft den Einfluss des Arbitragehandels auf die Netzauslastung, insbesondere aufgrund der Gleichzeitigkeit von Preissignalen. Dies kann zu negativen Effekten führen, insbesondere bei aggregierten kleinskaligen BESS, da die höhere Gleichzeitigkeit von Betriebsprozessen innerhalb eines VPP zu häufigeren und stärkeren Netzbelastungsspitzen führen kann. Während die Gesamtbelastung von Transformatoren und Leitungen selten technische Grenzwerte überschreitet, können lokal übermäßige Auslastungen auftreten. Die maximale Belastung im Mehrfachnutzungsbetrieb kann um mehr als 30 Prozentpunkte variieren. Das dritte Ergebnis hebt das Potenzial großskaliger Speichersysteme hervor, die Netzauslastung zu reduzieren und beim Management lokaler Netzengpässe zu unterstützen. Die Bereitstellung von Primärregelleistung (Frequency Containment Reserve, FCR) scheint in den Fallstudien keine signifikanten Auswirkungen auf lokale Netzabschnitte zu haben, da großskalige BESS-Projekte in der Regel über geeignete Netzanschlusspunkte verfügen. Darüber hinaus trägt die Reservierung und Bereitstellung von Leistung für FCR nicht nur zur Entlastung des Netzes bei, sondern bietet auch eine vielversprechende Möglichkeit zur Ertragssteigerung. Während der Anteil der Erlöse aus dem Arbitragehandel mit der Einbindung von FCR abnimmt, überkompensiert der Anstieg der FCR-Erlöse diesen Rückgang, was in einigen Fällen zu nahezu verdoppelten durchschnittlichen Tageserlösen führt. Abschließend variiert der Einfluss des Mehrfachnutzungsbetriebs je nach Art des BESS. Für großskalige BESS bietet das sogenannte Revenue Stacking durch mehrere Anwendungen erhebliches Ertragspotenzial bei gleichzeitig geringerer Netzbelastung. Für kleinskalige BESS kann die Teilnahme in einem Pool zusätzliche Einnahmequellen erschließen; jedoch könnte die kollektive Wirkung zahlreicher kleinskaliger BESS auf das lokale Netz negativ sein.

Battery Energy Storage Systems (BESS) are a promising decentralized solution for the short-term balancing of increasingly volatile generation and demand in energy systems. Flexibility requirements are driven by the rapid expansion of volatile renewable generation and the rising electrification of the mobility and heat sectors. However, available power and capacity are often used for single-use applications, leading to untapped potential of BESS despite rising flexibility demands. This research aims to optimize the multi-use operation of BESS, where power and energy resources are allocated dynamically across different applications. By maximizing BESS utilization for various services, such as system services, demand response, and local grid congestion management, this doctoral thesis seeks to enhance both the technical efficiency and economic value of BESS within a decentralized cyber-physical energy system. To achieve this, a co-simulation research environment is developed to design and validate operational strategies for the multi-use operation of BESS. This multi-agent simulation framework creates a close-to-reality environment to test interactions between BESS, BESS operators, and third-party stakeholders, supporting the design of strategies that improve reliability and flexibility, contributing to the effective integration of BESS into a future cyber-physical energy system. In this context, the following partial contributions are made by this doctoral thesis. Firstly, based on the principles of the smart grid architecture model (SGAM), a co-simulation research environment is developed to enable multi-agent simulation within cyber-physical energy systems based on the mosaik framework. This environment supports the development and integration of individual stakeholder models along with the necessary information architecture, allowing for time-dependent information flows and close-to-reality operational processes. Within this co-simulation research environment, algorithms for the multi-use operation of BESS are designed and validated. These algorithms are created to coordinate BESS operation over time within energy management systems, addressing the needs of various stakeholders and applications. Real-time planning and operational harmonization of individual applications are incorporated to ensure seamless functionality. At the distribution grid level, different types of BESS with different technical and operational characteristics are considered. To address this, two case studies with distinct requirements are deployed and assessed within the co-simulation research environment: (i) large-scale BESS for stacked grid and system services in addition to arbitrage trading, and (ii) aggregated small-scale BESS within a virtual power plant (VPP) configuration. Lastly, the impact of the multi-use strategies is analyzed and evaluated from the perspective of different stakeholders. From the perspective of the BESS operator—whether an individual customer or a virtual power plant—the focus is on evaluating operational outcomes and effectiveness. Additionally, the system operator's perspective is considered to assess the impact of BESS operations on grid reliability and utilization. Through these analyses, this work provides a comprehensive evaluation of BESS multi-use operation. The main findings of this doctoral thesis are as follows. First, single-use and multi-use operations, in various configurations, lead to significant differences in the utilization of BESS in the two case studies. Both the distribution of relative power and the state-of-charge (SoC) are strongly influenced by the operating strategy, resulting in notable variations in the utilization and expected degradation of the BESS. In particular, when focused on arbitrage trading, peak power usage between 95% and 100% is prominent. However, when arbitrage trading is combined with other applications, the power utilization is smoother. The second key finding relates to the impact of arbitrage trading on grid utilization, particularly due to the simultaneity of price signals. This can lead to negative effects, especially for aggregated small-scale BESS, as the higher simultaneity of operations within a VPP can result in more frequent and significant grid utilization peaks. While the overall transformer and line loading rarely exceeds technical limits, local instances of excessive utilization can occur. The maximum loading in multi-use operation can differ for more than 30 percentage points. The third finding highlights the potential of large-scale storage systems to reduce grid utilization and assist in managing local grid congestion. The provision of frequency containment reserve (FCR) does not appear to significantly impact local grid segments in the case studies, as large-scale BESS projects are usually offered a good grid connection point. Furthermore, reserving and providing power for FCR not only helps mitigate grid congestion but also offers a promising opportunity to increase revenue. While the share of revenue from arbitrage trading decreases with the inclusion of FCR, the increase in FCR revenue more than compensates, leading to almost double the average daily revenues in some cases. In conclusion, the impact of multi-use operation varies for different types of BESS. For large-scale BESS, revenue stacking through multiple applications offers significant revenue potential while having a smaller impact on the grid. For small-scale BESS, participation in a pool can provide additional revenue streams; however, the collective impact of numerous small-scale BESS on the local grid could be negative.

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