Συγκριτική οικονομική αξιολόγηση αυτόνομων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες για εφαρμογές ΑΠΕ

Abstract

Η αυξανόμενη διείσδυση των ΑΠΕ στο ηλεκτρικό σύστημα δημιουργεί την ανάγκη για λύσεις που μπορούν να αντιμετωπίσουν τη μεταβλητότητα της παραγωγής και τον κορεσμό του δικτύου. Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες (Battery Energy Storage Systems – BESS) αποτελούν βασικό εργαλείο για τη βελτίωση της ευστάθειας του συστήματος και τη μείωση των περικοπών ενέργειας από ΑΠΕ. Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη συγκριτική οικονομική αξιολόγηση αυτόνομων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, με έμφαση στις μπαταρίες λιθίου ιόντων. Η ανάλυση επικεντρώνεται στην οικονομική αποδοτικότητα διαφορετικών τεχνολογικών και λειτουργικών επιλογών, λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό ημερήσιων κύκλων φόρτισης–εκφόρτισης και τη στρατηγική αντικατάστασης των μπαταριών (repowering). Η μεθοδολογία βασίζεται σε τεχνοοικονομική ανάλυση και αξιοποιεί βασικούς χρηματοοικονομικούς δείκτες, όπως η Καθαρή Παρούσα Αξία (NPV), ο Εσωτερικός Συντελεστής Απόδοσης (IRR) και η Περίοδος Αποπληρωμής. Μέσα από διαφορετικά σενάρια λειτουργίας εξετάζεται η επίδραση της υποβάθμισης των μπαταριών και ο ρόλος του repowering στη μακροχρόνια βιωσιμότητα των BESS. Η αξιολόγηση συμπληρώνεται από ανάλυση ευαισθησίας ως προς τα ενεργειακά spreads, με στόχο να διερευνηθεί σε ποιο βαθμό η μεταβλητότητα των τιμών ηλεκτρικής ενέργειας επηρεάζει την οικονομική απόδοση. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει την αποτύπωση ενός εύρους πιθανών αποτελεσμάτων και βοηθά στην κατανόηση των συνθηκών υπό τις οποίες τα standalone BESS μπορούν να αποτελέσουν οικονομικά ελκυστικές επενδύσεις. Η ανάλυση πραγματοποιείται σε περιβάλλον αυξημένης διείσδυσης ΑΠΕ και έντονης μεταβλητότητας τιμών, εστιάζοντας σε συστήματα που λειτουργούν με βάση τη merchant λογική, χωρίς εξασφαλισμένες ροές εσόδων. Με αυτόν τον τρόπο απομονώνεται η επίδραση της αγοράς και των λειτουργικών παραμέτρων στην οικονομική συμπεριφορά των BESS. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η οικονομική απόδοση των standalone BESS επηρεάζεται κυρίως από την ένταση λειτουργίας, τον ρυθμό υποβάθμισης και τη χρονική τοποθέτηση του repowering, ενώ τα ενεργειακά spreads αποτελούν καθοριστικό παράγοντα για τη βιωσιμότητα των επενδύσεων. Επιπλέον, η ενσωμάτωση του κόστους διασύνδεσης στο συνολικό επενδυτικό κόστος μεταβάλλει ουσιαστικά τη βιωσιμότητα των έργων, ιδιαίτερα σε οριακά βιώσιμα σενάρια, όπου ακόμη και μικρές αυξήσεις του CAPEX μπορούν να ανατρέψουν οριακά θετικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο στάδιο της ανάλυσης, η ένταση λειτουργίας διατηρείται σταθερή και εξετάζονται εναλλακτικά σενάρια πρόσθετου επενδυτικού κόστους διασύνδεσης σε συνδυασμό με διαφορετικά επίπεδα εκμεταλλεύσιμου (capture) spread. Αντίθετα, τα σενάρια υψηλής έντασης λειτουργίας εμφανίζουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα, ιδίως σε μεσαία/υψηλά spreads, καθώς τα υψηλότερα έσοδα επιτρέπουν την απορρόφηση της πρόσθετης δαπάνης. Παρά τους περιορισμούς που απορρέουν από τις παραδοχές της ανάλυσης, η εργασία προσφέρει ένα συνεκτικό πλαίσιο κατανόησης των παραγόντων που διαμορφώνουν την οικονομική συμπεριφορά των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας. Συνολικά, η μελέτη συμβάλλει στον διάλογο γύρω από τον ρόλο της αποθήκευσης ενέργειας στη μετάβαση προς ένα πιο ευέλικτο και βιώσιμο ενεργειακό σύστημα. Τα συστήματα αποθήκευσης μπορούν να ενισχύσουν τη βέλτιστη αξιοποίηση της καθαρής ενέργειας και να μειώσουν την ανάγκη για συμβατικές μονάδες ευελιξίας. Η οικονομική τους βιωσιμότητα, όπως προκύπτει από τις δύο αναλύσεις, συνδέεται άμεσα με τον τρόπο λειτουργίας, τη διαχείριση του κύκλου ζωής και το συνολικό επενδυτικό κόστος, αποτελώντας βασική προϋπόθεση για την επιτάχυνση της ενεργειακής μετάβασης και την επίτευξη των μακροπρόθεσμων κλιματικών στόχων.The increasing penetration of Renewable Energy Sources (RES) into the power system creates the need for solutions capable of addressing production variability and grid congestion. Battery Energy Storage Systems (BESS) constitute a key tool for enhancing system stability and reducing renewable energy curtailments. This thesis focuses on the comparative economic assessment of standalone energy storage systems, with emphasis on lithium ion battery technologies. The analysis examines the economic performance of different technological options under alternative operating scenarios, taking into account the number of daily charge–discharge cycles and the battery replacement strategy (repowering). The methodological approach is based on techno economic analysis and employs key financial indicators such as Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), and Payback Period. Through the evaluation of different operating scenarios, the study investigates the impact of battery degradation and the implementation of repowering strategies on the long term economic viability of standalone BESS. The assessment is complemented by a sensitivity analysis on energy price spreads, aiming to explore the extent to which electricity price volatility affects economic performance. This approach enables the representation of a range of possible outcomes and supports the identification of the conditions under which standalone BESS can become economically attractive investments. The analysis is conducted in the context of markets with increasing RES penetration and pronounced price volatility, focusing on standalone storage systems operating under a merchant model without guaranteed revenue streams. This allows the isolation of market driven and operational factors that shape the economic behaviour of BESS and facilitates the evaluation of their viability under conditions of heightened uncertainty. In the second stage of the analysis, the operating intensity is kept constant, and alternative scenarios of additional grid connection investment costs are examined in combination with different levels of exploitable (capture) spread. By contrast, high intensity operating scenarios demonstrate greater resilience, particularly under medium and high spreads, as the higher revenue potential allows the absorption of the additional expenditure. The results show that the economic performance of standalone BESS is strongly influenced by operating intensity, battery degradation rates, and the timing of repowering, while the variability of energy spreads is a decisive factor for investment viability. Moreover, incorporating grid connection costs into the total capital expenditure significantly affects project feasibility, particularly in marginally viable scenarios, where even small cost increases can overturn borderline positive outcomes. Despite the limitations arising from the assumptions and simplifications of the analysis, the study provides a coherent and systematic framework for understanding the key factors that shape the economic behaviour of energy storage systems. Overall, the thesis contributes to the broader discussion on the role of energy storage in the transition to a more flexible and sustainable energy system, offering useful insights for investors, analysts, and policymakers. Storage systems support the optimal utilisation of clean energy and reduce reliance on conventional flexibility resources, thereby enhancing the environmental performance of the power system. The economic viability of BESS, as demonstrated by the two analyses, is closely linked to operating strategy, lifecycle management, and total investment cost, and constitutes a fundamental prerequisite for accelerating the energy transition and achieving long term climate objectives.