A Techno-Economic Analysis of Energy Storage with Onshore Wind Power

Abstract

As the share of variable renewable energy (VRE) increases in the Swedish electricity system, new solutions are needed to address challenges related to intermittency, grid stability, and economic viability. Battery energy storage systems (BESS) have been identified as one of the most promising solutions to meet these challenges. This master’s thesis investigates the technical and economic feasibility of integrating BESS with onshore wind power in Sweden. A hybrid modelling framework was developed to evaluate the performance of different battery technologies; lithium-ion (Li-ion), redox flow, and sodium-ion (Na-ion), across a range of BESS capacities and durations.

The study assesses both technical benefits, such as peak shaving, power smoothing, and imbalance handling, and market-oriented strategies involving participation in the day-ahead and balancing markets. These results conclude that integrating BESS with wind power is primarily an economic challenge and not a technical problem. The results show that while it is technically feasible to smooth wind power output and reduce peak power production levels, achieving a 20 percent reduction in maximum power output requires large and costly BESS configurations. Economically, using BESS solely for technical purposes provides limited economic value, as day-ahead market revenues remain similar to those of standalone wind parks. However, when operating the co-located wind-BESS hybrid park in the market based optimisation model with a multi-market participation the revenues increased significantly. The balancing markets were found to comprise 80 percent of the added revenue when integrating BESS, where mFRR in particular was very important. The results show that the economic value of a co-located wind power park with BESS increased with BESS sizes of short duration and large capacities. However, despite the added revenues BESS can contribute to, the results show that most wind-BESS configurations are not economically viable under current market conditions. In addition, increasing BESS power capacity was found to be more important than increasing duration for economic outcomes.

Flow batteries showed the best performance for longer durations, while Li-ion remains the most cost-effective for shorter durations. Na-ion batteries are not yet competitive. The study concludes that wind-BESS hybrid parks can enhance flexibility and reliability in the Swedish grid, but their commercial viability depends on electricity prices, technology costs, and supportive policies.

Abstract (Swedish)

I takt med att andelen variabel förnybar energi ökar i det svenska elsystemet krävs nya lösningar för att hantera utmaningar kopplade till intermittens, nätstabilitet och ekonomisk lönsamhet. Batterilagringssystem (BESS) lyfts fram som en av de mest lovande lösningarna för att möta dessa utmaningar. Detta examensarbete undersöker den tekniska och ekonomiska genomförbarheten av att integrera BESS med landbaserad vindkraft i Sverige. En modell i Python har utvecklats för att analysera prestandan hos hybridparker med olika batteriteknologier; litiumjon, redoxflödesbatterier och natriumjon, över olika batterikapaciteter och lagringstider.

Studien analyserar både tekniska fördelar, såsom att kapa effekttoppar, utjämna effektvariationer och hantera obalanser, samt marknadsstrategier med deltagande på elbörsens spot- och balansmarknader. Resultaten visar att integration av BESS med vindkraft främst utgör en ekonomisk utmaning snarare än ett tekniskt hinder. Det är tekniskt möjligt att jämna ut elproduktionen och minska effekttoppar, men en reduktion av den maximala effekten med 20 procent kräver stora och kostsamma batterikonfigurationer.
Ur ett ekonomiskt perspektiv ger BESS begränsat värde om det endast används för att minska effekttoppar och jämna ut vindkraftsproduktionen, eftersom intäkterna på spotmarknaden i stort sett är desamma som för fristående vindparker. Däremot ökar intäkterna markant vid optimering för deltagande på flera marknader, där balansmarknaderna stod för 80 procent av de adderade intäkterna, särskilt mFRR visade sig vara av stor betydelse. Det ekonomiska värdet av en samlokaliserad vindkraftspark med BESS ökar med kort lagringstid och hög effektkapacitet. Trots de ökade intäkterna visar dock resultaten att de flesta vind-BESS-kombinationer inte är ekonomiskt lönsamma under nuvarande marknadsförhållanden. Dessutom är det viktigare att öka batteriernas effektkapacitet än lagringstiden för att uppnå lönsamhet.

Flödesbatterier presterade bäst vid längre lagringstider, medan litiumjonbatterier var mest kostnadseffektiva vid kortare användning. Natriumjonbatterier är ännu inte konkurrenskraftiga. Studien drar slutsatsen att hybridparker med vindkraft och BESS kan förbättra flexibiliteten och tillförlitligheten i det svenska elsystemet, men att deras kommersiella förmåga beror på elpriser, investeringskostnader och ett stödjande policyramverk.

Popular Abstract (Swedish)

Sveriges elsystem står inför en snabb och omfattande omställning. Elanvändningen väntas mer än fördubblas till 2045, i takt med att industrin och transportsektorn elektrifieras. Landbaserad vindkraft väntas spela en central roll i denna utveckling, men dess väderberoende karaktär skapar nya utmaningar för elnätets stabilitet, driftsäkerhet och lönsamhet. Batterilagringssystem lyfts fram som en av de viktigaste lösningarna för att hantera dessa utmaningar.


Detta examensarbete undersöker hur batterilagring kan kombineras med landbaserad vindkraft i så kallade hybridparker. Syftet är att analysera de tekniska och ekonomiska förutsättningarna för att batterier ska kunna bidra till ett mer flexibelt och stabilt elsystem, samt under vilka villkor denna typ av lösning kan vara lönsam.


Studien bygger på simuleringar och elmarknadsanalys. En optimeringsmodell utvecklades i Python med verktyget Gurobi, där tre batterityper analyserades i kombination med vindkraft. Utvärderingen omfattar tekniska nyttor som att minska effekttoppar och jämna ut produktionen, vilket illustreras i figuren nedan samt att hantera obalanser och ekonomiska möjligheter genom deltagande på flera elmarknader.


Resultaten visar att hybridparker fungerar väl ur ett tekniskt perspektiv. Batterier kan jämna ut variationer i vindkraftsproduktionen och minska höga effektuttag mot elnätet, vilket i sin tur kan minska behovet av nätförstärkningar. För att uppnå dessa tekniska nyttor krävs dock stora och därmed kostsamma batterisystem. Den ekonomiska lönsamheten är därför utmanande. Att använda batterier enbart för att jämna ut produktionen och minska effekttoppar genererar inte tillräckliga intäkter för att motivera investeringen, eftersom skillnaden i intäkter på dagenföremarknaden är liten jämfört med en fristående vindkraftspark.


Ekonomisk lönsamhet uppnås istället när batterierna deltar aktivt på flera elmarknader, framför allt balansmarknader, där aktörer får betalt för att hjälpa till att hålla elnätet stabilt. I simulerade scenarier stod dessa marknader för upp till 80 procent av den extra intäkten vid samlokalisering. Besparingarna från minskade effekttariffer och lägre nätanslutningskostnader från minskade effekttoppar var däremot mycket begränsade.


Resultaten visar även att hög effektkapacitet hos batterier är viktigare än lång lagringstid ur ett ekonomiskt perspektiv under rådande marknadsförutsättningar. Batterier med kort lagringstid och hög effektkapacitet uppvisar en förbättrad ekonomisk potential jämfört med en fristående vindkraftspark.
Bland de studerade teknikerna var litiumjonbatterier mest kostnadseffektiva vid kortare lagringstider på två till fyra timmar, medan redoxflödesbatterier lämpade sig bättre för längre lagringstider upp till och med tolv timmar. Natriumjonbatterier är ännu inte konkurrenskraftiga i kommersiella tillämpningar.


Sammanfattningsvis visar studien att samlokalisering av batterilagring och vindkraft kan bidra till ett mer flexibelt, stabilt och resurseffektivt elsystem. Det är en lösning med stor framtidspotential, men som i nuläget kräver antingen fallande teknikpriser, högre elpriser eller mer stödjande styrmedel för att bli ekonomiskt gångbar för längre lagringstider. Om dessa förutsättningar uppfylls kan hybridparker spela en viktig roll i Sveriges energiomställning.

• author: Linderborg, Elin and Halvarsson, Ellinor
• supervisor: Hannes Sonnsjö
• organization: Environmental and Energy Systems Studies
• alternative title: En Tekno-Ekonomisk Analys av Energilagring med Landbaserad Vindkraft
• course: FMIM01 20251
• year: 2025
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Balancing markets, Batteries, Battery Energy Storage System, BESS, Co-location, Electricity, Electricity Markets, Energy Arbitrage, Flexibility, Grid, Grid Stability, Gurobi, Hybrid, Hybrid Park, Intermittency, Multi-market Participation, Onshore Wind Power, Optimisation, Peak Shaving, Power, Renewable Energy, RWE, Sweden, Techno-Economic Analysis, Wind Power
• report number: LUTFD2/TFEM—25/5239--SE + (1-109)
• ISSN: 1102-3651
• language: English
• id: 9205272
• date added to LUP: 2025-06-25 08:12:31
• date last changed: 2025-06-25 08:12:31