All types of electricity production have a negative impact on the environment, the most sustainable electricity is the one that never has been produced. If the West is to continue living with electricity and at the same time try to reduce the carbon footprints, there must be a change. In order to increase the use of renewable energy, off-grid installations are currently being produced for those houses that are far from civilization. But if you can connect to the grid electricity, what option is best from a sustainability perspective? This project therefore examines the possibilities for energy alternatives and aims to explore which option is most environmentally friendly based on the resources offered by the environment on Bornholm. Based on previous research and data, the conditions for electricity from the grid and an off-grid combination, are examined. The study begins with an in-depth literature study that deals with site data, technical aspects and life-cycle assessments of the energy alternatives that today can be used on Bornholm. Built on the analyses and measurements made on Bornholm's electrical mix and the off-grid system that works best given the conditions that the site has, it is concluded that electricity from the electricity grid is affecting the environment the least. / All elproduktion har en negativ inverkan på miljön. Det mest hållbara är att inte producera någon el. Om världen ska fortsätta leva med elektricitet och samtidigt försöka reducera koldioxidavtrycken måste det ske en förändring. För att öka användningen av förnybar energi tillverkas idag off-grid installationer för de hus som ligger långt från civilisationen. Om det finns möjlighet att ansluta till elnätet, vilket alternativ är då bäst ur ett hållbarhetsperspektiv? I detta projekt undersöks därför möjligheterna till olika energialternativ för trädtoppshus på Bornholm. Målet är att försöka bena ut vilket alternativ som är miljövänligast utifrån de resurser som omgivningen erbjuder. Utifrån tidigare forskning och data undersöks förutsättningarna för el dragen från elnätet, och el från en off-grid kombination. Studien börjar med en djupgående litteraturstudie som behandlar platsdata, tekniska aspekter och livscykelanalyser av de energialternativ som idag kan brukas på Bornholm, samt på olika typer av off-grid alternativ. Utifrån de analyser och mätningar som gjorts på Bornholms elmix, och det off-grid system som fungerar bäst med tanke på de förutsättningar som platsen erbjuder, blir slutsatsen att el från elnätet är det som påverkar miljön minst.

Det här arbetet gjordes i samarbete med organisationen Stockholm Tiny House Expo. Syftet med arbetet var att försöka ta fram en fungerande off-grid-lösning för uppvärmning och elproduktion, för en specifik typ av småhus med två våningar. Femton småhus kommer placeras på en flytande plattform i vattnet utanför Kastellholmen i Stockholm till en utställning år 2022. Simuleringarna utfördes på ett sådant hus under premissen att en eventuell lösning skulle vara applicerbar på samtliga småhus. Det var på förhand inte givet att en fullständig lösning skulle påträffas, eller vilken metod som skulle vara mest lyckad. Off-grid-lösningen undersöktes genom simuleringar i programvaran IDA Indoor Climate and Energy. Arbetet innefattade dimensionering av husets klimatskal, värmesystem samt system för elproduktion och energilagring. Först konstruerades en enkel modell av huset. Två olika värmesystem undersöktes. Den ena modellen använde en pelletspanna för värmeproduktion och den andra modellen använde en värmepump med sjövärme som värmekälla. I båda modellerna arbetade värmeproducenterna mot en ackumulatortank, vars vatten värmdes och sedan försåg husets tre radiatorer med varmvatten. Båda modellerna använde ett kompletterande FTX-system för uppvärmning. Målet med uppvärmningen var att på årlig basis förse huset med värme motsvarande dess effektbehov, för att hålla en jämn inomhustemperatur. Båda modellerna lyckades upprätthålla en medelinnetemperatur nära förvald temperatur på 21℃ _under höst och vinter. Ingen hänsyn togs till kylning av huset vilket resulterade i att innetemperaturen steg under sommaren. För elproduktion dimensionerades en solcellsanläggning som kompletterades med energilagringskapacitet från ett solcellsbatteri. Målet var att förse huset med en elenergi motsvarande en normal årsförbrukning för hus av den storleken samt elenergi för att driva ventilationssystemets fläktar. I värmepumpmodellen behövde även värmepumpen förses med elenergi vid drift. När hänsyn togs till energibalansen under ett år kunde ingen av modellerna förses med elenergi under hela vinterhalvåret. Detta berodde på att elförbrukningen var större än vad solcellsanläggningen tillsammans med batterilager tillförde systemet under samma period. Pelletsmodellen klarade av att vara off-grid under cirka åtta månader av året, med undantag för årets två första och sista månader. Värmepumpmodellen klarade endast av att vara off-grid under vår och sommar.

Cette thèse est consacrée à l'étude d’agents appelés prosumers parce qu’ils peuvent, à partir d’énergies renouvelables, à la fois produire et consommer de l’électricité. Si leurs productions excèdent leurs propres besoins, ceux-ci cherchent à vendre leur surplus sur des marchés de l’électricité. Nous proposons de modéliser ces prosumers à partir de données météorologiques, ce qui nous a permit de mettre en évidence des corrélations spatio-temporelles non triviales, d'une grande importance pour les agrégateurs qui forment des portefeuilles d’équipements afin de vendre des services à l'opérateur du réseau. Comme un agrégateur est lié par un contrat avec l'opérateur, il peut faire l'objet de sanctions s’il ne remplit pas son rôle. Nous montrons que ces corrélations impactent la stabilité des agrégats, et donc le risque encouru par les agrégateurs. Nous proposons un algorithme minimisant le risque d'un ensemble d’agrégations, tout en maximisant le gain attendu. La mise en place de dispositifs de stockage dans un réseau où les générateurs et les charges sont dynamiques et stochastiques est complexe. Nous proposons de répondre à cette question grâce à la théorie du contrôle. Nous modélisons le système électrique par un réseau d'oscillateurs couplés, dont la dynamique des angles de phase est une approximation de la dynamique réelle du système. Le but est de trouver le sous-ensemble des nœuds du graphe qui, lors d'une perturbation du système, permet le retour à l'équilibre si les bons signaux sont injectés, et ceci avec une énergie minimum. Nous proposons un algorithme pour trouver un placement proche de l'optimum permettant de minimiser l'énergie moyenne de contrôle / This thesis is devoted to the study of agents called prosumers because they can, from renewable, both produce and consume electricity. If their production exceeds their own needs, they are looking to sell their surplus on electricity markets. We propose to model these prosumers from meteorological data, which has allowed us to highlight non trivial spatial and temporal correlations. This is of great importance for aggregators that form portfolios of equipments to sell services to the network operator. As an aggregator is bound by a contract with the operator, it can be subject to penalties if it does not fulfill its role. We show that these correlations impact the stability of aggregates, and therefore the risk taken by the aggregators. We propose an algorithm minimizing the risk of the aggregations, while maximizing the expected gain. The placement of storage devices in a network where generators and loads are stochastic and not fixed is complex. We propose to answer this question with control theory. We model the electrical system as a network of coupled oscillators, whose phase angles dynamics is an approximation of the actual dynamics of the system. The goal is to find the subset of nodes in the graph that, during a disturbance of the system, allows returning to equilibrium if the right signals are injected and this with a minimum energy. We propose an algorithm to find a near optimal placement to minimize the average energy control

India is experiencing a bitter challenge in terms of water resources, with the lack of access to safe drinking water being attributed to nearly 200 000 deaths per year. The rural population is especially exposed as groundwater make up 85 % of their drinking water, with widespread contamination being reported. One source of contamination is fluoride, which has been identified in concentrations far beyond the recommended limit from the World Health Organization (WHO), causing severe health problems such as skeletal fluorosis. While India has made significant progress in providing households connections to the grid, electricity access remains unreliable, particularly in rural areas. Membrane distillation (MD) is a thermally driven water purification technology which achieves excellent fluoride reduction rates. Several systems with various combinations of technologies integrated with MD has been researched, where the use of photovoltaic thermal hybrid solar collectors (PVT) and heat pumps (HP) has been receiving increased attention as of late. These two technologies have, to the Author’s best knowledge, never been integrated together for MD, which is the basis of this thesis. With the goal of providing an average of 1000 L of potable water a day, three novel off-grid systems are created using the energy modeling software Polysun with weather data from Balasore, India. Two PVT models and three different HPs identified on the market are considered for the systems. The PVTs differ in terms of glazing, and the HPs have various heating capacities and max water supply temperatures, with one being an air source heat pump (ASHP) and two water source heat pumps (WSHP). One configuration of each combination of PVT and HP is created and optimized in terms of MD modules, battery storage capacity, and feed flowrate, evaluated based on the Key Performance Indicators (KPI) production cost, PVT area, and average daily yield. Furthermore, two different controller strategies are evaluated based on their average daily yield, where one prioritize a high coefficient of performance (COP) for the HP, and the other energy recovery from the MD. The final configurations are thereafter compared based on their production cost. Nine out of the ten final configurations achieve a production cost between 60 - 72 $/m3 after being optimized, which is within the reported range for MD but at the higher end. The larger WSHP achieves the lowest production cost at 60.1 $/m3 paired with the glazed PVT, having a gross area of 323 m2. The glazed PVT performs better than the unglazed for all configurations in terms of both production cost and PVT area. However, the cost of the larger WSHP is based on the $/kW of the smaller WSHP while the two PVTs are assigned an identical $/m2, resulting in the price difference between the products being the determining factor for the actual configuration with the lowest production cost. The lowest PVT area for the final configurations is 294 m2. The required PVT area to reach the production goal is heavily dependent on the amount of MD modules, HP heating capacity and max water supply temperature, and battery storage capacity. Only one configuration achieved a higher yield when energy recovery was prioritized, which supplied 20 % of that system’s thermal energy while not utilizing 61 % of the energy recovery potential. / Indien upplever en bitter utmaning med vattenresurser, där bristande tillgänglighet till säkert dricksvatten är attribuerat nära 200 000 dödsfall per år. Befolkningen på landsbygden är särskilt utsatt då grundvattnet representerar 85 % av deras dricksvatten, som till stor del rapporterats som förorenat. En föroreningskälla är fluorid, vilket har identifierats i koncentrationer långt över den rekommenderade gränsen av World Health Organization (WHO), som leder till allvarliga hälsoeffekter som skelettfluoros. Även fast Indien har gjort stora framsteg inom elnätsanslutningar för hushåll, är elektricitetstillgången opålitligt, speciellt på landsbygden. Membrandestillation (MD) är en värmedriven vattenreningsteknik som uppnår utmärkta reduktionsnivåer av fluorid. Det har forskats om flera system med olika kombinationer av tekniker integrerade med MD, där användningen av hybridsolpaneler (PVT) och värmepumpar (HP) har fått ett ökande intresse på sistone. Dessa två tekniker har, till författarens bästa kännedom, aldrig blivit integrerade tillsammans för MD, vilket är grunden för denna uppsats. Med målet att uppnå en genomsnittlig dricksvattenproduktion på 1000 L per dag, har tre egenartade system skapats i energimodelleringsprogrammet Polysun med väderdata baserad på Balasore, Indien. Två PVT modeller samt tre olika värmepumpar är identifierade på marknaden och implementerade i systemen. PVT modellerna skiljer sig i främst i relation till glasering. Värmepumparna har olika värmekapaciteter samt övre gräns på levererad vattentemperatur, varav en är en luftvärmepump (ASHP) och de två resterande vattenvärmepumpar (WSHP). En konfiguration av varje kombination av PVT och HP skapas och optimeras i relation till MD moduler, batterilagring, och flödeshastighet, som utvärderas med prestandaindikatorerna (KPI) produktionskostnad, PVT yta, samt genomsnittlig dricksvattenproduktion. Två olika kontrollstrategier undersöks även baserat på dricksvattenproduktionen, där en strategi prioriterar en hög prestationskoefficient för HP, och den andra energiåtervinning från MD. De slutliga konfigurationerna jämförs sedan baserat på deras produktionskostnader. Nio av de tio slutliga konfigurationerna uppnår en produktionskostnad mellan 60 - 72 $/m3 efter optimeringen, vilket ligger inom det rapporterade intervallet men på den dyrare sidan. Den större WSHP uppnår den lägsta produktionskostnaden på 60.1 $/m3 i kombination med den glaserade PVT, som omfattar en bruttoarea på 323 m2. Den glaserade PVT presterar bättre än den oglaserad för alla konfiguration sett till produktionskostnad samt PVT area. Dock så är kostnad på den större WSHP baserad på $/kW kostnaden för den mindre WSHP, samt att båda PVT är tilldelade en identisk $/m2 kostnad. Detta leder till att den avgörande faktorn för den faktiska konfigurationen med lägst produktionskostnad är prisskillnaden mellan produkterna. Den lägsta PVT arean för de slutgiltiga konfigurationerna är 294 m2. Den nödvändiga PVT arean för att uppnå produktionsmålet är starkt beroende av mängden MD moduler, batterilagringskapacitet, samt värmekapacitet och övre gräns på levererad vattentemperatur för HP. Endast en konfiguration uppnår en större vattenproduktion när energiåtervinningprioriteras, där 20 % av systemets totala värmeenergi kom från energiåtervinning samtidigt som 61 % av den potentiella energiåtervinningen ej utnyttjas.

The problem with the implementation of the PV generators is that majority of the UNDP offices are in developing and underdeveloped countries. Majority of these countries experience various problems with the power quality from the national electrical grid. There is also a second problem with the installed PV system, the problem is that the installed PV sources show a significant decrease in the expected annual yield ranging from 10 % – 60 % in some cases. The main aim of this thesis is to analyze the power quality in three countries (Nepal, Sao Tome and Namibia) and find the correlation between power quality and PV generation. This aim is done in five steps. The first step is the collection of measured data from the grid for a specific period of one year from July 2020 to August 2021. The collected data includes the current, voltage, power factor, frequency, reactive and active power. To achieve this, the Acuvim II power quality analyzer was sent to these three countries. In the second step, a literature review is done to research about power quality problems, identifying the power quality problems and analyzing the problems created by these identified power quality problems. In the three countries, undervoltage, overvoltage, swells, and sags where the main power quality problems which were recorded. The third step is a system case study process in which an in-depth analysis is done on the three PV systems and a simulation is done to understand the solar parameters which includes the specific yield, and performance ratio. The fourth step involves comparing the collected data from the PQ analyzer with the simulation results and determine the effects the power quality problems and system design have on the low annual yield. Also, the yearly amount of overvoltage and undervoltage in the three countries within the analysis period was analyzed. The voltage and fluctuation analysis also includes other power quality parameters which were measured. The collected parameters were analyzed and the correlation between the electrical grid requirements in the three countries were made with the recorded data. The final step involves recommending improvements and optimization techniques for the three systems to improve life cycle cost and long-term vision. Thus, analyzed results and simulated results are compared to evaluate the performance. The PV system in Namibia had the best grid conditions with all the grid parameters operating within the defined grid limits, there was a 30 % reduction in annual energy production in the Nepal system due to poor power quality conditions which included overvoltage, undervoltage, and frequency deviations. There was also a 50 % energy loss in the annual production of the PV systeminstalled in Sao Tome. Sao Tome also had the highest number of recorded outages with an average of 6 – 7 hours of outages recorded daily. Power quality problems recorded in Sao Tome included voltage fluctuation problems and frequency deviations.

The global EV stock is expected to increase from 7.2 million in 2019 to nearly 140 million vehicles by 2030. So, the demand for the battery also increases due to the increase in the number of EVs. In any EV, battery degradation is an unavoidable phenomenon and EV batteries are assumed to arrive at their end-of-life in EV application when the state of health reaches 80 %, repurposing the eligible EV batteries after end of first life is expected to extend their lifetime by another 5-15 years in the second life applications.  This thesis aims to conduct a techno-economic study on the usage of second life EV batteries as an alternative storage option in off-grid PV systems compared to lead-acid batteries and new Li-ion batteries. A single-family house with an annual demand of 2245 kWh/year located in Athens was chosen as the primary location, the off-grid PV system is pre-sized for Athens and based on the pre-sizing results and what is state of art in the market. The system components were chosen for system design (4 kW bi-directional inverter, 2.9 kW PV array, 7.2 kW genset and three battery bank options i.e., 16.5 kWh of lead-acid, 8 kWh new Li-ion and 12.6 kWh of second life EV battery). PV off-grid system with different storage options is simulated using HOMER for both locations and the results are compared.   The simulation results show that the designed off-grid PV system can reach a solar fraction of 90 % in Athens and 73 % in Gotland when 16.5 kWh of lead-acid batteries are used with an allowed depth of discharge of 50 %. When a new Li-ion battery of 8 kWh with an allowed depth of discharge of 80 % is used then the achievable solar fraction is 84 % in Athens and 71 % in Gotland, When the second life EV battery of 12.6 kWh with an allowed depth of discharge of 60 % is used then the achievable solar fraction is 90 % in Athens and 74 % in Gotland. Sensitivity analysis is performed on the depth of discharge and results showed that the solar fraction can be increased by allowing the battery to discharge more, but it also decreases the battery lifetime.   The simulation results also show that the net present cost was lower in Athens for all the reference cases compared to Gotland. Net present cost and levelized cost of electricity for the off-grid system are 25.3 k€, 0.9 €/kWh in Athens and 29.2 k€, 1.0 €/kWh in Gotland when a lead-acid battery is used. When a new Li-ion battery is used then 26.2 k€, 0.9 €/kWh in Athens and 29.3 k€, 1.0 €/kWh in Gotland, when the second life EV battery is used then 26.7 k€, 0.9 €/kWh in Athens and 30.7 k€, 1.1 €/kWh in Gotland.   Overall, the net present cost and levelized cost of electricity are lower in Athens in all cases compared to Gotland. For the reference house in Athens, lead acid battery system has shown slightly lower net present cost than new Li-ion battery and second life EV battery. For the reference house in Gotland, both lead acid battery and new Li-ion battery system have shown similar net present cost and they are slightly lower than second life EV battery.   Also, the second life EV battery levelized cost of electricity is fairly comparable to the new Li-ion and lead acid battery system. In future, the massive inflow of used batteries from EV are expected to be available on the market for the second life application at a lower price than today. Thus, in future, second life EV batteries can become economically viable.

The aim of this project is to analyze how increasing the share of converter-based power production in a power system affects the small signal stability. The project also aims to stabilize systems using Power System Stabilizers (PSSs), and examine the effect of two different types of power electronic converters: grid following (GFL) and grid forming (GFM). To do this, a short-circuit fault is simulated in a two-area four-machine power system using DIgSILENT PowerFactory. The project examines how replacing one of the synchronous machines with a converterbased power source affects the system’s stability. Modal analysis is used to assess the small signal stability, as well as to tune the PSS. In the project PSSs are successfully used to stabilize systems, both with and without converter-based power production. The study also finds that implementing power production using GFL worsens the small signal stability while GFM improves it. / Syftet med det här projektet är att analysera hur den ökande andelen converter baserad elproduktion påverkar small signal stability i ett elkraftsystem. Projektets syft är också att stabilisera system med Power System Stabilizers (PSSs), och undersöka påverkan av två typer av effektelektronik: grid following converter (GFL) och gird forming converter (GFM). Det görs genom att simulera ett kortslutningsfel i ett elkraftsystem med DIgSILENT PowerFactory. I projektet undersöks hur systemets stabilitet påverkas av att ersätta en synkrongenerator med effektelektronik-kopplad elproduktion. Egenvärdesanalys används för att undersöka small signal stability och implementera PSS. I projektet lyckas stabiliseringen med PSS för både systemet med och utan effektelektronik-kopplade energikällor. Studien visar också att genom implementeringen av energikällor med sämras stabiliteten, medan GFM förbättrar den. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

In this report, the effect that a higher penetration ofrenewable energy sources has on electric power grid stability isevaluated. The report also compares different methods of stabilizingan unstable grid. The model used is a two-area four-machinesystem and the main objective is to stabilize the synchronousgenerators such that they revert back to synchronism afterbeing subjugated to a small signal disturbance. The stabilizationmethods consists of supplementary Power System Stabilizers(PSSs) complementing the exciter systems of the synchronousmachines, as well as two types of converter-based controllers inthe renewable energy source: Grid-Following (GFL) convertersand Grid-Forming (GFM) converters. The results show thata system with renewable energy sources is more sensitive todisturbances and has a larger rotor angle deviation from a steadystate when using only GFLs compared to the conventional gridwithout PSSs. It is also found that a conventional grid requiressupplementary PSSs to be stable. This is also the case for asystem with renewable energy controlled by GFL. The systemwith GFM controllers does however not need supplementary PSSto be stable. This leads to the conclusion that GFM is morepreferable than GFL to control a grid with a higher penetrationof renewable energy. / I denna rapport utvärderas hur en högre andel förnybara energikällor påverkar stabiliteten i elnät, och jämför också olika metoder för att stabilisera ett instabilt nät. Modellen som används var ett två-områdes-fyrmaskinsystem och huvudsyftet är att stabilisera synkrongeneratorerna så att de återgår till synkronism efter att ha utsatts för en liten småsignalsstörning. Stabiliseringsmetoderna består av kompletterande Power System Stabilizers (PSS:er) som kompletterade exciteringssystemen i synkronmaskinerna, samt två typer av omvandlarbaserade styrenheter i den förnybara energikällan: Grid-Following (GFL)-omvandlare och Grid-Forming (GFM)omvandlare. Resultaten visar att ett system med förnybara energikällor är mer känsligt för störningar och har en större rotorvinkelavvikelse från ett stationärt tillstånd när GFL-kontroller används jämfört med det konventionella nätet utan PSS:er. Det visar sig också att ett konventionellt nät kräver kompletterande PSS:er för att vara stabilt. Detta är också fallet för ett system med förnybar energi som enbart kontrolleras av GFL-omvandlare. Systemet med GFM-omvandlare behöver dock inte kompletterande PSS för att vara stabilt. Detta leder till slutsatsen att GFM är mer att föredra än GFL för att kontrollera ett nät med högre andel förnybar energi. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

In the search for environmentally friendly methods to implement renewable energy in the power system residential microgrids have been proposed and proven. The direct current (DC) microgrid topology is a promising implementation of a microgrid system due to the increasing amount of DC-operated loads and production units expected in the near future. In this project, the proposed DC microgrid consists of a solar photovoltaic (PV) power source, a battery, a DC load, and an interlinking bidirectional converter to connect the microgrid to the external three-phase power grid. The PV system is controlled with a Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm to maximise the power production in all weathers. The DC bus voltage is stabilised by the battery controller and a coordinated control scheme considering the electricity price and battery State of Charge (SOC) is implemented to govern the power exchange with the utility grid. Simulations of the system are shown to validate the functionality of the microgrid and the performance of the controllers in multiple scenarios. The proposed DC microgrid is proven to function in both utility grid-connected mode and in isolation from the utility grid. / I sökandet efter miljövänliga metoder att implementera förnybar energi i kraftsystemet har lokalt självförsörjande elsystem för bostäder föreslagits och visats fungera. Den likströmsbaserade topologin är en lovande implementering av ett sådant lokalt elsystem till följd av den ökande mängden likströmsdrivna laster och produktionsenheter som förväntas komma inom en snar framtid. I detta projekt består det föreslagna likströmsbaserade elsystemet av en solenergikälla, ett batteri, en likströmslast och en sammanlänkande dubbelriktad omvandlare för att ansluta det lokala elsystemet till det externa trefasiga elnätet. Solenergisystemet styrs med en maximal kraftpunktföljande algoritm för att maximera kraftproduktionen i alla väder. Likströmsbussens spänning stabiliseras av batteristyrenheten och ett samordnat styrschema som tar hänsyn till elpriset och batteriets laddningstillstånd implementeras för att styra energiutbytet med elnätet. Simuleringar av systemet presenteras för att validera mikronätets funktionalitet och styrteknikens prestanda i flera olika scenarier. Det föreslagna likströmsbaserade elsystemet visas fungera i både nätanslutet läge och isolerat från elnätet. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

No description available.