Degradation of steel pipes in district heating systems is often a result of corrosion processes. To maintain the power in the systems the pipes gets replaced when they have been worn-out, resulting in high cost and long service time due to excavation. A more affordable and time- effective method is known to be relining which implies renovation and facing of the already existing pipes. This thesis covers an initial review of the applicability of a polyamide curing solvent-free epoxy based relining for lifetime extension of corroded pipes in Stockholm Exergi's pipeline network. The research study is comprised of a literature search focusing on the permeability properties of epoxy coatings, an experimental part where the actual coating was tested for defined parameters similar to the prevailing ones in the system of Stockholm Exergi and finally an evaluation of the usability of the coating. Critical parameters such as the adhesion between the coating and the steel substrate, the sorption of water within the coating and the emit of Bisphenol A were carefully investigated during the analysis. Analysis methods such as pull of test, TGA, DSC and GC-MS were utilized in order to investigate the critical parameters. The adhesion between the coating and the substrate was found to be inadequate for the purpose, the TGA and DSC analysis showed a time-dependent increasing water sorption when exposure to 120 °C. At a higher temperature of 190 °C the sorption decreased. It was concluded that the coating cured at higher exposure temperatures which implied higher degree of conversion and thus a more brittle epoxy matrix. Additionally, the hydrophobicity decreased during 28 days of exposure, at both 120 °C and 190 °C, which can be supposed to affect the flow in the pipeline system during service. It can be stated that a spray coating consisting a polyamide curing solvent-free epoxy will not answer to a total solution for a lifetime extension for the pipes in Stockholm Exergi's pipeline network. An extended investigation regarding the exterior isolation of the pipes is suggested in order to circumvent the most critical breakdowns due to corrosion.

För att tillgodose framtidens växande behov av energi och samtidigt bidra till en långsiktigt hållbar energitillförsel krävs resurs- och energieffektivisering inom flera sektorer. Inte minst inom industrin som år 2016 stod för mer än 50 procent av det globala energibehovet. Tillvaratagandet av befintliga resurser såsom spillvärme från tryckluftsproduktion är en möjlig effektiviseringsåtgärd. Till grund för examensarbetet ligger ett önskemål från koncernen Sandvik AB att utreda besparingspotential och kostnader för reinvestering i en av industrins kompressorcentraler, Götvalsverket. Reinvesteringen avser två nya kompressorer vars spillvärme integreras i industrins befintliga närvärmesystem och möjliggör för minskade resurs- och energikostnader samt utsläpp av CO2. Arbetet syftar till att analysera olika kompressorlösningar utifrån ett ekonomiskt och miljömässig perspektiv. Detta görs med hjälp av insamlad data, känslighetsanalyser och lönsamhetskalkyler med tillhörande LCC. Målet är att kunna besvara olika frågeställningar rörande total investeringskostnad, energi- och resursbesparing samt utsläppsreducering. Två fall av produktion undersöks, dels vid drift enligt Götvalsverkets befintliga produktionstid och dels med en optimerad drifttid för kompressorenheterna. En litteraturstudie har också genomförts där flera studier visar att tryckluft är ett dyrt alternativ för energiproduktion och att implementering av effektiviseringsåtgärder, däribland återvinning av spillvärme, därför kan vara väl grundade investeringar. Även andra fördelar kan kopplas till energieffektivisering, exempelvis förbättrad produktion och arbetsmiljö för anställda. Resultatet av arbetet visade att särskilt ett kompressoralternativ stod ut från de övriga ur både en ekonomisk- och miljömässig synpunkt. Detta alternativ erbjöd inte den billigaste investeringen men däremot var mängden återvunnen värme så pass mycket större än för andra alternativ, att energibesparingen minskade återbetalningstiden drastiskt. Tillvaratagande av befintliga resurser som spillvärme, tillsammans med industrins minskade energianvändning, anses vara en nödvändighet för att kunna säkerställa välmående hos både människor, djur och natur i framtiden. / In order to meet the growing demand for energy in the future, while contributing to a long-term sustainable energy supply, resource and energy efficiency measures are required within several sectors. In 2016 the industry sector accounted for more than 50 percent of the global power demand. The use of existing resources, such as waste heat from compressed air production, is a possible efficiency measure.  Behind this thesis work is a request from the Sandvik AB Group to estimate savings potential and reinvestment costs in one of the industry's compressor centers, Götvalsverket. The reinvestment refers to two new compressors whose waste heat is integrated into the industry's existing district heating system and allows for reduced resource and energy costs as well as a reduction of CO2-emissions.  This work aims to investigate different compressor alternatives from an economic- and environmental perspective. This is done using collected data, a sensitivity analysis and profitability calculations with an attached LCC-analysis. The aim is to answer various questions regarding total investment cost, energy and resource saving as well as emission reduction. Two cases in production are investigated. The first according to the existing operation hours in Götvalsverket and the second case with an optimized operating time for the compressor units.  A literature review has also been conducted where several studies show that compressed air is an expensive alternative to energy production and that implementation of efficiency measures, including waste heat recovery, can be well-founded investments. Other benefits can also be linked to energy efficiency, such as improved production and an improved work environment for employees.  The result of the work showed that one alternative in particular stood out from the other compressor solutions, both from an economic and environmental point of view. This option did not offer the cheapest investment but the amount of recovered waste heat was much larger than for the other alternatives and therefore, energy savings reduced the payback period drastically.  The utilizing of existing resources such as waste heat, together with the industry sector’s reduced energy consumption, is considered a necessity in order to ensure the well-being of people, animals and nature in the future.

This study has examined how an oil storage could be converted into a thermal heat storage (TES). Focus was put on the transient thermal heat flow that occurs during the early years when using a rock cavern as a TES. First existing literature were studied to learn from earlier experiences. Crucial steps of a conversion were identified as well as important mistakes that have been made in the past. Simulations of Sundsvall’s district heating (DH) system were made to see what impact a large TES would have. These simulations showed the importance of being able to transfer enough amount of heat. Then heat simulations were preformed to study the transient heat flow. This showed that much of the heat will be heating the rock around the cavern. Over time, the losses decrease as the rock around the cavern remains heated, due to its thermal inertia. This means that some energy needs to be considered an investment cost as it will not be used in the DH-grid but will increase the efficiency of the TES. 4 different heating strategies were analysed and the heat losses during 25 years were measured. The results showed that a conversion would save between 0,7 – 1,55 million SEK annually depending on how many caverns were converted and cost approximately 6 million SEK for one cavern, 10,5 million SEK for two caverns and 15 million SEK for three caverns. / I denna studie har det undersökts hur ett oljelager kan omvandlas till ett termisk värmelager. Fokus låg på det transienta värmeflödet som inträffar under de första åren när ett bergrum används som värmelager. Först studerades litteratur för att lära av tidigare erfarenheter. Avgörande steg för en konvertering identifierades liksom viktiga misstag som har gjorts tidigare. Simuleringar av Sundsvalls fjärrvärmesystem gjordes för att se vilken påverkan ett stort värmelager skulle ha. Dessa simuleringar visade vikten av att kunna överföra tillräcklig mängd värme. Därefter genomfördes värmesimuleringar för att studera det transienta värmeflödet. Detta visade att mycket av värmen kommer att värma berget runt bergrummet. Med tiden minskar förlusterna när berget runt rummet förblir uppvärmd på grund av dess termiska tröghet. Detta innebär att en del energi måste betraktas som en investeringskostnad eftersom den inte kommer att användas i fjärrvärmesystemet utan kommer att öka effektiviteten hos lagret. Fyra olika uppvärmningsstrategier analyserades och värmeförlusterna under 25 år mättes. Resultaten visade att en omvandling skulle spara mellan 0,7 - 1,55 miljoner SEK årligen med en trivial driftstrategi beroende på hur många bergrum som konverterades och kosta cirka 6 miljoner SEK för ett bergrum, 10,5 miljoner SEK för två bergrum och 15 miljoner SEK för tre bergrum. I framtida studier bör en optimal driftstrategi tas fram utifrån det aktuella systemet.

Fernkälte bietet das Potenzial, wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft zur Deckung des stetig zunehmenden Klimakältebedarfs beizutragen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dynamisches thermohydraulisches Netzmodell „ISENA“ entwickelt, mit dem während der Planung und des Betriebs von Fernkältesystemen auftretende Fragen, beispielsweise in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz, beantwortet werden können. Das Netzmodell setzt sich aus einem quasistationären hydraulischen Modell und einem instationären thermischen Modell zusammen, das auf der Verfolgung von Wasserpfropfen durch das gesamte Netz basiert (Lagrange-Ansatz). Mit diesem Modellierungsansatz können numerische Fehler sowie Bilanzungenauigkeiten vermieden werden, sodass sich eine höhere Ergebnisgüte im Vergleich zu bisher bekannten Netzmodellen erreichen lässt. Ebenfalls neu entwickelt wurde das Teilmodell zur Abbildung der Wärmeströme über die Wände unterirdischer Rohrpaare (Kälteverluste und -gewinne). Dieses Modell erlaubt die Bestimmung der instationären Rohrwand-Wärmeströme für wärmegedämmte unterirdische Rohrpaare, Rohrpaare mit gedämmtem Vor- und ungedämmtem Rücklauf sowie ungedämmte Rohrpaare. Anhand von Validierungs- und Verifikationsrechnungen wird gezeigt, dass ISENA verlässliche Ergebnisse liefert und für die praktische Anwendung geeignet ist. Abschließende Beispielrechnungen geben einen Einblick in die Untersuchungsmöglichkeiten, die das neue Modell bietet – unter anderem im Hinblick auf den Vergleich von Pumpenregelungsvarianten, den Einfluss von Rohrdämmung und Erdreicheigenschaften auf Kälteverluste und -gewinne sowie die Einbindung von Hochtemperatur-Kälteverbrauchern in den Netzrücklauf.:1 Einleitung 1.1 Situation 1.2 Aufbau und Betrieb von Fernkältesystemen 1.3 Netzmodellierung und -simulation 1.4 Präzisierte Aufgabenstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Begriffe und Definitionen 2.2 Rohrleitungen 2.2.1 Technik 2.2.2 Modellierung 2.3 Peripherie 2.3.1 Kälteabnehmer 2.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 2.3.3 Erzeuger 2.3.4 Pumpen 2.3.5 Bypass 2.4 Netz 2.4.1 Netzstruktur 2.4.2 Hydraulisches Verhalten 2.4.3 Thermisches Verhalten 2.4.4 Beispielsysteme 2.5 Zwischenfazit 3 Modellerstellung 3.1 Grundlagen 3.2 Rohrleitungen 3.2.1 Hydraulisches Rohrmodell 3.2.2 Modellierung des Rohrwand-Wärmestroms 3.2.3 Thermisches Rohrmodell 3.3 Peripherie 3.3.1 Kälteabnehmer 3.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 3.3.3 Erzeuger 3.3.4 Pumpen 3.3.5 Bypass 3.3.6 Rücklaufabnehmer 3.4 Netz 3.4.1 Hydraulisches Modell 3.4.2 Thermisches Modell 3.4.3 Gesamtmodell 3.5 Programmtechnische Umsetzung 4 Modellvalidierung und -verifikation 4.1 Vorbetrachtungen 4.2 Kernmechanismen 4.2.1 Hydraulik 4.2.2 Konvektiver Energietransport 4.2.3 Wärmeübertragung über die Rohrwand 4.2.4 Wärmezufuhr bei Kälteabnehmern 4.3 Schlussfolgerungen 5 Beispielsimulationen 5.1 Vorgaben 5.2 Referenzfall 5.3 Varianten 5.3.1 Pumpenregelung 5.3.2 Netz-Vorlauftemperatur 5.3.3 Rohrgeometrie und Erdreicheigenschaften 5.3.4 Rücklaufabnehmer 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Existierende Modelle A.1 Hydraulikberechnung mit Regelelementen A.2 Rohrwand-Wärmeströme A.3 Freie Konvektion bei Stillstand im Rohr B Numerisches Modell für Rohrwand-Wärmeströme B.1 Referenzmodell B.2 Bestimmung der Neipor-Parameter B.3 Tabellierte Neipor-Parameter C Modell ISENA C.1 Pfropfenteilung C.2 Programmtechnische Umsetzung C.3 Rohrklassen C.4 Stoffdaten / District cooling can provide economic and ecological benefits while supplying the increasing cooling demand for air conditioning. In the present thesis, a dynamic thermo-hydraulic model “ISENA” is presented which may be used in order to answer questions arising during design and operation of district cooling networks—e. g., that are related to economic and energy efficiency. The network model consists of a quasi-static hydraulic module and a transient thermal module being based on the tracking of water segments through the entire network (Lagrangian method). With this approach, numerical errors and inaccuracies in the balance of conserved quantities could be avoided, which eventually leads to a better reliability of the results as compared to that obtained from other network models. Additionally, a new sub-model has been developed for predicting the transient heat flux through the walls of buried pipes in order to model thermal gains and losses. This model covers un-insulated, insulated and combinations of insulated as well as un-insulated pipes. Calculations performed for the purpose of validation and verification are presented in order to demonstrate that ISENA provides reliable results and hence is suitable for practical applications. Finally, example simulations show the various possibilities provided by the new model—for example, concerning the comparison of different strategies for pump control, the influence of pipe insulation and soil properties on thermal gains and losses as well as the connection of buildings equipped with high temperature cooling systems to the return line of the network.:1 Einleitung 1.1 Situation 1.2 Aufbau und Betrieb von Fernkältesystemen 1.3 Netzmodellierung und -simulation 1.4 Präzisierte Aufgabenstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Begriffe und Definitionen 2.2 Rohrleitungen 2.2.1 Technik 2.2.2 Modellierung 2.3 Peripherie 2.3.1 Kälteabnehmer 2.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 2.3.3 Erzeuger 2.3.4 Pumpen 2.3.5 Bypass 2.4 Netz 2.4.1 Netzstruktur 2.4.2 Hydraulisches Verhalten 2.4.3 Thermisches Verhalten 2.4.4 Beispielsysteme 2.5 Zwischenfazit 3 Modellerstellung 3.1 Grundlagen 3.2 Rohrleitungen 3.2.1 Hydraulisches Rohrmodell 3.2.2 Modellierung des Rohrwand-Wärmestroms 3.2.3 Thermisches Rohrmodell 3.3 Peripherie 3.3.1 Kälteabnehmer 3.3.2 Durchfluss- und Differenzdruckregler 3.3.3 Erzeuger 3.3.4 Pumpen 3.3.5 Bypass 3.3.6 Rücklaufabnehmer 3.4 Netz 3.4.1 Hydraulisches Modell 3.4.2 Thermisches Modell 3.4.3 Gesamtmodell 3.5 Programmtechnische Umsetzung 4 Modellvalidierung und -verifikation 4.1 Vorbetrachtungen 4.2 Kernmechanismen 4.2.1 Hydraulik 4.2.2 Konvektiver Energietransport 4.2.3 Wärmeübertragung über die Rohrwand 4.2.4 Wärmezufuhr bei Kälteabnehmern 4.3 Schlussfolgerungen 5 Beispielsimulationen 5.1 Vorgaben 5.2 Referenzfall 5.3 Varianten 5.3.1 Pumpenregelung 5.3.2 Netz-Vorlauftemperatur 5.3.3 Rohrgeometrie und Erdreicheigenschaften 5.3.4 Rücklaufabnehmer 6 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A Existierende Modelle A.1 Hydraulikberechnung mit Regelelementen A.2 Rohrwand-Wärmeströme A.3 Freie Konvektion bei Stillstand im Rohr B Numerisches Modell für Rohrwand-Wärmeströme B.1 Referenzmodell B.2 Bestimmung der Neipor-Parameter B.3 Tabellierte Neipor-Parameter C Modell ISENA C.1 Pfropfenteilung C.2 Programmtechnische Umsetzung C.3 Rohrklassen C.4 Stoffdaten

Studien använder linjärprogrammering för att optimera driften av det termiska energisystemet på Karlstad centralsjukhus ur ett ekonomiskt perspektiv. Bakgrunden till studien är de höga elpriser som rådde under slutet av 2021 samt att det i dagsläget finns kunskapsluckor angående hur systemet bör köras optimalt. Studien baseras på driftdata från 2021. Energisystemet som optimeras är uppbyggt av kylvärmepumpar, bergvärmepumpar, kylmaskiner, frikyla, fjärrvärme och marklager. Ett förhållande för hur många kWh termisk energi som produceras per tillförd kWh el tas fram för samtliga komponenter, vilket sedan används för att modellera energisystemet. Optimering av systemet ger vilka komponenter som skall användas vid olika tidpunkter för att uppfylla ett bestämt värmebehov och kylbehov. Resultatet i form av optimal drift under 2021 analyseras och används för att ta fram driftrekommendationer för energisystemet i framtiden. En metod för att teoretiskt begränsa marklagrets kapacitet vid optimering presenteras. Metodenanvänder nettoenergi till marklagret över en specifik tidsperiod för att approximera temperaturen på brinevätskan ut ur marklagret. Genom att sätta temperaturbegränsningar på brinevätskan kan därigenom nettoenergin till marklagret begränsas. Baserat på data från 2021 tillåts nettoenergin till marklagretvariera mellan -14 700 kWh och 12 500 kWh per 24 timmar. Resultaten visar att det under vintern är fördelaktigt att primärt använda bergvärmepumparna A-D i kombination med frikyla. Sekundärt används kylvärmepumparna E-F. Skillnaden mellan primär och sekundär systemlösning är liten och de båda kan ses som relativt likvärdiga. Fjärrvärme används enbart som sista alternativ under vintern. Energikällan för bergvärmepumparna bör variera mellan Klarälven och marklager med avsikt att utnyttja marklagrets kapacitet optimalt. Vår och höst fallet är till stora delar likvärdigt med vinterfallet med undantaget att det innehåller fler variationer till följd av förändringar i omgivande förutsättningar. Under sommaren bör enbart fjärrvärme användas för att tillgodose värmebehovet. Frikyla och kylmaskinerna 2-3 används för att tillgodose kylbehovet. Frikyla reserveras till att användas under de tidpunkter då kylbehovet är som högst. Effektavgiften för fjärrvärme står för 25,7 % av total driftkostnad i optimalt driftfall. För att minska kostnaderna anses det därför viktigt att kapa effekttopparna för fjärrvärme. Studien undersöker eventuella fördelar med att koppla frikyle-värmeväxlaren mot Klarälven med avsikt att kunna utnyttja den mer än vad som görs i dagsläget. Systemlösningen ger ingen signifikant minskning av driftkostnader vid simulering av ett års drift. Det kan dock vara fördelaktigt att koppla frikyla mot Klarälven ur perspektivet att kunna justera nettoenergin till marklagret för att förhindra långsiktiga temperaturförändringar i berggrunden. Årlig driftkostnad kan minskas genom att öka maxkapaciteten för värmepumparna. En ökning avbergvärmepumparnas kapacitet motsvarande en komponent minskar total årlig kostnad med 4,6 %. En ökning av kylvärmepumparnas kapacitet motsvarande en komponent minskar total årlig kostnad med 1,5 %. Att öka maxkapaciteten för övriga komponenter ger ingen signifikant förändring av årlig driftkostnad. Förbättring av studien innebär att basera modellen på bättre indata samt ta hänsyn till fler detaljer i systemet. Vidare studier bör fokusera på att tillämpa resultaten för att verifiera dem i verkligheten samt göra investeringskalkyler över att utöka kapaciteten för värmepumparna. / The study uses linear programming to optimize the operation of the thermal energy system at Karlstad Central Hospital from an economic perspective. The background to the study is the high electricity prices that occurred at the end of 2021 and the fact that there are currently knowledge gaps regarding how the system should be run optimally. The study is based on operational data from 2021. The energy system that is optimized is made up of cooling heat pumps, ground source heat pumps, cooling machines, free cooling, district heating and ground storage. A ratio for how many kWh of thermal energy that is produced per kWh of supplied electricity was produced for all components, which was then used to model the energy system. Optimization of the system provides which components are to be used at different times to meet a specific heating and cooling demand. The result in the form of optimal operation during 2021 is analyzed and used to produce operating recommendations for the energy system in the future. A method for theoretically limiting the capacity of the ground storage during optimization is presented. The method uses net energy to the ground storage over a specific period of time to approximate the temperature of the brine liquid out of the ground storage. By setting temperature limits on the brine liquid, the net energy to the ground storage can thereby be limited. Based on data from 2021, the net energy to the ground storage is allowed to vary between -14 700 kWh and 12 500 kWh per 24 hours. The results show that during the winter it is advantageous to primarily use the ground source heat pumps A-D in combination with free cooling. Secondary, the cooling heat pumps E-F are used. The difference between primary and secondary system solution is small and the two can be seen as relatively equivalent. District heating is only used as a last resort during the winter. The energy source for the ground source heat pumps should vary between the Klarälven river and the ground storage with the intention of utilizing the capacity of the ground storage optimally. The spring and autumn case is largely equivalent to the winter case, with the exception that it contains more variations as a result of changes in surrounding conditions. During the summer, only district heating should be used to meet the heat demand. Free cooling and cooling machines 2-3 are used to meet the cooling needs. Free cooling is reserved for use during the times when the cooling demand is at its highest.The power fee for district heating accounts for 25.7% of the total operating cost in the optimal operating case. To reduce costs, it is therefore considered important to cut the power peaks for district heating. The study examines the possible benefits of connecting the free cooling heat exchanger to the Klarälven river with the intention of being able to use it more than what is currently the case. The system solution does not provide a significant reduction in operating costs when simulating one year of operation. It might however be advantageous to connect free cooling to the Klarälven river from the perspective of being able to adjust the net energy to the ground storage to prevent long-term temperature changes in the bedrock. Annual operating costs can be reduced by increasing the maximum capacity of the heat pumps. An increase in the capacity of the ground source heat pumps equivalent to one component reduces the total annual cost by 4.6%. An increase in the capacity of the cooling heat pumps equivalent to one component reduces the total annual cost by 1.5%. Increasing the maximum capacity for the other components does not result in a significant change in annual operating costs. Improvements of the study means basing the model on better input data and taking into account more details in the system. Further studies should focus on applying the results to verify them in reality andmake investment calculations regarding expansion of the capacity of the heat pumps

Sweden has the goal of reaching a fossil independent transportation sector by 2030. Two ways to reach the goal is to increase the use of electric vehicles or produce more biofuels. Both alternatives could be powered by forest residue, which is an underutilized resource in the country. Electricity could be produced in a biomass fired Combined Heat and Power (CHP) plant, and biofuel could be produced in a biorefinery through gasification of biomass and Fischer-Tropsch process. When located in Stockholm County, both system can also distribute heat to the district heating system. It is however important to use the biomass in an energy-efficient way. The scope of this work has been to analyze the efficiency together with environmental and economic aspects of the two systems.  To assess the efficiency and environmental impact of the two systems a forest to wheel study was made of the systems where the product was studied from harvesting of forest residue to driving the vehicle. The studied functional units were: kilometers driven by vehicle, kWh of district heating, CO2-equivalents of greenhouse gases and MWh of forest residue. The system using CHP technology and electric vehicles outperformed the biorefinery system on the two first functional units. Using the same amount of forest residue more than twice as much district heating and almost twice as many driven kilometers were produced in this system. The study also showed that both systems avoids significant greenhouse gas emissions and can be part of the solution to decrease emissions from road transportation.  The profitability of investing in a CHP plant or a biorefinery was calculated through the net present value method. It showed that the expected energy prices are too low for the investments to be profitable. The CHP plant investment has a net present value of -1.6 billion SEK and the biorefinery investment has a net present value of -4.6 billion SEK. Furthermore, the biorefinery investment entails higher risk due to the high investment cost and uncommercialized technology. Both systems face barriers for implementation, these barriers have been studied qualitatively. / Sverige har som mål att skapa en fossiloberoende fordonsflotta till år 2030. Två vägar som pekats ut för att nå målet är att öka användningen av eldrivna fordon eller att producera mer biobränsle. Båda alternativen kan drivas av skogsavfall, en råvara som det finns gott om i Sverige. Elektricitet kan produceras av skogsavfallet i ett kraftvärmeverk, och biobränsle i ett bioraffinaderi genom användning av förgasning och Fischer-Tropschmetoden. I Stockholms län skulle båda systemen dessutom kunna producera värme till Stockholms fjärrvärmesystem. Det är dock viktigt att använda skogsavfallet på ett resurseffektivt sätt. Därför undersöker detta arbete effektiviteten av de två olika systemen tillsammans med en analys av växthusgasutsläpp och ekonomiska förutsättningar.  För att kunna utvärdera effektiviteten och klimatpåverkan av de två olika systemen utfördes en ”skog-till-hjul”-analys där produkten undersöktes från ursprunget, till drivandet av ett fordon. För att utföra studien definierades fyra funktionella enheter. De funktionella enheterna var: körsträcka med bil mätt i kilometer, kWh fjärrvärmeproduktion, CO2 ekvivalenter av växthusgasutsläpp och MWh skogsavfall. Studien visade att systemet där skogsavfallet används i ett kraftvärmeverk för att producera elektricitet och ladda elbilar hade bättre resultat i de två första funktionella enheterna. Systemet producerade nästan dubbelt så lång körsträcka och mer än dubbelt så mycket fjärrvärme som systemet där skogsavfallet används i ett bioraffinaderi och biobränslet används i dieselbilar. Studien visade även att båda system kan bidra till att sänka växthusgasutsläppen från transportsektorn.  Lönsamheten att investera i ett kraftvärmeverk eller bioraffinaderi beräknades med nuvärdesmetoden. Studien visade att de förväntade framtida energipriserna är för låga för att investeringarna ska bli lönsamma. Kraftvärmeanläggningen hade ett nuvärde på -1.6 miljarder kronor, och bioraffinaderiet ett nuvärde på -4.6 miljarder kronor. Dessutom ansågs investeringen i ett bioraffinaderi vara en hög risk på grund av den höga investeringskostnaden och att tekniken idag inte är kommersialiserad. Det finns även en rad andra barriär för att genomföra de två olika systemen, dessa barriärer har studerats kvalitativt i arbetet.

With sharp climate goals to be climate neutral by 2045, Sweden needs to rapidly change the present energy system. The Swedish government has assigned Gotland as a pilot area for the energy transition, due to its geographical constrains as an island, and because of the major structural changes planned for Gotland’s energy supply and industrial establishment. These changes create the opportunity to build a more flexible, efficient, and robust energy system. To support the transition, IVL Swedish Environmental Research institute has initiated the GOT Heat project. This thesis contributes to the GOT Heat project by developing a GIS model that represent the heat sector of Gotland. The model has been developed in parallel with a TIMES model. The purpose of the GIS model is to be used as a heat atlas and to support the TIMES model of Gotland’s energy system by spatial visualization and knowledge. The GIS model was successfully developed and utilized to enhance the representation of Gotland’s energy system within the TIMES model. Data from Boverket, Lantmäteriet, Energimyndigheten and companies has been collected, processed for the development of the GIS model. The incorporation of spatial knowledge and visualization of the heat sector through the GIS model is expected to improve the overall outcomes of the TIMES model. The heat atlas also proved to be a valuable support tool, enabling the visualization of excess heat potentials within the heat sector. This visualization provides insights into potential opportunities for industrial and sector coupling, which would lead to more efficient utilization of excess heat.

District heating plays a major role in the Swedish energy system. It is deemed a renewable energy source and is the main provider for multi-family dwellings with 90 %. Although the district heating fuel mix consists of majority renewables, a share of 5 % is provided from fossil fuels. To reduce fossil fuel usage and eradicate CO2-emissions from the district heating system new solutions are sought after. In this project, the potential for shortterm thermal energy storage in buildings is investigated. This concept is referred to as customer flexibility. Demand flexibility is created in the district heating system (DHS) by varying the indoor temperature in 50 multi-family dwellings with maximum 1◦C, without jeopardizing the thermal comfort for the tenants. The flexible load makes it possible to store energy shortterm in the building’ envelope. Consequently, heat load curves are evened in production. This leads to a reduction of the peak load in the DHS. Peaks are associated with high costs and environmental impact. Therefore, the potential benefits of customer flexibility are reduced peak production, fuel costs, and CO2-emissions, depending on the fuel mix in the DHS. The project objective is to examine the techno-economic potential of customer flexibility in a specific DHS. The case study is made in a DHS owned by the company Vattenfall, located in the Stockholm area. To evaluate the potential benefits of implementing the concept, seven key performance indicators are chosen. They are peak power, peak fuel usage, produced volume, total fuel cost, fuel cost per produced MWh, climate footprint, and primary energy. Moreover, an in-house optimization model is used to simulate multiple scenarios of the district heating DHS. Different sets of assumptions about the available flexibility in the DHS and the thermal characteristics of the buildings are made. Customer flexibility is modeled as virtual heat storage that can be charged up or down depending on the speed and size of the available storage at a specific outdoor temperature. Simulation results give a maximum peak power reduction of 10.9 % and annual fuel cost reduction between 0.9-3.6 % depending on the scenario. The results found are comparable to values found in similar studies. However, the environmental key performance indicators generated an increase in CO2-emissions and primary energy compared to the baseline scenarios. The result would have looked different if fossil fuels were used in peak production instead of biofuels. The master thesis also aimed to validate assumptions and parameters made in the input data to the optimization model. This was achieved by using results attained from a pilot in the specific DHS. Therefore results generated from the simulations are deemed accurate and confirm that customer flexibility leads to reduced peak production and DHS optimization. / Se filen

The integration of distributed energy sources and systems is of high relevance for the transition towards a more sustainable energy system. Taking into consideration the  amount of emissions produced by the heating sector, which account for at least half of the energy demand in buildings, district heating systems have the potential to play a key role in the transition, by enabling the integration of various energy sources and provide flexible energy services to the grid. The objective of this research is to evaluate the potential for flexible sector coupling between the electrical and heating sectors, utilizing thermal energy storage alongside various heat generation units, including heat pumps and a combined heat and power (CHP) unit. To examine this concept, we used a district heating facility located in Oskarshamn, Sweden, as our case study. At present, the production mix at this facility comprises various production units- that utilize mainly biomass as their fuel source, including wood pellets, wood chips, and occasionally, bio-oil. Extensive research was conducted to review the existing literature and gain a comprehensive understanding of the technologies and concepts associated with FSC. This thorough examination allowed for a comprehensive overview of the current state-of-the-art in FSC. As the main contributions of this work, two numerical models respectively for production and dispatch optimization were developed and simulated complementary, concerning the thermal and electrical system of the studied plant. A dispatch model was developed with the aim of analyzing the operating behaviour of the system, identifying the available energy sources and optimizing their hourly dispatch. Subsequently, utilizing the open-access tool for capacity and investment optimization (OSeMOSYS), various scenarios were examined to evaluate the potential of thermal energy storage (TES), where a water tank was found to be the most cost-effective solution, and heat pump integration in enhancing the plant performance and providing flexibility. The study was divided into two distinct time periods. The first period focused solely on hourly dispatch optimization until 2035. In the second period, the analysis extended to include investment optimization, followed by the subsequent dispatch optimization until 2050, hence, using both tools. To effectively compare and assess the different scenarios, several key performance indicators (KPIs) were chosen, including the levelized cost of energy (LCOE), capital expenditure (CAPEX), generation costs, and emissions. These scenarios were designed to account for variations in crucial variables such as electricity prices, the plant’s self-consumption potential, and the capital cost of storage. By considering the aforementioned factors, a comprehensive analysis was conducted to determine the optimal approach for maximizing performance and cost-effectiveness. It is important to mention that the electrical self-consumption within the plant was considered as one of the potential improvements. While the potential for electrical self-consumption was mainly studied on a shorter-term, the variability in the capital cost of the TES system was better considered on the long-term investment analysis. From the different simulations, the cases where self-consumption is included result in smaller operating costs, as producing electricity via the CHP unit of the plant is cheaper on average than the prices offered by the local distribution company. The obtained capacities for TES and the heat pump vary among the studied scenarios. Higher electricity prices favor investments in alternative fuel boilers like wood chips or wood pellets, while lower electricity prices result in increased TES capacities and higher heat pump production. The capital cost of storage also determines the capacity chosen for the storage water tank, sometimes investing a bit more to gain efficiency and reduce operational costs. Throughout the project, various sustainability aspects have been addressed. These encompass environmental responsibilities, with a focus on reducing CO2 emissions, enhancing social equity by implementing a more efficient heating system within the municipality, and assessing the economic viability of these initiatives. In conclusion, the study provides evidence and showcases the viability of implementing FSC in Oskarshamn’s power plant, as results from the different scenarios commonly show that FSC could bring down the total costs, as well as the amount of CO2 emissions on a long-term basis. Based on the findings, additional recommendations are proposed to optimize the plant’s performance and leverage the potential of this innovative approach. The proposed recommendations include increasing the time resolution in the model simulations to improve result accuracy and exploring different scenarios, which may involve considering various electricity or fuel price predictions, among other factors. / Integreringen av distribuerade energikällor och energisystem är av stor betydelse för övergången till ett mer hållbart energisystem. Med hänsyn till det utsläpp från värmesektorn, som står för minst hälften av energibehovet i byggnader, har fjärrvärmesystem potential att spela en nyckelroll i omställningen genom att möjliggöra integrering av olika energikällor och tillhandahålla flexibla energitjänster till nätet. Syftet med denna forskning är att utvärdera Potentialen för flexibel sektorkoppling (FSC) mellan el- och värmesektorerna, med hjälp av termisk energilagring tillsammans med olika värmeproduktionsenheter, inklusive värmepumpar och en kombinerad kraftvärmeproduktion (CHP). För att undersöka detta koncept, använde vi en fjärrvärmeanläggning i Oskarshamn, Sverige, som vår fallstudie. För tillfället består produktionsmixen vid denna anläggning av olika produktionsenheter som huvudsakligen använder biomassa som bränslekälla, inklusive träpellets, träflis och ibland bioolja. Omfattande forskning genomfördes för att granska den befintliga litteratur och få en heltäckande förståelse för de tekniker och koncept som är förknippade med FSC. Denna grundliga undersökning möjliggjorde en omfattande översikt av det aktuella kunskapsläget inom FSC. Som de viktigaste bidragen i detta arbete utvecklades och simulerades två numeriska modeller för produktions- respektive leveransoptimering, som berör det termiska och elektriska systemet i den studerade anläggningen. En fördelningsmodell utvecklades i syfte att analysera systemets driftsbeteende, identifiera tillgängliga energikällor och optimera deras fördelning per timme. Med hjälp av det verktyget med öppna tillgång (open-aceess) för kapacitets- och investeringsoptimering (OSeMOSYS) undersöktes därefter olika scenarier för att utvärdera potentialen för termisk energilagring (TES), där en vattentank visade sig vara den mest kostnadseffektiva lösningen, och integration av värmepumpar för att förbättra anläggningens prestanda och ge flexibilitet. Studien var uppdelad i två olika tidsperioder. Den första perioden fokuserade enbart på optimering av timfördelning fram till 2035. Under den andra perioden utvidgades analysen till att omfatta investeringsoptimering, följt av efterföljande optimering av driften fram till 2050, vilket innebär att båda verktygen användes. För att effektivt kunna jämföra och bedöma de olika scenarierna valdes flera viktiga nyckelprestandaindikatorer (KPI:er), inklusive den nivellerade energikostnaden (LCOE), kapitalinvesteringar (CAPEX), produktionskostnader och CO2 utsläpp. Dessa scenarier utformades för att ta hänsyn till variationer i viktiga variabler som elpriser, anläggningens självkonsumtionspotential och kapitalkostnaden för lagring. Med hänsyn till de ovan nämnda faktorerna genomfördes en omfattande analys för att fastställa den optimala metoden för att maximera prestanda och kostnadseffektivitet. Det är viktigt att nämna att den elektriska självförbrukningen inom anläggningen betraktades som en av de potentiella förbättringarna. Medan potentialen för elektrisk självförbrukning främst studerades på kortare sikt, beaktades variationen i kapitalkostnaden för TES-systemet bättre i den långsiktiga investeringsanalysen. De olika simuleringarna visar att de fall där självförbrukning ingår resulterar i lägre driftskostnader, eftersom elproduktionen via kraftvärmeverket i genomsnitt är billigare än de priser som erbjuds av det lokala distributionsbolaget. De erhållna kapaciteterna för TES och värmepumpen varierar mellan de studerade scenarierna. Högre elpriser gynnar investeringar i alternativa bränslepannor som flis eller träpellets, medan lägre elpriser resulterar i ökad TES-kapacitet och högre värmepumpsproduktion. Kapitalkostnaden för lagring avgör också vilken kapacitet som väljs för vattentanken (some en TES), ibland investerar man lite mer för att öka effektiviteten och minska driftskostnaderna. Under hela projektet har olika hållbarhetsaspekter beaktats. Dessa omfattar miljöansvar, med fokus på att minska CO2-utsläppen, öka den sociala rättvisan genom att införa ett mer effektivt värmesystem inom kommunen, och bedöma den ekonomiska bärkraften i dessa initiativ. Sammanfattningsvis visar studien att det är möjligt att implementera FSC i Oskarshamns kraftverk, eftersom resultaten från de olika scenarierna visar att FSC kan sänka de totala kostnaderna samt mängden CO2-utsläpp på lång sikt. Baserat på resultaten föreslås ytterligare rekommendationer för att optimera anläggningens prestanda och utnyttja potentialen i denna innovativa metod. De föreslagna rekommendationerna inkluderar att öka tidsupplösningen i modellsimuleringarna för att förbättra resultatens noggrannhet och utforska olika scenarier, vilket bland annat kan innebära att man överväger olika el- eller bränsleprisprognoser.

Studien syftade till att ge en rekommendation angående hur fjärrvärmebolaget Stockholm Exergi bör utforma sin framtida strategi beträffande fasta oförädlade skogliga biobräanslen. Genom litteraturstudier och intervjuer utreddes dessa bränslens konkurrenskraft utifrån perspektiven klimatneutralitet, politiska direktiv och styrmedel, leveranssäkerhet samt lönsamhet. Resultatet visade bland annat att användningen av grenar och toppar kan medföra klimatnytta. Vidare framkom att implementeringen av EU:s nya förnybartdirektiv inte kommer att ha storskalig påverkan på Stockholm Exergis framtida användning av dessa bränslen. Gällande leveranssäkerhet och lönsamhet påvisades exempelvis en större framtida efterfrågan på skogliga restprodukter från andra sektorer. Ändock kunde slutsatsen dras att skogliga biobräanslen, under vissa förutsäattningar, har en viktig roll i Stockholm Exergis framtida fjärrvärmeproduktion. / The study aimed to give a recommendation regarding how the district heating company Stockholm Exergi should design their future strategy concerning unprocessed solid woody biofuels. Through literature studies and interviews, the competitiveness of the fuels has been assessed based on climate neutrality, political directives and instruments, security of supply as well as profitability. Among other things, the results showed that the use of tree branches and tops can imply positive climate effects. Furthermore, the implementation of EU's new renewable energy directive will only have a marginal impact on Stockholm Exergi's future use of woody biofuels. Regarding the security of supply and profitability,an increased future demand of forest residues in other sectors have been identified. However, the study concludes that, under certain circumstances, woody biofuels have an important role in Stockholm Exergi's future district heating production.