Det här examensarbetet syftar till att upprätta ett funktionsprogram för ett kretsloppshus där stadens invånare kan nås med kunskap om hållbar utveckling. Bakgrunden till detta är att Borlänge kommun 2017 godkände ett planprogram med visionen att skapa en ny, klimatneutral stadsdel och därmed bli en föregångare för hållbar stadsutveckling i regionen. Arbetet med programhandlingen innebar bland annat att undersöka den bakgrund och de förutsättningar som fanns för ett uppförande av byggnaden. I kommunens planprogram beskrivs byggnaden ha en pedagogisk funktion i stadsdelen och i Borlänge; en plats med fokus på praktisk demonstration och utbildning av elever och boende i kretsloppsfrågor för energi, vatten och avfall/material i en fattbar och intresseväckande skala. Kretsloppshuset planeras att uppföras i anslutning till en ny skola årkurs 6-9 för samverkan i detta syfte. Kommunens tanke är att kretsloppshuset ska fungera som ett nav i stadsdelen, men också att byggnaden ska bli ett besöksmål och sätta Borlänge på kartan vad gäller hållbart byggande. Ett hållbart byggande innefattar bland annat resurshushållning, minimerad energianvändning och förnybara energikällor, men också att resurser som energi, avfall och vatten cirkulerar i kretslopp. Teori har inhämtats ur litteratur som fokuserat på hur vi ska bygga våra hus och städer om vi vill vara med och skapa ett hållbart samhälle. En del av syftet med detta examensarbete var att undersöka hur man på ett pedagogiskt vis kan sprida information om miljö- och kretsloppsfrågor. Examensarbetet teoretiska del fokuserar därför delvis på utvalda delar av pedagogik som inhämtats från tidigare forskning inom barn och ungdomars lärande för hållbar utveckling, eftersom att studier visar att det är viktigt att barn lär sig tidigt om dessa frågor. Utbildning för hållbar utveckling är en viktig förutsättning för att nå de hållbarhetsmål som FN tagit fram till 2030. Kommande generationer måste lära sig ett hållbart levnadssätt redan från start samtidigt som den befintliga befolkningen drastiskt måste förändra sin livsstil. För att samla empiri gjordes intervjuer med personer som är eller har varit inblandade i planeringsarbetet med den nya stadsdelen. Det visade sig att det funnits eldsjälar som tidigt introducerat idén om kretsloppshuset, men att det i nuläget inte får någon större prioritet bland det pågående arbetet med ny skola och bostäder. Att involvera brukarna i ett tidigt skede ger bättre förutsättningar för att nå ett resultat som är effektivt och tillfredställande för alla parter. Teori gällande designdialoger har därför studerats, för att visa på vikten av en god dialog för att snabbt identifiera behov och utveckla idéer i designarbetet. Resultatet av examensarbetet, funktionsprogrammet, kan ses som ett förslag på konceptuell nivå med funktioner och uttryck som kan tillämpas på en byggnad av detta slag, och en inspiration till fortsatt arbete. I funktionsprogrammet gestaltar våra tolkningar hur kretsloppshuset skulle uppfylla de önskemål och funktioner som efterfrågas i planprogrammet, för att i största möjliga mån kunna vara till nytta i kommunens kommande arbete med byggnaden. Slutsatser som togs är att rena föregångare till Jakobsgårdarnas Kretsloppshus som koncept saknas. Trots ett stort antal inspirationskällor ur olika aspekter hittades inget exempel som förenar alla de aspekter som vi har ambitionen att utveckla i den aktuella byggnaden. Kretsloppshuset som koncept kan bli en viktig pusselbit för att hantera hållbarhetsfrågor i en stadsdel eller en hel stad. Ett vidare arbete krävs dock för att undersöka hur byggnaden ska komma att drivas och förvaltas, och en mer omfattande undersökning av vilka tekniska lösningar som ska appliceras. Vidare arbete krävs också för att optimera byggnaden för den framtida platsen, och hur stora ytor som är lämpliga. Det finns ett stort intresse för byggnaden från diverse aktörer i Borlänge, men för att idén om kretsloppshuset ska kunna förverkligas krävs en eller flera personer axlar det engagemang för projektet som fanns när planprogrammet upprättades. / The purpose of this thesis is to establish a functional program for an eco-cycle building where people can be reached with knowledge of sustainable development. The background to this is that the municipality of Borlänge approved a plan program with the vision of creating a new, climate neutral district and thereby become a precursor for sustainable construction in the region. For instance, the functional program is meant to investigate the background and the prerequisites that existed. In the municipality’s plan program, the building is described to have an educational function for the district and for Borlänge; a place which focuses on practical demonstrations and education for students and residents in recycling issues for energy, water and waste/material in a comprehensible and compelling way. The eco-cycle building is planned to be established near the new school, with classes from 6 to 9, to make a cooperation possible. Requests from the municipality is that the eco-cycle building can work like a hub in the new district, but also become a new place of interest and put Borlänge on the map for sustainable construction. Sustainable construction includes resource management, minimized energy use and renewable energy sources, but also that resources like energy, waste and water circulate in an eco-cycle. Theory has been obtained from literature focusing on how we should build our houses and cities if we want to join and create a sustainable society. Part of the purpose of this thesis was to explore how to disseminate information on environmental and circular issues in an educational way. The theoretical part of the thesis is therefore focusing on selected parts of education obtained from previous research in children and youth learning for sustainable development, since studies show that it is important that children learn about these issues early in life. Education for Sustainable Development is an important prerequisite for achieving the sustainability goals set by the UN until 2030. Upcoming generations must learn a sustainable way of life right from the start while the existing population must drastically change their lifestyle. In order to gather empiricism, interviews were held with people who have been involved in the planning work with the new district. It turned out that there were former driving spirits who introduced the idea of the eco-cycle building, but that it doesn’t currently are the major priority in the ongoing work with the new school and housing. Engaging the users at an early stage provides better conditions for achieving a result that is effective and satisfying for all parties. The theory of design dialogues has therefore been studied to demonstrate the importance of a good dialogue to quickly identify needs and develop ideas in design work. The result of the thesis, the functional program, can be seen as a draft on conceptual level with features and expressions that can be applied to a building of this kind, and an inspiration for continued work. In the functional program, our interpretations form how the eco-cycle building would meet the requests and functions that’s been requested in the plan program, in order to benefit as much as possible in the municipality's future work with the building. Conclusions are that there are no precursors of the eco-cycle building as a concept. Despite a large number of sources of inspiration from various aspects, no example was found that combines all the aspects we have the ambition to develop for this building. The eco-cycle building as a concept could play an important role for how to handle sustainable issues in a district or in a whole city. However, further work is required to investigate how the building should be run and managed, as well as more extensive studies of which technical solutions to apply. Further work is also required to optimize the building for the future location, and the size of the building that are appropriate. There is a great interest in the building from various participants in Borlänge, but to implement the idea of the eco-cycle building, one or more people need to embrace the project with the commitment that previously existed in the organization.

Det här examensarbetet syftar till att upprätta ett funktionsprogram för ett kretsloppshus där stadensinvånare kan nås med kunskap om hållbar utveckling. Bakgrunden till detta är att Borlänge kommun 2017godkände ett planprogram med visionen att skapa en ny, klimatneutral stadsdel och därmed bli enföregångare för hållbar stadsutveckling i regionen. Arbetet med programhandlingen innebar bland annat attundersöka den bakgrund och de förutsättningar som fanns för ett uppförande av byggnaden.I kommunens planprogram beskrivs byggnaden ha en pedagogisk funktion i stadsdelen och i Borlänge; enplats med fokus på praktisk demonstration och utbildning av elever och boende i kretsloppsfrågor för energi,vatten och avfall/material i en fattbar och intresseväckande skala. Kretsloppshuset planeras att uppföras ianslutning till en ny skola årkurs 6-9 för samverkan i detta syfte.Kommunens tanke är att kretsloppshuset ska fungera som ett nav i stadsdelen, men också att byggnaden skabli ett besöksmål och sätta Borlänge på kartan vad gäller hållbart byggande. Ett hållbart byggande innefattarbland annat resurshushållning, minimerad energianvändning och förnybara energikällor, men också attresurser som energi, avfall och vatten cirkulerar i kretslopp. Teori har inhämtats ur litteratur som fokuseratpå hur vi ska bygga våra hus och städer om vi vill vara med och skapa ett hållbart samhälle.En del av syftet med detta examensarbete var att undersöka hur man på ett pedagogiskt vis kan spridainformation om miljö- och kretsloppsfrågor. Examensarbetet teoretiska del fokuserar därför delvis påutvalda delar av pedagogik som inhämtats från tidigare forskning inom barn och ungdomars lärande förhållbar utveckling, eftersom att studier visar att det är viktigt att barn lär sig tidigt om dessa frågor.Utbildning för hållbar utveckling är en viktig förutsättning för att nå de hållbarhetsmål som FN tagit fram till2030. Kommande generationer måste lära sig ett hållbart levnadssätt redan från start samtidigt som denbefintliga befolkningen drastiskt måste förändra sin livsstil.För att samla empiri gjordes intervjuer med personer som är eller har varit inblandade i planeringsarbetetmed den nya stadsdelen. Det visade sig att det funnits eldsjälar som tidigt introducerat idén omkretsloppshuset, men att det i nuläget inte får någon större prioritet bland det pågående arbetet med ny skolaoch bostäder.Att involvera brukarna i ett tidigt skede ger bättre förutsättningar för att nå ett resultat som är effektivt ochtillfredställande för alla parter. Teori gällande designdialoger har därför studerats, för att visa på vikten av engod dialog för att snabbt identifiera behov och utveckla idéer i designarbetet.Resultatet av examensarbetet, funktionsprogrammet, kan ses som ett förslag på konceptuell nivå medfunktioner och uttryck som kan tillämpas på en byggnad av detta slag, och en inspiration till fortsatt arbete.I funktionsprogrammet gestaltar våra tolkningar hur kretsloppshuset skulle uppfylla de önskemål ochfunktioner som efterfrågas i planprogrammet, för att i största möjliga mån kunna vara till nytta i kommunenskommande arbete med byggnaden.Slutsatser som togs är att rena föregångare till Jakobsgårdarnas Kretsloppshus som koncept saknas. Trots ettstort antal inspirationskällor ur olika aspekter hittades inget exempel som förenar alla de aspekter som vi harambitionen att utveckla i den aktuella byggnaden. Kretsloppshuset som koncept kan bli en viktig pusselbitför att hantera hållbarhetsfrågor i en stadsdel eller en hel stad. Ett vidare arbete krävs dock för att undersökahur byggnaden ska komma att drivas och förvaltas, och en mer omfattande undersökning av vilka tekniskalösningar som ska appliceras. Vidare arbete krävs också för att optimera byggnaden för den framtida platsen,och hur stora ytor som är lämpliga.Det finns ett stort intresse för byggnaden från diverse aktörer i Borlänge, men för att idén omkretsloppshuset ska kunna förverkligas krävs en eller flera personer axlar det engagemang för projektet somfanns när planprogrammet upprättades. / The purpose of this thesis is to establish a functional program for an eco-cycle building where people can bereached with knowledge of sustainable development. The background to this is that the municipality ofBorlänge approved a plan program with the vision of creating a new, climate neutral district and therebybecome a precursor for sustainable construction in the region. For instance, the functional program is meantto investigate the background and the prerequisites that existed. In the municipality’s plan program, thebuilding is described to have an educational function for the district and for Borlänge; a place which focuseson practical demonstrations and education for students and residents in recycling issues for energy, waterand waste/material in a comprehensible and compelling way. The eco-cycle building is planned to beestablished near the new school, with classes from 6 to 9, to make a cooperation possible.Requests from the municipality is that the eco-cycle building can work like a hub in the new district, butalso become a new place of interest and put Borlänge on the map for sustainable construction. Sustainableconstruction includes resource management, minimized energy use and renewable energy sources, but alsothat resources like energy, waste and water circulate in an eco-cycle. Theory has been obtained fromliterature focusing on how we should build our houses and cities if we want to join and create a sustainablesociety.Part of the purpose of this thesis was to explore how to disseminate information on environmental andcircular issues in an educational way. The theoretical part of the thesis is therefore focusing on selected partsof education obtained from previous research in children and youth learning for sustainable development,since studies show that it is important that children learn about these issues early in life. Education forSustainable Development is an important prerequisite for achieving the sustainability goals set by the UNuntil 2030. Upcoming generations must learn a sustainable way of life right from the start while the existingpopulation must drastically change their lifestyle.In order to gather empiricism, interviews were held with people who have been involved in the planningwork with the new district. It turned out that there were former driving spirits who introduced the idea of theeco-cycle building, but that it doesn’t currently are the major priority in the ongoing work with the newschool and housing.Engaging the users at an early stage provides better conditions for achieving a result that is effective andsatisfying for all parties. The theory of design dialogues has therefore been studied to demonstrate theimportance of a good dialogue to quickly identify needs and develop ideas in design work.The result of the thesis, the functional program, can be seen as a draft on conceptual level with features andexpressions that can be applied to a building of this kind, and an inspiration for continued work. In thefunctional program, our interpretations form how the eco-cycle building would meet the requests andfunctions that’s been requested in the plan program, in order to benefit as much as possible in themunicipality's future work with the building.Conclusions are that there are no precursors of the eco-cycle building as a concept. Despite a large numberof sources of inspiration from various aspects, no example was found that combines all the aspects we havethe ambition to develop for this building. The eco-cycle building as a concept could play an important rolefor how to handle sustainable issues in a district or in a whole city. However, further work is required toinvestigate how the building should be run and managed, as well as more extensive studies of whichtechnical solutions to apply. Further work is also required to optimize the building for the future location,and the size of the building that are appropriate. There is a great interest in the building from variousparticipants in Borlänge, but to implement the idea of the eco-cycle building, one or more people need toembrace the project with the commitment that previously existed in the organization.

I detta arbete används biogasprocessen som ett exempel på hur ett samhällsrelaterat vetenskapligt område kan lyftas in i skolans naturvetenskapliga undervisning. Vi har arbetat fram en laboration om biogas och givit förslag på hur en sådan kan användas direkt i skolan naturvetenskapliga laborativa delar. Vi föreslår ett sätt att prova om elevers nyfikenhet och upptäckarglädje för naturvetenskap och teknik ökar om undervisningens innehåll och upplägg är aktuellt och samhällsrelaterat. I arbetet har vi kommit i kontakt med tre områden: Ett naturvetenskapligt forskarsamhälle, tillämpningar i samhället av ett naturvetenskapligt innehåll samt skolans naturvetenskapliga undervisning. Relationerna mellan dessa delar är med och formar skolans innehåll och läraryrkets komplexa uppdrag. Vår diskussion visar att ett kritiskt förhållningssätt är viktigt i en diskussion om alternativa upplägg av undervisning.

Li-ion batteries have demonstrated to be a very flexible source with energystorage capability. Due to their scalability and wide range of power and energydensities, they are suitable for several applications. Li-ion storage cantherefore provide different services, the remuneration of which depends onthe electricity market of the country. In this work, two different case studiesof combination of Li-ion batteries with large-scale renewable power plantshave been investigated: batteries with solar PV in India and with wind powerin Sweden. Simulation models have been developed to assess the operationand profitability potential of different services in these two case studies. Themodels have been built using control algorithms, linear optimization (LP) andstochastic programming techniques. The results show that the use of batteriesfor solar power output smoothing under a power purchase agreement canbe a profitable business case in India. Moreover, batteries providing primaryfrequency regulation (FCR-N) in Sweden show to have a positive economicvalue. System breakeven costs to make the stacking of wind power productionimbalance compensation and FCR-N services profitable have been found,which based on conservative price expectations should be achieved by 2022. / Li-ion batterier har visat sig vara en mycket effektiv källa för lagring av energi.Tack vare deras skalbarhet och det breda utbudet av kraft och energidensiteterhar de flera användningsområden. Li-ion batterier kan därför användas föratt tillhandahålla olika typer av tjänster vars ekonomiska ersättning beror avlandets elmarknad. Detta arbete undersöker två fallstudier av Li-ion batterieri kombination med storskaliga kraftverk som drivs av förnybara energikällor:batterier i kombination med solkraft i Indien och vindkraft i Sverige. Simuleringsmodellerhar utvecklats för att undersöka driften och lönsamhetspotentialenför olika tjänster i de två fallstudierna. Modellerna baserar sig påkontrollalgoritmer, linjär optimering och stokastisk programmeringsteknik.Resultaten visar att användningen av batterier för utjämning av solenergi enligtett kraftköpavtal kan vara lönsamma i Indien. Dessutom har användningenav batterier för primärreglering (FCR-N) visat sig ha ett positivt ekonomisktvärde i Sverige. Breakeven kostnaderna för att göra kombinationen av vindkraftsproduktionensbalanskompensering och FCR-N tjänster lönsamma harhittats, vilket ska uppnås senast år 2022 baserat på en konservativ prisprognos.

The global climate and energy crisis has amplified the need for renewable energy sources, withsolar photovoltaic (PV) systems expected to play a significant role in the future energy mix. In this context, distributed energy systems (DES) are identified as part of the solution to address climate and energy challenges.With the increasing demand for photovoltaic energy sources, there is a growing requirement forefficient Business Case Tools (BCT) to analyze investments in distributed solar PV installations.A two-part model, consisting of a solar model and spot price data, was developed based onparameters such as solar radiation, location, angle, orientation, system losses, installedcapacity, and historical spot price data. The model was integrated with Power BI for investment calculations and visualization of results. The developed model provides approximations for solar PV system electricity production, which were validated against selected installations in allelectricity areas of Sweden. The validation revealed an average relative absolute error of 14.72 percent for the model. The conclusion drawn is that BCT can be utilized to analyze and visualize solar PV investments at specific locations in Sweden. The results indicate that Power BI, as a BCT, has limitations indynamic data collection but performs well in executing calculation of investments and visualizingthe results. Well-developed BCT can facilitate decision-making through real-time calculations and contribute to smoother implementation of distributed systems by providing detailed insightsinto their financial characteristics. Further research is needed to develop a model specificallytailored for distributed installations with storage capabilities. / Världen befinner sig i en global klimat- och energikris vilket ökat behovet av och efterfrågan på förnybara energikällor. Solceller förväntas utgöra en betydande del av den framtida energimixen. I kombination med detta identifieras distribuerade energisystem (DES) som endel av lösningen på klimat- och energifrågan. I takt med den ökade efterfrågan på fotovoltaiska energikällor ställs större krav på effektiva Business Case Tools (BCT) för att analysera investeringar i distribuerade solcellsanläggningar. En modell bestående av två delar, en solmodell och spotprisdata,utvecklades utifrån parametrarna solstrålning, plats, vinkel, riktning, systemförluster, installerad effekt samt historiska spotprisdata. Modellen sammankopplas med Power BI föratt utföra investeringskalkyler och visualisera resultatet. Den utvecklade modellen gerapproximationer för solcellsanläggningars elproduktion, vilket validerades mot utvaldaanläggningar i Sveriges samtliga elområden. Enligt valideringen uppgår modellens genomsnittliga relativa absoluta fel till 14,72 procent. Slutsatsen dras att BCT kan användas för att analysera och visualisera solcellsinvesteringar på specifika platser i Sverige. Resultatet visar att Power BI som BCT har brister när detkommer till dynamisk datainsamling, men genomför och visualiserar investerings kalkyler med enkelhet. Välutvecklade BCT kan användas för att underlätta beslutsfattande genomrealtidsberäkningar och kan bidra till en smidigare implementering av distribuerade systemgenom att belysa deras finansiella karaktär på ett detaljerat sätt. Fortsatt forskning krävs föratt ta fram en modell anpassad för distribuerade anläggningar med lagringsmöjligheter.

This work examines the local distribution system in two residential areas in two Swedish towns, Oxelösund and Karlskrona, and studies how integration of PV systems and electric vehicle (EV) charging stations (CS) will affect the present distribution system. The research questions focus on the economic feasibility of a LVDC system, how it compares to a traditional LVAC (low voltage alternating current) system from an economic and technical perspective, and the possibilities a LVDC system brings to other DC component applications. The Swedish government aims to have a fossil-free vehicle fleet by 2030 and one of the measures is no fossil-fuel burning vehicle will be produced and sold in Sweden. This means the number of CS, and the charging infrastructure around these, need to be developed, to contribute to this goal and sustain this transformation. A connected issue is that updates on the regulations for non concession-regulated networks (IKN) in January 2022 extended the basic preconditions and allows possibilities for energy sharing between buildings. The new regulations are also in favor of micro-production and contribute to more decentralised systems. Connections of Renewable Energy Sources (RES) to the distribution system are expected to increase in the coming years. Grid-connected solar PV systems in Sweden have increased by 56% between 2019 and 2020, and at the same time EVs are becoming more apparent on the roads. These DC-(direct current) based technologies, and the possible need to strengthen local networks to accommodate new sources and loads, are bringing new opportunities for low voltage direct current (LVDC) based distribution systems. To answer the research questions, two different models with different concepts, parallel pure DC and parallel AC/DC, were built in simulation software. The conclusion of this study is that a traditional LVAC system is preferable over pure DC system from both economic and technical perspective for already connected areas, such as the two areas in this project. A parallel pure DC system might be preferable in newly built areas with substantial PV and EV, where exchange is wanted between buildings with separate AC grid connections. / Detta examnesarbetet undersöker det lokala distributionssystemet i två bostadsområden, i Oxelösund och Karlskrona. Arbetet fokuserar på hur (nya) anslutningar av solceller och laddstationer för elfordon (CS) kommer att påverka det nuvarande distributionsnätet i områdena. Forskningsfrågorna fokuserar på den ekonomiska genomförbarheten av ett LVDC-system, och hur det är jämfört med ett traditionellt LVAC-system (lågspänningsväxelström) ur ett ekonomiskt och tekniskt perspektiv, samt vilka möjligheter ett LVDC-system kan bidra med till andra DC-komponenttillämpningar. Den svenska regeringen ämnar ha en fossilfri fordonsflotta år 2030 och en av åtgärderna till målet är att sluta producera och sälja fossildrivna fordon i Sverige. Det innebär att antalet CS samt en laddingsinfrastruktur behöver utvecklas för att kunna bidra till målet och upprätthålla omställningen. De senaste uppdateringarna i regelverket för icke koncessionspliktiga nät (IKN) i januari 2022 vidgade de grundläggande förutsättningarna och bidrog till större möjligheter till energidelning mellan flera huskroppar. Det nya regelverket gynnar mikroproduktion och bidrar också till mer decentraliserade system. Anslutningar av RES till distributionsnätet förväntas öka under de kommande åren. Nätanslutna solcellsanläggningar i Sverige ökade med 56% mellan 2019 och 2020, samtidigt som det blir fler och fler elbilar på vägarna. Dessa DC-(likströms) baserade teknik kan öppna upp nya möjligheter för ett lågspänningslikström- (LVDC) baserad distributionssystem. För att besvara forskningsfrågorna byggdes två olika modeller med olika koncept, parallell ren DC och parallell AC/DC i simuleringsprogram. Slutsatsen av denna studien är att ett traditionellt LVAC-system är att föredra framför rent DC-system ur både ekonomiskt och tekniskt perspektiv för redan anslutna områden, som de två områdena i detta projekt. Ett parallellt rent DC-system kan vara att föredra i oanslutna områden, dvs nya bostadsområden under utveckling.

In an electrical system there needs to be a constant balance between supply and demand ofelectricity and this is measured by the frequency in the grid. Due to the increasing awarenessof climate change, more renewable energy resources have been introduced in the Swedishelectricity system. This is, however, not solely positive since renewable energy sources areoften of intermittent character which entails more imbalances between supply and demand. Inaddition, statistics and data show that the deviation in the frequency in the Nordic system hasincreased during the latest years. Thus, in this thesis, the issues regarding the frequency havebeen addressed by examining the demand for frequency control in the Swedish electricitysystem and what balancing efforts that can be carried out on a local level to contribute to abetter balanced system. This thesis has been conducted at KTH Royal Institute of Technologywith collaboration with the commissioner Mälarenergi AB. A case study of the Swedish electricity system has been carried out to gather empiricalmaterial and this material has been analyzed using Geels theory on technical transitions, themulti-level perspective. The results indicates that it is likely the demand for frequency controlwill increase, and this is due to factors as more intermittent energy, current market design fortrading electricity, overseas transmission connections, decommissioning of nuclear powerand limited internal transmission capacity. Three other developments have been identified,which could have a large impact on the demand in the future, as an increasing use of electricvehicles, prosumers and the deployment of IoT in the energy sector. These developmentshave not been integrated to a large extent yet in the energy sector and thus have a moreuncertain impact. In terms of resources, the thesis has identified that it is likely that hydropower will continueto be the main resource for frequency regulation. Another source that could be used morefrequently than today and possibly compete with hydropower is combined heat and powerplants. Furthermore, the study has found that local actors can contribute by advertisingsmaller local resources on a market for trading regulating power called“reglerkraftmarknaden”, that balance providing companies collaborate, that the load iscontrolled in the local grids or that smaller local production facilities are operated in standalonemode during extreme situations. / För att uppnå ett välfungerande elektrisk system så måste det vara en konstant balans mellan produktion och konsumtion av el i systemet. Den här balansen mäts genom att mäta frekvensen i elnätet. Eftersom allt fler har blivit mer medvetna om de klimatförändringar vår planet står inför har det successivt införts mer och mer förnybara energikällor i det svenska elsystemet. Den här utvecklingen har inte enbart varit positivt, eftersom förnybara energikällor ofta är av intermittent karaktär, vilket har medfört att balansen mellan produktion och konsumtion av el har försämrats. Flertalet undersökningar har påvisat att det förekommer mer frekvensavvikelser i det nordiska elsystemet idag än tidigare. Denna rapport har således undersökt dessa problem genom att analysera efterfrågan på frekvensreglering i det svenska elsystemet och vilka initiativ som kan tas på lokal nivå för att förbättra balansen i elsystemet. Rapporten har genomförts på Kungliga Tekniska Högskolan i samarbete med uppdragsgivaren Mälarenergi AB. Rapporten har genomfört en fallstudie av det svenska elsystemet för att samla in empiriskt material, och detta material har i sin tur analyserats genom Geels flernivåsansats. De resultat som har framkommit i undersökningen visar på att det är troligt att efterfrågan av frekvensreglering kommer att öka. Denna ökning beror på faktorer som att mer intermittent energi integreras i elnätet, hur marknaden för att handla elektricitet är utformad, fler utländska överföringsförbindelser, nedrustning av kärnkraft och begränsad överföringskapacitet inom det nationella elnätet. Tre andra utvecklingar har identifierats som möjligen kan ha en stor påverkan på behovet av frekvensreglering. Dessa är ett ökat antal elektriska fordon, prosumenter och att energisektorn integreras av IoT och smarta objekt i större utsträckning än idag. Dessa faktorer har inte integrerats i det svenska elsystemet nämnvärt ännu och deras påverkan är därmed mer osäker. Denna studie har också kommit fram till att vattenkraft troligtvis kommer fortsätta att vara den resurs som används mest för frekvensreglering, men även att kraftvärmeverk har potential att användas mer för reglering än idag. Vidare har rapporten även identifierat att lokala aktörer kan bidra till en bättre balans i systemet genom att antingen annonsera mindre lokala resurser på reglerkraftmarknaden, öka samarbetet mellan balansansvariga företag, kontrollera lasten i lokala elnät eller att mindre lokala produktionsanläggningar drivs i ö-drift under extrema situationer.

The use of electricity from Distributed Energy Resources like wind and solar powerwill impact the performance of the electricity network and this sets a limit to theamount of such renewables that can be connected. Investment in energy storage andcommunication technologies enables more renewables by operating the networkcloser to its limits. Electricity networks using such novel techniques are referred toas “Smart Grids”. Under favourable conditions the use of these techniques is analternative to traditional network planning like replacement of transformers orconstruction of new power line.The Hosting Capacity is an objective metric to determine the limit of an electricitynetwork to integrate new consumption or production. The goal is to create greatercomparability and transparency, thereby improving the factual base of discussionsbetween network operators and owners of Distributed Energy Resources on thequantity and type of generation that can be connected to a network. This thesisextends the Hosting Capacity method to the application of storage and curtailmentand develops additional metrics such as the Hosting Capacity Coefficient.The research shows how the different intermittency of renewables and consumptionaffect the Hosting Capacity. Several case studies using real production andconsumption measurements are presented. Focus is on how the permitted amountof renewables can be extended by means of storage, curtailment and advanceddistributed protection and control schemes. / Användningen av el från förnyelsebara energikällor som vind och sol kommer att påverka elnätet, som sätter en gräns för hur mycket distribuerad energiproduktion som kan anslutas. Investeringar i storskalig energilager och användning av modern kommunikationsteknologi gör det möjligt att öka andelen förnyelsebarenergi genom att nätet kan drivas närmare sina gränser. Elnät med sådana nya tekniker kallas ofta för ”Smarta Elnät". Implementering av sådana smarta elnät kan vara ett alternativ till traditionell nätplanering och åtgärder som utbyte av transformatorer eller konstruktion av nya kraftledningen.Nätets acceptansgräns är ett objektivt mått för att bestämma gränsen för nätets förmåga att integrera ny förbrukning eller produktion. Målet är att skapa större transparens och bidra till ett bättre faktaunderlag i diskussioner mellan nätoperatörer och ägare av distribuerade energiresurser. Denna avhandling utökar acceptansgränsmetoden för tillämpning med energilager och produktions nedstyrning och utvecklar ytterligare begrepp så som acceptansgränsen koefficienten.Forskningen visar hur varierbarheten hos olika förnyelsebara energikällor samverkar med förbrukningen och påverkar nätets acceptansgräns. Flera fallstudier från verkliga elnät och med uppmätt produktion och konsumtion presenteras. Fokus är på hur den tillåtna mängden förnyelsebara energikällor kan ökas med hjälp av energilagring, kontrollerad produktionsnedstyrning och med avancerad distribuerade skydd och kontroll applikationer. / Nicholas Etherden works at STRI AB (www.stri.se) in Gothenburg, Sweden. When he is not pursuing his half-time PhD studies he works as a specialist consultant in the field of Power Utility Automation, specialising on the IEC 61850 standard for power utility automation (today widely used in substations as well as some wind parks, hydro plants and DER and Smart Grid applications such as vehicle-to-grid integration). The author of this thesis received his Master of Science in Engineering Physics from Uppsala University 2000. Side tracks during his engineering studies included studies in theoretical philosophy, chemistry, ecology and environmental sciences as well as chairing the Swedish student committee of the Pugwash Conferences on Science and Worlds Affairs and later board member of the International Network of Engineers and of Scientists for Global Responsibility (INES) and chair of Swedish Scientists and Engineers Against Nuclear Arms. He has been a trainee at ABB in Västerås Sweden and spent six years as developer and team leader for the application development of a new relay protection family (ABB IED 670 series). In parallel to his professional work he studied power system engineering at Mälardalens University and travelled to all continents of the world. Since 2008 he is responsible for the STRI IEC 61850 Independent Interoperability Laboratory and a member of IEC Technical Committee 57 working group 10 "Power system communication and associated data models” and UCA/IEC 61850 User group testing subcommittee. He is co-author of IEC 61850-1 and main contributor to “Technical Report on Functional Test of IEC 61850 systems” and has held over 25 hands-on courses around the world on IEC 61850 “Communication networks and systems for power utility automation”. / SmartGrid Energilager

Modern power systems are at the forefront of addressing the transition towards a decarbonized energy system, with increased integration of renewable energy sources becoming the key means to achieve the same. In this context, an expansion planning problem provides a decision support framework for investments in new generation and transmission assets over a long time-frame, addressing a wide range of technical and economic criteria aligned with national policies. It is thus an important but complex problem to solve, involving a number of modelling challenges and uncertainties to be considered. These include the treatment of operational variability due to the intermittent nature of renewable sources like wind or solar, while also considering uncertainties such as demand growth, technological developments impacting future investment costs among others, that define the long-term dynamics in the expansion. In this regard, one of the goals of the EU Project Spine is to create open source models to study investment scenarios for the expansion of power systems. This thesis work aims to offer insights for the Spine project, by identifying and exploring various requirements pertinent to a planning problem, along with method development. The primary objective of this thesis is to develop an expansion planning model, that determines the optimal location, size or capacity and time of investment for different candidates in generation and transmission assets, including short-term energy storage. A Mixed-Integer Linear Programming (MILP) optimization problem is formulated for the same, with both investment and operational sub-problems solved together. Operational variability has been modelled in a reduced form using profiles of representative days, while also incorporating contemporary requirements in the planning problem such as penetration targets for renewable generation. The developed model has been evaluated using a case study done on a small test network, in which different expansion scenarios involving varying demand growth and phase-out of conventional generators are investigated. Also, a two-stage stochastic optimization is performed to consider long-term uncertainties in demand growth and the quality of the stochastic solution is analyzed. It is inferred from the results that the expansion solution is indeed different for different scenarios, and stochastic optimization proves to be important in addressing long-term uncertainties, as reflected by a high value of stochastic solution (VSS). / Moderna kraftsystem ligger i framkant när det kommer till omställningen till ett fossilfritt energisystem. Ökad integrering av förnybara energikällor är den främsta lösningen för att uppnå detta. I samband med omställningen kan ett utbyggnadsplanering problem bidra till ramverk för investeringsbeslut för genererings- och transmissionstillgångar över ett långt tidsspann, vilket tar hänsyn till en bredd av tekniska och ekonomiska kriterier i linje med nationella policyer. Detta är ett viktigt, men ett komplext problem som inkluderar ett stort antal modelleringsutmaningar och osäkerheter som måste beaktas. Bland annat inkluderas hur drift varierar på grund av de förnybara energikällornas intermittenta karaktär såsom vind och sol, medan osäkerheter kring hur efterfrågan utvecklas, tekniska framsteg som påverkar framtida investeringar m.m., också behöver vägas in. Med hänsyn till detta är ett av målen för EU Project Spine att skapa en open source för modeller med syftet att studera investeringsscenarier när kraftsystemet expanderar. Syftet med detta examensarbete är att ge insikt i Spine-projektet genom att identifiera och utforska olika relevanta krav för ett planneringsproblem samt att utveckla metoder. Det huvudsakliga målet för detta examensarbete är att utveckla en expanderad planeringsmodell som bestämmer optimal placering, storlek, kapacitet och tidpunkt för investering för olika typer av genererings- och transmissionstillgångar samt kortvarig energilagring. Ett mixed-integer linjär programmering (MILP) optimeringsproblem har formulerats, där både investerings- och drifts-subproblem beräknas tillsammans. Variabel drift av kraftsystemet har modellerats på reducerad form genom att använda profiler för representativa dagar, därtill inkluderas samtida krav i planeringen såsom mål för penetreringsnivå av förnybara energikällor. Den utvecklade modellen har utvärderats i en fallstudie på en liten nätmodell där olika scenarier har utforskats. I scenarierna varieras tillväxten på efterfrågan och när utfasningen av konventionella generatorer sker. Därtill, sker en två-stegs stokastisk optimering för att ta hänsyn till långsiktiga osäkerheter kring tillväxten på efterfrågan och kvalitén av den stokastiska lösningen har analyserats. Resultaten visar att den expanderade lösningen är olika för olika scenarier, och att den stokastiska optimeringen är viktig när långsiktiga osäkerheter måste beaktas som visas genom ett högt värde för den stokastiska lösningen (VSS).

Battery electric vehicles and fuel cell vehicles, i.e. hydrogen vehicles, are promising alternatives to internal combustion engine vehicles to reduce GHG emissions from the transport sector. EV charging and hydrogen refuelling infrastructure is crucial to the deployment of alternative fuels in transport. Although several studies have analyzed electric public buses infrastructure, fuel cell buses have not been the target of such extensive analyses. Additionally, there is a gap in the literature regarding the comparison of infrastructure for these two types of vehicles and their cost and refuelling schedule differences. The study aims to conduct a techno-economic analysis of electricity versus hydrogen refuelling infrastructure to decarbonize public buses, using renewable sources to produce renewable electricity and green hydrogen. The outcome is a proposed system design regarding the size of the refuelling station, storage system capacity, renewable energy capacity, on-site hydrogen production system size, and the optimized refuelling schedule. The system is modelled to minimize the overall system cost while maintaining the current bus service level. The impact of electricity market prices, demand charges and varying bus energy demand in the optimal system configuration and schedule is also addressed. Scenarios are developed to study different levels of new installed renewable capacity integration and how these affect the cost, bus refuelling schedules and infrastructure design. The mixed-integer linear programming problem was modelled using Python. The model is applied to the case study of one bus line in Umeå. One terminal station was chosen to place the refuelling stations. The results show that the most economical option is electrifying the line with electricity supply only from the grid. For scenarios with additional renewable energy capacity installed, the option with 50% integration of new installed capacity is the most economically viable. In both these cases, there is no installation of BESS at the charging station. Electric buses infrastructure is cheaper than hydrogen infrastructure in all scenarios, but these values converge as renewable energy integration increases. For hydrogen infrastructure, the scenario with 50% renewable energy integration is the least costly. Although electric bus infrastructure is more economical than hydrogen infrastructure, hydrogen buses present advantages in terms of significantly higher range and thus higher flexibility for refuelling. Therefore, in the decision-making process to replace a fossil fuel bus line with an alternative fuel bus line, one must consider the multi-dimensional level of the different options. / Batterielektriska fordon och bränslecellsfordon, dvs. vätgasfordon, är lovande alternativ till fordon med förbränningsmotorer för att minska växthusgasutsläppen från transportsektorn. Infrastruktur för laddning av elfordon och tankning av vätgas är avgörande för att alternativa bränslen ska kunna användas inom transportsektorn. Även om flera studier har analyserat infrastrukturen för offentliga elbussar har bränslecellsbussar inte varit föremål för sådana omfattande analyser. Dessutom finns det en lucka i litteraturen när det gäller jämförelsen av infrastruktur för dessa två typer av fordon och deras skillnader i fråga om kostnader och tankningsschema. Syftet med studien är att genomföra en teknisk-ekonomisk analys av infrastruktur för tankning av el respektive vätgas för att avkarbonisera offentliga bussar, med hjälp av förnybara källor för att producera förnybar el och grön vätgas. Resultatet är ett förslag till systemutformning med avseende på tankstationens storlek, lagringssystemets kapacitet, kapaciteten för förnybar energi, storleken på systemet för vätgasproduktion på plats och det optimerade tankningsschemat. Systemet modelleras för att minimera den totala systemkostnaden samtidigt som den nuvarande service nivån förbussarna bibehålls. Effekten av elmarknadspriser, efterfrågeavgifter och varierande energiefterfrågan från bussarna på den optimala systemkonfigurationen och schemat behandlas också. Scenarier utvecklas för att studera olika nivåer av nyinstallerad förnybar kapacitet och hur  dessa påverkar kostnaden, bussarnas tankningsscheman och infrastrukturens utformning. Det linjära programmeringsproblemet med blandade heltal modellerades med hjälp av Python. Modellen tillämpas på fallstudien av en busslinje i Umeå. En ändstation valdes ut för att placera tankstationerna. Resultaten visar att det mest ekonomiska alternativet är att elektrifiera linjen med elförsörjning endast från nätet. För scenarier med ytterligare installerad kapacitet för förnybar energi är alternativet med 50 % integrering av ny installerad kapacitet det mest ekonomiskt lönsamma. I båda dessa fall finns det ingen installation av BESS vid laddningsstationen. Infrastrukturen för elbussar är billigare än infrastrukturen för vätgas i alla scenarier, men dessa värden närmar sig varandra när integrationen av förnybar energi ökar. När det gäller vätgasinfrastruktur är scenariot med 50 % integrering av förnybar energi det minst kostsamma. Även om infrastrukturen för elbussar är billigare än infrastrukturen för vätgasbussar har vätgasbussar fördelar i form av betydligt större räckvidd och därmed större flexibilitet när det gäller tankning. I beslutsprocessen för att ersätta en busslinje med fossila bränslen med en busslinje med alternativa bränslen måste man därför ta hänsyn till de olika alternativens flerdimensionella nivå.