This degree thesis investigates the possibilities of producing food inside a container at Svalbard, using renewable energy and energy storage. The idea was to be able to place the container at remote places without the need of being connected to the grid. We chose Svalbard, where it is cold and the sun is shining 24 hours a day at summertime. In the winter the opposite occurs and the sun is absent from the sky. The work is divided into theoretical studies and results based on different calculations. Such as economical evaluations (LCOE), and simulations using the computer programs Matlab and PVsyst. We have investigated if solar power and wind power is suitable as energy sources. Options for storage were batteries, grid and hydrogen storage. Different cases with Photovoltaics- and wind power plants, with batteries or grid, were compared against each other. It is not possible to use the grid as storage. This resulted in different sizing of our cases, with no excess energy production. The result showed that a 5 kWp photvoltaic plant with dual axis tracking system, was the most profitable. The Pay off would be 14 years and the total profit 63 453 SEK. If it will become possible in the future to use the grid at Svalbard as storage, it will open up opportunites for bigger systems. This will lead to higher profit than with smaller ones. Our results show that it is now most profitable with solar power.

This thesis develops methods to increase the amount of renewable energy sources that can be integrated into a power grid. The assessed methods include i) dynamic real-time assessment to enable the grid to be operated closer to its design limits; ii) energy storage and iii) coordinated control of distributed production units. Power grids using such novel techniques are referred to as “Smart Grids”. Under favourable conditions the use of these techniques is an alternative to traditional grid planning like replacement of transformers or construction of a new power line. Distributed Energy Resources like wind and solar power will impact the performance of the grid and this sets a limit to the amount of such renewables that can be integrated. The work develops the hosting capacity concept as an objective metric to quantify the ability of a power grid to integrate new production. Several case studies are presented using actual hourly production and consumption data. It is shown how the different variability of renewables and consumption affect the hosting capacity. The hosting capacity method is extended to the application of storage and curtailment. The goal is to create greater comparability and transparency, thereby improving the factual base of discussions between grid operators, electricity producers and other stakeholders on the amount and type of production that can be connected to a grid.Energy storage allows the consumption and production of electricity to be decoupled. This in turn allows electricity to be produced as the wind blows and the sun shines while consumed when required. Yet storage is expensive and the research defines when storage offers unique benefits not possible to achieve by other means. Focus is on comparison of storage to conventional and novel methods.As the number of distributed energy resources increase, their electronic converters need to provide services that help to keep the grid operating within its design criteria. The use of functionality from IEC Smart Grid standards, mainly IEC 61850, to coordinate the control and operation of these resources is demonstrated in a Research, Development and Demonstration site. The site contains wind, solar power, and battery storage together with the communication and control equipment expected in the future grids.Together storage, new communication schemes and grid control strategies allow for increased amounts of renewables into existing power grids, without unacceptable effects on users and grid performance. / Avhandlingen studerar hur existerande elnät kan ta emot mer produktion från förnyelsebara energikällor som vindkraft och solenergi. En metodik utvecklas för att objektivt kvantifiera mängden ny produktion som kan tas emot av ett nät. I flera fallstudier på verkliga nät utvärderas potentiella vinster med energilager, realtids gränser för nätets överföringsförmåga, och koordinerad kontroll av småskaliga energiresurser. De föreslagna lösningarna för lagring och kommunikation har verifierats experimentellt i en forskning, utveckling och demonstrationsanläggning i Ludvika. / Godkänd; 2014; Bibliografisk uppgift: Nicholas Etherden är industridoktorand på STRI AB i Göteborg. Vid sidan av doktoreringen har Nicholas varit aktiv som konsult inom kraftsystemsautomation och Smarta Elnät. Hans specialitet är IEC 61850 standarden för kommunikation inom elnät, vindkraftparker och distribuerad generering. Författaren har en civilingenjörsexamen i Teknisk fysik från Uppsala Universitet år 2000. Under studietiden läste han även kurser i kemi, miljökunskap och teoretisk filosofi. Han var under studietiden ordförande för Student Pugwash Sweden och ledamot International Network of Engineers and of Scientists for Global Responsibility (INES). Efter studietiden var han ordförande i Svenska Forskare och Ingenjörer mot Kärnvapen (FIMK). Han började sin professionella bana som trainee på ABB i Västerås där han spenderade sex år som utvecklare och grupp ledare för applikationsutvecklingen i ABB reläskydd. I parallell till arbete har han läst elkraft vid Mälardalenshögskola. År 2008 började han på STRI AB som ansvarig för dess IEC 61850 interoperabilitetslab. Han är på uppdrag av Svenska Kraftnät aktiv i ENTSO-E IEC 61850 specificeringsarbete och svensk representant i IEC tekniska kommitté 57, arbetsgrupp 10 som förvaltar IEC 61850 standarden. Han har hållit över 30 kurser i IEC 61850 standarden i fler än 10 länder.; 20140218 (niceth); Nedanstående person kommer att disputera för avläggande av teknologie doktorsexamen. Namn: Nicholas Etherden Ämne: Elkraftteknik/Electric Power Engineering Avhandling: Increasing the Hosting Capacity of Distributed Energy Resources Using Storage and Communication Opponent: Professor Joao A Peças Lopes, Faculty of Engineering of the University of Porto, Portugal Ordförande: Professor Math Bollen, Avd för energivetenskap, Institutionen för teknikvetenskap och matematik, Luleå tekniska universitet Tid: Måndag den 24 mars 2014, kl 09.00 Plats: Hörsal A, Campus Skellefteå, Luleå tekniska universitet / SmartGrid Energilager

Wind power has become a major supplier of electricity in the European market in the last years. In 2020, 13% of electricity generated on the European continent was wind energy (onshore and offshore) and these shares are projected to increase in the next years due to reasons such as climate change and the energy security aspect. While an increased share of renewable electricity in the electricity mix has a lot of benefits, it also comes with challenges. One of these challenges are the electricity market design and the offtake mechanisms that find application. If national expansion goals for wind energy are to be achieved, wind power plants need to be profitable and hence be an attractive and competitive investment. If wind farms are running within the prevalent merit order system where the energy source with the highest marginal cost sets the electricity price, there is a risk of low or even negative income at times of high wind or solar irradiation. The unforeseeable and potentially low revenues also lead to worse conditions in the financing of wind projects, resulting in high financing costs. To counteract this challenge, governments have set up policy frameworks and subsidies and owners of wind farms have adopted different offtake mechanisms such as pay-as-produced PPAs (power purchase agreements) and baseload PPAs. Additionally, many operators hedge their assets, meaning that risks are reduced by deployment of different offtake mechanisms. All of this is where this study ties in. The objective was to evaluate how the design of markets and offtakes and their respective pricing level and predictability impact the best turbine fit in North and Central Europe. To get to an answer, two key onshore markets within the region have been chosen and characterized, namely Germany and Sweden. Two different turbine types, one with a low capacity factor but high rated power and one with a lower rated power but high capacity factor, have been examined in these markets in order to evaluate which turbine type performs better. A third turbine type which is a new concept in the technology demonstrator stage has been added to the study to assess its performance as compared to the existent turbines. The evaluation has been performed in form of a Use Case Analysis and Sensitivity Study. Finally, the results have been compared and generalized into key takeaways that can be transferred into other markets in the region of North and Central Europe. The study finds that different market characteristics and offtake mechanisms do in fact impact turbine selection and the best turbine fit. Important factors that have been found in this research are the key financial metric (NPV and IRR), market constraints such as a grid constraint, and offtake mechanisms and the predictability of revenues that comes with the offtake. The main impacts on wind turbine selection that can be tied to offtake mechanisms are the payment received per unit of electricity and the level of security that comes with the offtake mechanism. Constant incomes improve financing conditions, meaning that resources from crediting institutes are granted at better conditions if the income can be anticipated. For both markets, the optimal turbine fit varies depending on the boundary conditions. High capacity factor turbines have been found to be a better fit if the developing company considers the IRR as focal financial metric. If the NPV is the focal metric, the results are less clear: While low capacity turbines are a better fit for sites with low revenues from electricity pricing and lower wind conditions, turbines with high rated power benefit from high and secured electricity pricing and high wind speeds where rated power is reached. The German EEG as a special case promotes installation of high capacity turbines due to high and constant revenues per MWh. While the overall Value Pool (payment per MWh of electricity) is higher for Germany, business cases in Sweden benefit from higher turbine lifetimes. / Vindkraft har under de senaste åren blivit en viktig leverantör av el på den europeiska marknaden. År 2020 var 13 % av elproduktionen på den europeiska kontinenten vindkraft (på land och till havs) och dessa andelar förväntas öka under de kommande åren på grund av orsaker som klimatförändringar och energisäkerhet. Även om en ökad andel förnybar el i elmixen har många fördelar, kommer den också med utmaningar. En av dessa utmaningar är elmarknadens utformning och de uttagsmekanismer som tillämpas. Om de nationella utbyggnadsmålen för vindkraft ska kunna uppnås måste vindkraftverken vara lönsamma och därmed utgöra en attraktiv och konkurrenskraftig investering. Om vindkraftsparkerna drivs inom det rådande merit order-systemet, där den energikälla som har högst marginalkostnad sätter elpriset, finns det risk för låga eller till och med negativa intäkter vid tillfällen med mycket vind eller solinstrålning. De oförutsägbara och potentiellt låga intäkterna leder också till sämre villkor för finansiering av vindkraftsprojekt, vilket resulterar i höga finansieringskostnader. För att motverka denna utmaning har flera regeringar inrättat politiska ramverk och subventioner och ägare av vindkraftsparker har infört olika uppköpsmekanismer såsom PPA (Power Purchase Agreement) med betalning efter produktion och PPA för basbelastning. Dessutom säkrar många operatörer sina tillgångar, vilket innebär att riskerna minskas genom användning av olika upptagningsmekanismer. Målet var att utvärdera hur utformningen av marknader och upptag samt deras respektive prisnivå och förutsägbarhet påverkar den bästa turbinanpassningen i Nord- och Centraleuropa. För att komma fram till ett svar har representativa marknader inom regionen valts ut och karakteriserats, nämligen Tyskland och Sverige. Två olika turbintyper, en med låg kapacitetsfaktor men hög nominell effekt och en med lägre nominell effekt men hög kapacitetsfaktor, har undersökts på dessa marknader för att utvärdera vilken turbintyp som presterar bättre. En tredje turbintyp som är ett nytt koncept i teknikdemonstratorstadiet har lagts till i studien för att bedöma dess prestanda jämfört med de befintliga turbinerna. Utvärderingen har utförts i form av en användningsfallsanalys och en känslighetsstudie. Slutligen har resultaten jämförts och generaliserats till viktiga slutsatser som kan överföras till andra marknader i regionen Nord- och Centraleuropa. Studien visar att olika marknadsegenskaper och uppköpsmekanismer påverkar valet av turbin och vilken turbin som passar bäst. Viktiga faktorer som har hittats i denna forskning är det viktigaste finansiella måttet (NPV och IRR), marknadsbegränsningar som spetshöjd eller nätbegränsningar, och uppköpsmekanismer och förutsägbarheten av intäkter som kommer med uppköpet. De viktigaste faktorerna som påverkar valet av vindkraftverk och som kan kopplas till avsättningsmekanismer är den betalning som erhålls per enhet el och den säkerhetsnivå som följer med avsättningsmekanismen. Konstanta inkomster förbättrar finansieringsvillkoren, vilket innebär att resurser från kreditinstitut beviljas på bättre villkor om inkomsterna kan förutses. För båda marknaderna varierar den optimala turbinpassningen beroende på gränsvillkoren. Turbiner med hög kapacitet har visat sig passa bättre om utvecklingsföretaget betraktar internräntan som ekonomiska nyckeltal. Om NPV är det centrala måttet är resultaten mindre tydliga: Medan turbiner med låg kapacitet passar bättre för platser med låga intäkter från elpriser och lägre vindförhållanden, gynnas turbiner med hög nominell effekt av höga och säkra elpriser och höga vindhastigheter där nominell effekt uppnås. Det tyska EEG är ett specialfall som främjar installation av turbiner med hög kapacitet på grund av höga och konstanta intäkter per MWh. Medan den totala värdepoolen (betalning per MWh el) är högre för Tyskland, gynnas affärsfall i Sverige av högre livslängd för turbinerna.

This master thesis studies alternative energy sources for maritime shipping in Sweden. With current climate goals, and a need for change, the maritime sector currently undergoes intense transitions. For shipping companies to lower their carbon footprint, the need to replace non decarbonised fuels is hence critical. With numerous alternatives, currently being developed, actors are phasing obstacles regarding which energy source that is most mature in terms of technical readiness as well as how adequate it will fulfil current climate goals. This study will analyse four different energy sources, liquid hydrogen (LH2), electro-methanol (emethanol), electro-ammonia (e-ammonia) and wind (sails), and answer which out of these energy sources will be most suitable for actors to adapt. To answer this question, the Technological Innovation System framework has been utilised, and the results has been applied to some chosen climate target actions developed by Swedish authorities. The findings proved that e-methanol currently is most mature and has reached most alignment with current climate goals, followed by LH2/wind and lastly e-ammonia. / Detta examensarbete studerar alternativa energikällor för fraktfartyg i Sverige. Med nuvarande klimatmål, och ett behov av förändring, genomgår den maritima sektorn intensiva omställningar. För att rederier ska kunna sänka sitt koldioxidavtryck är behovet att ersätta icke koldioxidneutrala bränslen därför stort. Med ett flertal alternativ, som för närvarande är under utveckling, står aktörer inför hinder angående vilken energikälla som är mest redo gällande teknikmognadsgrad samt hur adekvat den kommer att uppfylla nuvarande klimatmål. Denna studie kommer att analysera fyra olika energikällor, flytande väte (LH2), elektro-metanol (e-metanol), elektro-ammoniak (e-ammoniak) och vind (segel), och ta reda på vilka av dessa energikällor som är mest lämpad för aktörer att använda sig av. För att svara på denna fråga har ramverket Technological Innovation Systems använts och resultaten har tillämpats på några utvalda klimatmålsåtgärder som tagits fram av svenska myndigheter. Resultaten visade att e-metanol för närvarande är mest mogen och har nått mest anpassning till nuvarande klimatmål, följt av LH2/vind och slutligen e-ammoniak.

France is planning a strong development of solar photovoltaics (PV) and wind power in the medium term disrupting the power system. This Master Thesis analyzes the impacts of variable renewable energy production on the supply-demand balance from 2021 to 2025 in France. The model used relies on a dynamic programming method. The analysis is based on the assessment of indicators such as price signals, margins, loss of load duration (LOLD), expected energy not served (EENS) and nuclear drop stop that characterize the supply-demand balance and the security of supply of the electricity system. Wind power and PV are two very different technologies. Their load factor is very sizeable as it characterize their seasonality, variability and predictability and has an impact on all medium-term indicators. Wind power and PV have low marginal costs and their production is seasonal and in anti-phase. With new installed capacity, their added production in the supply-demand balance will substitute first the imports from the interconnections until saturation and then nuclear and thermal power plant production. Prices decrease with the same seasonality as the production and need to be considered when establishing the nuclear planning for the years to come. In addition a re-optimization of hydro power is observed. In terms of security of supply, wind power is more efficient than PV when assessing the reduction of LOLD but both are far from the performance of combined cycle gas turbines (CCGT). Lastly, the lack of nuclear production opportunities increases considerably more with PV due to a very localised production during the day which coincides in summer with periods of low consumption. Wind power and PV are two distinct technologies and should not be put in the same category when assessing their impact on the power system. / Frankrike planerar en stark utveckling av solceller (PV) och vindkraft på medellång sikt för att störa kraftsystemet. Detta examensarbete analyserar effekterna av varierande produktion av förnybar energi på balans mellan utbud och efterfrågan från 2021 till 2025 i Frankrike. Modellen som används bygger på en dynamisk programmeringsmetod. Analysen baseras på bedömningen av indikatorer som prissignaler, marginaler, förlust av lasttid (LOLD), förväntad energi som inte serveras (EENS) och kärnkraftsfallstopp som kännetecknar efterfrågan och utbudssäkerheten för el systemet. Vindkraft och solceller är två mycket olika tekniker. Deras belastningsfaktor är mycket stor eftersom den kännetecknar deras säsongsvariation, variation och förutsägbarhet och påverkar alla medellångsiktiga indikatorer. Vindkraft och solceller har låga marginalkostnader och deras produktion är säsongsbetonad och i fas. Med ny installerad kapacitet kommer deras extra produktion i utbuds- och efterfrågan att ersätta importen från sammankopplingarna till mättnad och sedan produktion av kärnkraft och värmekraftverk. Priserna sjunker med samma säsong som produktionen och måste beaktas när kärnkraftsplaneringen fastställs för de kommande åren. Dessutom observeras en återoptimering av vattenkraften. När det gäller försörjningstrygghet är vindkraft effektivare än solceller vid bedömning av minskningen av LOLD men båda är långt ifrån prestanda för kombinerade cykelturbiner (CCGT). Slutligen ökar avsaknaden av kärnkraftsproduktionsmöjligheter betydligt mer med solceller på grund av en mycket lokal produktion under dagen som sammanfaller på sommaren med perioder med låg konsumtion. Vindkraft och solceller är två olika tekniker och bör inte placeras i samma kategori när man bedömer deras inverkan på kraftsystemet.