In diesem Beitrag wird eine Betriebsstrategie für einen hybriden Energiespeicher vorgestellt, die sich der Vorhersage zukünftiger Fahrzustände durch ein autonomes Fahrzeug bedient. Dies ermöglicht ein zusätzliches Verringern der Verluste im Vergleich zu herkömmlichen Strategien, die keine Vorhersagen verwenden. Um diese Funktionen umzusetzen, wurden drei Hierarchieebenen definiert. Die oberste enthält die Energiestrategie und bestimmt den langfristigen Ladestandverlauf des Kondensators mit Hilfe der Vorhersagen. Sie gibt der Leistungsstrategie in der mittleren Ebene einen Sollladestand und eine Zielzeit vor, zu der dieser Ladestand erreicht werden soll. Die Leistungsstrategie ist als modellprädiktive Regelung ausgeführt, die den Zielladegrad in einem Toleranzband führt und die Verluste des Energiespeichersystems minimiert. Die unterste Hierarchieebene enthält die Leistungsregelung des verwendeten DC/DC-Wandlers. Diese stellt die Kondensatorleistung nach der Vorgabe durch die Leistungsstrategie ein. Mit Hilfe dieses Ansatzes und einer Vorausschau von maximal 12 s konnten die Verluste im Vergleich zu einer regelbasierten Strategie ohne Vorausschau um 12 % verringert werden. Im Vergleich zu einer global optimierten Lösung, die mittels einer Dynamischen Programmierung erreicht wurde, erzeugt sie 8 % mehr Verluste. / This paper presents an operating strategy for a hybrid energy storage system using the prediction of future driving conditions by an autonomous vehicle. This allows to reduce the losses compared to conventional strategies that do not use predictions. To implement these functions, three hierarchy levels have been defined. The top level is the energy strategy and determines the long-term state of charge of the capacitor using the predictions. It gives the power strategy, the middle level, a target charge level and a target time at which this state of charge should be reached. The power strategy determines the current power distribution using a model predictive approach and stationary loss optimization. The lowest hierarchical level is the power control of the DC/DC converter used. This adjusts the capacitor power according to the specification of the power strategy. With the help of this approach and a forecast of maximum 12 s, the losses could be reduced by12 % compared to a rule-based strategy without a forecast. In comparison to a globally optimized solution achieved by dynamic programming, the new strategy generates 8 % more losses.

Container traffic in seaports around the world in constantly increasing, with energy costs being a significant part of the total costs. The container terminal (CT) of the Port of Gävle, the largest in the east coast of Sweden, is not an exception to this. With traffic growing annually, a new terminal will be opened in the following years, adding three more ship-to-shore (STS) cranes to the two existing ones, and six electric rubber tyred gantry (eRTG) cranes. Therefore, it is highly important to strengthen energy efficiency measures, reducing the energy consumption and the costs associated with it. This is why the aim of this report is to analyse whether implementing energy storage systems in the cranes of the container terminal Port of Gävle can contribute to reduce electricity costs by recovering energy when braking lowering containers, and by shaving power peaks. After a literature review of current energy recovery and storage options, this work presents three solutions: two alternatives for the current situation with two ship-to-shore (STS) cranes, and a third solution to be implemented in the three future STS cranes to be installed, which can also be beneficial for any other crane in the terminal. According to the made calculations, the three alternatives can reduce considerable energy consumption, and they are highly profitable. However, those solutions are a preliminary study and more work needs to be done to determine the exact profitability and technical system details. This work has been done in collaboration with the Port of Gävle and Yilport, the company operating the container terminal.

Le sujet de thèse aborde la quantification du flux de puissance parcourant les différents systèmes de conversion d'énergie statiques et dynamiques pour aboutir aux éléments de stockage de nature chimique / électrostatique / mécanique lors d'un freinage hybride récupératif brusque issu d’un véhicule électrique à traction avant. Le véhicule électrique est équipé de deux ensembles intégrés moteur-roues indépendants. Le côté commande des convertisseurs et des machines électriques sera aussi traité. La problématique concernera les cas de freinage régénératif brusque imposant des contraintes électriques et mécaniques élevées aux éléments de conversion d'énergie et de stockage. L'outil de simulation adopté est le logiciel Matlab/Simulink®. Un modèle assez fin du véhicule électrique utilisé sera développé afin de pouvoir simuler le comportement du véhicule conformément à la distribution des forces de freinage délivrée par le système de répartition et de quantification des forces de freinage. Une étude de la cinématique et de la dynamique du véhicule selon les différents états de route sera aussi examiné. Cette étude sera utilisée à posteriori dans la formulation des lois de distribution des forces de freinage. Les moteurs utilisés sont de type synchrones à aimants permanents intérieurs. L'objectif est d'assurer un couple électrique de freinage élevé à hautes vitesses de conduite du véhicule. A cette fin, la commande optimale de ces moteurs sera basée sur une nouvelle méthode de génération des courants de références assumant ainsi un couple régénératif élevé et donc une amélioration de l'énergie récupérée. Le système de stockage sera mixte et comportera une batterie Li-Ion et des cellules de supercondensateurs afin de réduire les contraintes sur la batterie et prolonger ainsi sa durée de vie. La structure de puissance de ce système sera analysée ainsi que le système de commande proposé du hacheur à 3 niveaux interfaçant l'ultracapacité avec le bus DC. Une résistance de freinage commandée par un régulateur pseudo-cascade sera aussi intégrée afin de réduire, si nécessaire, les contraintes sur la batterie. L'évaluation et la répartition des forces de freinage sur les quatre roues du véhicule en fonction de l'état de la route sont des éléments clés pour la stabilité du véhicule lors du freinage. La méthode de distribution et de quantification des forces de freinage proposée devra maintenir cette stabilité, répondre aux normes internationales et tirer profit de la présence des moteur-roues à l'avant du véhicule afin de maximiser l'énergie récupérée. Les travaux ont été étendus pour inclure une étude comparative avec un système de stockage contenant un élément de stockage à énergie cinétique comme source d'énergie secondaire pour un véhicule en opération de freinage et de traction. La thèse est le point de départ d'une collaboration de recherche entre l'IFSTTAR /Satie et le département de Génie Electrique du Cnam - Liban, centre associé au Conservatoire National des Arts et Métiers (Paris - France). / The thesis will address the quantification of power flow going through the different energy static and dynamic conversion systems to attain the chemical / electrostatic / mechanical storage elements during a hybrid regenerative brutal braking of a front-wheel driven electric vehicle. The electric vehicle is equipped by two integrated wheel-motors independent sets. The control of the converters and electrical machines is also treated. The problematic concerns the brutal regenerative braking case imposing high electrical and mechanical constraints on energy conversion and storage elements. The simulation tool adopted is Matlab/Simulink®. A detailed model of the used electric vehicle has been developed in order to be able to simulate the vehicle behavior with respect to the braking forces distribution delivered by the repartition and quantification of braking forces system. A study of the kinematics and dynamics of the vehicle according to different road types will be also considered. This study will be used retrospectively in the formulation of the braking forces distribution laws. The motors used are interior permanent magnet synchronous type. The objective is to ensure high electrical braking torque at high driving speeds of the vehicle. To this end, the optimal control of these motors will be based on a new current references generation method assuming then a high regenerative torque and therefore an improvement in the recovered energy. The hybrid storage system includes a Li-Ion battery and supercapacitors cells to reduce stress on the battery and to extend its life. The power structure of the system will be analyzed as well as the 3-level DC/DC converter interfacing the ultracapacitor with the DC bus proposed control system. A braking resistor controlled by a pseudo- cascaded controller will also be integrated to reduce, if necessary, the constraints on the battery. The evaluation and distribution of braking forces on the four wheels depending on road conditions are key elements for the stability of the vehicle during braking. The method of distribution and quantification of braking forces proposed should maintain this stability , meet international standards and take advantage of the presence of wheel motors in the front of the vehicle to maximize the energy recovered. The work has been extended to include a comparative study with a system containing a kinetic energy storage element as a secondary energy source for a braking and traction vehicle operation. The thesis is the starting point of a research collaboration between IFSTTAR / Satie and the Electrical Engineering Department of Cnam- Liban, associated center of the Conservatoire National des Arts et Métiers ( CNAM ), Paris, France.

The Swedish electrical grid has historically been robust and reliable, but with increased electrification in numerous sectors, out-phasing of nuclear power and a high market diffusion of wind power, the system is now facing challenges. The rotational energy in the system is expected to decrease as a result of higher shares of intermittent energy sources, which can affect the stability of the grid frequency negatively. To manage increased frequency drops, the new Fast Frequency Reserve (FFR) market will be implemented by June 2020 in the Nordic power system. Simultaneously, it is expected that the demand of electricity will increase significantly in the transport and industry sectors in the coming years. Several DSOs already today indicate challenges with capacity and power security and have or will implement power tariffs as an economic incentive to prevent these problems. For energy intensive customers, such as industries, it will become important to reduce power peaks to avoid high grid fees. Several peak load shaving strategies can be utilized by industries to reduce their power peaks and thus the power tariff. The aim of this study is to economically analyze peak load shaving for Swedish industries. This is done using Li-Ion BESS and DSM, and to maximize the utilization of the BESS by including energy arbitrage and FFR market participation into the analysis. Firstly, a literature review is conducted within the topics of peak load shaving strategies, energy arbitrage and ancillary services. Secondly, data is gathered in collaboration with WSP Systems – Energy, the initiators of the project, to conduct case studies on two different industries. These cases are simulated in the modeling software SAM, for technical analysis, and then economically evaluated with NPV. Also, nine scenarios are created for the emerging FFR market concerning the number of activations per year and the compensation price per activation. The results from the case studies indicate that peak load shaving of 1 – 3 % with BESS provides a positive NPV for both case industries. However, higher percentages result in negative NPVs when no additional revenue streams are included. When considering energy arbitrage, it is concluded that the additional revenues are neglectable for both industries. Participating in the FFR market provides similar trends in the results as before. The exception is valid for scenarios with high numbers of FFR activations and compensation prices, where positive NPVs for all levels of peak load shaving can be concluded. The peak load shaving strategy DSM is implemented for one of the industries, where efficiency measures are concluded to have the most impact on the economic evaluation. If all efficiency measures would be implemented, the electricity consumption would be reduced by 17 %. Additionally, the power peaks would be reduced with 18 % and result in a significantly more positive NPV than peak load shaving using BESS. A sensitivity analysis concerning BESS capital cost and power tariff price concludes that the BESS price has a strong relation to the NPV, where a BESS price reduction of 60 % results in an NPV increase of at least 100 %. BESS prices have decreased the past years and are expected to keep decreasing in the future. Hence, investments in BESS can become more profitable and attractive in the coming years. Finally, for future research, it is recommended to combine the methodology from this study together with a load forecasting method. This combined methodology could then be practically applied to case specific industries with high peak loads. / Det svenska elnätet har historiskt sett varit robust och pålitligt, men i takt med ökad elektrifiering i flera sektorer, utfasning av kärnkraft samt ökad mängd installerad vindkraft ställs nu systemet inför nya utmaningar. Bland annat förväntas rotationsenergin i systemet minska som ett resultat av högre andelar intermittenta energikällor i systemet. För att hantera detta kommer den nya Fast Frequency Reserve (FFR) marknaden finnas tillgänglig från och med juni 2020. Samtidigt förväntas även efterfrågan på el inom transport- och industrisektorn öka markant de kommande åren. Redan idag är effektbrist ett problem i vissa regioner, vilket kan komma att förvärras. Många nätägare ska eller har redan infört effekttariffer för utnyttjande av deras elnät, vilket är ett ekonomiskt incitament för att hantera effektproblematiken där kunder med en mer flexibel elkonsumtion kommer gynnas. För större elförbrukare, som exempelvis industrier, kan det bli ekonomiskt betydelsefullt att sänka sina effekttoppar och därmed undvika höga nätavgifter. För att minska effekttoppar finns ett flertal så kallade peak load shaving-strategier, som kan utnyttjas av industrier för att minska kostnaderna för effekttariffen. Syftet med denna studie är att analysera peak load shaving för svenska industrier, med hjälp av ett Li-Ion batterilagringssystem och efterfrågeflexibilitet, samt maximera utnyttjandet av batteriet genom att inkludera energiarbitrage och deltagande i FFR-marknaden i analysen. Ett första steg i arbetet är att utföra en litteraturstudie för de berörda områdena. I ett andra steg insamlas data tillsammans med WSP, initiativtagaren av projektet, för att kunna göra en fallstudie på två industrier. För dessa fallstudier undersöks de tekniska förutsättningarna för att implementera peak load shaving-strategier genom modellering i simuleringsprogrammet SAM. Sedan utreds de ekonomiska förutsättningarna för fallstudierna, där NPV används som ekonomiskt nyckeltal. Dessutom skapas nio scenarion för den kommande FFR-marknaden för att uppskatta kostnader och inkomster. Resultatet av fallstudien visar att 1 – 3 % kapade effekttoppar med batterilagring ger ett positivt NPV för båda industrierna. Över 3 % blir resultatet negativt utan ytterligare inkomstströmmar inkluderade. Energiarbitrage konstateras att bidra med marginella positiva fördelar. Vid inkludering av FFR-marknaden i analysen erhålls liknande trender i resultaten, bortsett från scenarion med relativt högt antal avrop och pris. I dessa fall blir även 4 – 10 % kapade effekttoppar ekonomiskt attraktiva. För en av industrierna utvärderas efterfrågeflexibilitet, där effektivisering av elkrävande processer har störst inflytande på resultatet. Vid implementering av samtliga effektiviseringsåtgärder skulle elkonsumtionen minska med 17 %. Dessutom minskar effekttopparna med 18 %, vilket resulterar i ett signifikant mer positivt NPV, jämfört med användningen av batterilager. En känslighetsanalys gällande batteripris och effekttariffer, konstaterade att batteripriset har en stark påverkan på NPV. Vid en batteriprisminskning på 60 % ökar NPV med minst 100 %. Därmed kan batteriinvesteringar bli mer gynnsamma och attraktiva om batteripriser fortsätter att falla, vilket flera prognoser indikerar. Slutligen rekommenderas framtida studier att kombinera metodiken från detta arbete med en prognostiseringsmetod för elanvändning i industrier. Denna kombinerade metod kan sedan praktiskt tillämpas på fallspecifika industrier med höga effekttoppar.

The global energy system is under transformation. The energy transition from a centralized, fossil fuel based energy system to a more decentralized, renewable energy based system will challenge the balancing of electricity supply and demand. This stresses the importance of grid flexibility. In this challenge, energy storage will play a valuable role as it can provide flexibility and support the renewable energy integration. More specifically, lithium-ion battery energy storage systems (Li-ion BESS) demonstrate technological advantages and valuable application possibilities in the electricity grid. This thesis examines opportunities and barriers for deployment of grid-scale Li-ion BESS in the Swedish electricity market, and provides an overview of different perspectives of possibilities with BESS from several market actors. The purpose of the exploratory study is to gain an understanding of prospects for grid-scale BESS in Sweden. Through a comprehensive literature study and an empirical study, based on fourteen interviews with various actors in the electricity market, data was collected and analyzed. The analysis of the empirical findings resulted in two tables summarizing opportunities and barriers for implementation of BESS in Sweden. The opportunities and barriers are categorized into three hierarchical levels; contextual level, power system level and BESS level, referring to where in the system the benefits or hinders are localized. Also, key discussion points related to BESS (such as storage time perspective, ownership, grid services, cost, price signals and knowledge gap) are explored and evaluated. Furthermore, to understand the possibilities for grid-scale BESS in Sweden, a potential business setup for BESS is assessed and analyzed to identify preconditions for BESS to be attractive on the Swedish electricity market. The findings of the thesis indicate that grid flexibility is most likely going to be a considerable issue within 10-20 years. By the time of the potential nuclear phase out in Sweden, there will be major instabilities in the electricity grid if solutions are not in place. Therefore, keys to grid flexibility need to be evaluated and planned for well in advance, and the findings indicate that BESS could be a possible part of the solution. Until now, the regulatory framework has been perceived as rather unclear when it comes to energy storage, which has led to uncertainties among the market actors. These unclarities are about to be clarified with new laws and regulations, which will enable potential businesses for BESS. With the changes in the regulatory framework in place, we see an opportunity with new actors on the market. Our analysis shows that the BESS owner will most likely be a commercial actor, to enable utilization of a BESS for combined applications. An important factor, affecting the possibilities of implementing BESS on the Swedish electricity market, is the cost of BESS. We consider the cost aspect as vital for the likelihood of deploying BESS in Sweden. Based on our main findings, we conclude several preconditions for the deployment of BESS in Sweden. These are; decreased costs of BESS, acceptance from market actors, increased knowledge, a trading platform for grid services provided by a BESS, coordination between markets and electricity load forecasts. We believe that if these preconditions are fulfilled, Li-ion BESS has a chance to affect and have an impact on the Swedish electricity market. / Dagens energisystem är under förändring. Det sker en omvandling där energisystemet går från att vara centraliserat och fossilbaserat till att bli mer decentraliserat och baserat på förnybar energi. Detta kommer att utmana balanseringen av elproduktion och elkonsumtion, vilket betonar vikten av flexibilitet i elnätet. I den stundande utmaningen kommer energilagring att spela en viktig roll eftersom det kan bidra med flexibilitet och samtidigt stödja integrationen av mer förnybar elproduktion. Mer specifikt har energilagersystem med litiumjon-batterier flertalet tekniska fördelar och värdefulla användningsområden i elnätet. Det här examensarbetet utforskar möjligheter och hinder för en framtida implementering av nätanslutna litiumjonbatterilager på den svenska elmarknaden och ger en överblick över perspektiv på utsikter för batterilager från flertalet marknadsaktörer. Syftet med den utforskande studien är att få en ökad förståelse för framtidsutsikterna för storskaliga batterilager i Sverige. Genom en omfattande litteraturstudie och en empirisk studie, baserad på fjorton intervjuer med olika aktörer på elmarknaden, samlades data in och analyserades. Analysen av de empiriska resultaten resulterade i två tabeller som sammanfattar möjligheter och hinder för implementering av batterilager i Sverige. Möjligheterna och hindren kategoriseras i tre hierarkiska nivåer; kontextuell nivå, kraftsystemnivå och batterilagersystemnivå, med hänvisning till var i systemet fördelarna eller barriärerna är lokaliserade. Dessutom utvärderas flera betydande diskussionsteman relaterade till batterilager (såsom lagringstid, ägande, nättjänster, kostnad, prissignaler och kunskapsluckor). För att förstå möjligheterna för att etablera batterilager i Sverige har en möjlig affärsuppställning utvärderats och analyserats. Detta för att identifiera förutsättningar för att batterilager ska vara attraktivt på den svenska elmarknaden. Examensarbetets resultat tyder på att nätflexibilitet sannolikt kommer att bli ett betydande problem inom 10-20 år. Den troliga avvecklingen av den svenska kärnkraften kommer att resultera i instabilitet i elnätet om inte lösningar finns på plats. Därför behöver lösningar för att uppnå flexibilitet i elnätet utvärderas och planeras i god tid och uppsatsens resultat visar på att batterilager kan vara en möjlig del av lösningen. Fram till nu har det funnits oklarheter i regelverket gällande energilagring, vilket har lett till osäkerheter hos marknadsaktörerna. Nya lagar och förordningar kommer att klargöra flertalet osäkerheter och möjliggöra potentiella affärer med batterilager. När det förändrade regelverket är på plats, ser vi potential för nya aktörer på marknaden. Vår analys visar på att batterilager med största sannolikhet kommer att ägas av kommersiella aktörer för att möjliggöra kombinerade användningsområden av batterilager. Möjligheterna till implementering av batterilager på den svenska elmarknaden påverkas i hög grad av kostnaden för batterilager. Vi anser att kostnadsaspekten är avgörande för sannolikheten att utnyttja batterilager i Sverige. Vår slutsats är att det finns flertalet förutsättningar för att batterilager ska bli attraktivt och lönsamt i Sverige. Dessa är; minskade kostnader för batterilager, acceptans från marknadsaktörer, ökad kunskap, en handelsplattform för nättjänster som tillhandahålls av batterilager, samordning mellan marknader samt lastprognoser. Om dessa förutsättningar uppnås anser vi att litiumjon-batterilager har en chans att påverka den svenska elmarknaden.

The battery energy storage system (BESS) is crucial for the energy transition and decarbonisation of the energy sector. However, reliability assessment and capital cost challenges can hinder their widespread deployment. Reliability and cost-benefit analysis help address these challenges and assess BESS adoption's feasibility and viability, which is the aim of this project. A BESS contains various components such as battery packs, inverters, a DC/DC converter, a Battery Thermal Management System (BTMS), electrical protection devices, a transformer, and an Energy Management System (EMS). All these fundamental components must be considered to obtain a complete reliability prediction. Most previous studies focused on the reliability analysis of individual components, but few consider all the abovementioned components in collective reliability analysis. In this thesis, each component is mathematically modelled to estimate failure rates and then used to predict the reliability of the overall BESS system. The model accuracy is verified by comparing the computed reliability indices with the values from standards/references, showing that the proposed reliability prediction methods provide reasonable outcomes. Different scenarios to enhance BESS reliability through component redundancy are explored in this project. It is proved that applying component redundancy can boost the overall BESS reliability at the price of an increased capital cost. However, the enhancement in reliability and lifespan due to component redundancy can also curtail maintenance costs. A cost-benefit analysis assesses each scenario's profitability, considering manufacturers' and owners' perspectives. It helps determine the optimal balance between reliability and profitability. Redundancy applied to components with higher failure rates and lower costs improves the reliability and profitability of the BESS. The finding highlights the importance of strategic component selection for enhancing BESS reliability. Careful reliability and cost analysis should be performed simultaneously to find the most optimised BESS scenario. / Batterienergilagringssystemet (BESS) är avgörande för energiomställningen och avkarboniseringen av energisektorn. Tillförlitlighetsbedömning och utmaningar med kapitalkostnader kan dock hindra deras utbredda användning. Tillförlitlighet och kostnads-nyttoanalys hjälper till att hantera dessa utmaningar och utvärdera BESS-antagandets genomförbarhet och genomförbarhet, vilket är syftet med detta projekt. Ett BESS innehåller olika komponenter som batteripaket, växelriktare, en DC/DC-omvandlare, ett Battery Thermal Management System (BTMS), elektriska skyddsanordningar, en transformator och ett energiledningssystem (EMS). Alla dessa grundläggande komponenter måste beaktas för att få en fullständig tillförlitlighetsförutsägelse. De flesta tidigare studier fokuserade på tillförlitlighetsanalys av enskilda komponenter, men få beaktar alla ovan nämnda komponenter i kollektiv tillförlitlighetsanalys. I denna avhandling modelleras varje komponent matematiskt för att uppskatta felfrekvensen och används sedan för att förutsäga tillförlitligheten hos det övergripande BESS-systemet. Modellens noggrannhet verifieras genom att jämföra de beräknade tillförlitlighetsindexen med värdena från standarder/referenser, vilket visar att de föreslagna metoderna för tillförlitlighetsprediktion ger rimliga resultat. Olika scenarier för att förbättra BESS-tillförlitligheten genom komponentredundans utforskas i detta projekt. Det är bevisat att tillämpning av komponentredundans kan öka den övergripande BESS-tillförlitligheten till priset av en ökad kapitalkostnad. Förbättringen av tillförlitlighet och livslängd på grund av komponentredundans kan dock också minska underhållskostnaderna. En kostnads-nyttoanalys bedömer varje scenarios lönsamhet, med hänsyn till tillverkarnas och ägarnas perspektiv. Det hjälper till att bestämma den optimala balansen mellan tillförlitlighet och lönsamhet. Redundans som tillämpas på komponenter med högre felfrekvens och lägre kostnader förbättrar tillförlitligheten och lönsamheten för BESS. Resultatet belyser vikten av strategiskt komponentval för att förbättra BESS-tillförlitligheten. Noggrann tillförlitlighets- och kostnadsanalys bör utföras samtidigt för att hitta det mest optimerade BESS-scenariot.

To enable fast charging of electric vehicles in Stockholm or sites where the electrical energy is limited and the number of chargeable vehicles increases, there is a need to investigate new solutions to comply with the future demand. The goal of this project is to investigate what the conditions are in Stockholm today and investigate what is needed to enable fast chargers in Stockholm city. Both what electrical equipment is necessary and develop a model to simulate the flow for the available energy and the demanded energy from a charging location. The result shows that battery energy storage systems can help the chargers, but to what degree depends on demand and availability. What is shown is, if the total maximum power demand is greater than the available power from the grid, a battery could be beneficial. In the scenarios, it has been enough to have a 150 kWh battery to increase the total charged energy over the day by more than two times what the grid could supply. / För att möjliggöra snabbladdning av elfordon i Stockholm eller platser där elenergin är begränsad och andelen laddbara fordon ökar måste nya lösningar undersökas för att möta framtidens behov. Målet med detta arbete är att undersöka vad det finns för förutsättningar för laddning i Stockholm i dagsläget och undersöka vad som krävs för att införa snabbladdare i Stockholms stad; vilken elektrisk utrustning som krävs samt ta fram en modell för att simulera ett flöde av tillgänglig energi och efterfråga för en laddplats.  Resultatet av studien är att batterienergilagringsystem kan hjälpa laddarna, men de bidrar olika mycket beroende på efterfrågan och energitillgång direkt från nätet. Om det totala maxeffektbehovet från laddgatan är högre än vad elnätet kan leverera kan det vara lönsamt att ha installerade batterier. I dessa scenarion har det räckt med ett batteri på 150 kWh för att kunna öka den energimängd som laddas över till elfordon under ett dygn med mer än dubbla nätets kapacitet.

Is battery energy storage a feasible solution for lowering the operational costs of electric vehicle fast charging and reducing its impact on local grids? The thesis project aims at answering this question for the Swedish scenario. The proposed solution (fast charging station coupled with storage) is modelled in MATLAB, and its performance is tested in the framework provided by Swedish regulation and electricity tariff structure. The analysis is centred on the economic performance of the system. Its cost-effectiveness is assessed by means of an optimisation algorithm, designed for delivering the optimal control strategy and the required equipment sizing. A mixed-integer linear programming (MILP) formulation is utilised. The configuration and operative costs of conventional fast charging stations are used as a benchmark for the output of the optimisation. Sensitivity analysis is conducted on most relevant parameters: charging load, battery price and tariff structure. The modelling of the charging demand is based on statistics from currently implemented 50 kW DC chargers in Sweden. Overall, results show that with current figures the system may be an economically viable solution for both reducing costs and lowering the impact on the local distribution grid, at least during peak-period pricing. However, sensitivity analysis illustrates how system design and performance are highly dependent on input parameters. Among these, electricity tariff was identified as the most important. Consequently, detailed discussion on the influence of this parameter is conducted. Finally, the study shows how the system is in line with most recent directives proposed by the European Commission.

One of the key challenges the world will need to face during the 21st century is global warming and the consequent climate change. Its presence is indisputable, and decarbonizing the gird emerges as one of the required pathways to achieve global sustainable objectives. Solar energy power plants have the potential to revert this situation and solve the problem. One way to harness this energy is through Concentrated Solar Power plants. The major advantage and potential of this technology is its ability to integrate cost-effective Thermal Energy Storage (TES), which is key with such an inherently intermittent resource. On the other hand, the drawback is the high current Levelized Cost of Energy (LCOE). The other main way to harness that highlighted solar energy is the use of Photovoltaic panels, which have recently achieved very competitive LCOE values. On the other hand, the storage integration is still a very pricey option, normally done with Battery Energy Storage Systems (BESS). As a conclusion, a hybrid power plant combining the LCOE of the PV and the TES of the CSP emerges as the key way of achieving a very competitive solution with a big potential. This master thesis aims at exploring the possibilities of a hybrid CSP and PV power plant with a sCO2 power cycle, integrated in the primary, secondary and tertiary electricity markets. To achieve this purpose, firstly, a Python-based Energy Dispatcher was developed to control the hybrid power plant. Indeed, the Dispatcher is the tool that decides when to produce, when to store… following an optimization problem. This can be formulated mathematically, and that was done and integrated into the Python code using Pyomo, a software for optimization problems. As a result, the Dispatcher achieved an effective control of the plant, showing intelligent decisions in detailed hourly analyses. The results were very promising and included optimization functions as maximizing the profitability of the plant or the total production, among others. To proceed with the Techno-economic assessment of the hybrid plant, the electricity markets were studied. The main source of income of any power plant is normally the revenue from selling electricity to the grid, but since there are several markets, there are also other possibilities. In this thesis, it was assessed from a Techno-Economic perspective how the performance and optimal design of the plants vary when providing different services extra to selling electricity to the grid. The conclusion was that even though the Net Present Value (NPV) achieved working on the spot market was already very high, the extra value added from participating in the secondary or tertiary markets was indisputable. Indeed, the profits attained in those markets were between two and four times higher than the ones of the spot market. This is a specific case, but a trend was identified: these hybrid power plants have a huge possibility and a bright future on the service markets. As a consequence, this thesis shows the huge potential of hybrid power plants integrated in the grid participating in several markets. It also lays the foundation for future studies in other locations, under different conditions and with different technologies, among others.

With the ever-increasing adoption of renewable energy sources, the seamless integration of PV systems into existing grids becomes imperative. Therefore, this study investigates the integration of a PV-ESS system into sustainable urban living. It entails the development and evaluation of forecasting models for PV production and electricity consumption using artificial neural network models, as well as the analysis of linear optimization algorithms. These investigations give insight into the benefits, challenges, and implications of implementing a PV-ESS system. The photovoltaic generation forecasting model demonstrates high accuracy in winter months while encountering complexity in dynamic summer conditions. The model for estimating power demand poses challenges due to a variety of factors, including human behaviour and data quality.Moreover, the study focuses on the formulation and assessment of linear optimization models with two aims: minimizing costs and optimizing self-consumption. The first continually reduces electricity costs while increasing self-consumption, whereas the second maximizes self-consumption, with limitations in winter battery use. Finally, forecast precision appears as a crucial factor for optimization models. Forecast errors have an impact on the system’s operation. Improving forecasting accuracy and adaptive control strategies are therefore critical. / Med den ständigt ökande användningen av förnybara energikällor blir sömlös integration av solcellssystem i befintliga elnät nödvändig. Därför undersöker denna studie integrationen av ett solcellsenergilagringssystem (PV-ESS) i hållbart stadsboende. Det innefattar utveckling och utvärdering av prognosmodeller för solcellsproduktion och elförbrukning med hjälp av artificiella neurala nätverksmodeller, samt analys av linjär optimeringsalgoritmer. Dessa undersökningar ger insikt om fördelarna, utmaningarna och konsekvenserna av att implementera ett PV-ESS-system. Modellen för prognostisering av solcellsgeneration visar hög noggrannhet under vintermånaderna men stöter på komplexitet under dynamiska sommarförhållanden. Modellen för att uppskatta elförbrukning står inför utmaningar på grund av olika faktorer, inklusive mänskligt beteende och datakvalitet. Dessutom fokuserar studien på formulering och utvärdering av linjära optimeringsmodeller med två mål: att minimera kostnader och optimera självkonsumtion. Den första minskar kontinuerligt elkostnader samtidigt som den ökar självkonsumtionen, medan den andra maximerar självkonsumtionen med begränsningar i vinterbatterianvändning. Slutligen framstår precision i prognoser som en avgörande faktor för optimeringsmodeller. Prognosfel påverkar systemets drift. Därför är förbättring av prognosnoggrannhet och adaptiva kontrollstrategier avgörande.