La micro cogénération désigne la génération simultanée de deux types d’énergie à faible puissance. En énergétique, ce terme désigne en pratique la production simultanée d’électricité et de chaleur : le principe reposant sur la récupération de la chaleur fatale induite par la production électrique. Deux bancs d’essais ont d’abord été réalisés sur deux prototypes de micro cogénérateurs : un moteur Stirling à gaz et un moteur à vapeur à granulés de bois. Une campagne expérimentale a été menée pour caractériser chaque système au niveau énergétique et environnemental. Les résultats expérimentaux ont abouti sur deux modèles numériques dynamiques et semi-physiques de micro cogénérateurs programmés dans l’environnement numérique TRNSYS où une plateforme numérique de simulation a été développée. Celle-ci intègre principalement des modèles de systèmes de stockage d’énergie, des générateurs stochastiques de fichiers de besoins énergétiques et des stratégies innovantes de pilotage des systèmes et des charges selon des critères de précision et de réalisme.Cette plateforme a permis d’évaluer la pertinence énergétique, environnementale et économique de micro cogénérateurs couplés aux bâtiments d’habitation et au réseau électrique selon différentes configurations. / Micro combined heat and power (µCHP) or cogeneration means the simultaneous generation of two energy types. In energetic fields, this term refers usually to the simultaneous production of electricity and heat: the principle being based on the recovering of the fatal heat induced by the electricity production processes.Firstly, two test benches were carried out on two µCHP prototypes: a gas Stirling engine and a wood pellets steam engine. Experimental investigations were conducted to characterize each system at energy and environmental levels. The experimental results led two dynamic and semi physical numerical models of µCHP systems programmed in the numerical tool TRNSYS where a numerical platform has been developed. This platform integrates mainly energy storage systems models, stochastic energy needs file generators and innovative management strategy of systems and energy loads according to precision and realism criteria.This platform allows assessing realistic energy, environmental and economic relevance of µCHP systems coupled with dwelling buildings and the power grid according to different configurations.

La thèse présente un modèle d’optimisation mathématique ainsi qu’une méthodologie d’étude pour la conception optimale de réseaux de chaleur et de froid flexibles et intégrant des technologies innovantes (les smart réseaux ou réseaux 4e génération). Dans ce modèle, différentes contraintes énergétiques, économiques et environnementales sont alors considérées. Le modèle considère des réseaux de chaud (ou de froid) à différents niveaux de température, ainsi que différents sites de production et demande d’énergie. Le tracé du réseau ainsi que la configuration de l’ensemble des systèmes de production sont obtenus en minimisant soit l'exergie totale consommée soit le coût total pour l’investissement et l’opération des systèmes. Le modèle mathématique développé est formulé en un problème MINLP multi-période. Les contraintes du modèle sont présentées dans plusieurs modèles imbriqués. Le premier modèle M1 est multi-période et inclut les contraintes d’échanges avec le réseau et un moyen de stockage thermique. Le deuxième modèle, appelé M2, contient l’ensemble du modèle M1 ainsi que des nouvelles contraintes permettant de dimensionner des pompes à chaleur à COP variable. Le troisième modèle M3 inclut le modèle M2 ainsi que de nouvelles contraintes pour le tracé géographique des réseaux et la prise en compte des flux d’électricité. Une méthodologie d’étude est aussi présentée, permettant, à l’aide du modèle M3 développé, de traiter des cas d’étude complexes et réalistes. La méthodologie propose une décomposition du problème selon trois étapes consécutives. Cette méthodologie est alors utilisée et illustrée pour un cas d’étude complexe : l’optimisation d’un nouveau quartier, considérant des PAC, un stockage de chaleur saisonnier et de la production PV. / This thesis presents a mathematical optimization model and a methodology for the optimal design of district heating and cooling networks. The various constraints in energy balances, costs and environmental criteria can be considered in order to propose structures of flexible and innovative networks.The model allows the consideration of heating (or cooling) networks at different temperature levels, as well as different production sites and heat demands. The network’s layout as well as the optimal architecture of the heat production systems are achieved by minimizing either the total exergy consumed or the total cost for the investment and operation of the systems.The developed mathematical model is formulated into a multi-period MINLP problem. The constraints of the model are presented in nested models. The first model M1 considers the multi-period aspect and includes the constraints related to the heat exchanges between production/demand streams with the network and a thermal storage. The second model, called M2, contains the entire model M1 as well as new constraints for sizing heat pumps with variable COP. The model M3 includes the model M2 as well as new constraints for the geographical layout of the networks and the consideration of electricity balance in the problem.A methodology is also presented making it possible, using the model M3, to deal with complex and realistic case studies. The methodology proposes a decomposition of the problem following three consecutive steps. This methodology is then used for the optimization of a new district, considering heat pumps, seasonal heat storage and PV production.

This dissertation deals with the optimization of the dry floor design by solving the innovative floor composition supported by the development of a new floor element, doing so from the point of view of building physics – especially the heat and mass transfer in buildings – with the consideration for the benefits for acoustics. It is aimed at dry floors application to modern timber structure. In the area of heat and mass transfer in buildings, the impact of thermal stability of rooms and its increase in the use of a new floor structure is investigated with the inclusion of a proposed element improving the thermal storage capacity of the floor. All this in the context of ensuring the possible floor heating integration. In the evaluation of thermal stability in rooms, those operating conditions that are accompanied by interrupted heating, are considered to be key. After describing the current state of solving this issue, the main focus of this dissertation is its own development and design of a specific floor element and its integration into the floor composition. An important part of the dissertation consists of related numerical simulations, its own experiment, relevant measurements in the experimental object, and their evaluation.

The thesis deals with energy simulation of a solar energy system in a low-energy family house with warm-air heating. The simulations performed resulted in the assessment of the energy contribution of four solar systems with different types of collectors. The profitability and return of investment for the particular system have been evaluated based on investment costs and the savings gained. The theoretical part includes an introduction to the solar energy field, solar panel systems and the passive house concept. The practical part is devoted to description of the simulated object models as used in the TRNSYS environment, the simulation results evaluation along with the assessment of the economic return on investment. The conclusion recommendations regarding a suitable type and size of the solar panel with respect to the economic criteria chosen are given.

Behovet av att kunna lagra energi blir allt större och nödvändigare i takt med utvecklingen och användningen av de förnyelsebara energikällorna. Bergrumslagring är en beprövad metod som oftast används för att säsongslagra värme från fjärrvärme. Tidigare har ett examensarbete på PiteEnergi utförts med mål att undersöka om det är möjligt att lagra fjärrvärme från ett lågtempererat nät på Haraholmen i ett närliggande bergrum. Resultatet blev att det fanns goda förutsättningar men vid urladdning fanns en stor mängd energi fortfarande kvar i bergrummet. Detta arbete är en fortsättning på det, att undersöka om det är möjligt att nyttja även den lågvärdiga energin i bergrummet med en nedsänkt värmeväxlare. Den nedsänkta värmeväxlaren har i detta examensarbete konstruerats och resulterade i 3 mil långa stålrör, uppdelade i fem parallellkopplade värmeväxlare med ytterdiametern 89 mm.  Den nedsänkta värmeväxlaren som i detta projekt är konstruerad har en återbetalningstid på 10 år och en livslängd på 30 år. Vinsten av investeringen skulle efter 30 år vara ungefär 30 miljoner kronor. Ungefär 1 GWh mer än tidigare är möjligt att årligen ta ut med en nedsänkt värmeväxlare, jämfört med en klassisk som endast nyttjar den högvärdiga energin i bergrumsvattnet som är tillräckligt varmt att köra direkt ut på fjärrvärmenätet. / As the development and use of renewable energy sources grow, the need for energy storage is becoming increasingly important. Rock storage is a tried and tested method most commonly used to store seasonal heat from district heating. A previous degree project was carried out at PiteEnergi, with the aim of investigating whether it is possible to store district heating from a low-temperature grid at Haraholmen in an adjacent cavern. The conclusion was that there are good conditions for rock storage, but when discharging there were still a lot of energy left in the cavern. This degree project is a continuation of a previous work, to investigate the possibility of using a submerged heat exchanger to utilize even the low energy left in the underground caverns. The submerged heat exchanger has been designed in this thesis and resulted in 30 kilometre long steel pipes, divided into five parallel coupled heat exchangers with the outer diameter of 89 mm. The immersed heat exchanger constructed in this project has a payback time of 10 years and a life expectancy of 30 years. After 30 years, the profit from the investment would be about 30 million SEK. Compared to a classic heat exchanger, the submerged heat exchanger has the possibility of annually charging about 1 GWh more than before. This compared to a classic heat exchanger that only uses the high-quality energy from the water in the underground cavern that is hot enough to run directly to the district heating network.

This thesis is part of a joint thermochemical heat storage (TCS) research project named Neutrons for Heat Storage (NHS), involving three Nordic research institutes. The project isfunded by Nordforsk and KTH Royal Institute of Technology for the project partner KTH. KTH´s objective in the NHS project is to design, build and operate a bench-scale TCS system using strontium chloride (SrCl2) and ammonia (NH3) as a solid-gas reaction system for low temperature heat storage (40-100 ℃). Here, absorption of NH3 into SrCl2⋅NH3 (monoammine) to form SrCl2⋅8NH3 (octaammine) is used for heat release, and desorption (of NH3 from SrCl2⋅8NH3 to form SrCl2⋅NH3) for heat storage. This thesis initially aimed to conduct commissioning, operation and experimental data acquisition, and performance evaluation of the bench-scale TCS system. However, due to various delays in equipment delivery and shortcomings discovered during the project timeline, its objectives were then redefined to partially commission the system with NH3 and carry out the first absorption cycle in one of the reactors. This thesis project was partly a joint project, where Hjörtur Brynjarsson performed various tasks in the overarching NHS project as part of his thesis project, alongside the work described in this report. Brynjarsson’s work involved reviewing and adapting the design of this bench-scale TCS system. For further details about the shortcomings discovered and corresponding design adaptations, readers are referred to Brynjarsson’s report. In this thesis project, to understand the design of the TCS system, background research on the current project and the SrCl2-NH3 reaction pair was conducted. This includes comprehending the evolution of the project carried out by the previous students and project researchers to the current thesis project. Following this, the maximum theoretical volume of composites in the reactor-heat exchanger (R-HEX) was determined. This was found to be 5262 cm3, and the corresponding SrCl2 in the R-HEX is 1631 g for an average salt density in the composite of 0.31g/cm3. Thereupon, a literature review was conducted on the performance evaluation of Thermal energy storage (TES) systems. The final report of International Energy Agency (IEA) Annex 30 (on Applications of TES in the Energy Transition: Benchmarks and Developments) presents numerous Key Performance Indicators (KPIs) relevant to TES systems and are classified into technical, economic, and lifetime performance indicators. These KPIs are used as the basis for the current thesis work and are compared to examples from other metalhalide-NH3 TCS systems. Finally, for the current thesis project, it was decided to focus the KPIs on technical performance indicators, such as energy storage capacity [kJ] and reaction advancement [-]. As one of the main tasks within the project, the data acquisition system (for measuring temperature, pressure, and mass flow rate parameters), as well as the system components and many final connections, were commissioned herein. A data acquisition manual is thus provided for future use. It considers all the data measuring instruments and their respective locations in the system and the data logger. Also, explanations are provided for the calibration of these instruments. As the next main task, a thermal homogeneity test of the reactors (to compare the heat transfer similarity of reactors before the first reaction) was performed, to investigate the underlying assumption that the reactors were identical was valid. After conducting the test, it was found that reactor A had slightly better heat transfer than reactor B. However, this inhomogeneity is not significant enough to affect the system’s overall performance. As the final main task, partial commissioning of the system (i.e., for the first absorption reaction in reactor B) with N2 (as a mock-test to troubleshoot the procedure forNH3) and then with NH3 were carried out. During the partial commissioning of the system using NH3, the NH3 was added in short pressure pulses (between 5-8 bar(a)) with idling between each pulse due to some practical reasons. In addition to this, the absorption reaction was carried out under less than ideal (still not unfavourable) absorption conditions by deliberately setting the heat transfer fluid (HTF) at high temperatures (e.g., at 105, 90, and 65 °C) to avoid a drastic pressure drop in the reactor between each NH3 pulse. At the end of the NH3 commissioning (possible completion of absorption), it was found that 1541 g of NH3 passed through the mass flow meter. The most likely scenario is that 1521 g of NH3 reacted with the SrCl2 salt in the reactor (the rest, 20 g, is in the dead space, comprised of, e.g., the voids in composite, voids in the R-HEX, and the volume in the gas lines). The heat released from the absorption reaction, in this case, is 3774 kJ (or 1.05 kWh), considering all eight ammines. The heat released from the absorption reaction of SrCl2∙NH3 (monoammine) to SrCl2∙8NH3 (octaammine) is 3224 kJ (or 0.89 kWh). The discharge power calculation is excluded here due to the special approach used in this first absorption, with long idling steps, making that irrelevant. In addition, the sustainability aspects of this TCS technology (SrCl2-NH3) used in this project were analyzed. Based on the analysis, it was found that this technology is environmentally friendly, economically feasible, and can aid in social development. Hence, this technology is considered sustainable, and the designed TCS system has an overall positive impact on sustainable development. To conclude, within this project, the designed TCS system was successfully operated for the first absorption in one reactor and is found to meet the design storage capacity (0.89 kWh). As this TCS system was mainly operated for data acquisition, and since the first absorption was performed at less-than ideal conditions, better absorption conditions are recommended for the subsequent cycles, accommodating better temperature and pressure conditions for both absorption and desorption reactions. Finally, evaluation of the system's technical performance at different reaction conditions (pressure, temperature) and optimizing the system for energy and economics are some of the key follow-up tasks for future work that will benefit the system. / Detta exjobbsprojekt är en del av ett forskningsprojekt Neutrons for Heat Storage (NHS), som handlar om termokemisk energilagring (TCS) och genomfördes med hjälp av tre nordiska forskningsinstitut. Projektet finansieras av Nordforsk och KTH Kungliga Tekniska Högskolan för KTH. I NHS-projektet, KTH:s mål är att utforma, bygga och driva ett TCS-system i bänkskala med ett fast-gasreaktionssystem som använder reaktionsparet strontiumklorid (SrCl2) och ammoniak (NH3), för värmelagring vid låg temperatur (t.ex. 40-100 ℃). Här används specifikt absorption av NH3 i SrCl2⋅NH3 (monoammin) till SrCl2⋅8NH3 (oktaammin) för värmeavgivning och desorption av NH3 från SrCl2⋅8NH3 till SrCl2⋅NH3 för värmelagring. Detta projekt syftade inledningsvis till att genomföra driftsättning, drift och insamling av experimentella data samt utvärdering av prestanda för TCS-systemet i bänkskala. På grund av olika förseningar i leveransen av flertal utrustningar och brister som upptäcktes under projektets gång, omdefinierades målen till att ta en partiell driftsättning av systemet med NH3 och genomföra den första absorptionscykeln i en av reaktorerna. Detta exjobbsprojekt var delvis ett gemensamt projekt, där Hjörtur Brynjarsson utförde olika uppgifter i det övergripande NHS-projektet som en del av sitt exjobbsprojekt, parallelt med arbetet som beskrivs i denna rapport. Brynjarsson’s arbete bestod i att granska och anpassa utformningen av denna bänkskala i TCS-system. För ytterligare detaljer om de brister som upptäcktes och motsvarande anpassningar av utformningen hänvisas läsarna till Brynjarsson’s rapport. I detta exjobbsprojekt, för att förstå TCS-systemets utformning, genomfördes bakgrundsforskning om det aktuella NHS projektet och reaktionsparet SrCl2-NH3. Detta innefattar att förstå utvecklingen av NHS projektet från tidigare projekt utförda av studenter och projektforskare för att sammanställa detta exjobbsprojekt. Därefter fastställdes i detta projekt den maximala teoretiska volymen kompositer i reaktor-värmeväxlare enheten (RHEX). Den visade sig vara 5262 cm3 och att motsvarande SrCl2 i R-HEX är 1631 g för en genomsnittlig salttäthet i kompositen på 0,31 g/cm3. Därefter gjordes en litteraturstudie om utvärdering av prestanda för system för termisk energilagring (TES). Slutrapporten om bilaga 30 från International Energy Agency (IEA) (om tillämpningar av TES i energiomställningen: Benchmarks och Utvecklingar) presenterar ett flertal nyckelindikatorer (KPI:er) för prestandaanalys som är relevanta för TES-system och som är klassificerade i tekniska, ekonomiska och livslängdsindikatorer. Dessa KPI:er används som grund för den aktuella exjobben och jämförs med exempel från andra metallhalogenid-NH3- TCS-system. För detta exjobbprojektet beslutades slutligen att fokusera KPI:erna på tekniska prestandaindikatorer, t.ex. energilagringskapacitet [kJ] och reaktionsframsteg [-]. Som en av huvuduppgifterna inom detta projekt togs datainsamlingssystemet (för mätning av temperatur, tryck och massflödesparametrar) samt systemkomponenterna och många slutliga anslutningar i drift här. En användarmanual för datainsamling tillhandahålls därför för framtida användning. Den gäller alla instrument för datamätning och deras respektive placering i systemet samt dataloggern. Dessutom ges här förklaringar till kalibreringen av dessa instrument. Som nästa huvuduppgift utfördes ett test av reaktorernas termiska homogenitet (för att jämföra reaktorernas likhet i värmeöverföring före den första reaktionen), för att undersöka om det underliggande antagandet att reaktorerna var identiska var giltigt. Efter att ha utfört testet konstaterades det att reaktor A hade en något bättre värmeöverföring än reaktor B. Denna inhomogenitet är dock inte tillräckligt betydande för att påverka systemets totala prestanda. Som sista huvuduppgift genomfördes en partielldriftsättning av systemet (dvs. för den första absorptionsreaktionen i reaktor B) med N2 (som ett simuleringstest för att felsöka förfarandet för NH3) och sedan med NH3. Under den partiella idrifttagningen av systemet med NH3 tillsattes NH3 i korta tryckpulser (mellan 5-8 bar(a)) med tomgång mellan varje puls av praktiska skäl. Dessutom utfördes absorptionsreaktionen under mindre än ideala (men ändå inte ogynnsamma) absorptionsförhållanden genom att värmeöverföringsvätskan medvetet ställdes in på höga temperaturer (t.ex. 105, 90 och 65 °C) för att undvika en drastisk tryckminskning i reaktorn mellan varje NH3-puls. I slutet av NH3-installationen (eventuellt avslutad absorption) konstaterades att 1541 g NH3 passerade genom massflödesmätaren. Det mest sannolika scenariot är att 1521 g NH3 reagerade med SrCl2-saltet i reaktorn (resten dvs., 20 g, finns i det döda utrymmet, som t.ex.består av hålrummen i kompositen, hålrummen i R-HEX och volymen i gasledningarna). Den värme som frigörs från absorptionsreaktionen är i detta fall 3774 kJ (eller 1,05 kWh), om man beaktar alla åtta aminer. Den värme som frigörs från absorptionsreaktionen av SrCl2∙NH3 (monoammin) till SrCl2∙8NH3 (oktaammin) är 3224 kJ (eller 0,89 kWh). Beräkningen av utmatningseffekten är utesluten här på grund av det speciella tillvägagångssätt som används vid denna första absorption, med långa tomgångssteg, vilket gör att den är irrelevant. Dessutom analyserades hållbarhetsaspekterna av denna TCS-teknik (SrCl2-NH3) som användes i detta projekt. På grundval av analysen konstaterades det att denna teknik är miljövänlig, ekonomiskt genomförbar och kan bidra till social utveckling. Tekniken anses därför vara hållbar och det konstruerade TCS-systemet har en övergripande positiv inverkan på hållbar utveckling. Sammanfattningsvis kan man konstatera att det konstruerade TCS-systemet inom ramen för detta projekt används på ett framgångsrikt sätt för den första absorptionen i en reaktor och att det uppfyller den avsedda lagringskapaciteten (0,89 kWh). Eftersom detta TCS-system huvudsakligen användes för datainsamling och eftersom den första absorptionen utfördes under mindre än ideala förhållanden, rekommenderas bättre absorptionsförhållanden för de efterföljande cyklerna, med bättre temperatur- och tryckförhållanden för både absorptions och desorptionsreaktioner. Slutligen är utvärdering av systemets tekniska prestanda vid olika reaktionsförhållanden (tryck, temperatur) och optimering av systemet med avseende på energi och ekonomi några av de viktigaste uppföljningsuppgifterna för framtida arbete som kommer att gynna systemet.

Thermochemical heat storage (TCS) is a thermal energy storage (TES) technology used to store thermal energy for later use. TCS can provide heating or cooling services from intermittently available thermal energy, often low grade waste heat. The system studied here stores and releases the energy in the form of chemical energy by utilizing reversible chemical reactions. TCS has potential to reduce greenhouse gas emissions, increase infrastructure system efficiency, lower society-wide energy system costs and by that contribute to sustainable development. This thesis is part of a joint TCS research project named Neutrons for Heat Storage (NHS), involving three research institutes. The project is funded by Nordforsk and KTH Royal Institute of Technology. KTH´s objective in the NHS project is to design, build and operate a bench-scale TCS system using strontium chloride (SrCl2) and ammonia (NH3) as a solid-gas reaction system for low-temperature heat storage (40-80 ℃). Here, absorption of NH3 into SrCl2⋅NH3 (monoammine) to form SrCl2⋅8NH3 (octaammine) is used for heat release, and desorption (of NH3 from SrCl2⋅8NH3 to form SrCl2⋅NH3) for heat storage. Prior to this thesis project, this TCS system, as well as its reactor+heat exchanger (R-HEX) units, were numerically designed at KTH, and the R-HEX units were manufactured. This system is now being built at the laboratory of Applied Thermodynamics and Refrigeration division at the Department of Energy Technology, KTH. The initial system is comprised of a shared storage tank, expansion valve, ammonia meter and an R-HEX (absorption path); and an R-HEX, ammonia meter, gas cooler, compressor, condenser, and the storage tank (desorption path), to accommodate absorption, desorption, and NH3 storage. This thesis was originally planned to include commissioning, operation and experimental data acquisition, and performance evaluation of this system. However, due to various delays and shortcomings discovered at the beginning of the project, its objectives were then redefined to review the system and its components and propose necessary design adaptations of the initially designed (and partially built) system. This thesis project was partly a joint project, where Harish Seetharaman performed various tasks in the overarching NHS project as part of his own thesis project, performed alongside the work described in this report. For various information and results, referring to Harish´s report therefore will be necessary. A literature review of the research into SrCl2-NH3 systems was conducted, with emphasis on performance evaluation, kinetics, and reaction paths. TES performance evaluation is discussed concerning the TCS key performance indicators, with the 2018 IEA's Annex 30 as a guideline and 2013 IRENA´s E17 technology brief as a comparative reference. Much progress and refinement has been made in the 5-year span between the publications of these documents, but some adaptations and interpretations still need to be made to the Annex 30 approach for a good approach to a TCS system of similar nature as the one studied in this report. Review of the latest research on the kinetics and reaction path of the SrCl2-NH3 reaction pair revealed that the 100-year-old single-line-and-path reaction expression is an oversimplification of the actual chemistry. The reaction path seems to be dependent on the kinetics of the reaction, and varies with heating rate, temperature, and pressure. Various literature was found and compared, which show that the reaction enthalpies and entropies are not settled science. This demonstrates the necessity for further research into the SrCl2-NH3 reaction pair before application-scale product design and commercialization can take place. A comprehensive equipment and system review was conducted, whereby multiple issues were found and addressed, that if gone unnoticed, would have caused difficult setbacks for the project.  Consequently, the previous purchased ammonia flow meters and ammonia compressor, were exchanged for new and better suiting equipment. The original ammonia flow meters were undersized due to miscalculations of converting flow units of NLPH (Normal Liters Per Hour) to the project units of g/s, while wrongly using the density of compressed ammonia to convert to g/s, instead of it at the defined normal conditions. Furthermore, these flow meters were of the wrong type, as they had no digital output for data acquisition. The original compressor was also severely undersized, only capable of evacuating 7-14% of the expected maximum desorption flow. This was due to a similar miscalculation during conversion of NLMP (Normal Liters Per Minute) to g/s, as well as an unrequested compressor stroke reduction. New solutions and additional equipment were then required to accommodate the operational limitations discovered in the final chosen equipment and system configuration. These include limiting the compressor inlet pressure to a maximum of 1.1 bar(a); avoiding risk of NH3 condensation at them inlets of the new mass flow meters and compressor; and maintaining the flow meter and compressor inlet temperatures below 40 °C. The pressure limitations required considerable design adaptations. Firstly, an ammonia by-pass is introduced to keep feeding ammonia into the compressor during low desorption flows. The inlet pressure limitation necessitated active pressure management in the form of pressure reduction valves, which were thus introduced. Secondly, the condensation regulation and temperature management required a new approach, as the cooling and condensation temperatures in the original design were too low, causing risks of far too low temperature and pressure in the desorption path, as well as counter-acting simultaneous heating and cooling between the condenser and the storage tank heating sleeve. As a solution, a shunt pump is proposed, where constant cooling water temperature provides condensation on a tight temperature range using an infinite cold wall approach. Along with reviewing the equipment and the system design, new procedures concerning investigating and confirming homogeneous heat transfer properties of the reactors are proposed. Furthermore, improvements are suggested concerning the commissioning of the experimental rig, that include equipment testing with N2-gas and stepwise changes in temperature in sequential cycles to gain a good understanding of the likely behaviors of the system before it is run at the extremes of the operating range. In conclusion, a new and improved process flow diagram, showing all these adaptations, additions, and changes from the original diagram is presented herein as the final key contribution to the overarching NHS-project. This is complemented with an instruction manual, to allow the next researchers a smooth continuation, in terms of the system build, and later commissioning and operation. Finally, some suitable next steps in the project are suggested. These include a conceptualization of descriptive functions for the performance and behavior of the specific system and reactors. These functions are proposed with temperature and pressure as independent variables, as these are two main variables influencing the kinetics of the reaction in the given system. As no experimental data exists yet, the form of the proposed functions is generic. Furthermore, a suggestion is made for a future adaptation for achieving the phase change from NH3(g) to NH3(l) (which is the storage form of ammonia in the system) by deep cooling at the desorption pressure, resulting in only a liquid pump being required to raise the pressure of the NH3(l) in the storage tank. / Termokemisk energilagring (TCS) är en teknik inom termisk energilagring (TES) som används för att lagra termisk energi för senare bruk. TCS kan tillhandahålla värme och kyla från periodvis tillgänglig termisk energi, ofta lågtemperatur spillvärme. Systemet lagrar energin som kemisk energi genom att använda reversibla kemiska reaktioner och massaseparation av reaktions-produkterna. TCS har potential att minska utsläppet av växthusgaser, öka effektiviteten av system i vår infrastruktur, minska energikostnader i samhället och därmed bidra till hållbar utveckling. Detta exjobbsprojekt är en del av ett gemensamt TCS-forskningsprojekt som heter Neutrons for Heat Storage (NHS), där tre forskningsinstitut deltar. Projektet är finansierat av Nordforsk och Kungliga Tekniska Högskolan. KTH:s mål med NHS-projektet är att projektera, bygga, samt driva ett TCSsystem i bänkskala med strontiumklorid (SrCl2) och ammoniak (NH3) som ett fast-gasreaktionssystem för lågtemperaturvärmelagring (40-80 ℃). Här används absorption av NH3 till SrCl2⋅NH3 (monoammin) för att bilda SrCl2⋅8NH3 (oktaammin) för värmeurladdning och desorption (av NH3 från SrCl2⋅NH3 till SrCl2⋅NH3) för värmelagring. Innan detta exjobbsprojekt började hade detta TCS-system, samt systemets reaktor+värmeväxlare (R-HEX) enheter varit numeriskt projekterad vid KTH, och R-HEX-enheterna hade redan tillverkats. Detta system byggs nu på laboratoriet för Avdelningen för tillämpad termodynamik och kylning vid Institutionen för Energiteknik, KTH. Det initiala systemet består av en gemensam lagringstank, expansionsventil, ammoniakmätare, och en R-HEX (systemets absorptionssida) och en R-HEX, ammoniakmätare, gaskylare, kompressor, en kondensor, och en gemensamma lagringstanken (desorptionssidan), for att rymma absorption, desorption (samtidigt) och NH3-lagring. Exjobbsprojektet var ursprungligen planerat att inkludera driftsättning, drift och experimentdatainsamling samt utvärdering av systemet. På grund av olika förseningar och brister som upptäcktes i projektet, omdefinierades projektets mål och består nu av att granska systemet och, samt att föreslå nödvändiga designanpassningar av det ursprungligen konstruerade systemet och dess komponenter. Projektet var delvis ett gemensamt arbete, där Harish Seetharaman utförde olika uppgifter i det övergripande NHS projektet som en del av sitt eget exjobbssprojekt. För olika uppgifter och resultat kommer det därför att vara nödvändigt att hänvisa till Harishs rapport. Litteraturstudié av forskningen kring SrCl2-NH3 system genomfördes, med betoning på prestandautvärdering, kinetik och reaktionsvägar. Prestandautvärdering av TES system diskuteras angående TCS-nyckelindikatorer, med 2018 års IEA:s Annex 30 som riktlinje och IRENA:s E17 Teknologi-sammandrag från 2013 som en referens. Många framsteg och förbättringar har gjorts under femårsperioden mellan dessa publikationer, men vissa anpassningar och tolkningar måste fortfarande härledas till metoderna i Annex 30 för att få ett bra förhållningssätt till ett TCS-system av liknande karaktär som det som studeras i detta projekt. Granskning av den senaste forskningen avseende reaktionskinetik och reaktionsvägar för SrCl2-NH3 reaktionsparet visade att det hundraåriga enkellinje-och-reaktionsväg-formuleringen är en förenkling av den faktiska kemin. Reaktionsvägen verkar beroende av reaktionens kinetik och varierar med uppvärmnings-takten, temperaturen och även trycket. Olika litteratur jämfördes som visar att reaktionsentalpierna och entropierna inte är fastställd vetenskap. Detta visar behovet av ytterligare forskning avseende SrCl2-NH3 innan produktdesign och kommersialisering i applikations-skala kan utföras. En omfattande granskning av systemet och dess komponenter genomfördes, där flera problem hittades och åtgärdades. Om dessa problem hade gått obemärkt förbi skulle det ha orsakat svåra bakslag för projektet. Följaktligen byttes de tidigare köpta ammoniakflödesmätarna ut till nya och en ammoniakkompressor byttes ut mot en ny, för tillämpningen bättre anpassad. De ursprungliga ammoniak-flödesmätarna var underdimensionerade pga. felberäkningar i omvandling av flödesenheter för NLPH (normal liter per timme) till projektenheterna g/s. Samtidigt var densiteten av komprimerad ammoniak felaktigt använt för omvandling till g/s, istället för densiteten vid de definierade normala förhållandena; 1 bar (a) och 20 ° C. Dessutom var dessa flödesmätare av fel typ, eftersom de inte hade någon digital utgång för datainsamling. Den ursprungliga kompressorn var också kraftigt underdimensionerad, endast kapabel att evakuera 7-14% av det förväntade maximala desorptionsflödet. Detta berodde på en liknande felberäkning vid konvertering av NLPM (normal liter per minute) till g/s, samt en oönskad kompressorslagsminskning. Nya lösningar och ytterligare utrustning krävdes för att tillgodose de operativa begränsningar som upptäcktes i den slutgiltigt valda utrustningen och systemutformningen. Dessa inkluderar: begränsa kompressorns inloppstryck till maximalt 1,1 bar(a); undvika risk för NH3 kondens i de nya massflödesmätarna och kompressorn; samt bibehålla flödesmätarens och kompressorns inloppstemperaturer under 40 °C. Tryckbegränsningarna krävde omfattande projekteringsanpassningar. För det första införs en ammoniak-by-pass för att fortsätta mata ammoniak till kompressorn under låga desorptionsflöden. Inloppstrycksbegränsningen nödvändiggjorde aktiv tryckhantering i form av tryckreduceringsventiler. För det andra krävde kondensregleringen och temperaturhanteringen en ny strategi, eftersom kyl- och kondenseringstemperaturerna i den ursprungliga utformningen var för låga. Detta orsakade risker för alldeles för låg temperatur och tryck på desorptionssidan, samt samtidigt motverkande uppvärmning och kylning av kondensorn och förvaringstankens värmehylsa. Som en lösning föreslås en shunt där konstant kylvattentemperatur ger kondens i ett tätt temperaturintervall med en oändlig kallväggsinriktning. Tillsammans med granskning av utrustningen och systemutformningen föreslås nya tillvägagångssätt för undersökning och bekräftelse av reaktorers förmodade homogena värmeöverförings-egenskaper. Dessutom föreslås förbättringar av idrifttagningen av den experimentella riggen, som inkluderar utrustningstestning med N2-gas och stegvisa temperaturförändringar i sekventiella körningar för att få en god förståelse för systemets troliga beteenden innan det körs i ytterligheterna av systemts arbetsområde. Sammanfattningsvis presenteras ett nytt och förbättrat processflödesdiagram, som visar alla utförda anpassningar, tillägg och ändringar från det ursprungliga diagrammet, som är avhandlingsprojektets huvudbidrag till det övergripande NHS-projektet. Detta kompletteras med en bruksanvisning för att smidigt fasa in kommande forskare avseende systemets konstruktion, driftsättning, och drift. Slutligen föreslås några lämpliga kommande steg i projektet. Dessa inkluderar en konceptualisering av beskrivande funktioner för prestanda och beteende av det specifika systemet och reaktorer. Dessa funktioner föreslås med temperatur och tryck som oberoende variabler, eftersom dessa är två huvudvariabler som påverkar reaktionens kinetik. Eftersom inga experimentella data ännu finns, är formen för de föreslagna funktionerna generisk. Vidare ges förslag om framtida anpassning för att uppnå fasändringen från NH3(g) till NH3(v) (som är lagringsformen för NH3 i systemet) genom djup nedkylning vid desorptionstrycket, vilket resulterar i att endast en vätskepump krävs för att höja trycket för NH3(v) i lagringstanken.

The use of thermal storage energy, using phase change materials appears to be an effective way to store thermal energy storage with the benefits of the high amount of energy while maintaining isothermal nature of the process. PCM methods are used in latent thermal storage systems for heat pumps, as well as in solar engineering or for temperature control in spacecraft. The past decade has extended these principles for cooling and heating in the building. There are a number of PCM systems, which operate over a wide temperature range, are used in various applications. This document includes a brief overview of the development and analysis of available thermal storage working mainly on the principle of PCM.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

La gestion thermique est un des moyens de réduction de la consommation spécifique d’un véhicule. Avec le réchauffement climatique, les normes de dépollution deviennent de plus en plus sévères et les constructeurs automobiles cherchent à améliorer le rendement des véhicules. Le but de ces travaux de recherche est de valoriser, par simulation numérique, les nouveaux systèmes de gestion thermique en fonction du cycle d’homologation et de la température ambiante.Un modèle de simulation 1-D du moteur et de ses circuits de refroidissement et de lubrification ont été développés en utilisant le logiciel GT-Suite. Quatre cycles d’homologation ont été choisis : NEDC, WLTC, AH et AU. De plus, un nouveau cycle a été proposé durant cette étude. Le bilan d’énergie effectué pendant les différentes phases des cycles souligne l’importance du stockage et de la récupération d’énergie.Le stockage d’énergie dans un volume eau et/ou d’huile abouti à l’amélioration de la montée en température des deux fluides. Plusieurs configurations ont été proposées comme, par exemple, un carter d’huile multifonctionnel.Ainsi, une réduction importante de la consommation en carburant est obtenue.La récupération de chaleur au sein des gaz d’échappement est ensuite mise en oeuvre. L’échangeur est caractérisé sur un banc d’essais puis modélisé. Le réchauffement indirect et direct d’huile abouti à une réduction importante des frottements et de la consommation. Une configuration est proposée afin de contrôler la température maximale de l’huile.Finalement, différentes stratégies comme : le type d’huile, l’isolation du moteur, une température de régulation plus élevée etc… ont été étudiées et valorisées. / Thermal management proved itself in improving the fuel efficiency of the engine. Nowadays, automotive companies tend to apply different strategies to answer the greenhouse severe laws. The PhD aim is to valorize and analyze the different thermal management strategies with numerical simulations over different driving cycles and ambient conditions. A 1-D simulation code of the engine and its hydraulic circuits were built using GT-Suite. Four known driving cycles were chosen: NEDC, WLTC, AH and AU. In addition, an in-house developed driving cycle was introduced. An energy balance made over the different stages of the driving cycles underlines the importance of the heat storage and the exhaust heat recovery strategies.Heat recovery was applied over the coolant and the oil at ambient temperatures of -7°C and 20°C. Hot coolant storage and hot oil storage led to improve the coolant and lubricant initial temperatures respectively. Different configurations (total of 7) were proposed and studied. A multifunctional oil sump was introduced. Important fuel consumption savings were obtained. Exhaust heat recovery was then valorized. Heat exchanger was characterized over experimental setup then added to the engine model. Indirect and direct heating of the lubricant as well as both strategies back to back were tested. Remarkable friction reduction and fuel savings were obtained. Special configuration was proposed to control the lubricant high temperature instead of the bypass on the exhaust line. The study ended by valorizing minor strategies as the oil’s grade influence, the engine insulation, high temperature set point …