The increased number of electric vehicles (EV) will influence the electricity demand and could possibly exceed the maximum power available on the grid. In order to manage such development, new innovations and impactful policy mechanisms are crucial.  EV fleets are prospected to work as dynamic energy storage systems and if controlled smartly, it could result in energy savings and revenue streams. The EV could, be charged when electricity prices are low and discharged when high. Thus, discharged power could be sold to the grid or supplied to a building. This could then generate revenue streams and enhance self-consumption through services called vehicle-to-grid (V2G) and vehicle-to-building (V2B). Despite the advantages of V2X (vehicle-to-anything), premature battery degradation due to capacity loss as a consequence of charging and discharging processes is a prominent concern since the battery is unfit for EV when it reaches 80 percent of the initial capacity. This could be managed by providing the battery a second life as storage solution and thus enhance the feasibility, and lifetime for EV batteries thereby contributing to circular economy.  Previous studies have investigated the possibility of EV as energy vectors and optimizing the charging and discharging schedules for demand supply management, for example in peak shredding or shifting. This study aims to combine the mechanism of V2B and V2G and further providing the EV battery a second life in residential PV storage to optimize the usage through the battery’s lifetime in a circular perspective. Hence, for this thesis, a mixed integer linear problem (MILP) was developed to optimize the potential, savings and earnings from V2B/V2G as well as from second-life energy storage in residential PV. For this purpose, a case study with real data from a residential building with a build-in PV from 2018 in Switzerland was integrated. Further, the impact of the batteries in the two stages and the contribution towards a circular economy was investigated.  Results show that the battery lifetime from exercising V2G/V2B could at its worst last for 3.11 years. This is however strongly impacted from input data, degradation and selling price of electricity. During its lifetime, the EV battery could avoid 26% of cost compared with not using V2X. Overall, V2B/V2G leads to energy and economic savings, but there is degradation in the battery and the savings made by V2B/V2G is not enough to justify the investment costs of an EV battery. Hence, the cost of replacing the battery in the EV due to the degradation of V2B/V2G needs to be subsidized or by other incentives for it to become feasible. When further providing the battery a second life, it shows huge potential in savings as observed from the result which contributes to resource efficiency and circular economy. In this study, the reused battery could last for either 2.4 or 9.45 years, depending on the electricity selling price. Thus, the lifetime usage of the battery can be increased substantially with second life of batteries depending on the application. / Det ökande antalet elbilar kommer att resultera i ökad efterfrågan av elektricitet och då även överskrida tillgängligheten på elnätet. För att hantera utveckling som denna är nya innovationer och kraftfulla policys vitalt.  Elbilar förväntas att kunna användas som dynamisk energilagring och leda till energibesparingar och intäkter. Genom innovationer som vehicle-to-grid (V2G) och vehicle-to-building (V2B) finns det potential för elbilar att ladda upp batteriet när elpriserna är låga och sedan ladda ur batteriet när priserna är höga. Den urladdade energin kan då exempelvis säljas till elnätet (V2G) eller levereras till en byggnad (V2B) och således leda till intäkter eller reducerade elkostnader. Trots fördelarna med att tillämpa elbilsbatterier för urladdning, tillkommer följder av ökad degradering av batteriet på grund av upp- och urladdning. Då batteriet inte är lämpligt för användning i elbilar när det degraderat till 80 procent av den initiala kapaciteten, finns det även en problematik. Detta skulle kunna hanteras genom att återanvända batteriet i lagringslösningar och öka lönsamheten i att använda dynamisk energilagring, förlänga livslängden men även bidra till den cirkulära ekonomin.  Den här studien syftar till att optimera potentialen, besparingar och intäkter av elbilsbatterier i ett cirkulärt perspektiv genom V2B och V2G och därefter återanvända elbilsbatteriet för energilagring med solceller i ett bostadshus. För detta, användes linjär programmering. Vidare integrerades en fallstudie med verkliga data från ett bostadshus i Schweiz med solceller.  Resultaten visar att batteriets livslängd reduceras till 3,11 år genom att använda V2G/V2B, men är starkt påverkat av inmatningsdata, degraderings modellen och försäljningspriset av elektricitet. Under batteriets livstid kunde elbilsbatteriet undvika 26% av elkostnaderna jämfört med att inte implementera V2B/V2G. Sammantaget leder sådan användning av elbilsbatterier till energi- och ekonomiska besparingar, men på grund av den signifikanta reduceringen i livslängd och höga investeringskostnader, räcker det inte för att motivera implementerandet av sådana tekniker som det ser ut idag. Det finns därmed ett behov av subventionering av elbilsbatterier för att använda V2B/V2G. Vidare, när batteriet återanvänds, visar resultaten signifikant besparingspotential som kan bidra till resurseffektivitet och cirkulär ekonomi. I den här studien, varierar livslängden på det återanvända batteriet mellan 2,4 och 9,45 år som ett resultat av försäljningspriset av elektricitet. Således kan batteriets livslängd beroende på applikation förlängas avsevärt genom återanvändning.

Africa still has the lowest electrification rates in the world with over 600 million people estimated to be living without access to electricity. What makes the challenge even greater for Africa is that the continent is so sparsely populated that building grid infrastructure is not viable in many cases. However, “pay-as-you-go” solar home systems have provided the continent with the opportunity to correct its electrification deficit. These innovations are not new and many of the costs of operating these systems have reached grid parity when one considers the Levelized Cost of Energy Model. However, these projects still fail to meet institutional investors' bankability criteria. The aim of this study is to try and understand whether solar home systems provide the investor with an opportunity to make a larger risk-adjusted return versus existing grid-based power station projects being considered on the continent. This study uses Ghana's recently built Kpone power station as a case study to complete this analysis. The study also seeks to assess what viability criteria is employed by a broad base of investors if they were to consider funding off-grid power. The study makes use of the Net Present Value model to compare the returns for Kpone and Zola Electric's Infinity solar home system. The study also conducts inductive qualitative analysis to try and ascertain what criteria is assessed for project viability and then builds a conceptual framework for assessing future projects. The study found that Kpone provided a better risk-adjusted return to that of Zola Electric's solar home system, largely because of Kpone's project finance structure reducing the risk of the investment. Our findings also show that investment ticket size, company track record and management track record are among the most highly considered criteria for investments into off-grid companies.

蓄電池は携帯機器，電気自動車をはじめ，自然エネルギー有効利用に至るまで広範囲に利用され，その重要性はますます高まっている。これら機器の使用時間や特性は蓄電池の特性に大きく依存することから，電池自体の特性改善に加え，劣化を診断してより効率的に電池を運用することが求められている。本論文は，非線形情報処理を得意とする人工知能を用いた2次電池の劣化診断法を開発し，エネルギーの有効利用に資する技術を確立した。機器動作時の電池電圧・電流波形と電池劣化特性との関連性を，人工知能を用い学習することにより，機器稼働時に電池の劣化を診断することができる。なお，この関連性は非線形で複雑であるが，非線形分析を得意とする人工知能は劣化診断に適している。学習には時間を要するものの，診断は短時間になし得ることから，提案法は稼働時劣化診断に適している。本論文では，この特徴を生かし，電池の等価回路（ECM）を導出し，充電率（SOC），容量維持率（SOH）を推定している。また，本論文では現在産業応用分野で用いられている，リチウムイオン電池，ニッケル水素電池，鉛蓄電池を対象とし，提案法はあらゆる電池使用機器に応用可能である。また，提案法を電池状態監視装置（BMU）や，マイコンなどを用いた組み込みシステムに応用可能とし，実証している。以上のことから，本論文は，新たな蓄電池の劣化診断法の確立し，その有効性を確認している。 / The importance of rechargeable batteries nowadays is increasing from the portable electronic devices and solar energy industry up to the development of new EV models. The rechargeable batteries have a crucial role in the storage system, mostly in mobile applications and transportation, because the period of its usage and the flexibility of the function are determined by the battery. Due to the black box approach of the ANN it is possible to connect the complex physical phenomenon with a specific physical meaning expressed with a nonlinear logic between inputs and output. Using specific input data to relate with the desired output, makes possible to create a pattern connection with input and output. This ability helps to estimate in real time the desired outputs, behaviors, phenomes and at the same time it can be used as a real time diagnosis method. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

The transition in the transport sector by the integration of battery electric vehicles (BEVs) brings a new challenge for the system operators to ensure the balance between supply and demand. The installation of new EV charges poses a surge in electricity demand in the coming years which jeopardizes the grid reliability and stability. With the new EV policies in place, Sweden will have a huge growth of BEVs and the associated charging infrastructures. The challenges faced by the electricity transmission and distribution will depend on the type and smart capability of the infrastructure. Therefore, research is conducted to analyze the impacts of the mix of public and private residential EV charging and how smart charging can help in mitigating the impacts. This thesis studies the impact of the mix of private residential and public EV chargers on the power network of Hammarby Sjöstad, a neighborhood of Stockholm. Four substations out of 20 corresponding to the areas with the highest proportion in the residential and commercial sectors in the network were chosen for the study and power flow analysis was carried out to analyze the impacts in the year 2025. EV chargers were categorized into public and private residential chargers. The public chargers had rated power of 22 kW each while residential chargers were rated at 3.68 kW each. EVs can behave as energy vectors, and it is possible to optimize their charging as a part of demand-side management which includes peak shaving or shifting. Optimizing EV charging was treated as a mixed integer linear programming (MILP) problem to schedule EV charging for both reducing losses and the cost of electricity import from the grid. Two optimization strategies were investigated to analyze their potential to reduce the peaks due to uncontrolled charging. Renewable energy generation from solar PVs integrated with EV chargers reduces the import of electricity from the grid during the day which not only reduced the losses but also the cost of importing electricity from the grid. The effect of intermittency of solar PV generation was reduced by implementing BESS. At low price periods, the BESS was charged using the excess PV power and at higher price periods, the BESS was discharged. Three scenarios were developed, where the Reference scenario refers to the base case without PV and BESS, With PV scenario considered only PV generation while With PVBESS scenario considered the implementation of BESS with PV. Three test cases were simulated for each of the scenarios, and it was found that by the implementation of smart charging, the losses in the network reduce by 35.5% and it also significantly reduced the losses in all the other scenarios. Implementation of smart charging reduced the cost of electricity import from the grid by 4.3%. The integration of PV generation led to a 7% further reduction in the losses and cost of electricity import as compared to the Reference scenario. The integration of BESS increased the losses in the network, but it also enhanced the self-consumption of PV power. The implementation of smart charging not only reduces the losses and costs of import but will lead to savings in grid reinforcement costs. / Övergången inom transportsektorn genom integrering av batteri -elektriska fordon (BEV) medför en ny utmaning för systemoperatörerna att säkerställa balansen mellan utbud och efterfrågan. Installationen av nya elavgifter innebär en kraftig ökning av elbehovet under de kommande åren, vilket äventyrar nätets tillförlitlighet och stabilitet. Med den nya EV -politiken på plats kommer Sverige att ha en enorm tillväxt av BEV och tillhörande ladd infrastrukturer. Utmaningarna för elöverföring och distribution beror på infrastrukturens typ och smarta kapacitet. Därför forskas för att analysera effekterna av blandningen av offentliga och privata EV -laddningar för bostäder och hur smart laddning kan hjälpa till att mildra effekterna. Denna avhandling studerar effekten av blandningen av privata bostäder och offentliga EV -laddare på kraftnätet i Hammarby Sjöstad, en stadsdel i Stockholm. Fyra transformatorstationer av 20 motsvarande de områden med den högsta andelen inom bostads- och kommersiella sektorer i nätet valdes ut för undersökningen och effektflödesanalys utfördes för att analysera effekterna år 2025. EV -laddare kategoriserades offentligt och privata bostadsladdare. De offentliga laddarna hade en nominell effekt på 22 kW vardera medan bostadsladdare var 3,68 kW vardera. Elbilar kan bete sig som energivektorer, och det är möjligt att optimera laddningen som en del av hanteringen på efterfrågesidan som inkluderar topprakning eller växling. Optimering av EV -laddning behandlades som ett blandat heltal linjärt programmeringsproblem (MILP) för att schemalägga EV -laddning för både minskning av förluster och kostnader för elimport från nätet. Två optimeringsstrategier undersöktes för att analysera deras potential att minska topparna på grund av okontrollerad laddning. Förnybar energiproduktion från solcellsanläggningar integrerade med EV -laddare minskar importen av el från nätet under dagen vilket inte bara minskade förlusterna utan också kostnaderna för att importera el från nätet. Effekten av intermittency av solcellsgenerering genererades genom att implementera BESS. Vid lågprisperioder debiterades BESS med överskott av PV -effekt och vid högre prisperioder laddades BESS ur. Tre scenarier utvecklades, där referensscenariot hänvisar till basfallet utan PV och BESS, med PV -scenario endast betraktat PV -generering medan With PVBESS -scenario övervägde implementeringen av BESS med PV. Tre testfall simulerades för vart och ett av scenarierna, och det visade sig att genom implementering av smart laddning minskar förlusterna i nätverket med 35,5% och det minskade också avsevärt i alla andra scenarier. Genomförandet av smart laddning minskade kostnaden för elimport från nätet med 4,3%. Integrationen av PV -produktion ledde till en ytterligare minskning av förlusterna och kostnaderna för elimport med 7% jämfört med referensscenariot. Integrationen av BESS ökade förlusterna i nätet, men det förbättrade också självförbrukningen av PV-kraft. Genomförandet av smart laddning minskar inte bara förluster och kostnader vid import utan leder till besparingar i nätförstärkningskostnader.