District heating (DH) systems have been commonplace in Europe for over a century. These systems have undergone an evolution since their conceiving, and today we are at the precipice of the next major transition from the third-generation district heating system (3GDH) to the fourth generation (4GDH). Current 3GDH systems operate at a supply temperature in-between 80 °C - 100 °C and a return temperature of around 45 °C. Future 4GDH systems will operate at a supply temperature below 70 °C and return temperature as low as 25 °C, and therefore, will integrate waste heat available at low temperatures, and renewable heat sources.The literature review performed here shows that low temperature DH (LTDH) systems have several benefits over their conventional temperature DH (CTDH) predecessor and achieve lower operating costs for some technologies when compared to the CTDH alternative. Therefore, in this thesis, a TIMES (The Integrated MARKAL-EFOM System) model is used to simulate the operation of a DH system. The learnings from the literature review were incorporated into the model so that certain operational differences between CTDH and LTDH systems could be compared.In this context, the aim of this project is to analyse the effects of flexibility options on the operation of a DH system, and to compare these effects between CTDH and LTDH systems. Flexibility options in DH systems are technologies and concepts that work towards balancing heat generation and demand in thermal grids and can also help balance power generation and demand in electrical grids. Examples of flexibility options are thermal energy storage (TES) tanks, and seasonal energy storages (e.g., borehole TES (BTES), caverns (CTES), and pits (PTES)). These flexibility options have already been implemented in varying amounts in today’s CTDH systems and will therefore have to provide the same service with LTDH systems in the future.As part of the REWARDHeat project (grant agreement No. 857811), the Swedish city of Helsingborg was used as the case-study in this thesis. The city’s heating sector was incorporated into a TIMES heat model and simulated for the period 2017 to 2052. The existing CTDH system model was then adapted to a LTDH system model and simulated for the same time horizon. Both the CTDH model and LTDH model were simulated for a case with TES available and then for a case where TES was not available, to better-identify the flexibility benefits. The effect of electricity prices on the operation of the system was also studied, where one case uses electricity prices that are on the conservative (i.e., higher) side and another on the ambitious (i.e., lower) side. This means that a total of eight scenarios were simulated and analysed.The results show that more heat storage capacity is utilised in the LTDH system due to TES technologies having lower heat losses. Also, it was found that peak shaving was more pronounced in the LTDH system. This is due to more base heat supply in the system from more excess heat, and from STES discharging. This means that the required installed capacity of heat generating technologies are lower compared to the CTDH alternative. This all translates to TES technologies facilitating greater savings in total system cost, by almost 10%, in the LTDH system. The CTDH and LTDH systems studied in this thesis (i.e., with and without TES) are seen to transition from being a net electricity generator to being a major electricity consumer. This is due to reducing electricity prices going into the future, which incentivise investments into heat pumps (HPs), eventually making the systems (with combined heat and power (CHP) plants in the mix in the earlier years) HP-dominated. The inclusion of TES technologies is shown to accelerate this transition in both CTDH and LTDH systems studied in this thesis. More electricity is generated in the CTDH system than in a LTDH system as the cost savings from running HPs (due to higher coefficients of performance (COP) in low-temperature operation) offsets the revenue from electricity sales.Finally, the effect of electricity prices is also seen in the results. Lower electricity prices favour more DH production from HPs, while higher electricity prices incentivise increased production from CHP plants. The results show that the CTDH system gives the network operator more freedom (than in the LTDH system) to respond to electricity prices.Therefore, to conclude, LTDH systems can make more use of the flexibility provided by TES technologies due to lower heat losses, as shown through DH production volumes being lower, and through more peak shaving.Similar studies in future could incorporate a sensitivity analysis on the COPs of HPs in LTDH systems, given that this parameter seems to greatly influence the cost optimised strategy for operating DH systems. Also, it may be beneficial to expand the study into incorporating the city’s power sector, which would mean incorporating the electricity demand into the model. It would be interesting to see if this would cause the model to invest in other technologies other than HPs, or if it might still make more financial sense to import the electricity at market prices. Finally, the cost of transitioning from a CTDH system to a LTDH system could also be considered in the model, as it was not the case in this project. This would probably show that the financial benefit of LTDH systems is less than what is predicted in this study. / Fjärrvärmesystem har varit vanliga i Europa i över hundra år. Dessa system har utvecklats sedan de utformades, och idag står vi inför nästa stora övergång från tredje generationens fjärrvärmesystem (3GDH) till fjärde generationen (4GDH). Dagens 3GDH-nät fungerar med en framledningstemperatur mellan 80 °C och 100 °C och en returtemperatur på cirka 45 °C. Framtida 4GDH-nät kommer att fungera vid en framledningstemperatur under 70 °C och en returtemperatur så låg som 25 °C, och kommer därför att integrera spillvärme som är framkomlig vid låga temperaturer och förnybara värmekällor.Litteraturstudien som gjorts i den här studien visar att fjärrvärmenät med låg temperatur har flera fördelar jämfört med deras föregångare med konventionell temperatur och att driftskostnaderna för vissa tekniska system är lägre än för alternativet med konventionell temperatur. I denna avhandling används därför en TIMES-modell (The Integrated MARKAL-EFOM System) för att simulera driften av ett fjärrvärmesystem. Lärdomarna från litteraturstudien användes i modellen för att vissa driftskillnader mellan dessa två system så att de kunde jämföras. I detta sammanhang är syftet med detta projekt att analysera effekterna av flexibilitetsalternativ på driften av ett fjärrvärmesystem och att jämföra dessa effekter mellan konventionella temperaturer och lågtemperaturssystem. Flexibilitetsalternativ i fjärrvärmenät är teknologi och koncept som arbetar för att balansera värmeproduktionen och efterfrågan i termiska nät och som också kan bidra till att balansera elproduktionen och efterfrågan i elnätet. Exempel på flexibilitetsalternativ är lagringstankar av värmeenergi och säsongsbundna energilägen (till exempel lagring av värmeenergi i borrhål, grottor och gropar). Dessa flexibilitetsalternativ har redan införts i varierande omfattning i dagens fjärrvärmenät och kommer därför att användas med lågtemperaturnät i framtiden.Som en del av REWARDHeat-projektet (bidragsavtal nr 857811) användes den svenska staden Helsingborg som fallstudie i denna studie. Stadens värmesektor införlivades i en TIMES-värmemodell och simulerades för perioden 2017–2052. Den befintliga fjärrvärmenät modellen med konventionell temperatur anpassades sedan till en fjärrvärmenätmodell med låg temperatur och simulerades för samma tidsperiod. Båda modellerna simulerades för ett fall där värmeenergilagring var tillgänglig och sedan för ett fall där värmeenergilagring inte var tillgänglig, för att bättre identifiera flexibilitetsfördelarna. Effekten av elpriserna på systemets funktion undersöktes också, där ett fall använder elpriser som är på den konservativa (dvs. högre) sidan och ett annat på den ambitiösa (dvs. lägre) sidan. Detta innebär att totalt åtta scenarier simulerades och analyserades.Resultaten visar att mer värmelagringskapacitet utnyttjas i fjärrvärmesystemet med låg temperatur på grund av att tekniken för lagring av värmeenergi har mindre värmeförluster. Det konstaterades också att lastutjämning var mer i fjärrvärmesystemet med låg temperatur. Detta beror på att det finns mer grundvärme i systemet på grund av mer överskottsvärme och på att värmeenergilagringar i borrhålen laddas ur. Detta innebär att den installerade kapacitet som krävs för värmeproducerande teknologi är lägre jämfört med alternativet med konventionell temperatur. Allt detta innebär att tekniken för lagring av värmeenergi möjliggör större besparingar i den totala systemkostnaden, med nästan 10 %, i fjärrvärmesystemet med låg temperatur. De konventionella och lågtemperatur fjärrvärmesystem som studeras i denna avhandling (dvs. med och utan lagring av värmeenergi) övergår från att vara nettogeneratorer av el till att bli stora elkonsumenter. Detta beror på att elpriserna kommer att sjunka i framtiden, vilket ger incitament till investeringar i värmepumpar, vilket i slutändan gör att systemen (som har haft kraftvärmeverk i mixen under tidigare år) kommer att domineras av värmepumpar. Införandet av tekniken för värmeenergilagring visar sig påskynda denna övergång i båda de system som studeras i denna avhandling. Det produceras mer el i fjärrvärmesystemet med konventionell temperatur än i ett fjärrvärmesystem med låg temperatur, eftersom kostnadsbesparingarna från drift av värmepumpar (på grund av högre prestandakoefficienter) med låg temperatur uppväger intäkterna från elförsäljning.Slutligen syns också effekten av elpriserna i resultaten. Lägre elpriser gynnar mer värmeproduktion från värmepumpar, medan högre elpriser stimulerar ökad produktion från kraftvärmeverk. Resultaten visar att fjärrvärmesystemet med konventionell temperatur ger nätoperatören större frihet (än i fjärrvärmesystemet med låg temperatur) att reagera på elpriserna.Sammanfattningsvis kan man därför konstatera att fjärrvärmesystem med låg temperatur i högre grad kan utnyttja den flexibilitet som tekniken för värmeenergilagring ger på grund av lägre värmeförluster, vilket visas genom att produktionsvolymerna för fjärrvärme är lägre och genom en högre grad av lastutjämning.Liknande studier i framtiden skulle kunna omfatta en känslighetsanalys av värmepumparnas prestandakoefficient i fjärrvärmesystem med låg temperatur, eftersom denna parameter verkar ha stor betydelse för den kostnadsoptimerade strategin för driften av systemet. Det kan också vara fördelaktigt att utvidga studien till att omfatta stadens energisektor, vilket skulle innebära att elbehovet inkluderas i modellen. Det skulle vara intressant att se om detta skulle få modellen att investera i andra tekniker än värmepumpar, eller om det fortfarande skulle vara mer ekonomiskt fördelaktigt att importera el till marknadspris. Slutligen skulle kostnaden för att övergå från ett fjärrvärmenät med konventionell temperatur till ett fjärrvärmenät med låg temperatur också kunna beaktas i modellen, eftersom så inte var fallet i detta projekt. Detta skulle förmodligen visa att den ekonomiska fördelen med fjärrvärmenät med låg temperatur är mindre än vad som förutses i denna studie.

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.