I Sverige går 40 % av den slutliga energianvändningen till bostad- och servicesektorn. Energieffektivisering inom denna sektor har därför potential till att reducera en stor del av den totala energikonsumtionen i Sverige och därmed bidra till att de klimatmål som satts uppfylls. Det kommunala bostadsbolaget Uppvidingehus har i Åseda byggt tre flerbostadshus där ett av de omfattas av flera energibesparande system som de sökte och fick ett innovationsbidrag (utfärdat av riksdagen) för som riktade sig till hållbart byggande. De energibesparande systemen är dagvattenuppsamling för WC-spolning, solceller och solhybrider, en digitaliseringstjänst för de boende och ett energilagringssystem i form av batterier. Dessa system har sammanställts och granskats utifrån projekterade värden som gjordes vid uppstart. Resultatet visar att systemen helt/delvis uppnår de projekterade värdena eller har potential att uppnå de på sikt.

När en investering ska göras är priset en prioriterad faktor att ta hänsyn till. Att investera i ett solcellssystem kostar mycket pengar som på längre sikt kommer resultera i en större intäkt än kostnad. När detta inträffar skiljer sig markant i många fall och med regeringens krångliga regler blir det inte lättare. Examensarbetet innefattar flera analyserande lösnings-metoder för plusenergikontoret i Väla Gård, Helsingborg. Anledningen är att kostnadseffektivisera solcellssystemet så att intresset för solproduk-tionen ökar i Sverige.Tre olika kostnadsmässiga scenarier med timdebitering, egenlagring och nettodebitering jämförs och presenteras grundat på beräkningsmetod inom aktuell forskning. Det bäst lämpade scenarierna ges i form av ett önskat införande för optimal vinst för kund och miljö.Energimarknaden kan snabbt äventyras vilket gör att valet av lämplig lösning minskar solcellsägarens riskfaktor och förhoppningsvis ökar sol-energiproduktionen.

Energikonsumtionen ökar globalt och på grund av detta så behövs ökad energiproduktion. El från förnyelsebara källor är och kommer vara en nyckel för att klara av dessa energibehov och den kanske viktigaste energikällan är den primära solinstrålningen. Umeå energi gör en satsning på en solcellsanläggning vid Gammlia idrottsanläggning i Umeå och på grund av detta har en undersökning gjorts om energilagring i kombination med solcellerna. Solinstrålningen varierar över dygnet och året och därmed också elproduktionen. Solcellerna producerar endast el när solen skiner och ett sätt att ta del av den elen de perioder som inte solen lyser så kan vara energilagring. I rapportens första del har Två energilagringsmetoder undersökts, batterilagring och vätgaslagring. Metodernas funktionsprincip, för/nackdelar och en redogörelse huruvida de passar som energilagring i byggnader har gjorts. I den andra delen har beräkningar gjorts för möjligheterna att göra Gammlia idrottsanläggning självförsörjande på den producerade elen från solpanelerna. Rapportens första del har gjorts av en litteraturstudie av vetenskapliga rapporter och annat webbaserat material. Energiberäkningarna grundar sig från tillhandahållen information från Umeå energi samt tillgängliga beräkningsmetoder på internet. Batterier är en elektrokemisk lagringsform och fungerar så att en anod, en katod samt att elektrolyt används i samtliga tekniker. Fördelen med batterier är flexibiliteten och låga underhållskostnader medan den stora nackdelen är den låga energidensiteten. Vätgaslagring med hjälp av elektrolys är en metod där vätgas produceras av vatten och elektricitet. Fördelen är hög energidensitet och miljövänlig omvandling. Den största nackdelen är höga omvandlingsförluster. I undersökningen om möjligheter för energilagring i Gammlia idrottsanläggning undersöktes det om anläggningen kan göras självförsörjande på el på solcellerna. Det har konstaterats att det ej var genomförbart med den solcellsproduktion och de lagringstekniker som är aktuell i denna studie. En mindre omfattande lösning hittades som innebär dygnslagring under sommarmånaderna. Med hjälp av batterier kan energi producerad på dagen sparas och användas på kvällen/natten. Denna lösning är genomförbar rent tekniskt men inte ekonomiskt då förtjänsten är för liten i jämförelse med investeringskostnaden. / Energy consumption is increasing globally and because of this, increased energy production is necessary. Electricity from renewable sources is and will further be a key to meet the energy needs and perhaps the most important energy source is the sun. Umeå energi makes an investment in a photovoltaic system at Gammlia sports center in Umeå, and because of this, a study has been made on energy storage in combination with solar cells. Solar cells have a varied production, seen over the day and year. The solar cells only produce electricity when the sun is up, and energy storage is a possible solution for storing some of the energy produced during the day, to use later during the evening/night. The report's first section has two energy storage methods studied, battery storage and hydrogen storage. Methods for the operating principles, pros/cons and a statement whether they fit as energy storage in buildings has been made. In the second part, calculations have been made for the possibility of installing energy storage in Gammlia sports center for the electricity generated from the solar panels. The first part is made of a literature review of scientific reports and other web-based material. Energy estimates are based from the information provided from Umeå energy and the available methods of calculations on the web. Battery is an electrochemical storage shape and function to an anode, a cathode, and the electrolyte is used in all techniques. The advantage of batteries is the flexibility and low maintenance costs while the major drawback is the low energy density. Hydrogen storage using electrolysis is a method in which hydrogen produced from water and electricity. The advantage is the high energy density and environmentally friendly conversion. The main disadvantage is the high conversion losses. The survey on the possibilities for energy storage in the Gammlia sports facility, an investigation was made whether the plant could be made self-sufficient for electricity on the solar cells. It was costly that it was not feasible with the solar cell demodulation and storage technologies that are relevant in this study. A less comprehensive solution was found that involves daystorage in the summer months. Using batteries, energy produced on the day could be saved and used in the evening / night. This solution was feasible, purely technical, but not economical, as earnings were too small in comparison to investment cost.

The majority of the existing photovoltaic (PV) systems are dimensioned in such a way that no or only a small part of the production exceeds the buildings internal consumption. This is done because sold electricity to the grid has a lower economic value than if used internally in the building. Therefore commercial buildings, with high consumption during sunny hours, are to prefer when installing PV. Implementing a battery energy storage system in these facilities can lead to higher self consumption of the PV energy and reduced electricity bills. To take full advantage of this potential it requires optimal management of the battery. In this study an optimized battery algorithm was developed to show the full potential a perfectly managed battery can have to reduce cost of electricity within commercial buildings. There are three main charge and discharge patterns for a battery which can reduce the cost on the electricity bill: 1) Charge and discharge at different prices, 2) peak shaving and 3) overproduced PV is stored for later use. By utilizing a battery in an optimal way to reduce the costs as much as possible, batteries will reach break even at battery prices between 1350-2100 SEK/kWh, depending on which scenario evaluated. By implementing forecast based desicion-making, in which the battery operation is optimized with respect to PV and consumption forecasts, the system profitability declines rapidly, especially when using a consumption forecast. A real system would probably profit from basing the battery operation on both forecasts and real time measurements.

I detta examensarbete har syftet varit att undersöka hur man kan minska behovet av att behöva köpa energi till en fastighet med tillhörande byggnader. Fokus har legat på att producera nog med energi för att täcka fastighetsägarnas konsumtion av el. Projektet har även berört energioptimeringsåtgärder av enklare slag. Efter detta gjordes en fysisk genomgång av byggnaderna där mätning också genomfördes dels som underlag för en energibalans, dels som underlag när det undersöktes vilka energisparåtgärder som var ekonomiskt genomförbara, såsom tillläggsisolering av vinden. Sedan samlades det in offerter och annan viktig information, såsom energiproduktion och priser, för att sedan analyseras. Alla delar jämfördes och ställdes mot varandra för att komma fram till det som passade fastighetsägarna bäst. Lagring och vindkraft hade en för lång återbetalningstid gentemot vad ägarna hade efterfrågat då de ville att det skulle vara återbetalat innan produkternas livslängd var slut. Resultatet av vindkraften visade att vindhastigheterna inte kunde fastställas helt eftersom den vindmätning som gjorts har skett 25 km därifrån, vilket leder till en osäkerhet i hur mycket el som kan produceras. Det mest lönsamma var den största av de fyra solcellsparker som jämfördes. Den och det lilla vindkraftverket tillsammans producerar tillräckligt mycket el för att täcka deras behov. Däremot rekommenderades varken vindkraftverket eller batterilagring på grund av återbetalningstiden. Ägarna kan alltså producera den mesta elen med hjälp av solceller, dock inte allt enligt de beräkningar som gjorts. Förutom Vattenfalls solceller rekommenderades att tilläggsisolera vinden samt en laddbox från Vattenfall. Eftersom teorin i examensarbetet skulle baseras på granskade källor och inte på vinstdrivande källor användes studentlitteratur, publicerade rapporter och rapporter från myndigheter. / The purpose of this thesis has been to examine how to reduce the need to buy energy for a property with associated buildings. The focus has been on producing enough energy to cover the property owners' consumption of electricity. The project has also involved simpler energy optimization measures. After this, a physical review of the buildings was carried out, where measurement was also carried out partly as a basis for an energy balance and partly as a basis when examining which energy saving measures were economically feasible, such as additional insulation of the wind. Then quotes and other important information, such as energy production and prices, were collected and then analyzed. All parts were compared to each other to arrive at what best suited the property owners. Storage and wind power had too long a payback period against what the owners had asked for when they wanted it to be repaid before the end of product life. The result of the wind power showed that the wind speeds could not be fully determined since the wind measurement made was 25 km away, which leads to an uncertainty in how much electricity can be produced. The most profitable was the largest of the four solar cell parks compared. It and the small wind turbine together produce enough electricity to meet their needs. However, neither the wind turbine nor the battery storage was recommended because of the payback time. The owners can thus produce most of the electricity using solar cells, but not all according to the calculations made. In addition to Vattenfall's solar cells, it was recommended to insulate the wind and install a charging box from Vattenfall. Since the theory in the degree project should be based on audited sources and not on profit-making sources, student literature, published reports and reports from authorities were used.

The grid in the northern part of Sweden is characterized by long radial lines with just a few customers. To secure electricity supply it is necessary to have a redundant feeding alternative. A loop structured grid which is used in the more populated urban area is a poor solution in the rural areas both regarding economy and technology due to the long distances. To feed the northern grid in Sweden a battery energy storage system (BESS) is therefore a solution that could secure the power delivery. An important aspect to investigate is how the electric power quality changes with the new feeder, but more importantly to secure disconnection of supply at fault occurrence.   This thesis investigates how a battery storage system installed at the end of a mid-voltage line affects the electric power quality and the protection system compared to a reference case which represents the line today. The mid-voltage line is an existing line in the northern grid and is a good representation of the general northern grid.     The results obtained from this study show that the loop impedance does not necessarily have to deteriorate with the new feeder, which means that the voltage quality in this aspect does not change. This is only true for this particular grid when the impedance contribution from the mid-voltage grid is small and the contribution from the low-voltage grid is large because of long and weak distribution low-voltage lines.     The inverter is the limiting factor for the short circuit currents, and the short circuit power and current decrease with the new feeder. At fault occurrence in the low voltage grid the short circuit current does not affect the fuse blow. However the inverter will disconnect for all fault occurrences in the mid-voltage grid, and for faults with high short circuit power in the low voltage grid. This means that the selectivity will decrease, but the system will have a high security level.   For this particular grid the results show that the transformer can be isolated from the ground. A residual overvoltage relay is enough for disconnection of grounding faults. Directional ground fault protection is not necessary for this line with this particular characteristics. If the sensitivity for the disconnection of grounding faults with high transition impedances is adjusted according to ground fault currents in island operation, the sensitivity then decreases at the event of a fault during normal operations when the battery storage system is charging. The sensitivity might also be tuned according to normal operation, which then results in a higher sensitivity than necessary during island operation.

The increasing share of renewable energy especially wind energy leads to increased share of unpredictable and varying energy into the grid. This leads to congestion in the grid which ultimately results in wind curtailment. In Germany in 2015 alone more than 4000 GWh of wind energy was curtailed. On the other hand, off grid energy requirements for event industry especially concerts and festivals, rely heavily on diesel generators to fulfill their power requirements. This thesis investigates a unique use case for the mobile storage application. The batteries are used to utilize the curtailed wind energy for off-grid applications like festivals and concerts in Germany. The batteries are charged at the wind farm during the duration of curtailment and once they are fully charged, the batteries are transported to the location of concert or an event to provide clean energy. The batteries or storage system used for this case have a capacity of 1.5 MWh and the whole system is constructed in a standard shipping container to allow convenient transportation. According to the findings of this study, the proposed use case can lead to a significant CO2 emission reduction, a single storage system could save up to about 8.4 million kg of CO2, at the events and festivals. Furthermore, it could help in renewable energy integration by providing clean wind energy, that is otherwise curtailed, to festivals and concerts. This study identifies a wind farm with most curtailed energy in Germany with total curtailment duration accounting for about 32% of the time in the year 2017. The technical model, simulated in MATALB/Simulink, successfully charged the battery storage system without any bottleneck. The levelized cost of storage was found to be in comparison with the levelized cost of diesel generators. A single storage system has an ability save up to 8.4 million kg of CO2 emissions. The study further proposes policy suggestions to promote such innovative use case. / Den ökande andelen förnybar energi, särskilt vindenergi, leder en till ökad andel av oförutsägbar intermittent energi till elnätet. Detta leder tidvis till en överbelastning på elnätet, vilket resulterar i att vindkraftverkens elproduktion måste begränsas. Endast i Tyskland under 2015 begränsades 4000 GWh av vindenergi. Samtidigt används diesel generatorer i off-grid områden för att bedriva mässor, marknader, festivaler och liknande arrangemang. Den här rapporten undersöker ett specifikt fall för mobila lagringsmöjligheter. Batterier kan användas för att nyttja den begränsade vindenergin för offgrid evenemang som festivaler och konserter i Tyskland. Batterierna laddas i vindkraftsparker vid hög tillgång till vindenergi och transporteras sedan till ett evenemang för att försörjas med förnybar energi. Batterierna eller lagringsmediet som används för detta fall har en kapacitet på 1,5 MWh och systemet är paketerad i en fraktcontainer för enkel transport. Enligt resultaten från denna studie kan det föreslagna användningsfallet leda till en betydande minskning av koldioxidutsläppen, ett enda lagringssystem skulle kunna spara upp till cirka 8,4 miljoner kg CO2 vid evenemang och festivaler. Dessutom skulle det kunna bidra till integration av förnybar energi genom att tillhandahålla ren vindkraft, som annars begränsas, till festivaler och konserter. Denna studie identifierar en vindkraftspark med den mest begränsade energin i Tyskland med total kapacitetsvaraktighet som står för cirka 32% av tiden under 2017. Den tekniska modellen, simulerad i MATALB / Simulink, laddade batterilagringssystemet framgångsrikt utan flaskhals. De nivåiserade lagringskostnaderna visade sig vara i jämförelse med de nivåiserade kostnaderna för dieselgeneratorer. Ett enda lagringssystem kan spara upp till 8,4 miljoner kg koldioxidutsläpp. Studien föreslår vidare policyförslag för att främja ett sådant innovativt fall.

This master thesis examines the economical profitability of integrating a battery storage system with the commercial property Pyramiden 19. The model is developed in Matlab and analyses three different profitability strategies for utilizing the battery storage: peak shaving, time of use arbritage and the grid supporting service FCR-D up. The modeling of these scenarios involves numerous parameters, with uncertainties surrounding factors such as battery price and characteristics, electricity prices, and the actual activation of grid-supporting services. Results indicate that only minor savings can be modeled through the electricity contracts, leading to both peak shaving and time-of-use arbitrage generating additional costs than previously when factoring in battery investment expenses. Although peak shaving and time of use arbritage are innovating strategies to redistribute consumption with, they are not suitable to reduce costs with all types of electricity contracts and cannot cover largely added investment costs. Looking at the third strategy, the flexibility market appears to hold a significant potential for economical profitability. The model shows that the grid supporting service FCR-D up, with a 2000 kW battery, reduces the initial annual electricity costs by 36%. This can mainly be explained by the fact that, in the model, the battery is activated for only 2% of the total hours in a year, and the fact that the service is compensated based on called bids rather than activated bids. Connection to the balance market would therefore not only generate revenues for the property but would also result in relief for the local electricity grid. Due to the uncertain future regarding compensation levels in the flexibility market, an early connection is recommended to ensure timely reimbursement for the battery.

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.

Today’s society already requires a great connectivity network. This need will only increase in the future, and EDGE data centres are concepts meeting this future need, where the computational power is deployed close to the end user. They are defined, in this thesis, as a concept including different nodes, or data centres, located in proximity connected and participating in the market as one entity. The electricity grid in the Nordics is also a complex system. Many types of interactions with the grid exist and depend on the type of stakeholder. One collection of such interactions is ancillary services, which refer to different types of measures that maintain a reliable grid and electricity system. Electricity consumers within the grid network have the potential to interact and participate in these different functions. In this thesis, the participation of data centres, or EDGE data centres in ancillary services market, is studied. This thesis modelled different scenarios of an EDGE data centre with the grid network. Scenario 1 looked into self-consumption; scenario 2 looked into spot trading; scenario 3 looked into the FCR-N market; scenario 4 looked into the FCR-D markets; and scenario 5 looked into the combination of self-consumption and the FCR-D markets. It is observed from the results that scenario 4 generated the most favourable economic benefits. The results in relation to the price areas (zones in Sweden) were varied for the results. The price area SE4 gave better results for scenarios 1, 2, and 5 as compared to others. The best price area for scenarios 3 and 4 was from the SE1 zone. It is observed from the results that the potential benefit of the different ancillary markets exist and are at times favourable. Hence, there lies a future potential for the participation of EDGE networks in the electricity market thereby generating benefits for the data centres as well as stability for the grid. / Dagens samhälle kräver redan ett bra nätverk för uppkoppling. Detta behov kommer bara att öka i framtiden, och EDGE:s datacenter är koncept som uppfyller detta framtida behov, där datakraften placeras nära slutanvändaren. De definieras i denna avhandling som ett koncept som omfattar olika noder, eller servrar, som är placerade i närheten av varandra och som deltar på marknaden som en enhet. Elnätet i Norden är också ett komplext system. Det finns många olika typer av interaktioner med elnätet som beror på vilken typ av aktör det är fråga om. En samling av sådana interaktioner är stödtjänster, som avser olika typer av åtgärder som upprätthåller ett tillförlitligt nät och elsystem. Elkonsumenter inom elnätet har möjlighet att interagera och delta i dessa olika funktioner. I den här avhandlingen undersöks datacentraler, eller EDGE-datacenter, som deltar. I denna avhandling har olika scenarier för EDGE-datacenter modellerats i förhållande till elnätet. I scenario 1 undersöktes självkonsumtion, i scenario 2 spothandel, i scenario 3 FCR-N-marknaden, i scenario 4 FCR-D-marknader och i scenario 5 en kombination av självkonsumtion och FCR-D-marknader. I korthet gav scenario 4 de mest gynnsamma ekonomiska fördelarna. De potentiella miljöfördelarna diskuteras och kan inte lika lätt kvantifieras. Resultaten i förhållande till prisområdena varierade för resultaten. Prisområde SE4 gav de bästa resultaten för scenario 1 och 2 samt 5. Det bästa prisområdet för scenario 3 och 4 var SE1. Det framgår tydligt av denna avhandling att de potentiella fördelarna med de olika stödmarknaderna finns och att de vid vissa tillfällen är mycket gynnsamma med tanke på de höga lagringskostnaderna. EDGE-nätverkens framtida potentiella deltagande ger positiva resultat i både ekonomiska och miljömässiga termer.