In a future situation with a large implementation of photo voltaic (PV) in the local distribution grid one expects voltage and current related problems to occur due to the large portion of excess electricity from the PV fed into the grid. In this study it was concluded, based on experiences from Germany and Italy, that energy storages are assumed to be beneficial in order to address these problems. The location of storages needs to be distributed among the low voltage grid (400 V) to be able to reduce excess produced electricity from PV as well as deliver peak reducing power (“peak shaving”). This suggests that large scale techniques are not suitable for this purpose since they will be dependent on transmission bottle necks. The energy storages would be most efficient if set up as a combination of a local storage, at the end consumer, and an aggregated storage distributed within the low voltage grid. Techniques suggested are advanced gel-based lead silicon batteries for rapid power response and fuel cell systems with separate electrolysis unit for bulk storage. Thus the systems can divide the needed amount of energy to store in a more efficient way. This suggests that a business model could be a leasing or rental based system where the end consumer subscribes for the technique and services. The major benefits from the energy storage was found to be reduced power flows in the grid (both load- and production wise) as well as reduced volatility in the system. Furthermore, the energy storage would be able to serve as back-up or black start source (also referred to as “cold start” in case of power outages), as well as offering filtering services for reduction of noise and harmonics. Since the major benefits are of systemic nature the most likely actor to gain from energy storages would be distribution system operators (DSO). Therefore the Swedish regulations needs to be adjusted so DSO’s are allowed to, firstly, include the costs for energy storages and, secondly, deliver energy from energy storages without being considered as producers.

<p>This thesis is made by Carl Persson and Alejandro Saavedra for Gryaab. Gryaab is Gothenburg’s water processing plant and produces about 60 GWh biogas annually with a flow around 1150 Nm3/h. Gryaab wants to research their possibilities to become independent with electrical energy and the possibilities to enrich, upgrade biogas. The use of methane rich gases like biogas and natural gas is today low in Sweden compared to major parts of the world. Natural gas is one of the most established energy sources in the world, it contributes to about a quarter of the world energy supply. In Sweden natural gas only contributes about 2 % of the energy supply. The natural gas in Sweden is being imported from Denmark and the gas net goes from Malmo to Gothenburg. Usage of gas in that region is about 20 % of total energy usage. There are a total of 26 municipalities along the south- and west coast. Biogas is climate neutral and all infrastructures being used today with natural gas can potentially be used with biogas. The purpose of this thesis is to examine old and new technology intended to harvest energy in biogas and compare these technologies in a decision matrix. We have chosen two areas, combined heat and power (CHP) and upgrading biogas. In this report there are short reviews of heat engines, gas turbines, fuel cells, PSA, scrubbers, cryogenics, internal methane enrichment, ecologic lung, sulphide- and water removal. Interesting and appropriate technologies for Gryaab might be high temperature fuel cells, like molten carbonate fuel cells, or big gas engines in MW range, like Jenbacher J624 GS, in combined heat and power. These CHP systems are flexible in fuel quality, the biogas only need simpler purification, and they have a high electrical efficiency. To upgrade biogas to vehicle gas quality are water scrubbers, PSA and cryogenics all good choices. Cryogenically treated biogas gives liquid or combusted methane and liquid carbon dioxide as a byproduct.</p><p>Det här examensarbetet är gjort av Alejandro Saavedra och Carl Persson åt Gryaab. Gryaab är reningsverket i Göteborg vilka producerar cirka 60 GWh biogas årligen med ett flöde runt 1150 Nm3/h. Gryaab vill undersöka deras möjligheter att bli självförsörjande av elenergi och möjligheter att förädla, uppgradera biogasen. Användning av metanhaltiga gaser som biogas och naturgas är idag i Sverige låg jämfört stora delar av världen. Naturgas är en av världens mest etablerade energikällor, den står för cirka en fjärdedel av världens energiförsörjning. I Sverige står naturgasanvändningen för bara 2 %. Naturgasen i Sverige importeras från Danmark och stamnätet sträcker sig från Malmö till Göteborg. Användningen i den regionen uppgår till cirka 20 % av total energiförbrukning. Det är totalt 26 kommuner längst syd- och västkusten. Biogas är CO2-neutral och all infrastruktur som idag används för naturgas är potentiellt användbar för biogas. Syftet med examensarbetet är att undersöka ny och gammal teknik för att nyttja biogas på samt att utvärdera och jämföra teknikerna i en utvärderingsmatris. Vi har riktat in oss på två områden, el- och värmegenerering samt förädling av biogas. I det här arbetet står det kortfattade summeringar om värmemotorer, gasturbiner, bränsleceller, PSA, scrubbers, kryoteknik, processintern metananrikning, ekologisk lunga, svavelväte- och vattenavskiljning. Intressanta och lämpliga tekniker för Gryaab kan vara högtempererade bränsleceller, som smältkarbonat-bränsleceller, eller stora gasmotorer i MW- skala, som Jenbacher J624 GS i el- och värmegenerering. Dessa kraftvärmesystem är mycket flexibla när det gäller bränslekvalité, biogasen kräver endast enklare rening och dessutom har de hög elverkningsgrad. För att förädla biogasen till fordonsgaskvalité är vattenscrubber, PSA och kryoteknik alla bra val. Kryoteknisk uppgradering av biogas kan ge flytande eller gasformig metan samt flytande koldioxid som biprodukt.</p>

This thesis is made by Carl Persson and Alejandro Saavedra for Gryaab. Gryaab is Gothenburg’s water processing plant and produces about 60 GWh biogas annually with a flow around 1150 Nm3/h. Gryaab wants to research their possibilities to become independent with electrical energy and the possibilities to enrich, upgrade biogas. The use of methane rich gases like biogas and natural gas is today low in Sweden compared to major parts of the world. Natural gas is one of the most established energy sources in the world, it contributes to about a quarter of the world energy supply. In Sweden natural gas only contributes about 2 % of the energy supply. The natural gas in Sweden is being imported from Denmark and the gas net goes from Malmo to Gothenburg. Usage of gas in that region is about 20 % of total energy usage. There are a total of 26 municipalities along the south- and west coast. Biogas is climate neutral and all infrastructures being used today with natural gas can potentially be used with biogas. The purpose of this thesis is to examine old and new technology intended to harvest energy in biogas and compare these technologies in a decision matrix. We have chosen two areas, combined heat and power (CHP) and upgrading biogas. In this report there are short reviews of heat engines, gas turbines, fuel cells, PSA, scrubbers, cryogenics, internal methane enrichment, ecologic lung, sulphide- and water removal. Interesting and appropriate technologies for Gryaab might be high temperature fuel cells, like molten carbonate fuel cells, or big gas engines in MW range, like Jenbacher J624 GS, in combined heat and power. These CHP systems are flexible in fuel quality, the biogas only need simpler purification, and they have a high electrical efficiency. To upgrade biogas to vehicle gas quality are water scrubbers, PSA and cryogenics all good choices. Cryogenically treated biogas gives liquid or combusted methane and liquid carbon dioxide as a byproduct. Det här examensarbetet är gjort av Alejandro Saavedra och Carl Persson åt Gryaab. Gryaab är reningsverket i Göteborg vilka producerar cirka 60 GWh biogas årligen med ett flöde runt 1150 Nm3/h. Gryaab vill undersöka deras möjligheter att bli självförsörjande av elenergi och möjligheter att förädla, uppgradera biogasen. Användning av metanhaltiga gaser som biogas och naturgas är idag i Sverige låg jämfört stora delar av världen. Naturgas är en av världens mest etablerade energikällor, den står för cirka en fjärdedel av världens energiförsörjning. I Sverige står naturgasanvändningen för bara 2 %. Naturgasen i Sverige importeras från Danmark och stamnätet sträcker sig från Malmö till Göteborg. Användningen i den regionen uppgår till cirka 20 % av total energiförbrukning. Det är totalt 26 kommuner längst syd- och västkusten. Biogas är CO2-neutral och all infrastruktur som idag används för naturgas är potentiellt användbar för biogas. Syftet med examensarbetet är att undersöka ny och gammal teknik för att nyttja biogas på samt att utvärdera och jämföra teknikerna i en utvärderingsmatris. Vi har riktat in oss på två områden, el- och värmegenerering samt förädling av biogas. I det här arbetet står det kortfattade summeringar om värmemotorer, gasturbiner, bränsleceller, PSA, scrubbers, kryoteknik, processintern metananrikning, ekologisk lunga, svavelväte- och vattenavskiljning. Intressanta och lämpliga tekniker för Gryaab kan vara högtempererade bränsleceller, som smältkarbonat-bränsleceller, eller stora gasmotorer i MW- skala, som Jenbacher J624 GS i el- och värmegenerering. Dessa kraftvärmesystem är mycket flexibla när det gäller bränslekvalité, biogasen kräver endast enklare rening och dessutom har de hög elverkningsgrad. För att förädla biogasen till fordonsgaskvalité är vattenscrubber, PSA och kryoteknik alla bra val. Kryoteknisk uppgradering av biogas kan ge flytande eller gasformig metan samt flytande koldioxid som biprodukt.

Försvarets Materielverk (FMV) driver sedan 2003 ett bränslecellsprogram med syfte att öka Försvarsmaktens kunskap om bränslecellstekniken (FC-tekniken) och dess potential för framtida applikationer. Arbetet genomförs inom ramen för FM´s ”Dual Use”-program vars mål är att kartlägga potentiella strategiska teknologier för både civila och militära ändamål. En av slutsatserna som FMV drar är att bränsleceller inte nödvändigtvis är det självklara valet för alla studerade applikationer, men att tekniken visar på fördelar som strömförsörjningsfunktion för vissa tillämpningar. FC-tekniken har inneboende egenskaper vilka några innebär fördelar för såväl civila som militära tillämpningar. Särskilda fördelar relevant för militär verksamhet är att de har en låg ljudnivå och hög bränsledensitet vilket innebär potentiellt lägre upptäcktsrisk jämfört med förbränningssystem och betydligt längre drifttid jämfört med motsvarade vikt batterier. Vidare kan de konstrueras att vara bränsleflexibla och utformas för allt ifrån ren vätgas till diesel med hög svavelhalt. Frågan är nu vilka tillämpningar inom FM som faktiskt kan dra nytta av ett strömförsörjningssystem som möjliggör längre drifttid än batterier och samtidigt är tystare än en förbränningsmotor. Syftet med arbetet är att identifiera dessa tillämpningar inom FM där FC-teknikens inneboende egenskaper kan göra den till ett intressant strömförsörjningsalternativ samt precisera hur dessa system kan specificeras. Detta görs genom att svara på följande frågor: För vilka typer av tillämpningar inom FM har FC-tekniken konkurrensfördel? Hur skall specifikationerna för dessa bränslecellsystem formuleras? Uppgiften har lösts dels genom litteraturstudier av resultat och slutsatser av redan genomförda studier och dels genom att intervjua nyckelpersoner i relevanta positioner för de tänkta strömförsörjningssystemen. De tillämpningar som studeras och potentiellt kan ha konkurrensfördel gentemot förbränningssystem och/eller elektrokemisk lagring som t.ex. batterier är strömförsörjning av mobil och portabel utrustning, strömförsörjning av obemannade system, reservkraft, kombinerad kraft- och värmeproduktion (CHP) samt strömförsörjning av avlägsna enheter, dvs. enheter som inte har möjlighet att vara uppkopplade mot det ordinarie elnätet. Genom en utvärderingsprocess valdes två av dessa tillämpningar ut vilka ansågs vara speciellt intressanta att studera i mer detalj; ett mindre batteriladdningssystem på gruppnivå samt ett strömförsörjningssystem för en undervattensfarkost (AUV). Batteriladdningssystemet är avsett för förband som enskilt skall kunna lösa uppgifter i upp till tre veckor utan möjlighet till externt underhåll. Förband som har dessa uppgifter är specialförbanden, arméns jägarbataljon, underrättelsebataljonen samt amfibiekårens kustjägarkompani. Givet en generisk användargrupp, som anses kunna representera samtliga förband, kunde det maximala laddeffektbehovet uppskattas till drygt 80 W vid maximalt rekommenderad laddström. Om en längre laddtid kan accepteras kan dock effektbehovet minskas och likaså batteriladdningssystemets vikt och volym. Batteriladdningssystemet skall kunna hantera en rad olika typer och storlekar av batterier vilket ställer krav på både lämpliga fysiska gränsytor samt en funktion för ”smart laddning”, dvs. att systemet autonomt kan kontrollera hur det aktuella batteriet skall laddas. Då batteriladdningssystemet är avsett att användas i fältmiljö både nationellt och internationellt finns krav på funktion både i låga och höga temperaturer samt okänslighet mot både väta och sand. De kommersiellt idag tillgängliga systemen som potentiellt uppfyller kraven har en systemvikt på ca 12 kg. För den studerade AUV-applikationen gjordes beräkningar för tre olika strömförsörjningsfall; 1) Enbart batterier 2) Enbart ett bränslecellsystem och 3) Ett bränslecellsystem som hanterar baslasten och ett batteripack som hanterar topplasten. Av resultatet att döma finns i den studerade AUV-applikationen, med aktuell driftprofil, möjligen ett behov av hybridisering då denna lösning medför en 20 procentig ökning i drifttid. Mot detta skall ställas den ökade komplexiteten och kostnaden som detta kan medföra. Detta kan härledas till det faktum att topplasten inte skiljer sig markant mot baslasten samt att topplasten utnyttjas under mer än hälften av den totala drifttiden. I ett sådant fall verkar batteriets potentiellt högre förmåga att leverera hög effekt snabbt överskuggas av dess lägre energidensitet jämfört med bränslet. I kravet finns behov av att systemet under kort tid, &lt; 1 min, skall kunna leverera cirka 10 kW då farkosten ”simmar” ut ur torpedtuben. Detta innebär givetvis att någon form av hybridisering är nödvändig. Exempelvis skulle en lösning kunna medge ett uttag av denna effekt under kort tid och som sedan under transitperioden har förmåga att ladda upp batteriet innan detta skall användas under den tid farkosten är fullt operativ. För att klargöra hur en sådan lösning kan utformas behövs detta krav analyseras mer i detalj. Eftersom effektbehovet i driftprofilen ökar relativt lite mellan bas- och topplast (1020 – 1290; +26 %) kommer skillnaden i massa och volym mellan två bränslecellsystem motsvarande bas- och topplast vara relativt liten. Ett något större system som kan hantera både bas- och topplast borde således inte medföra varken en betydligt större massa eller volym. Bränslecellsteknikens generellt höga verkningsgrad vid dellast medför också en hög verkningsgrad vid båda lastfallen. En fortsatt analys av denna lösning bör inriktas på att studera frågor som rör vilken typ av lagring som är lämplig för behovet av ett kortvarigt effektuttag, om denna lösning enbart skall hantera detta effektuttag eller om en större hybridisering av den typ som presenteras i Fall 3 är intressant. Utöver dessa resultat har tekniska specifikationer skrivits för respektive applikation. Dessa återfinns som bilagor. / The Swedish Defence Materiel Administration (FMV) has since 2003 been running a fuel cell programme with the purpose to increase the Armed Forces knowledge of fuel cell technology and its potential for future applications. This work has been performed as a part of the Armed Forces "Dual-Use"-programme which goal is to identify potential strategic technologies for both civilian and military purposes. Specific fuel cell technology advantages relevant to military activities are low acoustic and infra red signature and high fuel density which potentially means lower risk of detection compared to combustion systems and notably longer operating times in comparison to batteries. Furthermore, they can be constructed to be fuel flexible and be designed to handle everything from pure hydrogen to high sulphur diesel fuel. The question now is which applications in the Armed Forces that can actually benefit from a power supply system which allows for longer operating times than batteries yet is quieter than a combustion engine. The task has been solved partly by studies of the results and conclusions of already conducted reports and partly by interviewing key personnel in relevant positions for each of the proposed power supply systems. Two applications has been selected to be studied in more detail; a battery charging system and a power supply system for an Autonomous Underwater Vehicle (AUV).  The battery charging system is intended to meet the power supply demands of small ranger or reconnaissance units required to operate independently of other forces for up to three weeks.  The maximum power requirement was calculated to be approximately 90 W at the maximum recommended charge current the radio battery being normative. However, if a longer charge time is acceptable this power requirement could be reduced and along with it the system weight and volume.   For the AUV application three cases were formulated; 1) Only battery power 2) Only fuel cell power 3) Fuel cell power handles base load and battery power handles peak load. The results showed calculated operational times of 11, 20 and 24 hours respectively. In addition to these results, technical specifications have been produced for each application. These are included as attachments.

En omställning till ett mer hållbart samhälle pågår både nationellt och internationellt. Arbete läggs på att öka andelen förnyelsebara energikällor där solceller är en populär produkt. När effekttopparna och de förnyelsebara energikällorna ökar i det svenska stamnätet så skapas ett behov av att lagra stora mängder energi. Att lagra den mängden energi i batterier skulle bli kostsamt. Resultatet från utredningen tyder på att vätgas är ett lämpligt alternativ då omvandlingsprocesserna genererar både elektrisk och termisk energi. Komponenterna som används är ursprungligen från industrin vilket gör dom överdimensionerade för vanliga hushåll. Optimalt används vätgassystem i flerfarmilsbostäder där både den termiska energin och elektriska energin kan nyttjas.

<p>Syftet med studien var att undersöka rederiernas syn på bränslecellen och framförallt försöka avgöra förutsättningarna för när bränslecellen kan få sitt genombrott till sjöss.</p><p>Datainsamlingen skedde med en internationellt distribuerad enkät i elektroniskt format. Urvalet bestämdes till att omfatta de fem största rederierna i de tjugo största flaggstaterna och även de fem största svenska rederierna.</p><p>Svarsfrekvensen blev tyvärr för låg för att möjliggöra några säkra slutsatser. Resultatet tyder ändå på att sjöfartsnäringen inte är beredda att betala mer för en bränslecell än för ett konventionellt system. Därför kommer ett genombrott troligen inte att ske utan ökade miljöavgifter, införsel av handel med utsläppsrätter eller drastiskt höjda bränslepriser.</p> / <p>The purpose with this thesis was to investigate the prospects of the fuel cell technology within the shipping industry and also to evaluate when the fuel cell could get a breakthrough in shipping.</p><p>The data was collected via an internationally distributed questionnaire. The selection of shipping companies for the survey consisted of the five largest shipping companies in the twenty largest maritime countries. The five largest Swedish shipping companies were also included.</p><p>The number of answers was unfortunately too low to be able to deduce any reliable conclusions. The results still indicate that shipping companies are not interested in paying more for a fuel cell than for a more conventional system. Because of this there will probably not be a breakthrough for the fuel cell, until there is an increase in environmental fees, a trade with emissions or drastically higher fuel prices.</p>

Syftet med studien var att undersöka rederiernas syn på bränslecellen och framförallt försöka avgöra förutsättningarna för när bränslecellen kan få sitt genombrott till sjöss. Datainsamlingen skedde med en internationellt distribuerad enkät i elektroniskt format. Urvalet bestämdes till att omfatta de fem största rederierna i de tjugo största flaggstaterna och även de fem största svenska rederierna. Svarsfrekvensen blev tyvärr för låg för att möjliggöra några säkra slutsatser. Resultatet tyder ändå på att sjöfartsnäringen inte är beredda att betala mer för en bränslecell än för ett konventionellt system. Därför kommer ett genombrott troligen inte att ske utan ökade miljöavgifter, införsel av handel med utsläppsrätter eller drastiskt höjda bränslepriser. / The purpose with this thesis was to investigate the prospects of the fuel cell technology within the shipping industry and also to evaluate when the fuel cell could get a breakthrough in shipping. The data was collected via an internationally distributed questionnaire. The selection of shipping companies for the survey consisted of the five largest shipping companies in the twenty largest maritime countries. The five largest Swedish shipping companies were also included. The number of answers was unfortunately too low to be able to deduce any reliable conclusions. The results still indicate that shipping companies are not interested in paying more for a fuel cell than for a more conventional system. Because of this there will probably not be a breakthrough for the fuel cell, until there is an increase in environmental fees, a trade with emissions or drastically higher fuel prices.

Denna rapport består av information och data som har samlats in i syfte att kunna presentera en genomförbar konvertering av linfärjan Toras framdrivningssystem, som idag utgörs av dieselelektrisk drift, till bränslecellsdrift. Den bränslecell som behandlas i rapporten är PEMFC och är en bränslecellstyp som drivs av ren vätgas. Resultaten tjänar som en informationskälla för en potentiell konvertering och presenteras för Trafikverket, som ett alternativ i linje med Sveriges regerings mål att reducera mängden CO2 utsläpp på en nationell nivå. Informationen i rapporten har insamlats via mail- och telefonkontakt samt ett besök på Tora på plats i Stockholm. Ett genomförande av konverteringen är fullt möjligt men mer kostsamt än dieseldrift i dagsläget med avseende på höga bränsle- och inköpskostnader utav bränsleceller. Med framtidens hårdare utsläppskrav och eventuella förbud av fossila bränslen, så kanske vätgasen kan bli aktuell som bränsle, trots de höga kostnader som finns. / This report consists of the information and data collected in the purpose of presenting a viable option for a conversion from diesel-electric energy supply, to fuel cell energy supply for the propulsion of the cable ferry Tora. The fuel cell mentioned in this report is a PEMFC, which is powered by pure hydrogen. The result serves as a platform of information for a potential conversion and is presented to Trafikverket as an option that corresponds with the Swedish government’s goal of CO2 reduction on a national level. The information in this report was collected via email and telephone contact, and a visit to Tora in Stockholm. An implementation of the conversion is entirely possible but comes with a greater cost then diesel operation at the present time with regards to high fuel and purchase costs of fuel cells. With tomorrow's tougher emission requirements and possible ban on fossil fuels, then maybe hydrogen gas can be viable as fuel, despite the high cost.

Vätgas har en potential som energibärare som har möjlighet att användas i fastigheter. Genom elektricitet och en elektrolysör kan vätgas utvinnas ur vatten för att sedan lagras i tankar. Vätgasen kan sedan passera genom en bränslecell för att generera elektricitet och värme. Genom att göra vätgas under sommarhalvåret när förnyelsebara energikällor som solkraft producerar som mest effekt kan vätgas produceras och lagras till vinterhalvåret. Under vinterhalvåret kan vätgasen används som ett energilager som förser systemet med el. Att använda ett vätgassystem ger förmågan att självförsörja fastigheter med förnybar energi. Flera projekt som använder tekniken undersöks och riktvärden för att möjliggöra dess användning i fastigheter tas fram. Tekniken bedöms vara potentiellt användbar med dyr och tekniskt utmanande men med en stor utveckling på gång. / Hydrogen can be used as an energy carrier with potential in buildings and households. Hydrogen gas can be extracted from water by an electrolyser and then stored in tanks. When needed, the hydrogen gas can then be converted by a fuel cell to electricity and heat. During the summer, when renewable energy sources such as solar power produce extra power, hydrogen can be produced and stored. During the winter, the hydrogen gas can be an extra energy source that supplies the system. Using a hydrogen system is an important step toward shaving households with self-supply of renewable energy. In this work, several projects that use this technology are investigated and guideline values for presuming its use in real estate are developed. The technology is considered to be potentially useful. However, it is expensive and technically challenging with major developments underway.

Denna rapport belyser två olika perspektiv på hur man skulle kunna lösa problemet med att elektrifiera bärplansbåtar. En tillämpning av bränslecell hybrid som kommer ge upphov till ökad räckvidd samt applikationen av ett snabbladdningssystem för minskad laddningstid vid kortare sträckor.  Olika laddningsmodeller av batterier undersöktes och efter dessa utvecklades en optimal snabbladdningskurva som tar hänsyn till olika degraderingsmekanismer i batteriet. Vidare diskuterades hur denna kunde anpassas till ett 12s, 63 Ah batteri som skulle användas för att åka sträckan Tranholmen till Ropsten.  Undersökning av hybrida batterier och bränslecellsystem visade att PEM-system som drivs av syrgas var betydligt mer effektiva gentemot PEM som använder luft. Dock på grund av den ökade komplexiteten är dessa mer lämpliga för användning hos större bärplansbåtar. Förändringar av systemets tryck ledde till påverkan på effektiviteten hos PEM-cellen. Utöver det bestämdes en lämplig hybridsystemmodell för användning på Float SAM plattformen.