No description available.

I takt med att Sveriges elsystem byggs ut och allt större andel elenergi kommer från förnybar och väderberoende elproduktion såsom vind, så ökar även behovet av stödtjänster som kan balansera frekvensen i elsystemet. Frekvensen i elsystemet fungerar som en indikator på om elsystemet är i balans och för att elsystemet ska vara i balans krävs att elproduktionen hela tiden motsvarar elanvändningen. Examensarbetet har utrett möjligheterna att leverera stödtjänster från en redan befintlig vindkraftpark och har även undersökt hur möjligheterna ser ut i framtiden i och med att marknaderna för stödtjänster utvecklas. I dagsläget finns fem olika frekvensreglerande stödtjänster i Sverige. Dessa är Fast frequency Reserve (FFR), Frequency Containment Reserve-Normal (FCR-N), Frequency Containment Reserve-Disturbance (FCR-D), automatic Frequency Restoration Reserve (aFRR) och manual Frequency Restoration Reserve (FRR). Dessa stödtjänster upphandlas av Svenska kraftnät för att upprätthålla balans mellan produktion och konsumtion i elsystemet. För varje stödtjänst finns olika krav och specifikationer som bland annat vilken frekvens som de aktiveras vid, hur lång tid aktiveringen får ta samt hur långt i förväg de upphandlas etcetera. I kontakt med sakkunniga och i litteratur så framgår det att det är möjligt att leverera någon typ av frekvenstjänst från de allra flesta vindparker. För att börja leverera stödtjänster krävs att vindturbinen har en effektomriktare, vilket de flesta vindkraftverk har i dagsläget. Därefter handlar det främst om program och mjukvaruinställningar i effektomriktaren. Annars fungerar det i stort sett som vanlig pitch-reglering av turbinerna. Inom detta projekt så har även driftdata från en verklig vindpark i Blaiken studerats, där tre olika testkörningar genomförts. I testkörningarna har man testat att styra produktionen från turbinerna genom att göra nedregleringar och uppregleringar för att dokumentera hur parken reagerar. Utifrån data från testkörningarna som jämförs med krav för olika stödtjänster kan slutsatser dras om att stödtjänsterna mFRR, aFRR samt FCR-N bör kunna levereras från Blaiken. De är stödtjänsterna med de mest generösa aktiveringstiderna. Resultatet visar även på möjligheter att jobba med parkstyrningssystemet för att förbättra parkens reglerförmåga och i bästa fall skulle detta kunna medföra att parken även klarar kraven för aktiveringstid av FCR-D.

I takt med nya innovationer och samhällets fortsatta utveckling och utbredning ökar även elektrifieringen. För att uppnå flera av de miljömål som satts upp av Sveriges riksdag krävs en övergång till ett elsystem byggt på el från förnybara källor. Den ökande elektrifieringen medför inte bara ökade krav på den mängd el som produceras, men även förmågan att transportera den. Den ökade belastningen på elnätet skapar flaskhalsar och kapacitetsbrist i större städer och regioner, vilket gör det svårt att till exempel etablera nya fabriker och bostadsområden vilket bromsar samhällets utveckling. För att lösa denna kapacitetsbrist behövs det svenska stamnätet byggas ut. Detta är dock en relativt långsam process vilket ställer krav på innovativa lösningar som kan avlasta elnätet på kort och lång sikt. En sådan lösning är en ökad efterfrågeflexibilitet, vilket innebär att vissa effektkrävande aktiviteter flyttas till tider på dygnet då elnätet är mindre belastat. Genom att använda sig av smart elnätsteknik kan konsumenter få information om elpriser i realtid och därmed anpassa sin elkonsumtion och dra nytta av lägre elpriser och större tillgång till grön el då topplasten på elnätet är lägre. Syftet med denna studie är att undersöka hur sådana smarta elnätstjänster kan resultera i en ökad efterfrågeflexibilitet i bostäder, och om denna efterfrågeflexibilitet kan hjälpa till att motverka kapacitetsbristen i det svenska elnätet. För att undersöka detta har en litteraturstudie med fokus på beteendeförändringar kopplade till hållbar utveckling samt fyra kvalitativa intervjuer av relevanta aktörer i elbranschen gjorts. Resultaten från litteraturstudien har analyserats i syfte att undersöka huruvida de är applicerbara på smarta elnätstjänster för att uppnå en ökad efterfrågeflexibilitet eller ej. De kvalitativa intervjuerna har summerats och analyserats för att undersöka vilka frågor det råder enighet samt oenighet i bland branschens aktörer. Efter analys samt diskussionen visar studien att smarta elnätstjänster kopplade till bostäders elkonsumtion har potential att uppnå en ökad efterfrågeflexibilitet samt att denna efterfrågeflexibilitet kan bidra till att minska kapacitetsbristen i elnätet. Detta ska dock inte ses som en universell lösning utan en av flera nödvändiga lösningar för att rå på problemet. / As innovation and society continue their growth, electrification is increasing rapidly. To achieve several of the environmental goals set by the Swedish Parliament, a transition to an electricity system based on electricity from renewable sources is also required. The increasing electrification entails not only increased demands on the amount of electricity produced, but also the ability to transport it. Increased load on the electricity grid creates bottlenecks and capacity shortages in larger cities and regions, which makes it difficult to establish, among other things, new factories and residential areas, which slows down the development of society. To solve this capacity shortage, the Swedish electrical grid needs to be expanded. However, this is a relatively slow process, which places demands on innovative solutions that can relieve the electricity grid, both short term and long term. Such a solution is an increased demand flexibility, which means that certain power-demanding activities are moved to times of the day when the grid is less congested. By using smart grid technology, consumers can get information about electricity prices in real time and thereby adjust their electricity consumption and benefit from lower electricity prices and greater access to renewable energy when the top load on the electricity grid is lower. The purpose of this study is to investigate how such smart grid services can result in increased demand flexibility in homes, and whether this demand flexibility can help counteract the capacity shortage in the Swedish grid. To investigate this, a literature study focusing on behavioral changes linked to sustainable development, and four qualitative interviews with relevant actors in the energy industry, have been conducted. The results from the literature study have been analyzed to investigate whether or not they are applicable to smart grid services to achieve increased demand flexibility. The qualitative interviews have been summarized and analyzed to examine what issues there is agreement and disagreement in among the industry's players. After analysis and discussion, the study shows that smart grid services linked to residential electricity consumption have the potential to achieve increased demand flexibility and that this demand flexibility can contribute to reducing capacity shortage. However, this should not be seen as a universal solution but as one of several necessary solutions to tackle the problem.

The number of plug-in electric vehicles (PEVs) is likely to increase in the near future and these vehicles will probably be connected to the electric grid most of the day time. PEVs are interesting options to provide a wide variety of services such as primary frequency control (PFC), because they are able to quickly control their active power using electronic power converters. However, to evaluate the impact of PEVs on PFC, one should either carry out complex and time consuming simulation involving a large number of PEVs or formulate and develop aggregate models which could efficiently reduce simulation complexity and time while maintaining accuracy. This thesis proposes aggregate models of PEVs for PFC. The final aggregate model has been developed gradually through the following steps. First of all, an aggregate model of PEVs for the PFC has been developed where various technical characteristics of PEVs such as operating modes (i.e., idle, disconnected, and charging) and PEV’s state of charge have been formulated and incorporated. Secondly, some technical characteristics of distribution networks have been added to the previous aggregate model of PEVs for the PFC. For this purpose, the power consumed in the network during PFC as well as the maximum allowed current of the lines and transformers have been taken into account. Thirdly, the frequency stability margins of power systems including PEVs have been evaluated and a strategy to design the frequency-droop controller of PEVs for PFC has been described. The controller designed guaranties similar stability margins, in the worst case scenario, to those of the system without PEVs. Finally, a method to evaluate the positive economic impact of PEVs participation in PFC has been proposed. / En el futuro cercano se espera un notable incremento en el número de vehículos eléctricos enchufables (PEVs), los cuales están conectados a la red eléctrica durante la mayor parte del día. Los PEVs constituyen una opción interesante a la hora de proporcionar una amplia variedad de servicios, tales como el control primario de frecuencia (PFC), dado que tienen la capacidad de controlar rápidamente el flujo de potencia activa a través de convertidores electrónicos de potencia. Sin embargo, para evaluar el impacto de los PEVs sobre el PFC se debe llevar a cabo una simulación computacionalmente compleja y con un largo tiempo de simulación en la que se considere un gran número de PEVs. Otra opción sería la formulación y desarrollo de modelos agregados, los cuales podrían reducer eficazmente la complejidad y tiempo de simulación manteniendo una alta precisión. Esta tesis propone modelos agregados de PEVs para PFC. El modelo agregado definitivo ha sido desarrollado de manera gradual a través de los siguientes pasos. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo agregado de PEVs para PFC en el cual son incorporadas varias características técnicas de los PEVs, tales como los modos de operación (inactivo, desconectado y cargando), y la formulación del estado de carga de los PEVs. En segundo lugar, ciertas características técnicas de las redes de distribución han sido consideradas en el modelo agregado de PEVs para PFC previamente propuesto. Para este fin, la potencia consumida por la red durante el PFC, así como la corriente máxima permitida en las líneas y transformadores han sido consideradas. En tercer lugar, se han evaluado los márgenes de estabilidad en la frecuencia de los sistemas de potencia que incluyen PEVs y se ha descrito una estrategia para diseñar un control de frecuencia-droop de PEVs para PFC. El controlador diseñado garantiza márgenes de estabilidad similares, en el peor de los casos, a aquellos de un sistema sin PEVs. Finalmente, se ha propuesto un método para evaluar el impacto económico positivo de la participación de los PEVs en el PFC. / Inom en snar framtid förväntas antalet laddbara bilar (laddbilar) öka kraftig, vilka tidvis kommer att vara anslutna till elnätet. Då laddbilar snabbt kan styra och variera sin aktiva laddningseffekt med hjälp av kraftelektroniken i omriktaren kan dessa fordon erbjuda en rad systemtjänster, såsom primär frekvensregleringen. Att utvärdera hur laddbilarna kan påverka den primära frekvensreglering är utmanande då en stor mängd laddbilar måste beaktas vilket kräver komplexa och tidskrävande simuleringar. Ett effektivt sätt att minska komplexiteten men bibehålla noggrannheten är genom att utforma och använda aggregerade modeller. Syftet med denna avhandling är att ta fram aggregerade modeller för laddbilars påverkan på primär frekvensreglering. Modellen har gradvis utvecklats genom följande steg. I första steget har en aggregerad modell av hur laddbilar kan användas för primär frekvensreglering utvecklats där olika tekniska detaljer så som laddbilars tillstånd (d.v.s. inkopplade, urkopplade eller laddas) och laddningnivån beaktats. I andra steget har en modell av distributionsnätet integrerats i den aggregerade modellen. Här tas hänsyn till effektflöden i elnätet samt begränsningar i överföringskapacitet i transformatorer och ledningar i distributionsnätet. I ett tredje steg har frekvensstabiliteten i ett elnät med laddbilar utvärderats och en strategi för hur en frekvensregulator kan designas för att tillhandahålla primär frekvensreglering med hjälp av laddbilar har utvecklats. Designen garanterar samma stabilitetsmarginal för styrsystemet både med och utan laddbilar. Dessutom föreslås en metod för att utvärdera de ekonomiska effekterna av att använda laddbilar för primär frekvensreglering. / Het aantal elektrische voertuigen (EV’s) zal zeer waarschijnlijk toenemen in de nabije toekomst en deze voertuigen zullen vermoedelijk gedurende het grootste deel van de dag aan het elektriciteitsnetwerk aangesloten zijn. EV’s zijn interessante opties om een grote verscheidenheid van diensten te leveren, zoals bijvoorbeeld primaire frequentieregeling, omdat ze snel hun actieve vermogen kunnen aanpassen met behulp van elektronische vermogensomvormers. Echter, om de invloed van EV’s en primaire frequentieregeling te kunnen evalueren, moet men complexe en tijdrovende simulaties met een groot aantal EVs uitvoeren of verzamelmodellen formuleren en ontwikkelen die de complexiteit en duur van de simulaties kunnen reduceren zonder nauwkeurigheid te verliezen. Dit onderzoek presenteert verzamelmodellen voor EV’s en primaire frequentieregeling. Het uiteindelijke verzamelmodel is geleidelijk ontwikkeld door de volgende stappen te nemen. Ten eerste is een verzamelmodel voor EV’s en primaire frequentieregeling ontwikkeld waar verscheidene technische karakteristieken van EV’s, zoals bedieningsmodi (bijv. Inactief, losgekoppeld en ladend) en de actuele laadtoestand in zijn geformuleerd en geïntegreerd. Ten tweede zijn enkele technische karakteristieken van distributienetwerken toegevoegd aan het eerdere verzamelmodel van EV’s voor primaire frequentieregeling. Hiervoor zijn de vermogensconsumptie in het network gedurende primaire frequentieregeling en de maximaal toegestane stroomsterkte van de kabels meegerekend. Ten derde zijn de marges voor de frequentiestabiliteit van elektriciteitssystemen met EV’s geëvalueerd en is een strategie voor het ontwerpen van de frequentie-droop regeling van de EV’s voor primaire frequentieregeling beschreven. De ontworpen controller garandeert soortgelijke stabiliteitsmarges in het slechtste scenario, als voor het systeem zonder EV’s. Ten slotte is er een methode voorgesteld om de positieve economische invloed van EV-participatie in primaire frequentieregeling te evaluëren. / <p>“SETS Joint Doctorate Programme</p><p>The Erasmus Mundus Joint Doctorate in Sustainable Energy Technologies and Strategies (SETS), the SETS Joint Doctorate, is an international programme run by six institutions in cooperation:</p><p>• Comillas Pontifical University, Madrid, Spain</p><p>• Delft University of Technology, Delft, the Netherlands</p><p>• Florence School of Regulation, Florence, Italy</p><p>• Johns Hopkins University, Baltimore, USA</p><p>• KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden</p><p>• University Paris-Sud 11, Paris, France</p><p>The Doctoral Degrees provided upon completion of the programme are issued by Comillas Pontifical University, Delft University of Technology, and KTH Royal Institute of Technology.</p><p>The Degree Certificates are giving reference to the joint programme. The doctoral candidates are jointly supervised, and must pass a joint examination procedure set up by the three institutions issuing the degrees.</p><p>This Thesis is a part of the examination for the doctoral degree.</p><p>The invested degrees are official in Spain, the Netherlands and Sweden respectively.</p><p>SETS Joint Doctorate was awarded the Erasmus Mundus excellence label by the European Commission in year 2010, and the European Commission’s Education, Audiovisual and Culture Executive Agency, EACEA, has supported the funding of this programme</p><p>The EACEA is not to be held responsible for contents of the Thesis.”  QC 20170412</p>

Sweden has experienced a significant increase in installed solar power capacity between 2010 and 2020, driven by decreasing installation costs, government subsidies and widespread public interest. However, Sweden's geographical distribution of electricity generation and consumption presents challenges for the national grid. Recent instability in the electricity supply due to the war in Ukraine has prompted increased interest in residential battery energy storage systems (BESS) as a means to enhance energy resilience and reduce electricity bills. The rapid growth of the European residential BESS market is expected to continue, driven by the need for flexibility and energy-shifting services in response to increasing renewable energy production. BESS can provide economic benefits to households with installed PV systems through peak shaving, allowing them to store excess electricity during periods of high production and use it during peak demand. This thesis investigates photovoltaic (PV) and BESS performance and profitability for Swedish households under various conditions. The study considers parameters such as system costs, energy prices, grid tariffs and dynamic battery management strategies to investigate the profitability of the systems. The research aims to provide guidelines for households to maximize the benefits of their PV and BESS installations and minimize their dependence on the grid. The effectiveness and practicality of the developed method are demonstrated through verification in two real-world installations. The study’s findings demonstrate that electricity prices, household consumption and roof orientation highly influence the profitability of PV systems. If future electricity prices align with present forecasts, installations on north-facing roofs will not be profitable under any circumstances investigated in this study. A distinct correlation is also discernible between larger loads and improved economic viability for PV and BESS installations, while a smaller battery capacity results in higher economic viability. This reveals that BESS profitability currently is limited due to high installation costs. However, the potential for future BESS profitability is shown if battery costs are reduced and more advanced battery dispatch strategies are developed. / Sverige har upplevt en betydande ökning av installerad solkraftskapacitet mellan åren 2010 och 2020, drivet av faktorer som minskande installationskostnader, statliga bidrag och ett brett folkligt intresse. Geografiska skillnader mellan elproduktion och konsumtion i Sverige innebär utmaningar för elnätet. Instabilitet i elförsörjningen till följd av kriget i Ukraina har ökat intresset för batterilagringssystem i bostäder som ett medel för hushåll att öka deras energiresiliens och minska elkostnaderna. Den snabba tillväxten på den europeiska marknaden för batterilagringssystem förväntas fortsätta, drivet av behovet av flexibilitet i elnätet och energiomställningstjänster till följd av ökad produktion av förnybar energi. Batterilagringssystem kan ge ekonomiska fördelar för hushåll med installerade PV-system genom utjämning av effekttoppar, vilket gör att överskottsenergi kan lagras under perioder av hög produktion och användas under toppbelastning. Denna rapport undersöker prestanda och lönsamhet för solcells- och batterisystem för svenska hushåll under olika förhållanden. Studien utforskar betydande parametrar såsom systemkostnader, energipriser, nättariffer och dynamiska batterihanteringsstrategier för att undersöka lönsamheten för systemen. Detta ämnar till att ge riktlinjer för hushåll att maximera fördelarna med solcells- och batteri-installationer och minimera dess beroende av elnätet. Effektiviteten och praktikaliteten av den utvecklade metoden demonstreras genom verifiering i två verkliga installationer. Resultaten visar atta elpriser, hushållsförbrukning och takorientering i hög grad påverkar lönsamheten hos solcellsanläggningar. Om framtida elpriser stämmer överens med nuvarande prognoser kommer installationer på tak mot norr inte att vara lönsamma under några omständigheter som undersökts i denna studie. En tydlig korrelation kan också urskiljas mellan större elkonsumtion och förbättrad ekonomisk lönsamhet för PV och batteri-installationer, medan en mindre batterikapacitet resulterar i högre ekonomisk lönsamhet. Detta visar att batteriers lönsamhet för närvarande är begränsad på grund av höga installationskostnader. Potentialen för framtida lönsamhet för batterier visas dock om batterikostnaderna sänks och mer avancerade batterihanteringsstrategier utvecklas.

There has recently been an increased interest in hydrogen, both as a solution for seasonal energy storage but also for implementations in various industries and as fuel for vehicles. The transition to a society less dependent on fossil fuels highlights the need for new solutions where hydrogen is predicted to play a key role. This project aims to investigate technical and economic outcomes of different strategies for production and storage of hydrogen based on hydrogen demand and source of electricity. This is done by simulating the operation of different systems over a year, mapping the storage level, the source of electricity, and calculating the levelized cost of hydrogen (LCOH). The study examines two main cases. The first case is a system integrated with offshore wind power for production of hydrogen to fuel the operations in the industrial port Gävle Hamn. The second case examines a system for independent refueling stations where two locations with different electricity prices and traffic flows are analyzed. Factors such as demand, electricity prices, and component costs are investigated through simulating cases as well as a sensitivity analysis. Future potential sources of income are also analyzed and discussed. The results show that using an alkaline electrolyzer (AEL) achieves the lowest LCOH while PEM electrolyzer is more flexible in its operation which enables the system to utilize more electricity from the offshore wind power. When the cost of wind electricity exceeds the average electricity price on the grid, a higher share of wind electricity relative to electricity from the grid being utilized in the production results in a higher LCOH. The optimal design of the storage depends on the demand, where using vessels above ground is the most beneficial option for smaller systems and larger systems benefit financially from using a lined rock cavern (LRC). Hence, the optimal design of a system depends on the demand, electricity source, and ultimately on the purpose of the system. The results show great potential for future implementation of hydrogen systems integrated with wind power. Considering the increased share of wind electricity in the energy system and the expected growth of the hydrogen market, these are results worth acknowledging in future projects.