Energy storage is of increasing interest as an enabler of incorporating renewable intermittent power in the power systems globally. There are several technologies for energy storage, and this thesis focuses on battery energy storage systems (BESS). Previous research has shown that it is difficult to install BESS with a payback time within the battery lifetime, making it a challenge to realise profitable investments. The complexity of developing an optimal control of the battery is also documented in research as another challenge. Optimal sizing of the BESS could be a solution to the challenge of reaching profitability. The thesis is identifying and analysing some important technical and energy-related parameters affecting the performance of BESS installations. Identification and analysis of parameters affecting the performance will help build insight into the optimization of BESS and help enable the development of more efficient sizing and operation. By developing an algorithm simulating the BESS when controlled using two different strategies, this thesis additionally contributes to the research by displaying the complexity of battery control, which is realised by the energy management system (EMS). Thereby the thesis is adding to the research base for the future development of smarter and more optimal EMS. The main research methodologies used in the thesis was a literature study and a case study. The results suggested that the energy management strategy used in the battery control was gravely affecting the performance in terms of economic profitability, self-sufficiency and environmental impact. It was also implied that it is difficult to develop an efficient battery control to reach the full potential of the storage system. The main conclusions in this paper are that the most important parameters to consider when implementing a battery storage in a residential multifamily building are battery technology, battery capacity, building load, renewable energy generation, energy management strategy as well as the electricity prices and investment cost. The energy management strategy most favourable for the case building studied was found to be a combination of optimizing the self-sufficiency and performing peak shaving. It would also be preferable to further develop the battery control to also take electricity prices and balance services into consideration. For this, AI and machine learning could be integrated in the control of the system. According to the case study results, the lithium ion battery technology had better potential for reaching economic profitability while the nickel metal hydride technology showed better potential in terms of environmental performance. The choice of battery technology and energy management strategy should however be adjusted to the customer specific demands and prerequisites.

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.

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.

På uppdrag av Cytiva har detta projekt undersökt möjligheten och nyttan med att skaffa ett batterilager. Batterilager kan användas av ett företag på flera olika sätt, genom att minska effekttoppar, agera som reservkraft, eller utnyttja fluktuationer i elpriset genom att ladda när elen är billig och använda batteriet när elen är dyr. I detta projekt undersöks dessa användningssätt, med fokus på effekttoppsreducering. I projektet har flera olika batterikemier jämförts för att avgöra vilket som passar Cytivas behov bäst. Av bly-syrabatterier, Li-jonbatterier, flödesbatterier, Ni-metallhydridbatterier, Na-S-batterier och saltvattenbatterier fanns att Li-jonbatterier passade bäst för detta ändamål. Utifrån det har simuleringar gjorts för att ta reda på vad som ger den bästa toppkapningen. Det batteri som gav högst effektreducering hade kapacitet på 10 MWh och reducerade maxeffekten från 5973 kW till 5031 kW. Det minsta batteri som hade en hög effektreducering hade kapacitet på 6 MWh och reducerade maxeffekten till 5470 kW. Ingen av de användningssätt som nämnts är i sig tillräckligt lönsamma för att återbetala investeringen inom batteriets livstid. Däremot att kombinera någon av dessa användningssätt med att sälja kapacitet till elnätets frekvensregleringstjänster, gör att batteriet kan tjäna igen sin investeringskostad långt innan det behöver bytas ut och därmed bli lönsamt. I samband med att elproduktionen från sol- och vindkraft ökar så ökar också behovet av frekvensreglering, och även fluktuationerna i elpriset ökar. Detta gör att det just nu är mer lönsamt än någonsin att investera i energilagring. Eftersom elnätet på många håll redan är mycket ansträngt är det också bra för samhället i stort. En ökad flexibilitet i effektuttaget gör det lättare att främja elektrifieringen av samhället.

Vätgas tar en allt större plats i den gröna omställningen inom gruv- och stålindustrin vilket initiativtagande projekt såsom Hybrit och H2 Green Steel bevisat. Vätgas framställs ofta från fossila bränslen vilket genererar koldioxidutsläpp men om produktionen istället sker med elektricitet från förnybara energikällor anses tillverkningen förnybar. Exempel på sådana produktionsmetoder är alkalisk elektrolys och Proton Exchange Membrane (PEM) vilka är de två metoder som utvärderats i denna rapport. Dock blir en stor del av den konsumerade elektriciteten till spillvärme där 20% anses användbar. Spillvärmen är lågvärdig med temperaturer på 75°C för alkalisk elektrolys och 50°C för PEM vilket medför att det är svårt att hitta användningsområden för den. Därför har syftet med projektet varit att undersöka vilka användningsområden som spillvärmen kan få avsättning för samt bedöma lönsamheten för dessa. De mängder spillvärme som undersöktes var 1, 3, 5, 7 och 9 MW.  Användningsområdena som undersöktes var generering av elektricitet, generering av kyla, gruvventilation, vattenrening, växthus, energilagring samt kombination av användningsområden. För att erhålla information om teknologier på marknaden gällande generering av elektricitet och kyla samt växthus kombinerades litteraturstudier med marknadsundersökningar. För gruvventilationen, vattenreningen och energilagringen konstruerades beräkningsmodeller i Excel för att samla resultat för analys.  Det var möjligt att generera elektricitet och kyla med spillvärmen från alkalisk elektrolys. Det var inte lönsamt att generera elektricitet medan lönsamheten för att generera kyla inte gick att bestämma. Gruvventilationen hade kort återbetalningstid för värmeväxlaren vid små mängder spillvärme och luftflödet 100 m3/s medan högre luftflöden gav en ökad årlig reducerad energikostnad och därmed kortare återbetalningstid. Stora mängder spillvärme kunde värma vattnet för vattenreningen från 4°C till 15°C under hela året men lönsamheten för vattenreningen kunde inte bedömas på grund av brist på information angående kostnader. Rapporter visade att det var möjligt att utnyttja spillvärme från datacenter för att värma växthus vilket innebar att det borde vara möjligt med spillvärme från vätgasproduktion. Energiförlusterna och temperatursänkningarna för energilagren var små vilket visade att det var möjligt att lagra energi från spillvärmen under perioder när den inte användes. Dock var det osäkert ifall det var lönsamt eller inte. Den mest intressanta kombinationen av användningsområden var gruvventilation och vattenrening eftersom deras maximala energibehov inträffade olika tider på året.  Flera områden bedömdes som potentiella användningsområden för spillvärmen. Dock behöver ytterligare studier utföras, speciellt gällande lönsamheten för områdena. / Recently, hydrogen has gotten more attention in the green transition within the mining- and steel industry which projects like Hybrit and H2 Green Steel have proven. Hydrogen is often created from fossil fuels which generate carbon dioxide emissions but if the production of hydrogen is instead powered by renewable energy sources, it can be considered sustainable. Alkali electrolysis and Proton Exchange Membrane (PEM) are two examples of such processes and they are the methods that have been investigated in this report. However, a large portion of the consumed electricity is rejected as waste heat where 20% is considered usable. It is low grade waste heat with temperatures of 75°C for alkali electrolysis and 50°C for PEM which makes it difficult to recover and use. Therefore, the aim of this project has been to investigate the potential areas in which waste heat can be utilized as well as the profitability of them. The amounts of waste heat investigated were 1, 3, 5, 7 and 9 MW. The investigated areas of utilization were generation of electricity, generation of cold, mining ventilation, water cleaning, greenhouses, energy storage and combination of different areas. A literature study was combined with researching the market to gather information about existing technologies on the market for generation of electricity and cold as well as greenhouses. Calculation models were created in Excel for mining ventilation, water cleaning and energy storage to gather results for analysis. It was possible to generate electricity and cold with waste heat from alkali electrolysis. It was not profitable to generate electricity while the profitability for generating cold could not be determined. The mining ventilation had a short payback time for the heat exchanger at low amounts of waste heat with an air flow of 100 m3/s while higher air flows resulted in an increase of the yearly reduced energy cost and therefore a shorter payback time. Large amounts of waste heat could heat the water to the water cleaning from 4°C to 15°C during the whole year but the profitability remained undetermined due to lack of information regarding costs. Reports showed that it was possible to utilize waste heat from data centers for heating greenhouses which implies that it should be possible to use waste heat from hydrogen production for the same application. The energy losses and temperature reduction for the energy storages were small which showed that it was possible to store energy from the waste heat during periods when it was not used. However, it was unsure if it was profitable or not. The most interesting combination of utilization areas was mining ventilation with water cleaning since their maximal heating demand occurred at different times during the year. Several areas were assessed as potential areas of utilization for the waste heat. However, more studies need to be conducted, especially regarding the profitability for the utilization areas.

Airson Engineering AB vill undersöka för ladd-möjligheter till elbilar på deras anläggning i Ängelholms kommun, de vill även veta hur utformningen av ladd-infrastrukturen bör utformas. Syftet är att göra simulering med hjälp av matlab över ett case som anses vara lämpligt för användning av elbilsparkeringen. Det är fyra case som behandlas där olika parametrar ändras i varje för att se skillnaden på effektbehov.  Till största del laddas elbilen över natten i anslutning till bostaden eftersom elen är som billigast då. Men för att uppnå höga effekter finns det något som kallas för snabbladdning, där levereras effekt med minst 50 kW. Snabbladdning finner man ofta på publika laddstationer eftersom mycket hög spänning och strömstyrka förekommer, vilket betyder att man inte kan installera det hemma. För att få fram bästa resultaten har flera olika metoder använts för inhämtning av data. Alla simuleringar är gjorda i Matlab där en standard case först utformades och därefter har ändringar skett löpande från denna simulering. PVgis har även använts för att få fram mätdata på solelproduktion på den exakta platsen som anläggningen planeras att ligga på. Utifrån resultaten som tagits fram i rapporten kan man konstatera att genom rätt modifiering av antal ladd platser och beräknad användare per dag, kan det vara lönsamt att investera i ett sådant projekt, då det även bidrar till högre utnyttjande av solenergin som annars går till spillo. Genom att använda långtidsparkerares elbilsbatteri som ackumulatorer kan man använda sig av el för att ladda andra bilar som inte ska stå lika länge när produktionen inte räcker till, eller alternativt ta från energilagringen.

Kiljanov G.M. Energy storage in autonomous power plants using renewable energy sources, 2017 - p.104, 11 tables, 40 pic. Head Bessel V.V., Professor, Ph.D. Department of Thermodynamics and Thermal Engines. An analysis of existing energy storage devices in the world is carried out. The scientific and technical basis of energy storage. The device and the operating principle of an autonomous combined power plant with an energy storage device are considered. On the basis of the technological calculation, an optimal combination of a wind generator, a system of solar panels and a reservoir, which can provide reliable and uninterrupted power generation, was chosen. The economic efficiency of the project on the use of combined medium power plants at gas production facilities in remote areas was estimated. Conclusions are drawn about the advisability of introducing energy systems based on renewable sources with energy storage devices at the country's enterprises. / Kilyanov G.M. Energilagring i autonoma kraftverk som använder förnybara energikällor, 2017 - s.105, 11 tabeller, 40 bild. Chef Bessel V.V., professor, Ph.D. Institutionen för termodynamik och termiska motorer. En analys av befintliga energilagringsenheter i världen utförs. Den vetenskapliga och tekniska grunden för energilagring. Enheten och driftsprincipen för ett autonomt kombinerat kraftverk med en energilagringsanordning beaktas. Baserat på den tekniska beräkningen valdes en optimal kombination av en vindgenerator, ett system av solpaneler och en reservoar, som kan ge pålitlig och oavbruten elproduktion. Projektets ekonomiska effektivitet på användningen av kombinerade medelkraftverk vid gasproduktionsanläggningar i avlägsna områden uppskattades. Slutsatser dras om att det är lämpligt att införa energisystem baserade på förnyelsebara källor med energilagringsenheter hos landets företag.

The purpose of the project was to carry out a study of a potential solar cell facility at Västergårdsgymnasiet. Previous studies have established that there is the greatest potential for electricity production during the summer period, which coincides with the load at its lowest. The aim of the project was therefore to investigate a solar cell plant with energy storage and how the surplus of the electricity produced can be stored.The modeling was performed with an installed capacity of 1231 kW solar panels and evaluated with the software Homer Pro, which is designed to simulate and optimize local energy systems. The execution of the project was divided into four main steps, the first being to check the solar-power plant's potential by calculating the theoretical electricity production against the property load. From this, the theoretical surplus could also be calculated, which is the cornerstone of the other main elements. The simulation resulted in the annual electricity production level being approximately 1.2 GWh and the theoretical surplus was estimated to be 0.5 GWh. The surplus in the system is sold to the electricity grid with a financial compensation based on Nordpool's spot prices. The financial result showed that it was not profitable with the conditions that the facility has and sensitivity analysis depending on the spot price was performed. The remaining three main steps are based on different types of energy storage methods, these are storage with lithium-ion batteries, flow batteries and hydrogen storage. The purpose of these energy storage methods was to reduce the proportion of electricity sold to increase the economic profitability and contribute to a higher degree of self-sufficiency.The systems with battery storage resulted in an increased degree of self-sufficiency but did not contribute to any increased economic profitability. The last storage method that was investigated was hydrogen storage, this was done with three different applications. The first application was based on the surplus of the produced solar energy being used to produce hydrogen. The produced hydrogen gas was then stored until the system has a shortage of energy and was then supplied to the fuel cell that produces both electricity and heat that were used in the property. The study showed that the method would not contribute to any economic profitability. The second application that was investigated was of the same basic structure as before but has been supplemented with a flow battery. The simulation of the system showed an increased degree of self-sufficiency but with a higher cost. The last method of application that was investigated was that the surplus energy is used to produce hydrogen, which was then used for an internal vehicle fleet or alternatively sold. The application gave promising results with the possibility of financial profitability.

A significant portion of Sweden's current energy production is dedicated to heating homes and buildings. Simultaneously, we anticipate a substantial increase in electricity usage in the future. This places a greater demand on district heating companies, among others, to meet the rising demand intelligently. Previously, more production facilities have been built to address the growing demand for heat. In the forthcoming development, district heating is considered to play an increasingly crucial role in the evolution of the Swedish energy system. This occurs as society becomes increasingly electrified and electricity systems become more reliant on other energy systems through sector coupling, such as district heating. Integrating thermal energy storage into district heating systems can significantly enhance the energy system's flexibility. This report investigates the potential of integrating thermal energy storage into Halmstad's district heating system and the associated benefits. It examines both short-term and seasonal heat storage. The short-term storage aims to address the daily variations in district heating load, preventing the frequent activation of peak load facilities. Additionally, a seasonal storage system is considered to handle the most significant district heating load fluctuations. Integrating seasonal heat storage into the district heating system would enable power plants to operate at a constant load throughout the year. Suitable storage methods were identified, and economic calculations were performed. The results indicate that installing a 42 000   short-term storage or a larger 830 000   seasonal storage system would be most cost-effective. Halmstad possesses favorable conditions for integrating these heat storage systems. The short-term storage system is designed to handle the annual daily variations in Halmstad's district heating load. The seasonal heat storage system has the capacity to store all the excess cooling energy during the summer period for use during the winter when heating demand is highest. Furthermore, the seasonal heat storage system can replace 54% of the peak load facilities' energy throughout the year. The economic evaluations revealed an annual profit of SEK 12 million for the short-term storage system and SEK 25 million for the seasonal storage system. The payback periods were 3.2 years and 7.6 years for the short-term and seasonal storage systems. / Mycket av den producerande energin i Sverige idag går till att uppvärmning av bostäder och lokaler. Samtidigt som vi har en förväntad kraftigt ökad elanvändning i framtiden. Detta gör att det ställs högre krav på bland annat fjärrvärmebolagen för att möta den ökande efterfrågan på ett smart sätt. Tidigare så har det byggts ut fler produktionsanläggningar för att möta den ökande efterfrågan på värme. I den kommande utvecklingen så anses fjärrvärmen att spela en allt viktigare roll i utvecklingen av det svenska energisystemet. Detta sker när samhället elektrifieras i allt högre grad och elsystem blir mer beroende av andra energisystem genom sektorkoppling såsom fjärrvärmen. För att främja flexibiliteten i energisystemet så kan integrering av termiska energilagring inom fjärrvärmen ha en stor betydelse. Rapporten undersöker möjligheter med att integrera termisk energilagring för Halmstads fjärrvärmesystem och vilka nyttor det medför. Det undersöks både korttidslagring av värme och säsongsvärmelager, där korttidlagret ska klara de dygnsvariationerna i fjärrvärmelasten för att förhindra starter av spetsanläggningar, men även ett kottidslager som klarar de största variationerna i fjärrvärmelasten. Att integrera ett säsongsvärmelager i fjärrvärmesystemet ska göra att värmeverken kan drivas på konstant belastning under hela året. Lämpliga lagringsmetoder togs fram samt ekonomiska beräkningar och resultatet visar att det mest lönsamma är att installera ett korttidslager på 42 000   eller ett större säsongslager på 830 000  . Halmstads förutsättningar för att integrera dessa värmelager är goda. Korttidslagret har dimensionerats för att klara de dygnsvariationerna i fjärrvärmelasten i Halmstad över året. Säsongsvärmelagret har möjlighet att lagra all bortkyld effekt som kyls bort under sommarperioden, för att sedan använda energin under vintern när värmebehovet är som störst. Men även 54% av spetsanläggningarnas energi kan ersättas med säsongsvärmelagret över året.         De ekonomiska resultaten resulterade i en årlig vint på 12 miljoner SEK för korttidslagret respektive 25 miljoner SEK för säsongslagret. Payoff-tiden var på 3,2 år för korttidslagret och 7,6 år för säsongslagret.

The fast pyrolysis plant at RISE – ETC, Piteå produces carbon rich chars in bulk from various sources of biomass as feedstock. These in-house manufactured carbon rich chars were upgraded via pyrolysis as well as chemical activation using KOH to enhance their potential as an electrode material for supercapacitors. Commercial activated charcoal (Merck) was also studied and used as a yardstick for comparing performance of our materials. Investigations using EDX show enrichment in carbon content and very low amounts of impurities in the materials prepared from wood char after specific treatments for upgrading. Two-electrode coin cell apparatus with an aqueous electrolyte was used to determine the electrochemical performance of these materials. Wood char after KOH activation shows a high specific capacitance of ~105 Fg-1 at 2 Ag-1 in galvanostatic charge discharge measurements which outperformed activated charcoal used in this study (~68 Fg-1 at 2 Ag-1). This material was tested in a wide range of conditions (current density ranging from 0.1 Ag-1 to 10 Ag-1) and showed specific capacitance from ~90 Fg-1 (for 10 Ag-1) up to ~118 Fg-1 (for 0.1 Ag-1). Fatigue testing for >20000 cycles showed a remarkably high retention (>96%) of capacitance. Currently, most commercial supercapacitors use activated carbon materials prepared from coconut shells as the active electrode material which are not native to Sweden. In this study, we upgrade wood chars produced at RISE – ETC from biomass sources obtained locally (Sweden and Scandinavia) and demonstrate their applicability as supercapacitor electrode materials. / Den snabba pyrolysanläggningen vid RISE - ETC, Piteå, producerar kolrika kol i bulk från olika källor till biomassa som råvara. Dessa interna tillverkade kolrika karaktärer uppgraderades via pyrolys samt kemisk aktivering med hjälp av KOH för att förbättra deras potential som ett elektrodmaterial för superkondensatorer. Kommersiellt aktivt kol (Merck) studerades och användes som en måttstock för att jämföra våra materials prestanda. Undersökningar med EDX visar berikning av kolinnehåll och mycket låga mängder föroreningar i material som framställts av träkol efter specifika behandlingar för uppgradering. Tvåelektrodmyntcellapparater med en vattenhaltig elektrolyt användes för att bestämma den elektrokemiska prestandan hos dessa material. Träkol efter KOH-aktivering visar en hög specifik kapacitans på ~ 105 Fg-1 vid 2 Ag-1 i galvanostatiska laddningsurladdningsmätningar som överträffade aktivt kol som användes i denna studie (~ 68 Fg-1 vid 2 Ag-1). Detta material testades under ett stort antal betingelser (strömtäthet från 0,1 Ag-1 till 10 Ag-1) och visade specifik kapacitans från ~ 90 Fg-1 (för 10 Ag-1) upp till ~ 118 Fg-1 (för 0,1 Ag-1). Trötthetstestning för > 20000 cykler visade en anmärkningsvärt hög retention (> 96%) av kapacitansen. För närvarande använder de flesta kommersiella superkondensatorer aktivt kolmaterial framställt av kokosnötskal som det aktiva elektrodmaterialet som inte är hemma i Sverige. I den här studien uppgraderar vi träkolor som produceras vid RISE - ETC från biomassakällor erhållna lokalt (Sverige och Skandinavien) och visar deras användbarhet som superkapacitorelektrodmaterial.