Concentrated solar power (CSP) is a fast-growing technology for electricity production. With mirrors (heliostats) irradiation of the sun is concentrated onto a receiver run through by a heat transfer fluid (HTF). The fluid by that reaches high temperatures and is used to drive a steam turbine for electricity production. A CSP power plant is most often coupled with an energy storage unit, where the HTF is stored before it is dispatched and used to generate electricity. Electricity is most often sold at an open market with a fluctuating spot-prices. It is therefore of high importance to generate and sell the electricity at the highest paid hours, increasingly important also since the governmental support mechanisms aimed to support renewable energy production is faded out since the technology is starting to be seen as mature enough to compete by itself on the market. A solar power plant thus has an operational protocol determining when energy is dispatched, and electricity is sold. These protocols are often pre-defined which means an optimal production is not achieved since irradiation and electricity selling price vary. In this master thesis, an optimization algorithm for electricity sales is designed (in MATLAB). The optimization algorithm is designed by for a given timeframe solve an optimization problem where the objective is maximized revenue from electricity sales from the solar power plant. The function takes into consideration hourly varying electricity spot price, hourly varying solar field efficiency, energy flows in the solar power plant, start-up costs (from on to off) plus conditions for the logic governing the operational modes. Two regular pre-defined protocols were designed to be able to compare performance in a solar power plant with the optimized dispatch protocol. These three operational protocols were evaluated in three different markets; one with fluctuating spot price, one regulated market of three fixed price levels and one in spot market but with zero-prices during sunny hours. It was found that the optimized dispatch protocol gave both bigger electricity production and revenue in all markets, but with biggest differences in the spot markets. To evaluate in what type of powerplant the optimizer performs best, a parametric analysis was made where size of storage and power block, the time-horizon of optimizer and the cost of start-up were varied. For size of storage and power block it was found that revenue increased with increased size, but only up to the level where the optimizer can dispatch at optimal hours. After that there is no increase in revenue. Increased time horizon gives increased revenue since it then has more information. With a 24-hour time horizon, morning price-peaks will be missed for example. To change start-up costs makes the power plant less flexible and with fewer cycles, without affect income much. / Koncentrerad solkraft (CSP) är en snabbt växande teknologi för elektricitets-produktion. Med speglar (heliostater) koncentreras solstrålar på en mottagare som genomflödas av en värmetransporteringsvätska. Denna uppnår därmed höga temperaturer vilket används för att driva en ångturbin för att generera el. Ett CSP kraftverk är oftast kopplat till en energilagringstank, där värmelagringsvätskan lagras innan den används för att generera el. El säljs i de flesta fall på en öppen elmarknad, där spotpriset fluktuerar. Det är därför av stor vikt att generera elen och sälja den vid de timmar med högst elpris, vilket också är av ökande betydelse då supportmekanismerna för att finansiellt stödja förnybar energiproduktion används i allt mindre grad för denna teknologi då den börjar anses mogen att konkurrera utan. Ett solkraftverk har således ett driftsprotokoll som bestämmer när el ska genereras. Dessa protokoll är oftast förutbestämda, vilket innebär att en optimal produktion inte fås då exempelvis elspotpriset och solinstrålningen varierar. I detta examensarbete har en optimeringsalgoritm för elförsäljning designats (i MATLAB). Optimeringsscriptet är designat genom att för en given tidsperiod lösa ett optimeringsproblem där objektivet är maximerad vinst från såld elektricitet från solkraftverket. Funktionen tar hänsyn till timvist varierande elpris, timvist varierande solfältseffektivitet, energiflöden i solkraftverket, kostnader för uppstart (on till off) samt villkor för att logiskt styra de olika driftlägena. För att jämföra prestanda hos ett solkraftverk med det optimerade driftsprotokollet skapades även två traditionella förutbestämda driftprotokoll. Dessa tre driftsstrategier utvärderades i tre olika marknader, en med ett varierande el-spotpris, en i en reglerad elmarknad med tre prisnivåer och en i en marknad med spotpris men noll-pris under de soliga timmarna. Det fanns att det optimerade driftsprotokollet gav både större elproduktion och högre vinst i alla marknader, men störst skillnad fanns i de öppna spotprismarknaderna. För att undersöka i vilket slags kraftverk som protokollet levererar mest förbättring i gjordes en parametrisk analys där storlek på lagringstank och generator varierades, samt optimerarens tidshorisont och kostnad för uppstart. För lagringstank och generator fanns att vinst ökar med ökande storlek upp tills den storlek optimeraren har möjlighet att fördela produktion på dyrast timmar. Ökande storlek efter det ger inte ökad vinst. Ökande tidshorisont ger ökande vinst eftersom optimeraren då har mer information. Att ändra uppstartkostnaden gör att solkraftverket uppträder mindre flexibelt och har färre cykler, dock utan så stor påverkan på inkomst.

As the world transitions to intermittent renewable energy sources like solar and wind, the need for long-duration energy storage technologies is becoming more and more prominent. In this regard, flow batteries are seen as a promising solution, owing to their inherent advantages like decoupling of power and energy, extremely high cycle life and negligible self-discharge. However, there are multiple engineering challenges to overcome before the widespread application of flow batteries.   This study, carried out at a leading manufacturer of vanadium-based flow batteries, VoltStorage GmbH, addresses one of those challenges related to the hydraulic sealing of the endplate assembly of the battery. The endplate assembly is prone to losing its structural integrity over the continuous operation, thus failing to achieve its intended purpose of hydraulic sealing. Additionally, it is susceptible to enhanced contact resistance during operation, thus harming the battery performance. Therefore, the primary objective of this study was to develop a modular test rig that could evaluate the endplate assembly's performance in an accelerated manner but without using electrolytes to eliminate the complications of dealing with the sulfuric acid solution (i.e. electrolyte). So, air was chosen as the working fluid to offer clean and highly repeatable testing.   The study began with a literature review of the flow batteries. It was found that the literature concerning the engineering aspects of a flow battery was limited. Therefore, it was followed by an in-depth analysis of the stack design of VoltStorage and the engineering challenges linked to the endplate assembly. Importantly, the root cause of the problem of hydraulic sealing was identified, which was the pressure cycling of the monopole. After that, the test rig was designed and developed based on the understanding of the engineering challenge and to realize the objective of a modular design. The design modularity was desirable to test multiple assemblies simultaneously without increasing the floor footprint. Three parameters were chosen to characterize the assembly: monopole deflection, internal resistance and air leak rate. Due to the system's complexity, experiments to monitor these parameters were divided into two phases, i.e., rig qualification and full-scale testing. The first phase aimed to characterize their baseline behaviour and evaluate the rig's robustness; the next phase aimed at monitoring their behaviour evolution with continuous operation.   The monopole deflection measurements during the first phase indicated a maximum deflection of 0.3 mm. The air-electrolyte equivalence was also established by making the deflection behaviour similar during air and electrolyte operation. Much higher pressure had to be applied with air (~1.6 bar gauge) than water (~0.8 bar gauge) to achieve this equivalence. Moreover, the internal resistance and air leak rate measurements conducted during the first phase provided baseline values (6.341 ± 0.731 mΩ and 1.241 ± 0.091 Pa∙l/s, respectively, with a 95% confidence level) against which any change during continuous operation could be differentiated. However, the full-scale testing could not be performed due to the global supply chain disruptions and the limited time frame of the project. Nevertheless, a vital objective of the design, to modularize the rig so that it could be scaled up quickly and test multiple assemblies simultaneously to facilitate the rapid prototyping of different designs, was realized in the project.   Flow batteries are a promising technology for long-duration energy storage, although there are some challenges to overcome. In addition, to be defined as a truly sustainable solution, the problems linked with vanadium mining and the high capital costs of the system have to be eliminated. With the rapidly expanding development and deployment of these systems, it is expected that they will be an essential part of our future grids.   To conclude, in this project, a testing system was developed which could perform a dry mechanical and electrical integrity check of the endplate assembly of a flow battery in an accelerated manner. The system could prove to be vital in enhancing the reliability of stack-based systems and hence foster their widespread applicability. The future work that can benefit this system is assembling the set of 5 short stacks and performing a continuous operation to monitor the behaviour evolution of the stacks. This step would help assess the testing system's shortcomings and subsequently make the required modifications. / I takt med att världen övergår till intermittenta förnybara energikällor som sol- och vindkraft blir behovet av teknik för energilagring med lång varaktighet alltmer framträdande. Flödesbatterier ses i detta avseende som en lovande lösning på grund av deras inneboende fördelar, t.ex. frikoppling av kraft och energi, extremt lång livslängd och försumbar självurladdning. Det finns dock flera tekniska utmaningar som måste övervinnas innan flödesbatterier kan användas på bred front.  Den här studien, som utfördes hos VoltStorage GmbH, en ledande tillverkare av vanadiumbaserade flödesbatterier, tar upp en av dessa utmaningar som rör den hydrauliska tätningen av batteriets ändplatta. Ändtplattan är benägen att förlora sin strukturella integritet under kontinuerlig drift, vilket innebär att den inte uppnår sitt avsedda syfte, nämligen hydraulisk tätning. Dessutom är den känslig för ökat kontaktmotstånd under drift, vilket skadar batteriets prestanda. Det primära målet med denna studie var därför att utveckla en modulär testrigg som kan utvärdera ändplattans prestanda på ett påskyndat sätt, men utan att använda elektrolyter för att eliminera komplikationerna med att hantera svavelsyralösningen (dvs. elektrolyten). Därför valdes luft som arbetsvätska för att erbjuda rena och mycket repeterbara tester.   Studien inleddes med en litteraturgenomgång av flödesbatterier. Det konstaterades att litteraturen om de tekniska aspekterna av ett flödesbatteri var begränsad. Därför följdes den av en djupgående analys av VoltStorages stapelkonstruktion och de tekniska utmaningarna i samband med ändplattans montering. Det var viktigt att identifiera grundorsaken till problemet med hydraulisk tätning, vilket var tryckcykling av monopolen. Därefter utformades och utvecklades testriggen utifrån förståelsen av den tekniska utmaningen och för att förverkliga målet med en modulär konstruktion. Modulariteten i konstruktionen var önskvärd för att testa flera enheter samtidigt utan att öka golvytan. Tre parametrar valdes ut för att karakterisera enheten: monopolens avböjning, inre motstånd och luftläckagehastighet. På grund av systemets komplexitet delades experimenten för att övervaka dessa parametrar upp i två faser, dvs. kvalificering av riggen och provning i full skala. Den första fasen syftade till att karakterisera deras grundbeteende och utvärdera riggens robusthet, medan nästa fas syftade till att övervaka deras funktionella respons utveckling vid kontinuerlig drift.   Mätningarna av monopolens nedböjning under den första fasen visade på en maximal nedböjning på 0,3 mm. Likvärdigheten mellan luft och elektrolyt fastställdes också genom att utböjningsbeteendet var likartat under drift med luft och elektrolyt. Ett mycket högre tryck måste tillämpas med luft (~1,6 bar gauge) än med vatten (~0,8 bar gauge) för att uppnå denna likvärdighet. Dessutom gav de mätningar av det inre motståndet och luftläckaget som utfördes under den första fasen basvärden (6,341 ± 0,731 mΩ respektive 1,241 ± 0,091 Pa∙l/s, med en konfidensnivå på 95 %) mot vilka eventuella förändringar under kontinuerlig drift kunde särskiljas. Den fullskaliga testningen kunde dock inte genomföras på grund av störningar i den globala leveranskedjan och projektets begränsade tidsram. Ett viktigt mål med konstruktionen, att modularisera riggen så att den snabbt kan skalas upp och testa flera enheter samtidigt för att underlätta snabb prototypframställning av olika konstruktioner, förverkligades dock i projektet.  Flödesbatterier är en lovande teknik för energilagring under lång tid, även om det finns vissa utmaningar att övervinna. För att kunna definieras som en verkligt hållbar lösning måste dessutom de problem som är kopplade till vanadinbrytning och systemets höga kapitalkostnader undanröjas. Med den snabbt ökande utvecklingen och spridningen av dessa system förväntas de bli en viktig del av våra framtida nät.   Sammanfattningsvis utvecklades i detta projekt ett testsystem som kan utföra en torr mekanisk och elektrisk integritetskontroll av ändplattan i ett flödesbatteri på ett påskyndat sätt. Systemet kan visa sig vara avgörande för att öka tillförlitligheten hos stapelbaserade system och därmed främja deras utbredda användbarhet. Det framtida arbete som kan gynna detta system är att montera en uppsättning av fem korta staplar och utföra en kontinuerlig operation för att övervaka staplarnas funktionella responsutveckling. Detta steg skulle hjälpa till att bedöma testsystemets brister och därefter göra de ändringar som krävs.

In response to the ever-increasing threat of the negative impacts of climate change, there has been a renewed international focus on the integration of renewable energy to meet their demands. One such project is located at Tezpur University in the state of Assam, India. In this project, a large PV project of 1 MWp capacity was installed in 2018, followed by a 91 kWh Li-ion battery system in 2020. While the system has been installed, an optimal operational algorithm (OA) is needed for the system to operate and meet the needs of the connected load. This thesis will consider several OAs for the battery system. The charging schedule for the system will be optimised based on data for the substation system. First, data from the electrical load and power outages with a time resolution of one minute were considered. Upon analysis of this data, an initial algorithm was proposed and its effectiveness was evaluated based on selected key performance indicators (KPIs). Next, a linear programming approach was used to optimise the battery charging schedule based on electricity cost, PV power production, and electric load. Based on the results of the optimisation, input from the proprietors of the energy management system, and results from the initial algorithm, a second advanced algorithm was created and its effectiveness was again evaluated based on the same KPIs. It was found that the two main goals within this project, initiating appropriate charging times to limit grid power usage while also maintaining sufficient energy reserves whenever a power outage occurs. While diesel usage cannot be completely eliminated, it can be greatly reduced for shorter power outages. Additionally, a high degree of load autonomy can be achieved before the diesel generator becomes necessary to activate. / Som svar på det ständigt ökande hotet om klimatförändringens negativa effekter har det skett en förnyad internationell fokus på integrering av förnybar energi för att tillgodose deras behov. Ett sådant projekt finns på Tezpur University i delstaten Assam i Indien. Under detta projekt installerades ett stort solcellsprojekt med en kapacitet på 1 MWp under 2018, med följt av ett 91 kWh Li-ion-batterisystem under 2020. Medan systemet har installerats behövdes en optimal driftalgoritm för att systemet skulle kunna fungera och uppfylla behoven hos den anslutna lasten. I den här avhandlingen kommer flera driftalgoritmer för batterisystemet att diskuteras. Laddningsschemat för systemet kommer att optimeras utifrån data för understationssystemet. Först beaktades data från den elektriska belastningen med en minutupplösning och frekvensen av strömavbrott. Efter analys av dessa data samt föreslogs en första algoritm och dess effektivitet utvärderades utifrån utvalda nyckelindikatorer för prestanda. Därefter användes en metod för multivariabel linjär programmering för att optimera schemat för batteriladdning baserat på elkostnad, produktion av solcellseffekt och elektrisk belastning. På grundval av resultaten av optimeringen, input från ägarna till energihanteringssystemet och resultaten från den ursprungliga algoritmen skapades en andra avancerad algoritm och dess effektivitet utvärderades återigen utifrån samma nyckelindikatorer. Det visade sig att de två huvudmålen inom detta projekt, att initiera lämpliga laddningstider för att begränsa elanvändningen och samtidigt upprätthålla tillräckliga energireserver när ett strömavbrott inträffar. Dieselanvändningen kan inte helt elimineras, men den kan minskas avsevärt vid kortare strömavbrott. Dessutom kan en hög grad av lastautonomi uppnås innan dieselgeneratorn måste aktiveras.

I dagsläget har världen en stadigt växande befolkning och där igenom en stadigt växande energiförbrukning. Med en växande energiförbrukning har det under de senaste åren uppenbarats diskussioner rörande samhällets hållbarhet och miljöpåverkan.  Samtidigt sker det en kontinuerlig teknikutveckling och människan är mer beroende av konstant elförsörjning än någonsin tidigare. Teknologiska framsteg, tillsammans med önskan att sträva mot ett mer hållbart samhälle med hög elleveranssäkerhet, har mynnat ett begrepp kallat smarta elnät. Till följd av att elnätet involverar en stor bransch råder det delad mening över vad som utgör ett smart elnät. Detta har lett till uppkomsten av olika definitioner och modeller av konceptet. I syfte att skapa en övergripande uppfattning har en litteraturstudie utförts för att sammanställa de huvudsakliga områden som utgör det smarta elnätet. För att skapa denna överblick har ett förslag på en övergripande definition framtagits enligt följande: Ett smart elnät är nästa steg i elnätets fortgående utveckling som sker till följd av samhällets ökande förlitlighet på konstant elförsörjning och önskan att begränsa människans miljöpåverkan. Målet är att med hjälp av kostnadseffektiva tekniska lösningar, effektiv teknik och ekonomiska drivkrafter främja införandet av ytterligare förnyelsebar elproduktion, en ökad elanvändning och ett effektivare utnyttjande av elnätet – ett elnät med låga förluster, hög elkvalitet och leveranssäkerhet med elkunder som är mer medvetna och delaktiga i sin elförbrukning än förr. Utifrån denna definition kan man summera smarta elnät till att omfatta två huvudsakliga intressen för samhället – hållbarhet och en ökad leveranssäkerhet. I framtiden förväntas därför elnätet hantera vidare utbredning av förnyelsebar elproduktion och en ökad elanvändning. För att möta denna förväntan har det dels konstaterats att nätkapaciteten behöver öka. Det har visats att en ökad nätkapacitet kan nås genom både tekniska lösningar som energilagring och effektivare komponenter men också icke-tekniska lösningar som politiska drivkrafter och incitament för elkunder att sänka sin maxförbrukning och elförbrukning i överlag i form av efterfrågeflexibilitet. I dagsläget finns inga uppenbara incitament för detta och det anses att reformer på vissa delar av elmarknaden kommer att krävas för att främja utvecklingen mot ett hållbart smart elnät. Samtidigt förväntas elnätet förse kunder med högre elkvalitet och leveranssäkerhet. Dagens elnät utgörs av många långlivade och, i många fall, gamla komponenter och investeringar kommer att behöva göras i moderna skyddssystem och kommunikationsnätverk i sinom tid ifall man vill uppnå nya förväntningar. Därtill förväntas det smarta elnätet omfatta olika typer av kommunikationsnätverk inom skyddssystem, övervakning och mätning. Därför har också information rörande relevanta kommunikationsprotokoll, -medier och -nätverk summerats där olika egenskaper lämpar sig för olika tillämpningar. / Currently the world has a steadily growing population and therefore steadily growing need of energy. With a growing need of energy, discussions regarding society’s sustainability and environmental impact have risen. At the same time modern technology has resulted in society being more dependent on a constant power supply than ever before. Technological advances, together with the desire to become a more sustainable society with high availability of power, have yielded a concept known as the smart grid. Due to the power grid being a huge industry there’s a divided perception regarding what a smart grid constitutes. This has resulted in the appearance of different definitions and models of the concept. Therefore a literary study was done with the purpose of creating an overall perception of the main aspects of the smart grid. To create this overview a proposed definition has been developed that describes the smart grid as mainly sustainable and available. The smart grid is the next step of the power grid’s ongoing development in response to society’s increasing reliability of a constant power supply and the wish for decreasing man’s environmental impact. With cost efficient technical solutions, efficient technology and economic forces the goal is to promote introduction of additional renewable electricity production, increased electricity utilization and a more efficient use of the power grid – a power grid with low losses, high power quality and availability with end-users that are more aware and involved in their power consumption than before. Based on this definition the smart grid can be summarized as two main interests for society – sustainability and a higher reliability. In the future the power grid is expected to cope with an increased introduction of renewable electricity production and an increased use of electrical applications. It has been concluded that the grid capacity has to increase in order to meet these expectations. It’s been shown that an increase in grid capacity can be achieved through technical solutions as energy storage and more efficient electrical components but also through non-technical solutions as political forces and incentives for end-users to lower their peak consumption and overall electricity consumption through demand response. At present there are no clear incentives for this and it’s considered that there is a need for reform of certain parts of the electricity market to promote the development towards a sustainable smart grid. The power grid is also expected to supply end-users with a higher power quality and reliability. The power grid of today consists of long lived and, in many cases, old components and investments in modern protection systems and communication networks are required in due time to meet new expectations. In addition, the smart grid is expected to include different types of communication network within protection systems, monitoring and metering. Information was therefore summarized regarding relevant communication protocols, media and networks where different properties are suitable for different applications.

This degree thesis investigates the possibilities of producing food inside a container at Svalbard, using renewable energy and energy storage. The idea was to be able to place the container at remote places without the need of being connected to the grid. We chose Svalbard, where it is cold and the sun is shining 24 hours a day at summertime. In the winter the opposite occurs and the sun is absent from the sky. The work is divided into theoretical studies and results based on different calculations. Such as economical evaluations (LCOE), and simulations using the computer programs Matlab and PVsyst. We have investigated if solar power and wind power is suitable as energy sources. Options for storage were batteries, grid and hydrogen storage. Different cases with Photovoltaics- and wind power plants, with batteries or grid, were compared against each other. It is not possible to use the grid as storage. This resulted in different sizing of our cases, with no excess energy production. The result showed that a 5 kWp photvoltaic plant with dual axis tracking system, was the most profitable. The Pay off would be 14 years and the total profit 63 453 SEK. If it will become possible in the future to use the grid at Svalbard as storage, it will open up opportunites for bigger systems. This will lead to higher profit than with smaller ones. Our results show that it is now most profitable with solar power.

An increased amount of intermittent electricity production, more electric vehicles (EV), and an overall electrification of society may all cause a higher variability between the balance of supply and demand on the electric grid. Battery storage has been identified as a solution to the emerging problem asit can be charged during hours of low power demand and then discharged to help meet the power demand during peak loads. This master thesis investigates how characteristics from yearly power demand data can be defined so that a battery energy storage system (BESS) can be dimensioned for it and which parameters are important when dimensioning a BESS. The investment cost of the dimensioned BESS is investigated and calculated, and there is as well a general discussion of potentials, drivers, and barriers for a grid owner to implement a BESS. The master thesis includes a literature study and a case study performed together with Tekniska verken and its subsidiary company Tekniska verken Nät where three cases of varying sizes were investigated:• An EV charging station, with a peak power demand of up to 1 MW.• A distribution station, with an original peak power demand of close to 3 MW.• Purchased power from the regional grid, with a peak power demand of almost 152 MW. By dimensioning a BESS from a year-long data curve of the hourly power demand, a power limit was set. The highest peak power value over the power limit, the longest peak duration, and the highest energy peak were then identified to establish the curve characteristics. A battery storage was investigated to see if it could be used to meet the demand occurring when implementing a power limit to the yearly power demand curve. Batteries store electrical energy in the form of electrochemical energy and then transforms the energy back into electrical energy when needed and does so with varying efficiency according to the type of chemistry that is used in the battery. The so-called lithium ion (li-ion) battery is mostly used today and utilizes lithium in the shape of ions along with a metallic cathode and a carbon anode. The cathode and anode can vary in a li-ion battery chemistry, which varies its characteristics and means that there are multiple types of li-ion battery chemistry types. The specific li-ion battery chemistry lithium iron phosphate (LFP), was established as the most applicable battery due to its high energy density, easy to attain materials, general safety, maturity, and amount of discharge cycles it can handle throughout its lifetime. A BESS could be modelled from the LFP limitations and data curve for each case. The results showed that a short-duration variability of a power demand was a success factor for the implementation of a BESS. It allows the BESS to recharge often and the minimum required energy capacity could be lower and more optimal. An investment cost insecurity was established from literature when comparing estimates, as it could vary depending on the published date, used battery chemistry, taxes, and subsidies in the origin country of the literature. Therefore an estimate given by the Swedish transmission system operator (TSO), Svenska Kraftnät of 5-6 MSEK/MWh from a report published in late 2022 was deemed most relevant. An investment cost for each scenario in every case could be calculated and additional economical benefits relevant in the cases such as comparing to the cost of conventional grid reinforcement or economical gains from a lowered grid subscription were investigated. However, an overall conclusion that the investment cost of a BESS was too expensive to be deemed feasible and that there were no overwhelming economical gains from reducing the peak loads was made. A final generalization and discussion of drivers and barriers concluded that the applicability of a BESS can be identified by the defining characteristics of a demand curve. Moreover, it was found that the BESS investment cost was too high when only applying it for grid reinforcement methods. Although, a BESS can have additional benefits to the grid stability. The grid owner cannot however, own a BESS and use it on the frequency service market which otherwise would potentially make it economically feasible to strengthen the grid. The ultimate goal of the project is to help create a broader understanding of battery storage as part of the electrical network, where and when it can be applicable, and how one could go about investigating its use. / En ökad mängd variabel elproduktion, fler elbilar och en elektrifiering av samhället i helhet. Detta kommer skapa en högre variabilitet och därmed större obalans mellan tillförsel och efterfrågan på elnätet. Batterilagring har identifierats som en potentiell lösning till det ökade problemet då det kan laddas vid ett lågt effektbehov och urladdas vid ett högt effektbehov. Genom detta examensarbete kommer det undersökas hur karaktäristik från årliga effektkurvor kan definieras. Det görs i syfte av att dimensionera ett batterilagringssystem utefter datan. Därefter undersöks även vilka parametrar som är viktiga vid dimensioneringen av ett batterilagringssystem. Utefter de dimensionerade batterilagringssystemen tas även en investeringskostnad fram. En diskussion framförs även utifrån den generella potentialen, drivkrafter och barriärer som finns vid implementering av ett batterilagringssystem från perspektivet av en nätägare. Examensarbete består av en litteraturstudie och en fallstudie som genomförs i samarbete med Tekniska verken i Linköping AB och Tekniska verken Nät, där tre fall av varierande storlek undersöks:• En elbilsladdningstation, med ett toppeffektbehov på upp till 1 MW.• En fördelningsstation, med ett ursprungligt toppeffektbehov på nästan 3 MW.• Köpt effekt från det regionala nätet, där toppeffektbehovet uppgår till nästan 152 MW. Vid dimensionering av ett batterilagringssytem från den årliga effektkurvan måste en effektbegränsning sättas. Därefter kan den överstigande effektopplasten, den längsta tiden effektbegränsningen överstigs och den högsta överstigande energin tas fram, för att etablera kurvans karaktäristik. En undersökning gjordes om ett batterilager kunde användas för att möta effektbehovet då en effektbegränsning införs till den årliga effektkurvan. Batterier lagrar elektrisk energi i formen av elektrokemisk energi för att sedan transformera tillbaka det till elektrisk energi då det finns ett behov. Effektiviteten av transformeringen varierar beroende på den kemiska blandningen som batteriet är uppbyggt av. Det så kallade litiumjonbatteriet är det mest använda idag och nyttjar litium i formen av joner tillsammans med en metallisk katod och en anod av kol. Katod och anod kan variera vilket medför en förändrad karaktäristik och betyder alltså att det finns olika sorters litiumjonbatterier. Den specifika litiumjärnfosfat (LFP) blandningen ansågs mest användbar i elnätsapplikationer. Detta på grund av sin höga energidensitet, lättillgängliga material, generella säkerhet, teknikens mognad och mängden urladdningscyklar den kan hantera. Ett batterilagringssytem kunde då modellerades utefter LFP-batterikemin i kombination med den årliga effektkurvan för varje fall. Resultatet därifrån visade att en korttidsvariabilietet av effektbehovet var en framgångsfaktor vid implementeringen av ett batterilagringssystem. Detta då det tillåter för ett batterilagringsystem att återladdas oftare och en lägre minimal energikapacitet kan dimensioneras vilket gör den mer optimal. Vid undersökning av investeringskostnaden upptäcktes en svaghet i litteraturen vid jämförandet av kostnadsuppskattningar. Uppskattningen kunde variera beroende på publiceringsdatum, val av batterikemi, landets skatter och bidrag. Därav valdes en kostnadsuppskattning från den svenska stamnätsägaren, Svenska Kraftnät på 5–6 MSEK/MWh utifrån en rapport publicerat sent i 2022 som mest relevant. Utifrån kostnadsuppskattningen kunde en beräkning av investeringskostnad och ytterligare ekonomiska gynnsamheter relevanta för varje fall undersökas (såsom en jämförelse mot konventionell nätförstärkning eller sänkt abonnemangskostnad). Den generella slutsatsen som drogs var däremot att investeringskostnaden för ett batterilagringssystem var för dyrt för att vara ekonomiskt genomförbart. Det var dessutom inga betydande ekonomiska gynnsamheter som kunde ändra på det då batterilagringssystemet endast användes till att sänka toppeffektlaster. En avslutande generalisering och diskussion av drivkrafter och barriärer framgav att applicerbarheten av ett batterilagringsystem kunde definieras utifrån den identifierade karaktäristiken av den årliga effektkurvan. Dessutom framkom det att investeringskostnaden i varje fall var för hög då batterilagringssystemet endast nyttjades som nätförstärkning. Hursomhelst kan ett batterilagringssystem bidra till ytterligare fördelar i elnätets stabilitet. Elnätsägaren kan inte äga ett batterilagringssystem och använda det på effektreservmarknaden som annars kunde bidra till batterilagringssystemets ekonomiska genomförbarhet. Det slutliga målet av arbetet har varit att ge en bredare förståelse för batterilagring som en del av elnätet. Detta genom att ta reda på när och var det är applicerbart och hur man kan utvärdera dess användning.

The project Austerland Energi at the eastern tip of the island of Gotland called Östergarnslandet was started as a response to the larger project Omställning Gotland funded by the Swedish government as an effort for a pilot project to convert to renewable energy to reach zero CO2-emissions for the country in 2045. The current plan for the Austerland energy system is a solar PV and wind production base with energy storage in the form of batteries and hydrogen which also can be used as vehicle fuel. The system will also continue to be connected to the grid and the annual electricity consumption for the area is 3.4 GWh, including both households and agricultural activities. The energy system has been modeled by Energenious, a company based in Berlin, Germany, who recommended a battery storage and electrically driven vehicles. The total investment cost of which was 30.099 MSEK and the operation and maintenance cost was 2,780 kSEK/year and the emission rate was 138 ton/year.  The yearly global horizontal irradiance is approximately 1,060 kWh/m2 at the location, the average wind speed is 7.5-8.5 m/s at 100 m hub height, but the wind turbine would have to be lower because of the Östergarnslandet being a protected area for the beautiful scenery. The heat production is mostly individual for each household or farm with either heat pumps or biomass boilers. There are no options for hydropower at the location and there is a desalination plant and a water treatment facility which provides the households and farms with drinking and irrigation water. The alternative energy storage solutions investigated in this thesis includes Flywheel, Redox flow battery, Pumped hydro, Deep Sea pumped hydro, Supercapacitors, Compressed air energy storage and Thermal energy storage. The first three of which were included in the models of the system. For the Future scenario changes of the energy consumption, the patterns of change for the households were based on national and regional trends the last 25 years.  The Austerland energy system was modeled using the software Homer Pro, where the base case of using batteries and batteries together with hydrogen storage was analyzed. The batteries were then switched to flywheels, a redox flow battery and a pumped hydro system respectively and analyzed with and without the hydrogen storage. The results showed that the recommended storage solution was still the batteries since the flywheel storage has too short storage duration, the flow battery storage is more expensive, and the pumped hydro storage has a complicated installation process. However, the recommended size of the batteries was half that of the recommended size provided by the Energenious models and the results also showed that the system would be suitable for a future change of the consumption patterns.  Lastly, the sustainability analysis showed that all the alternative energy storage devices have a slightly less CO2-emission rate, but none of the systems had a emission rate as low as that calculated by Energenious. However, when considering any of the components in an energy system, a more thorough investigation of environmental and social issues of the production process should be made. The investigation should include studying working conditions, wages, suspicions about child labour, process waste streams and other emissions streams and ethical values at the production company. / Projektet Austerland Energi är lokaliserat på ön Gotlands östra spets kallat Östergarnslandet. Projektet startades som ett efterfrågat initiativ genom det större projektet Omställning Gotland vilket är finansierat av den svenska regeringen. Omställning Gotland är för ett pilotprojekt för att ställa om till förnybar energi i landet och för att nå netto noll CO2-utsläpp i landet år 2045. Den nuvarande planen för Östergarns energisystem är en solcells- och vind produktions bas med energilagring i form av batterier och vätgas vilket också kan användas som fordonsbränsle. Systemet kommer även fortsättningsvis att vara anslutet till det lokala elnätet och den årliga elförbrukningen för området är 3.4 GWh inklusive både hushåll och lantbruksverksamhet. Energisystemet har modellerats av Energenious, ett företag baserat i Berlin, Tyskland, som rekommenderade batterilagring och elfordon snarare än att använda vätgas. Den totala investeringskostnaden var beräknad till 30,099 MSEK och drift- och underhållskostnaden var 2,780 kSEK/år och CO2-utsläppen var 138 ton/år.  Den årliga solinstrålningen på Östergarn är cirka 1,060 kWh/m2, medelvindhastigheten är 7.5-8.5 m/s vid 100 m navhöjd, men vindkraftverket måste vara lägre än så eftersom Östergarnslandet är ett skyddat område på grund av det vackra landskapet. Värme förses mestadels individuellt för varje hushåll eller gård med hjälp av antingen värmepumpar eller värmepannor som använder biomassa. Det finns ingen möjlighet för vattenkraft på denna del av Gotland men det finns en avsaltningsanläggning och en vattenreningsanläggning som förser hushållen och gårdarna med dricksvatten och vatten för bevattnings. De alternativa energilagrings lösningar som undersöks i denna avhandling inkluderar svänghjul, redox flödesbatteri, ett pumpkraftverk antingen på land eller till havs, superkondensatorer, trycklufts lagring och lagring av termisk energi. De tre förstnämnda alternativen ingick i modelleringen utförd i detta arbete. För undersökningen av framtida energiförbruknings förändringar, undersöktes utvecklingen för hushållen på nationella och regional nivå under de senaste 25 åren. Austerlands energisystem modellerades med hjälp av programvaran Homer Pro, där originalmodellen med endast eller batterier tillsammans med vätgaslagring analyserades. Batterierna byttes sedan till svänghjul, ett redox flödesbatteri respektive ett pumpkraftverk och analyserades med och utan vätgaslagringen. Resultaten visade att den rekommenderade lagringslösningen fortfarande var batterierna eftersom svänghjulet har för kort lagringstid, flödesbatteriet är för dyrt och pumpkraftverket har en mycket mer komplicerad installationsprocess. Den rekommenderade storleken på batterierna visade sig dock vara hälften av den rekommenderade storleken från Energenious-modellerna och resultaten visade också att systemet kommer vara lämpligt för den beräknade framtida konsumtionen. Slutligen visade hållbarhetsanalysen att alla alternativa energi lagringstyper har en något lägre koldioxidutsläpp, men inget av systemen hade en så lågt utsläpp som beräknat av Energenious. När någon av komponenterna i ett energisystem övervägs bör dock en mer grundlig undersökning av miljömässiga och sociala frågor i produktionsprocessen göras. Undersökningen bör omfatta arbetsvillkor, löner, misstankar om barnarbete, avfallshantering och andra utsläpp under produktionsprocessen och etiska värderingar hos produktionsföretaget.

I takt med en ökad andel variabel förnybar elproduktion i Sveriges energimix blir elnätets flexibilitet allt viktigare för att upprätthålla en stabil elförsörjning. Detta arbete undersöker framtida prognoser för priser och volymer på de svenska frekvenshållningsreserverna FCR-N, FCR-D upp och FCR-D ned fram till år 2030. Prognoser för sådan utveckling är viktiga för elmarknadens aktörer och deras beslut att investera i flexibilitetsresurser. SARIMAX-modeller utvecklades baserade på historisk data och antaganden om framtida utvecklingar, vilka i sin tur grundades på en intervju med en branschexpert samt aktuella kartläggningar och rapporter. Resultaten visar på en markant nedåtgående pristrend. För FCR-N prognostiseras priserna sjunka med 367 % från 2024 till 2030, från 29 euro/MW till 5 euro/MW. FCR-D upp förväntas följa en liknande trend med ett prisfall på 325 %, från 20 euro/MW år 2024 till 4 euro/MW år 2030. Den kraftigaste prisnedgången prognostiseras för FCR-D ned, där priserna beräknas rasa med över 1900 % under samma period - från 61 euro/MW år 2024 till endast 3 euro/MW år 2030. Vad gäller volymer visar prognoserna på en relativt stabil utveckling kring upphandlingsplanerna, med en viss ökning för FCR-D ned på 44 % från 2024 till 2030. Den pågående etableringen av batterilager förutses ha stor påverkan genom att öka konkurrensen och pressa priserna nedåt. De låga prisnivåerna 2030 kan dock göra det utmanande att motivera investeringar enbart baserat på intäkter från FCR-marknader. Vidare diskuteras modellernas begränsningar samt behovet av framtida forskning kring batteriteknik, råvaruaspekter och avancerade simuleringsmodeller för att bättre förstå marknadsdynamiken. / As the share of variable renewable electricity production increases in Sweden's energy mix, the flexibility of the power grid becomes increasingly important to maintain a stable electricity supply. This study aims to forecast prices and volumes of the Swedish frequency containment reserves FCR-N, FCR-D up, and FCR-D down until 2030. Forecasts of such developments are important for electricity market participants and their decisions to invest in flexibility resources. SARIMAX models were developed based on historical data and assumptions about future developments, which in turn were based on an interview with an industry expert as well as current reports. The results indicate a significant downward price trend. For FCR-N, prices are forecasted to decrease by 367% from 2024 to 2030, dropping from 29 euros/MW to 5 euros/MW. FCR-D up is expected to follow a similar trend with a 325% price drop, from 20 euros/MW in 2024 to 4 euros/MW in 2030. The sharpest price decline is forecasted for FCR-D down, where prices are estimated to plummet by over 1900% during the same period - from 61 euros/MW in 2024 to only 3 euros/MW in 2030. Regarding volumes, the forecasts show a relatively stable development around the procurement plans, with a certain increase for FCR-D down by 44% from 2024 to 2030. The ongoing establishment of battery storage is expected to have a major impact by increasing competition and putting downward pressure on prices. However, the low price levels in 2030 may make it challenging to justify investments based solely on revenues from FCR markets. Furthermore, the limitations of the models are discussed, as well as the need for future research on battery technology, raw material aspects, and advanced simulation models to better understand market dynamics.