In Almunge, east of Uppsala, there is a relative new health care center which has solar power installed on the roof. The solar cells annually produce approximately 62 000 kWh of electricity that are beneficial to store. Batteries can be used for short-term storage and to reduce peak power, but hydrogen storage can be used as long-term storage. Therefore, this study aims to evaluate if it is profitable to implement a hybrid energy storage compared to a single battery storage. The hybrid energy storage is a combination of a saltwater battery that reduces the peak power every month, and a hydrogen storage that functions as back-up power and long-term storage. This is compared to a single saltwater battery that is used to increase the self-sufficiency of the health care center. This is evaluated with respect to feasibility, profitability, sustainability and safety. In this study it turns out that it is not reasonable to install a hybrid energy storage using hydrogen both as back-up power and long-term storage, due to the risks. However, it could be feasible to install a hybrid energy storage where the hydrogens storage only act as back-up power. In the economic analysis, the lifecycle cost (LCC) and pay-back time were compared for five different energy storage solutions. The first solution is a hybrid energy storage, where the hydrogen storage act back-up power for three days, combined with a saltwater battery of 25 kWh to reduce peak power. The second solution is a hybrid energy storage, where the hydrogen storage act back-up power for seven days, combined with a saltwater battery of 25 kWh to reduce peak power. The third solution is a saltwater battery with a capacity of 60 kWh. The fourth solution is a saltwater battery with a capacity of 90 kWh. The fifth solution is a saltwater battery with a capacity of 120 kWh. It turns out that a saltwater battery of 60 kWh has the lowest LCC and shortest pay-back time that is shorter than its lifetime. Therefore, it is most profitable to install a saltwater battery of 60 kWh to increase the self-sufficiency of the health care center.

Pumped hydro energy storages commonly plan their operations on short-term forecasts of the upcoming electricity prices, meaning that errors in these forecasts would entail suboptimal operations of the energy storage. Despite the high investment costs of pumped hydro energy storages, few studies take a holistic approach to the uncertainties involved in such investment decisions. The aim of this study is to investigate how forecast errors in electricity prices affect the chosen size configuration in investment decisions for pumped hydro energy storages. Moreover, sizing decisions are made in the long-term and involve long-term uncertainties in electricity prices. A robust decision-making framework including long-term electricity price scenarios is therefore used to evaluate the effects of including forecast errors in the sizing decision. By simulating the day-to-day operation of the energy storage with short-term forecasts, the effects of including the errors are compared to using perfect information. Using this approach, the most robust capacity is shown to increase by 25 MW, from 2 375 MW to 2 400 MW, when including forecast errors instead of assuming perfect information in the simulations. This indicates that the deviations in short-term forecasts require the pumped hydro energy storage operator to be more flexible in their operations, thus requiring a higher capacity. In addition, the profitability of the energy storage decreased significantly when including forecast errors in the simulations, showing the importance of taking the short-term forecast errors into account in sizing and investment decisions of pumped hydro energy storage. / Driften av pumpkraftverk optimeras med hjälp av kortsiktiga prognoser av elpriser, vilket innebär att fel i dessa prognoser leder till suboptimal drift. Trots att investeringar i pumpkraftverk är kostsamma, har få studier ett holistisk synsätt kring osäkerheter i investeringsbeslutet. Målet med denna studie är att undersöka hur kortsiktiga prognosfel i elpriser påverkar den optimala dimensionering av pumpkraftverk. Investeringsbeslut i pumpkraftverk är långsiktiga och kräver estimat av framtida elpriser, vars karakteristik är osäker. Ett ramverk som bygger på robust beslutstagande, med scenarier över framtida elpriser, används därför för att bedöma effekten av att inkludera kortsiktiga prognosfel i investeringsbeslutet. Genom att simulera den dagliga driften av energilager, undersöks effekten av att inkludera prognosfel jämfört med perfekt information. Med detta tillvägagångsätt ökade den mest robusta kapaciteten med 25 MW, från 2 375 MW till 2 400 MW, när prognosfel inkluderades. Detta visar på att fel i kortsiktiga prognoser kräver pumpkraftverket av vara mer flexibelt, vilket ges av höjdkapacitet. Lönsamheten minskade också signifikant när prognosfel inkluderades, vilket visar på vikten av att ta hänsyn till kortsiktiga prognosfel i beslut kring dimensionering och investering av pumpkraftverk.

With the ever-increasing adoption of renewable energy sources, the seamless integration of PV systems into existing grids becomes imperative. Therefore, this study investigates the integration of a PV-ESS system into sustainable urban living. It entails the development and evaluation of forecasting models for PV production and electricity consumption using artificial neural network models, as well as the analysis of linear optimization algorithms. These investigations give insight into the benefits, challenges, and implications of implementing a PV-ESS system. The photovoltaic generation forecasting model demonstrates high accuracy in winter months while encountering complexity in dynamic summer conditions. The model for estimating power demand poses challenges due to a variety of factors, including human behaviour and data quality.Moreover, the study focuses on the formulation and assessment of linear optimization models with two aims: minimizing costs and optimizing self-consumption. The first continually reduces electricity costs while increasing self-consumption, whereas the second maximizes self-consumption, with limitations in winter battery use. Finally, forecast precision appears as a crucial factor for optimization models. Forecast errors have an impact on the system’s operation. Improving forecasting accuracy and adaptive control strategies are therefore critical. / Med den ständigt ökande användningen av förnybara energikällor blir sömlös integration av solcellssystem i befintliga elnät nödvändig. Därför undersöker denna studie integrationen av ett solcellsenergilagringssystem (PV-ESS) i hållbart stadsboende. Det innefattar utveckling och utvärdering av prognosmodeller för solcellsproduktion och elförbrukning med hjälp av artificiella neurala nätverksmodeller, samt analys av linjär optimeringsalgoritmer. Dessa undersökningar ger insikt om fördelarna, utmaningarna och konsekvenserna av att implementera ett PV-ESS-system. Modellen för prognostisering av solcellsgeneration visar hög noggrannhet under vintermånaderna men stöter på komplexitet under dynamiska sommarförhållanden. Modellen för att uppskatta elförbrukning står inför utmaningar på grund av olika faktorer, inklusive mänskligt beteende och datakvalitet. Dessutom fokuserar studien på formulering och utvärdering av linjära optimeringsmodeller med två mål: att minimera kostnader och optimera självkonsumtion. Den första minskar kontinuerligt elkostnader samtidigt som den ökar självkonsumtionen, medan den andra maximerar självkonsumtionen med begränsningar i vinterbatterianvändning. Slutligen framstår precision i prognoser som en avgörande faktor för optimeringsmodeller. Prognosfel påverkar systemets drift. Därför är förbättring av prognosnoggrannhet och adaptiva kontrollstrategier avgörande.

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.

’Netto-noll utsläpp’ i EU vid 2050 är ett av målen för att påskynda övergången från fossila bränslen till mer förnyelsebara och hållbara alternativ. Detta har däremot introducerat mer turbulens på elnäten. Ett av verktygen för att reglera och förbättra eldistributionen är stor-skaliga batterier, där litium-jon är den mest förekommande kemin. Men på grund av oro kring resursutbud och hopp om teknologidiversifiering har det påbörjat en sökning efter alternativ som kan användas i stället eller tillsammans med litium-jon batterier. Från en lång lista så har tre alternativ med hög potential identifierats. Dessa är nickel-vätgasbatteri, zink-brom flödesbatteri och järn-luftbatteri. Deras lämplighet undersöktes och diskuterades för flertalet användningsområden och för ett speciellt användarfall av Vattenfall. Slutsatsen var att utav de tre, så är det endast nickel-vätgas som kan förväntas vara ett bra alternativ för specifika fall, att zink-brom har få möjligheter att konkurrera och att järn-luft har väldigt hög potential men också många oklarheter som gör det svårt att förutspå dess utveckling. / With net-zero emissions set to be achieved in the EU by 2050, the transition from fossil-based energy sources to more renewable and green options are ever expanding. This puts a strain on the electricity grids because of the intermittent nature from these energy sources. To mitigate this battery systems are used, of which the lithium-ion battery is the most prevalent, and expected to only increase in use. However, material resource concerns and possible danger of over-reliance on one technology has opened for a search to find other alternatives that could be used instead or in conjunction with the battery. Out of a long list of batteries, the nickel-hydrogen battery, zinc-bromide flow battery and iron-air battery are three alternatives that have been identified to have potential. Their suitability was researched and discussed for various grid-applications. The result show that out of the three, it is only believed that the nickel-hydrogen battery have a definitive competitiveness, that the zinc bromide flow battery has few things going for it, and that the iron-air battery has large potential but just as large uncertainty surrounding its future. Lastly, a specific off-shore wind park case was investigated to see the practicality and competitiveness of the nickel-hydrogen battery compared to a specific lithium-ion chemistry.

The modern power system is aiming to progress away from conventional synchronous machine  based power generation towards converter dominated system that leads to extensively high penetration of renewable energy such as wind and PV. This transition of modern power system toward converter based renewable energy comes with new challenges as the conventional synchronous generation is being replaced by converter based power system (CBPS). The converter is commonly interfaced to the power system with Phase Locked Loop (PLL) technique to synchronize the converter with the grid voltage angle and inject the current at the right angle. Therefore, this approach is called grid- ­following converter; this type of configuration of converters may lead to some power system instabilities (e.g., voltage instability, frequency instability, synchronous and sub­synchronous instabilities). In order to overcome the limitation of the grid-­following converters, another converter control concept become present in the literature as a grid-­forming converter where the synchronizing method to the grid eliminates the need for PLL .In this thesis, a grid- ­forming controlled power converter is implemented with an energy storage system to emulate the inertia of the synchronous generator through the VSM control concept. An electromagnetic transient (EMT) simulation has been modeled in the PSCAD simulation environment. The model is the well­known four-­machine two-­area power system. The model has been tested by incrementally replacing the synchronous machines with wind farms connected through power converters; this weakens the grid and may lead to frequency instability during a disturbing event. An Energy Storage System (ESS) has been implemented and added to the system to mitigate the loss of the kinetic energy of the rotating masses of the synchronous generators. The ESS is integrated with a grid-­forming converter that is controlled to mimic the dynamic behavior of a synchronous generator. Thus, the ESS is synchronized to the system based on the swing equation of the synchronous generator. The results show significant improvements in the frequency stability of the system under study. / Det moderna energisystemet har som mål att bortgå från den konventionella synkronmaskinbaserade energiförsörjning mot ett konverteringsdominerat system som leder till  en mycket hög penetration av förnybar energi, som tillexempel vind och solenergi. Den här övergången av modernt energisystem mot konverteringsbaserad förnybar energi medför nya utmaningar i och med att konventionell synkrongenerering byts ut mot konverterarbaserat energisystem (Converter Based Power System, CBPS) . Konverteraren är ofta integrerad i energisystemet via Phase Locked Loop ­teknik (PLL) för att synkronisera konverteraren med kraftnätets spänningsvinkel och injicera strömmen i rätt vinkel. Det här tillvägagångssättet kallas därför för nätföljande konvertering; denna typ av konfiguration av konverterare kan leda till instabilitet i energisystemet (t.ex. instabil elektrisk spänning, frekvensinstabilitet, synkron och sub- ­synkron instabilitet). För att hantera begränsningarna som nätföljande konverterare träder ett koncept om ytterligare en konverteringskontroll fram i litteratur, i form av en nätformande konverterare där synkroniseringsmetoden i nätet eliminerar behovet av PLL.I denna avhandling implementeras en nätformande konverterare med ett energiförvaringssystem för att emulera trögheten i synkrongeneratorn genom VSM-­styrkonceptet. En elektromagnetisk transientsimulering (EMT) har modellerats i simuleringsmiljön PSCAD. Modellen är det välkända energisystemet med fyra maskiner och två områden. Modellen har testats genom att stegvis byta ut synkronmaskinerna med vindkraftverk anslutna genom energikonverterare; detta gör nätet svagare och kan leda till frekvensinstabilitet vid en störande händelse. Ett energiförvaringssystem (Energy Storage System, ESS) har implementerats och kopplats till systemet för att mildra förlusten av kinetisk energi i de roterande massorna hos synkrongeneratorerna. Energiförvaringssystemet ESS är integrerat med en nätformande konverterare som styrs för att härma det dynamiska uppförandet av en synkrongenerator. Således är ESS synkroniserat med systemet baserat påsynkrongeneratorns svängekvation. Resultaten visar betydelsefulla förbättringar av frekvensstabiliteten i systemet under studien.

The unpredictability and variability of wind power generation can pose an economical risk to the wind power producer when participating in the day-ahead market and delivering the committed generation. These risks come from the creation of imbalances due to a mismatch between the sold and real generation fed to the grid. Energy Storage System (ESS) are a good solution for the wind power producer to plan the operation of the wind farm once the day-ahead market prices are cleared. However, depending on the price forecasts and wind generation, one type of storage technology might be more optimal than others. This is due to the fact that lithium-ion batteries have costs, power and energy ratings and limits that differ from other ESS (vanadium redox flow batteries, supercapacitors, pumped hydro or even other lithium-ion batteries with different chemistries). Hence, a multi-energy storage system technology solution can be proposed to be combined with a wind farm in order to both optimise the bids in the day-ahead market and to take part in current and emerging electricity markets. For this purpose, a mathematical model has been developed, and it provides the optimal bidding strategy to the day-ahead market and the most convenient operational planning for the energy storage systems. Based on the expected daily profits, a yearly stream of revenues is obtained and an overall techno-economical assessment is provided. The results show that, with the current capital costs of energy storage systems, the multi-ESS hybrid wind farm would recover the initial investment after 2-5 years depending on the ESS combinations. Moreover, the wind power producer would need an extra stream of revenues in order for it to be more profitable than the wind farm operating without storage blocks. / Den oförutsägbara och varierande vindkraftsproduktionen kan utgöra en teknisk och ekonomisk risk för vindkraftsproducenten när denne deltar i dayahead-marknaden och levererar den sålda energin. Dessa risker beror på att det uppstår obalanser på grund av bristande överensstämmelse mellan den sålda och den verkliga produktionen som matas in i nätet. Energilagringssystem (ESS på engelska) är en bra lösning för vindkraftsproducenten för att planera driften av vindkraftparken när priserna på dagen före marknaden är klara. Beroende på prisprognoserna och vindkraftsproduktionen kan dock en typ av lagringsteknik vara mer optimal än andra. Detta beror på att litiumjonbatterier har kostnader, effekt- och energimärkningar och gränser som skiljer sig från dem som gäller för vanadiumredoxflödesbatterier, superkondensatorer, pumpad vattenkraft eller till och med andra litiumjonbatterier med olika kemiska sammansättningar. Därför kan man använda en teknisk lösning med olika typer av energilager som kombineras för att både optimera budgivningen på day-ahead-marknaden och för att delta i nuvarande och nya elmarknader. För detta ändamål har en matematisk modell utvecklats som ger den optimala budstrategin för day-ahead-marknadenochdenmestpraktiskadriftsplaneringen för energilagringssystemen. På grundval av de förväntade dagliga vinsterna erhålls en årlig intäktsström och en övergripande teknisk-ekonomisk bedömning görs. Resultaten visar att med de nuvarande kapitalkostnaderna för energilagringssystem skulle återbetalningstiden för en vindkraftpark med flera olika energilager vara 2-5 år beroende på vilka energilager som kombinerats. Dessutom skulle vindkraftsproducenten behöva en extra intäktsström för att bli mer lönsam än en vindkraftpark som drivs utan lagringsblock.

In recent years, photovoltaic (PV) power production have seen an increase and the PV power systems are often located in the distribution grids close to the consumers. Since the distributions grids rarely are designed for power production, investigation of its effects is needed. It is seen in this thesis that PV power production will cause voltages to rise, potentially to levels exceeding the limits that grid owners have to abide by. A model of a distribution grid is developed in MathWorks MATLAB. The model contains a transformer, cables, households, energy storage systems (ESS:s) and photovoltaic power systems. The system is simulated by implementing a numerical Forward Backward Sweep Method, solving for powers, currents and voltages in the grid. PV power systems are added in different configurations along with different configurations of ESS:s. The results are analysed, primarily concerning voltages and voltage limits. It is concluded that addition of PV power production in the distribution grid affects voltages, more or less depending on where in the grid the systems are placed and what peak power they have. It is also concluded that having energy storage systems in the grid, changing the power factor of the inverter for the PV systems or lowering the transformer secondary-side voltage can bring the voltages down. / På senare tid har det skett en ökning i antalet solcellsanläggningar som installeras i elnätet och dessa är ofta placerade i distributionsnäten nära hushållen. Eftersom distributionsnäten sällan är dimensionerade för produktion så behöver man utreda effekten av det. I det här arbetet visas det att solcellsproduktion kommer att öka spänningen i elnätet, potentiellt så mycket att de gränser elnätsägarna måste hålla nätet inom överstigs. En modell över lågspänningsnätet skapas i MathWorks MATLAB. Modellen innehåller transformator, kablar, hushåll, energilager och solcellsanläggningar. Systemet simuleras med hjälp av en numerisk Forward Backward Sweep-lösare som beräknar effekter, strömmar och spänningar i elnätet. Solcellanläggningarna placeras ut i elnätet i olika konfigurationer tillsammans med olika konfigurationer av energilager. Resultaten från simuleringarna analyseras främst med avseende på spänningen i elnätet utifrån dess gränser. De slutsatser som dras i arbetet är att solcellsproduktion kommer att påverka spänningen, mycket beroende på var i elnätet anläggningarna placeras och storleken hos dem. Det visas också att energilager, justering av effektfaktor hos solcellsanläggningarna eller en spänningssänkning på transformatorns lågspänningssida kan få ner spänningen i elnätet. / <p>LiTH-ISY-EX--19/5194--SE</p>