This thesis uses a model-based approach to finding optimal positions of flow datasensors in a water distribution network (WDN). Flow data sensors can be used toidentify and localize leaks in a network that lead to significant losses of both water and energy. A simple hydraulic model of a WDN was constructed as well as a graph theoreticdescription of the network. A framework for describing the information gained by aspecific sensor position was developed and used to formulate the sensor placement asan optimization problem.Two algorithms were constructed for finding the optimal placements under differentassumptions of the network. Three smaller networks of different complexity wereconstructed and on which the two algorithms were tested.The results show that a model-based approach indeed can be used to find optimalsensor placement under different assumptions of the system at hand and that theframework can be used not only for placement, but also for localization of leakspresent in the network.

Samhällets omställning till en hållbar bioekonomi ställer krav på de industrier som idag nyttjar stora mängder av skogsråvara. Av det virke som idag avverkas i Sverige använder pappers- och massaindustrin ungefär hälften av den mängden. Hos ett sulfatmassabruk nyttjas ungefär hälften av vedråvaran till produktionen av pappersmassa och den resterande restströmmen förbränns för att producera ånga och el. Pappers- och massaindustrin är en energikrävande industri och står för ungefär 50% av den svenska tillverkningsindustrins energianvändning. Effektivisering av energikrävande processer som till exempel indunstningen är nödvändigt för att reducera energianvändningen och att förbättra resurseffektiviteten av biomassa. Målet med studien är att skapa en simuleringsmodell som behandlar energi- och massflöden hos en indunstning för att undersöka energianvändningen vid en applicerad förvärmning av lut, samt utreda den potentiella energibesparingen vid reducerat värmemotstånd. Sedan har ytterligare ett mål med studien vart att skapa en överblick av forskningsläget och utvecklingen gällande en hållbar bioekonomi inom pappers- och massaindustrin. I arbetet skapades en beräkningsmodell som hanterar energi- och massflöden hos indunstningen. Därefter undersöktes hur en eventuell förvärmning av lut genom spillvärme skulle påverka energianvändningen genom att reducera uppvärmningsbehovet hos luten. Ytterligare analyserades värmemotståndets variation under ett år och tre olika fall för effekt 1A-1D genomfördes för att undersöka vilken inverkan de olika fallen har på energianvändningen. För att undersöka utvecklingen gällande en hållbar bioekonomi inom pappers- och massaindustrin granskades litteratur som täckte området i fråga. Resultaten visar att en förvärmning av lut kan potentiellt reducera energibehovet av ånga med 40–50 GWh per år om spillvärmen kan värma luten till 50% av temperaturdifferensen mellan föregående och nästkommande effekt. Reduceringen av värmemotståndet visade sig vara mest nödvändigt i effekt 1A.  Energibesparingen varierade beroende på vilket fall och vilken effekt som undersöktes. Energibesparingen för fall 1 varierade mellan 0,2–0,4 GWh per år, för fall 2 varierade det mellan 1,5–5 GWh per år och för fall 3 varierade det mellan 6–13 GWh per år. Gällande litteraturstudien var det tydligt att en hållbar bioekonomi inom pappers- och massaindustrin innebär en stor omställning, där produktutbudet behöver diversifieras genom att integrera bruken med ett bioraffinaderi som kan producera samhällsviktiga produkter.

Det finns stora utmaningar i dagens samhälle för att uppnå målet att inte ha några nettoutsläpp av växthusgaser senast 2045. Därför undersöks snökylesystem i en öppen bassäng i denna rapport då detta är en metod som bidrar både till hållbar utveckling och även billigare elanvändning. Systemet tillåter även föroreningar från snön att hanteras på ett miljövänligt sätt. Syftet med arbetet är att Akademiska Hus i Luleå under en längre period har varit intresserad av att undersöka om snökyla skulle kunna täcka kylbehovet för Luleå tekniska universitet (LTU) under årets varma säsong, samt undersöka möjligheten att koppla in andra potentiella företag i närheten till samma system för att fler byggnader ska kunna utvinna snökyla. Arbetet är inspirerat från den fungerande snökyleanläggningen i Sundsvall, där denna metod har lett till en minskning på 90 % av både elanvändning och växthusgasutsläpp och som även lett till ekonomiska fördelar för Sundsvalls sjukhus. Fördelen med snökyla är att både snö och is har sin frys- och smältpunkt vid 0 °C vilket resulterar i att snö har en utmärkt egenskap vid lagring och utvinning av kyla. Under åren 1991-2020 skiljde årsmedeltemperaturen mellan Luleå och Sundsvall med 1,4 °C och klimatet i Luleå förväntas i framtiden att bli blötare och varmare. Marken som snökyleanläggningen är tänkt att placeras på är en befintlig snödeponi cirka 1,5 km bort från LTU och troligtvis består den av jordarten morän och lera-silt där den förstnämnda möjligen kan bestå av grövre material. Det är fördelaktigt att bygga på mark med grövre material för att undvika tjällyftning. Utformning av optimala bassängdimensioner är okänt däremot är det känt att en kompakt lagring är fördelaktigt för att minska naturliga snösmältningar då snösmältningen är proportionerlig mot bottenarean. De naturliga snösmältningarna kan delas upp i faktorerna luft, regn och mark. Den naturliga snösmältningen domineras av värmeöverföringen från luften och därmed spelar värmeisoleringen ovanpå snön en stor roll. I arbetet har beräkningar av naturliga snösmältningar orsakade av värmeledning från marken, värmeöverföring från luft och regn genomförts. Även generella uppskattningar och jämförelser av investeringskostnader samt olika potentiella kylbehov hos kunder har sammanställts. I den ekonomiska kalkylen testades olika potentiella genomsnittliga flöden för driftsäsongen och även olika delfall för investeringskostnader för att se påverkan på den ekonomiska lönsamheten. Driftkostnader för snökylesystemets cirkulationspump jämfördes med kylmaskiner med antagandet att intäkten för mängden snö som tas emot är ekvivalent med snökylesystemets resterande underhålls- och driftkostnader som kan uppstå för snöhantering etcetera. Ytterligare ett antagande vid driften är att elanvändningen och flödet följde ett linjärt samband. Resultatet visade att driftkostnaden för snökylesystemets cirkulationspump hade en avsevärt mindre driftkostnad än kylmaskiner. Den ekonomiska kalkylen visade på att investering av snökyleanläggningen var lönsam för driftsäsongens höga medelflöden för alla delfall som testades och att återbetalningstiden kan minskas med bättre utredning och fördelning på investeringskostnaden. Resultatet visade även att störst påverkan av naturlig snösmältning kommer från värmeöverföringen från luften, cirka 81 %. Resterande faktorer till naturlig snösmältning bestod av cirka 4 % respektive 14 % av värmeöverföring och värmeledning från regn och mark. Resultatet påvisade att en större volym ger minskade snöförluster. Slutsatsen från denna rapport är att det är fullt möjligt att implementera stora snökyleanläggningar och att Luleå har ett gynnsamt klimat för denna typ av anläggning. I förlängningen kan utvinning av snökyla bidra till både ekonomisk och ekologisk lönsamhet.

An unprecedented view into the nature of energy systems in the Temporary Entertainment Events Industry (TEEI) is developed. A characterization of the context of the latter and its energy systems state-of-the-art is performed. Allowing for the main development of the present study, the modeling of temporary energy systems in the TEEI, ultimately delivering a tool for the assessment of the performance of these systems at a level of analytical detail previously inexistent in the industry. In the absence of previews literature on the topic, state-of-the-art modeling techniques have been reviewed from the field of small-scale polygeneration system to develop a customized approach for the modeling of temporary energy systems. An Integrated Design, Synthesis and Operation Optimization (IDSOO) approach has been adapted in a Mixed Integer Linear Programing (MILP) model and contextualized for the TEEI. Additionally, a customized approach has been developed for the treatment and compression of the original energy demand curves in a separate optimization algorithm defined in respect to the constraints and priorities of the given context. The model has been developed to cater to the evaluation of the targets set by the Festival Vision 2025 pledge. Which is then applied in a case study event set in the United Kingdom (UK), with over 50 000 visitors over a period of 4 days. In addition to the evaluation of the pledge’s targets, two additional scenarios are created to better explore to full potential of the methodology presently developed. Namely, first an integrated system approach and its benefits has been evaluated to counterpose the established practice of isolating the event’s energy sub-systems. Secondly, the effects of the prevailing energy demand uncertainty in TEEI and its typical preference of overgenerous systems’ designs are analyzed in a hypothetical, yet representative, scenario. Finally, given the pioneering nature of the developed study, a listing has been made with the argued most relevant future study topics that were found to offer the highest benefits to the TEEI. In conclusion, it has been found that there seems to be more potential than previously thought for the improvement of the performance of the TEEI’s current energy systems. It is shown that even when optimized, isolated generator-based systems in some cases will inevitably incur into undesired operational conditions, thus demonstrating the limits of the current practices and technology selection. Nevertheless, it was found that, at least for the given case study, the Festival Vision 2025 medium term targets are achievable even when resorting solely to the optimization of the current diesel-based systems. Reinstating the need for better energy systems planning and designs. Ultimately, it was concluded that the developed model fulfills the objective of representing the TEEIs energy systems to a level of detail unprecedented and that it, or similar tools, could be used to quantify and substantiate the implications of the industry’s environmental goals for its energy systems. / En ny syn på energisystem för tillfällig underhållning (TEEI) är under utveckling. En karaktärisering av sammanhanget för det senare och dess energisystem har varit fokus i denna studie. Utgående från utvecklingen av den aktuella studien, modellering av tillfälliga energisystem i TEEI, levereras ett verktyg för bedömning av prestandan hos dessa system på en nivå av analytisk detaljering som tidigare inte fanns i branschen. I avsaknad av tidigare litteratur om ämnet har state-of-the-art modelleringstekniker från området för småskaligt polygenerationssystem använts för att utveckla ett anpassat tillvägagångssätt för modellering av tillfälliga energisystem. En integrerad strategi för design, syntes och driftoptimering (IDSOO) har anpassats i en MILPmodell (Mixed Integer Linear Programing) och kontextualiserats för TEEI. Dessutom har ett anpassat tillvägagångssätt utvecklats för behandling och komprimering av mätningar av faktiska energibehov i en separat optimeringsalgoritm definierad med avseende på begränsningarna och prioriteringarna i det givna sammanhanget. Modellen har utvecklats för att tillgodose utvärderingen av de mål som fastställts av Festival Vision 2025- pantsättningen. Som sedan tillämpas i en fallstudiehändelse i Storbritannien (Storbritannien), med över 50 000 besökare under en period av fyra dagar. Förutom utvärderingen av de uppsatta målen skapas ytterligare två scenarier för att bättre utforska till den fulla potentialen för den för närvarande utvecklade metodiken. Först har en integrerad systemansats och dess fördelar utvärderats för att motverka den etablerade praxisen att isolera evenemangets energi-delsystem. För det andra analyseras effekterna av den rådande osäkerheten om energibehov i TEEI och dess typiska preferens för systemdesign med alltör generösa säkerhetsmarginaler i ett hypotetiskt men ändå representativt scenario. Slutligen, med tanke på studiens banbrytande karaktär, har en lista gjorts med de mest relevanta framtida studieämnen som visat sig ge de främsta fördelarna för TEEI. Sammanfattningsvis har det visat sig att det verkar finnas mer potential än man tidigare trott för förbättring av prestandan i TEEI: s nuvarande energisystem. Det visas att även när optimerade och isolerade generatorbaserade system i vissa fall oundvikligen kommer att drabbas av oönskade driftsförhållanden och därmed demonstreras gränserna för den nuvarande praxisen och teknikvalet. Trots det konstaterades att, åtminstone för den givna fallstudien, Festival Vision 2025 målsättningarna på medellång sikt kan uppnås även om man endast använder sig av optimeringen av de nuvarande dieselbaserade systemen, vilket återinför behovet av bättre planering och design av energisystem. I slutändan drogs slutsatsen att den utvecklade modellen uppfyller målet att representera TEEI: s energisystem till en ny detaljnivå och att den, eller liknande verktyg, skulle kunna användas för att kvantifiera och underbygga konsekvenserna av branschens miljömål för dess energisystem.

This study evaluates the thermodynamic and economic performance of hybridization of biomass-solar for a cogeneration power plant in a Cuban sugar mill, George Washington. The evaluation is performed by varying the parameters of the thermal power block and considering scenarios with 1) bagasse and marabú, 2) bagasse and solar field, and 3) bagasse, marabú and solar field as heat sources for the cogeneration cycle. The most feasible configuration combines all the three heat sources having the superheated steam parameters of 100 bar and 540 ⁰C and the solar field aperture area of 88,560 m2 using SkyTrough collectors. The NPV for the proposed system is 30.97 million USD which indicates that it is economically feasible and the LCOE of 0.091 USD/kWh is in the range of a typical LCOE for biomass electricity generation with a stoker boiler (0.06 – 0.21 USD/kWh). / Denna studie utvärderar den termodynamiska och ekonomiska prestandan för hybridisering av biomassa och solenergi för ett kraftvärmeverk i ett kubanskt sockerbruk, George Washington. Utvärderingen utförs genom att variera parametrarna för kraftvärmecykeln och studera scenarier med 1) bagasse och marabú, 2) bagasse och solfält, och 3) bagasse, marabú och solfält som värmekällor för kraftvärmecykeln. Den rekommenderade konfigurationen kombinerar alla tre värmekällorna med överhettade ångparametrarna på 100 bar och 540 ⁰C och solfältets öppningsarea på 88,560 m2 med SkyTrough-solfångare. Nettonyvärdet för det föreslagna systemet är 30.97 miljoner USD vilket indikerar att förslaget är ekonomiskt genomförbart samt LCOE på 0.091 USD/kWh ligger inom en typisk LCOE för elproduktion av biomassa med en stoker panna (0.06 – 0.21 USD/kWh).

In today’s society there is an increasing demand for renewable energy sources such as sun and wind power. These sources are intermittent, and energy storage is therefore needed to ensure a constant power supply. This report compares pumped hydro energy storage (PHES), compressed air energy storage (CAES), flywheels, batteries, super magnetic energy storage (SMES) and hydrogen energy storage. The opportunities for further development are limited for PHES and CAES in comparison with the other technologies. Lithium-ion batteries and hydrogen energy storage are considered to have the most potential in the future. This is based on the high energy density and the high demand from other industries, the automotive industry in particular. The most limiting factor for both of these technologies is the high cost. Currently there is no method that alone can handle all types of energy storage that is needed, but lithium-ion batteries and hydrogen energy storage will play a key role in the future energy storage. / I dagens samhälle efterfrågas allt mer förnybara energikällor så som sol- och vindkraft. Dessa är intermittenta, och för att kunna förlita sig på dessa krävs energilagring. Denna rapport jämför pumpkraftverk, tryckluft (CAES), svänghjul, batterier, supraledande energilager (SMES) och vätgaslagring. <img src="file:///page2image11112" /> Utvecklingsmöjligheterna för pumpkraftverk och tryckluftslager är begränsade jämfört med de andra lagringsmetoderna. De som i denna rapport bedöms ha störst potential i framtiden är litiumjonbatterier och vätgaslagring. Detta beror på att de har hög energitäthet samt att drivkraften för utveckling är stor även i andra branscher, framför allt fordonsbranschen. Största begränsningen för båda teknikerna är kostnaden. <img src="file:///page2image16536" /> I dagsläget finns ingen metod som kan hantera alla typer av energilagring på egen hand, dock <img src="file:///page2image17744" />

I denna rapport beskrivs uppförandet av en fysisk modell av ett växelströmsystem baserad på IEEE 14-bus referensmodell. Projektets resultat, en prototyp monterad på en tavla, ämnar tjäna ett pedagogiskt syfte för att kunna användas för studieändamål och har konstruerats efter önskemål från avdelningen Industrial Information and Control Systems (ICS) på KTH. Arbetet har framskridit genom att identifiera eftersträvade modellfunktioner, samt genom att välja adekvata komponenter utifrån bl.a. datorsimuleringar, budgetrestriktioner och fortlöpande tester. Mot denna bakgrund har slutprodukten konstruerats med avsikten att göra denna flexibel, säker, tilltalande och användarvänlig. Den resulterande modellen står att finna i en modifierad, förenklad, och anpassningsbar version av referensmodellen. Arbete kvarstår emellertid för att kunna använda modellen i undervisningssyfte. Styrningssystemets opålitlighet är i dagsläget en springande punkt. Det finns också utrymme att förbättra modellens överensstämmelse med ett verkligt elsystem. Slutligen bör modellen testas i det sammanhang den kommer att användas i, för att bättre identifiera dess styrkor och brister.

Projektet har undersökt möjligheten att med basisk lakning skilja ut fosfor från förbränt avloppsslam. Basisk lakning jämfört med sur lakning ger ett sämre fosforutbyte. Men basisk lakning löser samtidigt ut lägre mängder tungmetaller, vilket gör att metoden med basisk lakning kan vara mer lämpad om slutanvändningen återför den lakade produkten till naturen Genom att variera parametrarna tid, temperatur och koncentrationer av reagenser gavs resultat i form av de effektivaste förutsättningarna för ett högt fosforutbyte. Allmänt verkar högre temperaturer ge bättre resultat. Blandningsförhållandet mellan förbränt avloppsslam och basisk lakvätska ger högre procentuellt fosforutbyte vid lägre koncentrationer av avloppsslam. Dock kan högre koncentrationer av avloppsslam ändå vara att föredra om denna process ska genomföras i teknisk skala när stora mängder fosfor ska utskiljas på kort tid. Problem uppstod när produkten som skulle fälla ut fosfatkristaller istället bildade en okänd gel. Det gick att undvika gelbildningen genom att använda lägre koncentrationer av den basiska lakvätskan. Resultaten av denna studie antyder att gelen sannolikt är en silikatgel. En möjlighet att undvika gelfenomenet vid starkare koncentrationer av den basiska lakvätskan är sannolikt att använda förbränt avloppsslam med lägre koncentrationer av kisel.

In a sustainable society the use of renewable energy and recycling of materials is of high importance. Wastewater treatment plants use large amounts of energy in the processing of wastewater. This study seeks to evaluate wastewater as an energy resource and to examine treatment plants potential to become sustainable energy producers. The study is based upon the internal processes of Himmerfjärdsverket. Wastewater has a high content of heat energy because of its origin from households and industries. It also holds high concentrations of chemically bound energy as organic compounds and nutrients. The flow of chemically bound energy at Himmerfjärdsverket corresponds to a power of 15 MW. During the treatment processes sludge is separated from the wastewater. The sludge can be used for biogas production by anaerobic digestion. At Himmerfjärdsverket, 8 million m3 of biogas are produced every year. The reminder from the biogas production can be used as fertilizer in the farming industry. 56 % of the biogas is sold as fuel and the remaining gas is used for internal processes. Himmerfjärdsverket could reduce its energy need for heating by half by installing a heat pump system. This would lead to annual savings of two million SEK. The conclusion is that modern wastewater treatment plants have the potential to become an important part of the next generation’s renewable energy system. / I ett hållbart samhälle är det viktigt att utnyttja energi- och materialresurser på ett effektivt sätt. Dagens avloppsvattenreningsverk använder stora mängder energi vid hantering och rening av avloppsvatten. Denna studie syftar till att studera avloppsvattens potential som energiresurs samt att undersöka möjligheten att göra vattenreningsverk till hållbara energiproducenter. Studien har utförts med Himmerfjärdsverkets processer som grund. Avloppsvatten har ett högt värmeinnehåll eftersom det kommer från hushåll och industrier. Det innehåller även kemiskt bunden energi i form av lösta organiska föreningar och näringsämnen. Till Himmerfjärdsverket kommer kemiskt bunden energi med en effekt på 15 MW. Under reningen fälls det lösta materialet ut och bildar ett slam som kan rötas. Himmerfjärdsverket producerar cirka 8 miljoner Nm3 biogas varje år. 56 % av gasen säljs som fordonsgas och resterande mängd används för interna processer. Med en installerad värmepumpanläggning på Himmerfjärdsverket beräknas energiåtgången för uppvärmning halveras vilket ger en årlig besparing om två miljoner kronor. För att minimera mängden avfall från verksamheten kan rötresten användas som gödsel inom jordbruket. Slutsatsen är att avloppsvattenrening har god potential att utvecklas till en hållbar samhällsfunktion som minskar avloppsvattnets miljöpåverkan och samtidigt bidrar till en långsiktig energiproduktion och resursåtervinning.

I denna rapport genomförs en energikartläggning av Martinskolan i Hökarrängen (Stockholm) med mål att ge åtgärdsförslag för minskad energianvändning, minskade koldioxidutsläpp samt bibehållet eller förbättrat inomhusklimat. Energianvändningen kartläggs utifrån platsbesök, konstruktionsritningar, tekniska ritningar och uppgifter från leverantörer av el, vatten och värme. Energianvändningen samt föreslagna energieffektiviseringsåtgärder simuleras i VIP-Energy. År 2013 använde sig Martinskolan av 632 MWh nettovärme samt 188,9 MWh el (normalårs- korrigerade värden). Detta beräknas generera 18,8 ton koldioxid. Nettovärmeanvändningen är över genomsnittet för skolor i Sverige, medan elanvändningen är något lägre. Åtgärder för att minska energianvändningen presenteras i två paket. Paket 1 består av enkla åtgärder med låg investeringskostnad: Justering av tidkanal för två ventilationssystem, byte till LED-belysning samt installering av 100 kvm solceller. Detta beräknas ge nettovärmeanvändningen 548,9 MWh/år och elanvändningen 140,5 MWh samt koldioxidutsläpp på 14 ton. Besparingen beräknas till 79,1 tkr/år och återbetalningstiden till 1,4 år. Efter 30 år beräknas besparingen uppgå till 2,2 miljoner kronor. Paket 2 består även av åtgärder som har större investeringskostnader: Byte till från- och tilluftventilation med värmeåtervinning på hela skolan samt byte av 132 kvm fönster. Dessa åtgärder bidrar till en ökad inomhuskomfort med mindre drag och bättre luftkvalitet. Byte av fönster är även en typ av underhållsåtgärd då fönsternas är i behov av visst underhåll. Paket 2 beräknas ge nettovärmeanvändningen 364 MWh/år och elanvändningen 174,3 MWh/år samt koldioxidutsläpp på 17,4 ton. Besparingen beräknas till 150,2 tkr/år och återbetalningstiden till 28,3 år. Efter 30 år beräknas besparingen uppgå till 0,4 miljoner kronor. / This report consists of an energy audit of a school named Martinskolan in Stockholm. The aim of the report is to propose measures of how to decrease the energy use, the carbon dioxide emissions and preserve or improve the indoor environmental comfort. The energy audit is performed through site visits, studying the plans of the school and by gathering information from the suppliers of water, heat and electricity. The energy use and the proposed measures are simulated in VIP-Energy. The school used 632 MWh of net heating and 188.8 MWh of electricity in 2013, which generated approximately 18.9 tons of carbon dioxide emissions. The use of heat is higher than the average of surveyed schools in Sweden, whereas the use of electricity is slightly lower than the average. Measures to decrease the use of energy are featured in two packages in the report. Package 1 consists of measures with low investment costs: Adjust the running time for two ventilation systems, change all lighting to LED and install 100 square meters of PV panels. Package 1 is calculated to reduce the net heating to 548.9 MWh/year, the use of electricity to 140.5 MWh/year and the carbon dioxide emissions to 14 tons/year. The financial saving is calculated to be 79.1 SEK/year and a payback-time of 1.4 years. The financial saving after 30 years is calculated to be 2.2 million SEK. Package 2 includes in addition to package 1 also an exchange of in total 132 square meters of windows and change of all the ventilation systems to heat recovery ventilation systems. Package 2 is calculated to reduce the net heating to 364 MWh/year, the electricity use to 174.3 MWh/year and the carbon dioxide emissions to 17.4 tons/year. The financial saving is calculated to be 150 200 SEK/year and a payback-time of 28.4 years. The financial saving after 30 years is calculated to be 0.4 million SEK.