Society is facing major challenges to reduce the use of fossil sources. Two of the greatest goals are the UN’s Sustainable Development Goals to ensure access to sustainable energy for all by 2030 and the EU’s goal to be climate-neutral by 2050. Big changes need to be done to achieve this, all while the demand for both electricity and hydrogen gas is expected to increase drastically. The Swedish electricity demand is expected to double by 2045 and the hydrogen demand is expected to quadruple by 2030, compared to today’s levels. This paper has examined the optimal way to produce hydrogen gas in Halland, regarding performance, sustainability, and reliability. This was done by evaluating different scenarios for hydrogen production, the possibilities to utilize the waste heat and how the hydrogen gas is to be converted back to electricity. Three methods to produce hydrogen gas has been examined in this paper, AEC-, PEM- and SOE-electrolysis. Through literature studies PEM-electrolysis has been established as the most efficient way to produce renewable hydrogen gas. The method performs better than the other two regarding both mass of hydrogen gas produced per unit of energy used and the possibility to utilize the waste heat in the local district heating network. Five locations in Halland have been examined since they are considered suitable to house hydrogen production, Hyltebruk, Varberg, Falkenberg and in connection with two offshore windfarms. This paper does not take expansion of the existing electricity grid into consideration, which has made the result dependent on the various locations’ existing transmission capacity. This gives every place its unique conditions, creating unique possibilities. The largest and smallest production possible would be located in Varberg respectively Falkenberg, corresponding to nearly 100 % respectively 0.02 % of the expected hydrogen demand in Sweden by 2030. Due to the enormous requirements the expected future demand is putting on the industry, even the smallest contribution should be welcomed. / Samhället står inför stora utmaningar för att minska användandet av fossila källor. Några av de stora målen består av FN:s globala mål om hållbar energi för alla år 2030 och EU:s mål om klimatneutralitet till år 2050. För att nå dit krävs stora förändringar och behovet av både el och vätgas förväntas öka drastiskt. Sveriges elbehov förväntas mer än dubbleras till år 2045 medan vätgasbehovet förväntas fyrdubblas till år 2030, jämfört med dagens nivåer. Det här arbetet har undersökt hur man på bästa sätt relaterat till prestanda, hållbarhet och reliabilitet kan produceras vätgas i Halland. Detta utfördes genom att utvärdera olika scenarier för vätgasproduktion, möjligheterna till att tillvarata restvärme samt hur vätgasen kan konverteras tillbaka till el. De tre metoder för vätgasproduktion som arbetet baserats på är teknikerna AEC-, PEM- och SOE-elektrolys. Genom litteraturstudier har PEM-tekniken fastställts som den effektivaste metoden för förnybar framställning av vätgas. Tekniken presterar bäst både med avseende på massa vätgas producerad per konsumerad enhet energi och på möjligheten att utnyttja restvärmen i fjärrvärmenätet. Fem olika platser i Halland har undersökts då de ansetts lämpliga för vätgasproduktion, Hyltebruk, Varberg och Falkenberg samt i anslutning till två havsbaserade vindkraftsparker. Arbetet har avgränsats till att inte beröra utbyggnad av det befintliga elnätet vilket gjort att resultatet baserats på den befintliga överföringskapaciteten. Detta ger alla platser unika förutsättningar, vilka leder till unika möjligheter. Den största och minsta möjliga produktionen fastlås möjlig i Varberg respektive Falkenberg, motsvarande uppemot 100 % respektive 0,02 % av det förutspådda vätgasbehovet 2030. Även det minsta bidrag ska dock välkommas, i och med de enorma krav framtidens behov ställer på branschen.

The high energy use in the European building stock is attributable to the large share of old buildings with poor energy performance. Energy renovation of buildings is therefore vital in the work towards energy efficiency and reduced environmental impact in the EU. Yet, the strategies and energy system implications of this work have not been made clear, and the rate of building renovation is currently very low. The aim of this thesis is to investigate the economic and environmental aspects of energy renovation strategies, with two main objectives: Renovation of Swedish district heated multi-family houses, including life-cycle cost and environmental analysis and impact on the local energy system; Renovation of European residential and office buildings, including life-cycle cost and environmental analysis and influence of climatic conditions. Buildings typical for the respective regions and the period of construction 1945-1970 were simulated, in order to determine the feasibility and energy saving potential of energy renovation measures in European climates. A variety of systems for heating, cooling and ventilation were studied, as well as solar energy systems, with focus on heat pumps, district heating, low-temperature heating systems and air heat recovery. Compared to normal building renovation, energy renovation can often reduce the life-cycle costs and environmental impact. In renovation of typical European office buildings, as well as Southern European multi-family houses, more ambitious renovation levels can also be more profitable. Exhaust air heat pumps can be cost-effective complements in district heated multi-family houses, while ventilation with heat recovery is more expensive but also more likely to reduce the primary energy use. From a system perspective, simple exhaust ventilation can reduce the primary energy use in the district-heating plant as much as an exhaust air heat pump, due to the lower electricity use. / Byggnadssektorn står för omkring 40 % av den totala energianvändningen i EU. Den höga energianvändningen i Europeiska byggnader kan till stor del tillskrivas den stora andelen gamla byggnader med dålig energiprestanda. Energirenovering av byggnader, eller energieffektivisering genom renovering, kan därför anses utgöra en central del i arbetet mot EU:s klimat- och energimål för år 2030. Trots detta är det ännu inte helt klarlagt vilka strategier som ska tillämpas för att uppnå detta och hur det påverkar energisystemet, och i nuläget är renoveringstakten fortfarande väldigt låg. Målet med denna avhandling är att undersöka ekonomiska och miljömässiga aspekter av strategier för energirenovering, såväl byggnadsskalsåtgärder som aktiva system, för typiska bostads- och kontorsbyggnader i Sverige och i andra Europeiska regioner. Mer specifikt har arbetet följande två inriktningar: Renovering av svenska, fjärrvärmevärmda flerfamiljshus, inklusive livscykelkostnadsanalys och livscykelmiljöanalys samt påverkan på det lokala energisystemet; Renovering av Europeiska bostads- och kontorsbyggnader, inklusive livscykelkostnadsanalys och livscykelmiljöanalys samt påverkan av klimatförutsättningar. Byggnader typiska för respektive region och byggnadsperioden 1945-1970 modellerades och användes i simuleringar för att fastställa den övergripande möjligheten och energibesparingspotentialen för olika renoveringsåtgärder i Europeiska klimat. En rad system för värme, kyla och ventilation studeras, samt solenergisystem, med fokus på värmepumpar, fjärrvärme, lågtemperaturvärmesystem och värmeåtervinning ur frånluft. Jämfört med renovering av byggnader utan energieffektiviseringsåtgärder kan energirenovering i många fall minska såväl livscykelkostnaden som miljöpåverkan. Vid renovering av typiska Europeiska kontorsbyggnader lönar det sig mer att renovera ner till ett uppvärmningsbehov på 25 kWh/(m²∙år) än 45 kWh/(m²∙år), då den minskade kostnaden för köpt energi väger upp den ökade kostnaden för isolering. För flerfamiljshus i södra Europa kan mer ambitiösa mål gällande värmebehov också vara lönsamma, medan en mer måttlig nivå är lämplig för småhus. Solvärme- eller solelsystem kan användas för att minska byggnaders miljöpåverkan. Utan subventioner eller inmatningstariff för överskottsel kan det bli svårt att få lönsamhet i dessa system för kontorsbyggnader i Nord- och Centraleuropa samt för småhus. För flerfamiljshus kan solenergisystem dock sänka den totala livscykelkostnaden, såväl i södra som i norra Europa. Värmeåtervinning och lågtemperaturvärmesystem visade sig båda ha större inverkan i kallare klimat. Lågtemperaturvärmesystem förbättrar värmefaktorn för värmepumpar, i synnerhet när uppvärmningsbehovet är stort i förhållande till varmvattenbehovet. Vid renovering av byggnader med vattenburna radiatorer kan konvertering till tilluftsradiatorer sänka framledningstemperaturen i värmesystemet. I svenska flerfamiljshus kan frånluftsvärmepump vara ett kostnadseffektivt komplement till fjärrvärme, medan från- och tilluftsventilation med värmeåtervinning är dyrare men mer sannolikt att ge en minskad primärenergianvändning. I ett systemperspektiv kan frånluftsventilation utan värmeåtervinning minska primärenergianvändningen i fjärrvärmeverket lika mycket som en frånluftsvärmepump, tack vare den lägre elanvändningen. / <p>QC 20170509</p> / iNSPiRe

Fjärrvärme är det dominerande uppvärmningssättet för flerbostadshus i Sverige och dess konkurrent är värmepumparna som blivit allt mer effektiva och fått en bättre slagkraft på marknaden. Samtidigt har regeringen satt upp 2020 målen, för att sänka och förbättra Sveriges energianvändning. Eftersom att bostadssektorn står för nästan 40 procent av Sveriges totala energianvändning, är rapportens syfte att studera hur energiförbrukningen för äldre hus kan sänkas genom byte av energisystem eller genom att behålla ett befintligt fjärrvärmesystem men utföra energieffektiviseringsåtgärder. De energisystemen som studeras i denna rapport är fjärrvärme, bergvärme och luft-vatten värmepump. Den data som har använts i rapporten har i huvudsak samlats in från ett flerbostads-hyreshus beläget i Vingåker och som ägs av Sjötorps hus AB. För att resultatet ska vara mer generellt har även två typhus studerats; ett småhus och ett större flerbostadshus. Resultatet av studien visar att den största kostnaden för fjärrvärmen ligger i driften och därmed blir detta alternativ också dyrast för de två större husen. Dock är både investeringskostnaden och underhållskostnaderna betydligt större för värmepumpar och varierar beroende på vart i landet de ska installeras, oförutsedda driftstopp och haverier. Resultatet visar också att det inte är lönsamt för ett småhus att byta från ett befintligt fjärrvärmesystem till värmepump. Slutsatsen är att energieffektivisering bör ske i första hand för att sänka en fastighets energiförbrukning, speciellt eftersom att andelen äldre hus kommer att öka och oavsett hur lite energi de nya husen förbrukar kommer de äldre husen utgöra den största andelen av Sveriges totala bostadsbestånd. Att en värmepump använder mindre energi är ingen långsiktig lösning för att sänka energiförbrukningen. Istället bör energieffektiviseringsåtgärder ligga till grund vid en önskan om sänkt energiförbrukning. / District heating is the dominant heating method for apartment buildings in Sweden, and its competitor is the heat pumps that have become increasingly efficient and have a better impact on the market. At the same time, the government has set the 2020 targets in order to reduce and improve Sweden's energy use. As the housing sector accounts for almost 40 percent of Sweden's total energy use, the report's purpose is to study how energy consumption for older homes can be reduced by changing energy systems or by maintaining an existing district heating system, but performing energy efficiency measures. The energy systems studied in this report are district heating, geothermal heat and air-water heat pump. The data used in the report has been largely collected from a apartment building located in Vingåker, owned by Sjötorps hus AB. In order for the results to be more general, two example houses have also been studied; A small house and a larger apartment building. The result of the study shows that the biggest cost of district heating is in operation, and thus this option is also the most expensive for the two major houses. However, both investment costs and maintenance costs are significantly higher for heat pumps and vary depending on where in the country they are to be installed, unexpected downtime and breakdowns. The result also shows that it is not profitable for a small house to switch from an existing district heating system to a heat pump. The conclusion is that energy efficiency should be the first option to reduce the energy consumption of a property, especially as the stock of older houses will increase. No matter how little the energy consumption for the newly built houses are, the older houses will be the largest part of Sweden's total housing stock. The fact that the heat pump uses less energy is no long-term solution to energy efficiency. Instead, energy efficiency actions should be the first option when the desire is reduced energy consumption.

Kombinationen av fjärrvärme och frånluftsvärmepump (FVP) har blivit allt vanligare i Sverige. Detta kombinerade värmesystem är väl lämpat för att reducera energianvändningen i befintliga fastigheter med mekanisk frånluftventilation som saknar värmeåtervinning. Dock kan en FVP-installation leda till högre returtemperaturer i fjärrvärmenätet vilket det ofta finns avgifter för i dagsläget. För att främja fjärrvärmeanvändning sommartid använder fjärrvärmeleverantören sig av säsongsvarierande prismodeller i vilket fjärrvärmepriset varierar under en del av året. Genom att stänga av FVP sommartid och endast bruka fjärrvärme finns en potentiell kostnadsbesparing då fjärrvärmepriset är som lägst. Denna kostnadsbesparing undersöks utifrån olika typer av fjärrvärmetaxor, elnätsavgifter och elhandelspris. Det undersöks också hur Boverkets regler för beräkning av primärenergital påverkar denna värmesystemtyp. Typiska prismodeller för fjärrvärme har undersökts, samt så har energianvändning framräknats för sex fiktiva flerbostadshus runtom i landet. För varje byggnad beräknas energianvändningen utifrån tre fall. I referensfallet, Fall 1 används bara fjärrvärme och i Fall 2 används FVP till både uppvärmning och tappvarmvatten (TVV). Fall 3 är som Fall 2 fast FVP täcker inget TVV-behov och stängs av under sommar-perioden. Energianvändningen är framräknad över ett år och energikostnaden jämförs mellan fallen. I Fall 2 och Fall 3 är de totala energikostnaderna för byggnaderna mellan 61–75% respektive 67–78% av energikostnaderna i Fall 1. Mellan Fall 2- och 3 finns däremot ingen tydlig besparingstrend trots att alla fjärrvärmenät på orterna har ett säsongsvarierande fjärrvärmepris. Att ingen besparingstrend uppstår påvisar att kostnaden för varje levererad värmeenhet från FVP sommartid är ungefär lika stor som varje värmeenhet fjärrvärme. Detta beror på att en hög värmefaktor används vilket gör det väldigt kostnadseffektivt att köpa el. Med en lägre värmefaktor gynnas avstängning av FVP sommartid. Utifrån den framräknade energianvändningen beräknas primärenergitalet och den specifika energianvändningen för samtliga byggnader. Primärenergitalet är i de flesta fall större än den specifika energianvändningen för att elanvändningen räknas upp. I Luleå är däremot den specifika energianvändningen större än primärenergitalet, även vid användning av FVP. / The combination of district heating and exhaust air heat pump (EAHP) has become increasingly common in Sweden. This combined heating system is well suited for reducing energy use in existing buildings with mechanical exhaust air ventilation that lacks heat recovery. However, an EAHP installation can lead to higher return temperatures in the district heating network. In order to promote district heating use during the summer, the district heating supplier use seasonal varying price models in which the district heating price varies during some of the year. By shutting down EAHP in summer and only using district heating, there is a potential cost saving as the district heating price is at its lowest. This cost saving is investigated based on various types of district heating tariffs, electricity grid charges and electricity prices. It is also examined how Boverket's rules for calculating primary energy affects this type of heating system. Typical price models for district heating have been investigated. The energy use for six fictitious multi-dwelling buildings around the country has also been made. For each building, the energy use was calculated from three cases. For the reference case, Case 1, only district heating is used, for Case 2 EAHP is used for both heating and domestic hot water and Case 3 is as Case 2 fixed EAHP does not cover domestic hot water requirements and is switched off during the summer period. The energy consumption is calculated over a year and the energy cost is compared between the cases. In Case 2 and Case 3, the total energy costs for the buildings are between 61–75% and 67–78% of the energy costs in Case 1, respectively. However, between Case 2- and 3, there is no clear saving trend despite all the locations having a seasonally varying district heating price. The fact that no saving trend arises shows that the cost of each heat unit delivered from FVP in the summer is about the same as each heating unit of district heating. This is because a high COP (coefficient of performance) is used, which makes it very cost-effective to buy electricity. With a lower COP, shutdown of EAHP benefits summer time. Based on the calculated energy use, the primary energy and the specific energy use are calculated for all buildings. In most cases, the primary energy number is larger than the specific energy use, as the electricity consumption is going to be larger with primary energy. In Luleå, on the other hand, the energy-area ratio is greater than the primary energy number, even when using an EAHP.

Arvika Fjärrvärme AB is manufacturing and distributing district heating to around 300 customers in Arvika. Heat production consists of a BFB boiler fed with GROT fuel (branches and peaks) and delivers a maximum power of 30 MW. In order to operate the plant, an average of 60 m3 of water per day is consumed from the urban water network. The water consumption is divided between water treatment, sooting and process cooling. In the processes, sulfur is dosed to obtain a more complete combustion of the hazardous flue gases that can occur. This is a result of previous thesis made for Arvika fjärrvärme. GROT is a fuel that contains high levels of moisture, which means that a high amount of condensate is formed during combustion, averaging 100 m3 per day. At present, condensate is sufficient to meet the condensate limit values ​​to be flushed into the drain. This is achieved by sand filtration and pH neutralization. Today, Arvika heat production is equipped with a purification stage for the feed water consisting of a softening filter and membrane filtration. This creates good conditions for cleaning the condensate and recirculating it in the process. Questions for this study are which hazardous substances the condensate can contain and how the condensate composition affected due to sulfur dosage. In addition, Arvika fjärrvärme wants to find out whether the purified condensate can replace the use of the urban water and, finally, if the condensate can be purified and used as feed water in the process. The execution of the work was based on a full-scale attempt in two operating cases of 9 and 18 MW. The tank collecting all condensate after purification in the sand filter and pH neutralization was coupled to the feed water purification stage. Thus, the condensate was pumped and purified in the softening filter and membrane filter. Assay substrates were collected before and after purification of the condensate. In addition to the topics that Arvika investigates, high levels of alkalinity were found in the condensate. The sulfur dosage that Arvika technology works with can be the cause of the high concentrations of sulphate. However, it appears that both the sulfate and alkalinity were purified in the membrane filter. The amount of condensate formed cannot completely replace the entire water requirement, but definitely large parts. The condensate can be used as feed water based on the retention rate for all substances. However, it appears that two substances, chloride and sulphate can create problems for the membrane filter. To investigate this, the condensate should be tested over a longer period of time to see the affect the chloride as well as the sulphate in the long run. / Arvika Fjärrvärme AB bedriver produktion och distribution av fjärrvärme till ca 300 kunder runt om i Arvika. Värmeproduktionen består av en BFB-panna som matas med bränslet GROT (grenar och toppar) och levererar en maxeffekt på 30 MW. För att driva anläggningen förbrukas i snitt 60 m3 vatten per dag från stadsvattennätet för spädvattenförberedning, sotning och processkylning. I denna typ av värmeproduktion som Arvika Fjärrvärme bedriver doseras svavel. Detta är ett resultat av ett tidigare examensarbete som visade att vid en dosering av svavel bildas det färre farliga rökgaser som kan uppstå vid förbränningen. GROT är ett bränsle som innehåller höga halter fukt vilket innebär att höga mängder kondensat bildas vid förbränningen, i snitt 100 m3 per dag. I dagsläget renas kondensatet tillräckligt för att möta de gränsvärden för att kondensatet ska få spolas ner i avloppet. Detta uppnås genom en sandfiltrering och pH-neutralisering. Idag är Arvika Fjärrvärme utrustade med ett reningssteg för spädvattnet bestående av ett avhärdningsfilter samt membranfilter. Detta skapar goda förutsättningar för att rena kondensatet och återcirkulera det i processen. Funderingar som uppstår är vilka farliga ämnen som kondensatet kan innehålla samt hur kondensatsammansättningen påverkas av svaveldoseringen. Dessutom ställer sig värmeverket frågan om det renade kondensatet kan ersätta förbrukningen av stadsvattnet och slutligen om kondensatet kan renas och användas som spädvatten i processen. Genomförandet av arbetet baserades på ett fullskaligt försök under två driftfall på 9 samt 18 MW. Tanken som samlar upp allt kondensat efter rening i sandfiltret och pH neutraliseringen kopplades på i steget för spädvattenrening. På så sätt pumpades kondensatet igenom och renades i avhärdningsfiltret samt membranfiltret. Analysunderlag samlades in före samt efter rening av kondensatet. Förutom de ämnen som Arvika fjärrvärme undersöker förkommer höga halter alkalinitet i kondensatet som bidrar till bildning av pannsten. Svaveldoseringen som Arvika fjärrvärme jobbar med kan vara orsaken till de höga koncentrationerna av sulfat. Det visar sig dock att både sulfatet och alkaliniteten renas bort i membranfiltret. Mängden kondensat som bildas kan inte helt ersätta hela vattenbehovet men definitivt stora delar. Kondensatet kan användas som spädvatten om retentionsgraden för ämnena anses hög nog. Det visar sig dock att två ämnen, klorid och sulfat, kan skapa problem för membranfiltret. För att undersöka detta bör kondensatet testas under en längre tidsperiod för att se vilken påverkan klorid och sulfat har i längden.

This dissertation analyses how district heating systems in the Stockholm region have evolved and developed during the period 1978-2012. The thesis comprises four papers analyzing how district heating has been handled in municipal and regional planning. The examination explores how actors have worked together to create regional, interconnected district heating systems with economic, technological and environmental benefits. An investigation is undertaken on the effects of liberalization (and the subsequent commercialization of the district heating market) on the planning and cooperation of these systems. The impact on the present and future district heating market is also discussed. The dissertation shows that energy companies cooperated on a regional level to create interconnected regional systems. Through openness, the capacity to make high-level decisions and municipal legitimacy, the regional strategies could be implemented at the municipal level. This can be considered a form of regional planning from below that developed through the initiative of the municipalities. The regional energy planning authority Stoseb could therefore succeed where other regional planning authorities in the Stockholm region have previous failed, to gather and unite the municipalities into a regional force. This cooperation changed around the time of the liberalization of the energy market in 1996, which led to sales of several municipal energy companies and a subsequent concentration of ownership in the region. The organizational distance between energy companies and municipalities has increased and affected the communication between them. Regional cooperation could not be maintained and this has meant that opportunities and tools to implement energy strategies today are weaker than earlier. This is a case of ‘regional splintering’. The liberalization of the energy market thus had a major impact on the district heating sector. / Denna sammanläggningsavhandling analyserar hur fjärrvärmesystemen iStockholmsregionen vuxit och förändrats, mellan 1978 och 2012. Avhandlingen består av fyra artiklar som analyserar hur fjärrvärme hanterats i kommunal och regional planering, hur aktörer samarbetat för att skapa regionala, sammankopplade fjärrvärmesystem med ekonomiska, tekniska och miljömässiga vinster som följd, hur elavregleringen, och den påföljande kommersialiseringen av fjärrvärmemarknaden, påverkade planering och samverkan kring dessa system, samt fjärrvärmemarknadens nuläge och framtid. Avhandlingen visar att energibolagen samarbetat på regional nivå för att skapa sammanhängande regionala system, genom öppet samarbete och att man tack vare hög beslutskompetens kunnat implementera de regionala strategierna på kommunal nivå. Det var en form av regional planering underifrån, då initiativet kom från kommunerna och samarbetsorganet lyckades med vad regionala planorgan haft svårt att genomföra under flertalet decennier i Stockholmsregion, nämligen att samla och ena kommunerna kring strategier som implementerats. Detta samarbete förändrades vid tiden runt liberaliseringen av energimarknaden, som genomfördes 1996, vilket ledde till försäljning av flertalet kommunala energibolag och en efterföljande koncentration av ägandeskapet i regionen. Det organisatoriska avståndet mellan energibolag och kommun har därmed blivit längre och påverkat kommunikationen dem emellan. Det regionala samarbetet kunde därmed inte fortsätta som tidigare och detta gör att möjligheterna och verktyg att implementera regionala energistrategier idag är svaga. Detta var ett fall av ”regional splintering”. Liberaliseringen av energimarknaden hade således stor påverkan påfjärrvärmesektorn.

The high energy use in the European building stock is attributable to the large share of old buildings with poor energy performance. Energy renovation of buildings is therefore vital in the work towards energy efficiency and reduced environmental impact in the EU. Yet, the strategies and energy system implications of this work have not been made clear, and the rate of building renovation is currently very low. The aim of this thesis is to investigate the economic and environmental aspects of energy renovation strategies, with two main objectives: Renovation of Swedish district heated multi-family houses, including life-cycle cost and environmental analysis and impact on the local energy system; Renovation of European residential and office buildings, including life-cycle cost and environmental analysis and influence of climatic conditions. Buildings typical for the respective regions and the period of construction 1945-1970 were simulated, in order to determine the feasibility and energy saving potential of energy renovation measures in European climates. A variety of systems for heating, cooling and ventilation were studied, as well as solar energy systems, with focus on heat pumps, district heating, low-temperature heating systems and air heat recovery. Compared to normal building renovation, energy renovation can often reduce the life-cycle costs and environmental impact. In renovation of typical European office buildings, as well as Southern European multi-family houses, more ambitious renovation levels can also be more profitable. Exhaust air heat pumps can be cost-effective complements in district heated multi-family houses, while ventilation with heat recovery is more expensive but also more likely to reduce the primary energy use. From a system perspective, simple exhaust ventilation can reduce the primary energy use in the district-heating plant as much as an exhaust air heat pump, due to the lower electricity use. / Byggnadssektorn står för omkring 40 % av den totala energianvändningen i EU. Den höga energianvändningen i Europeiska byggnader kan till stor del tillskrivas den stora andelen gamla byggnader med dålig energiprestanda. Energirenovering av byggnader, eller energieffektivisering genom renovering, kan därför anses utgöra en central del i arbetet mot EU:s klimat- och energimål för år 2030. Trots detta är det ännu inte helt klarlagt vilka strategier som ska tillämpas för att uppnå detta och hur det påverkar energisystemet, och i nuläget är renoveringstakten fortfarande väldigt låg. Målet med denna avhandling är att undersöka ekonomiska och miljömässiga aspekter av strategier för energirenovering, såväl byggnadsskalsåtgärder som aktiva system, för typiska bostads- och kontorsbyggnader i Sverige och i andra Europeiska regioner. Mer specifikt har arbetet följande två inriktningar: Renovering av svenska, fjärrvärmevärmda flerfamiljshus, inklusive livscykelkostnadsanalys och livscykelmiljöanalys samt påverkan på det lokala energisystemet; Renovering av Europeiska bostads- och kontorsbyggnader, inklusive livscykelkostnadsanalys och livscykelmiljöanalys samt påverkan av klimatförutsättningar. Byggnader typiska för respektive region och byggnadsperioden 1945-1970 modellerades och användes i simuleringar för att fastställa den övergripande möjligheten och energibesparingspotentialen för olika renoveringsåtgärder i Europeiska klimat. En rad system för värme, kyla och ventilation studeras, samt solenergisystem, med fokus på värmepumpar, fjärrvärme, lågtemperaturvärmesystem och värmeåtervinning ur frånluft. Jämfört med renovering av byggnader utan energieffektiviseringsåtgärder kan energirenovering i många fall minska såväl livscykelkostnaden som miljöpåverkan. Vid renovering av typiska Europeiska kontorsbyggnader lönar det sig mer att renovera ner till ett uppvärmningsbehov på 25 kWh/(m²∙år) än 45 kWh/(m²∙år), då den minskade kostnaden för köpt energi väger upp den ökade kostnaden för isolering. För flerfamiljshus i södra Europa kan mer ambitiösa mål gällande värmebehov också vara lönsamma, medan en mer måttlig nivå är lämplig för småhus. Solvärme- eller solelsystem kan användas för att minska byggnaders miljöpåverkan. Utan subventioner eller inmatningstariff för överskottsel kan det bli svårt att få lönsamhet i dessa system för kontorsbyggnader i Nord- och Centraleuropa samt för småhus. För flerfamiljshus kan solenergisystem dock sänka den totala livscykelkostnaden, såväl i södra som i norra Europa. Värmeåtervinning och lågtemperaturvärmesystem visade sig båda ha större inverkan i kallare klimat. Lågtemperaturvärmesystem förbättrar värmefaktorn för värmepumpar, i synnerhet när uppvärmningsbehovet är stort i förhållande till varmvattenbehovet. Vid renovering av byggnader med vattenburna radiatorer kan konvertering till tilluftsradiatorer sänka framledningstemperaturen i värmesystemet. I svenska flerfamiljshus kan frånluftsvärmepump vara ett kostnadseffektivt komplement till fjärrvärme, medan från- och tilluftsventilation med värmeåtervinning är dyrare men mer sannolikt att ge en minskad primärenergianvändning. I ett systemperspektiv kan frånluftsventilation utan värmeåtervinning minska primärenergianvändningen i fjärrvärmeverket lika mycket som en frånluftsvärmepump, tack vare den lägre elanvändningen. / iNSPiRe

Behovet av att kunna lagra energi blir allt större och nödvändigare i takt med utvecklingen och användningen av de förnyelsebara energikällorna. Bergrumslagring är en beprövad metod som oftast används för att säsongslagra värme från fjärrvärme. Tidigare har ett examensarbete på PiteEnergi utförts med mål att undersöka om det är möjligt att lagra fjärrvärme från ett lågtempererat nät på Haraholmen i ett närliggande bergrum. Resultatet blev att det fanns goda förutsättningar men vid urladdning fanns en stor mängd energi fortfarande kvar i bergrummet. Detta arbete är en fortsättning på det, att undersöka om det är möjligt att nyttja även den lågvärdiga energin i bergrummet med en nedsänkt värmeväxlare. Den nedsänkta värmeväxlaren har i detta examensarbete konstruerats och resulterade i 3 mil långa stålrör, uppdelade i fem parallellkopplade värmeväxlare med ytterdiametern 89 mm.  Den nedsänkta värmeväxlaren som i detta projekt är konstruerad har en återbetalningstid på 10 år och en livslängd på 30 år. Vinsten av investeringen skulle efter 30 år vara ungefär 30 miljoner kronor. Ungefär 1 GWh mer än tidigare är möjligt att årligen ta ut med en nedsänkt värmeväxlare, jämfört med en klassisk som endast nyttjar den högvärdiga energin i bergrumsvattnet som är tillräckligt varmt att köra direkt ut på fjärrvärmenätet. / As the development and use of renewable energy sources grow, the need for energy storage is becoming increasingly important. Rock storage is a tried and tested method most commonly used to store seasonal heat from district heating. A previous degree project was carried out at PiteEnergi, with the aim of investigating whether it is possible to store district heating from a low-temperature grid at Haraholmen in an adjacent cavern. The conclusion was that there are good conditions for rock storage, but when discharging there were still a lot of energy left in the cavern. This degree project is a continuation of a previous work, to investigate the possibility of using a submerged heat exchanger to utilize even the low energy left in the underground caverns. The submerged heat exchanger has been designed in this thesis and resulted in 30 kilometre long steel pipes, divided into five parallel coupled heat exchangers with the outer diameter of 89 mm. The immersed heat exchanger constructed in this project has a payback time of 10 years and a life expectancy of 30 years. After 30 years, the profit from the investment would be about 30 million SEK. Compared to a classic heat exchanger, the submerged heat exchanger has the possibility of annually charging about 1 GWh more than before. This compared to a classic heat exchanger that only uses the high-quality energy from the water in the underground cavern that is hot enough to run directly to the district heating network.

The Swedish residential sector consumes almost 39 % of Sweden’s final energy consumption. The European Union framework ”Clean Energy for all Europeans package” strives to promote a 32,5 % reduction as a result of energy efficiency measures. The Swedish legislation BBR regulates rules regarding new buildings, extensions and reconstruction of existing buildings. Excerpt 9 regards how energy is being used and determines the demands e.g. for a buildings primary energy use to be classified as a near zero energy building (NZEB). The energy use of a building, located in Västerås, Sweden, is being decided. Various energy efficiency packages are applied to a model in the simulation software IDA ICE. The results are compared with each other deciding the potential benefits of the energy efficiency measures. A substantial decrease of the energy consumption is detected, especially for the energy efficiency packages containing a geothermal heat pump (66 – 78 %). A life cycle cost analysis shows that the package containing a ventilation heat recovery system (FTX) combined with a geothermal heat pump is the optimal solution through an economical point a view. The solution yields a profit after 14 years. The analysis shows that all geothermal solutions, except a system consisting of a geothermal heat pump, FTX, energy efficient windows, rooftop insulation and a photovoltaic system, yields a profit during a 30-year investment period. None of the packages containing a district heat exchanger yield a profit. The simulation results show that by implementing any of the geothermal heat pump packages, the demands for classifying the building according to an NZE building are fulfilled. Regarding the district heating packages, only the package containing all the energy efficiency measures (energy efficient windows, rooftop insulation and PV) meets the demands to be classified as an NZE building. Regarding the environmental impact due to implementing the energy efficiency measures, the results show a reduced impact from applying the geothermal heat pump packages is equivalent to the energy consumption reductions. The results show that by implementing a district heating system, more than one additional energy efficiency measure must be applied to avoid an increased environmental impact. This thesis shows that implementing energy efficiency measures can decrease energy consumption and yield an economical profit to the existing building stock.

This study has examined how an oil storage could be converted into a thermal heat storage (TES). Focus was put on the transient thermal heat flow that occurs during the early years when using a rock cavern as a TES. First existing literature were studied to learn from earlier experiences. Crucial steps of a conversion were identified as well as important mistakes that have been made in the past. Simulations of Sundsvall’s district heating (DH) system were made to see what impact a large TES would have. These simulations showed the importance of being able to transfer enough amount of heat. Then heat simulations were preformed to study the transient heat flow. This showed that much of the heat will be heating the rock around the cavern. Over time, the losses decrease as the rock around the cavern remains heated, due to its thermal inertia. This means that some energy needs to be considered an investment cost as it will not be used in the DH-grid but will increase the efficiency of the TES. 4 different heating strategies were analysed and the heat losses during 25 years were measured. The results showed that a conversion would save between 0,7 – 1,55 million SEK annually depending on how many caverns were converted and cost approximately 6 million SEK for one cavern, 10,5 million SEK for two caverns and 15 million SEK for three caverns. / I denna studie har det undersökts hur ett oljelager kan omvandlas till ett termisk värmelager. Fokus låg på det transienta värmeflödet som inträffar under de första åren när ett bergrum används som värmelager. Först studerades litteratur för att lära av tidigare erfarenheter. Avgörande steg för en konvertering identifierades liksom viktiga misstag som har gjorts tidigare. Simuleringar av Sundsvalls fjärrvärmesystem gjordes för att se vilken påverkan ett stort värmelager skulle ha. Dessa simuleringar visade vikten av att kunna överföra tillräcklig mängd värme. Därefter genomfördes värmesimuleringar för att studera det transienta värmeflödet. Detta visade att mycket av värmen kommer att värma berget runt bergrummet. Med tiden minskar förlusterna när berget runt rummet förblir uppvärmd på grund av dess termiska tröghet. Detta innebär att en del energi måste betraktas som en investeringskostnad eftersom den inte kommer att användas i fjärrvärmesystemet utan kommer att öka effektiviteten hos lagret. Fyra olika uppvärmningsstrategier analyserades och värmeförlusterna under 25 år mättes. Resultaten visade att en omvandling skulle spara mellan 0,7 - 1,55 miljoner SEK årligen med en trivial driftstrategi beroende på hur många bergrum som konverterades och kosta cirka 6 miljoner SEK för ett bergrum, 10,5 miljoner SEK för två bergrum och 15 miljoner SEK för tre bergrum. I framtida studier bör en optimal driftstrategi tas fram utifrån det aktuella systemet.