This report formulates the boundary conditions and discretization method for conducting a simulation of heat with liquids and solids through the finite element method. It introduces the reader to the movement that is due today with optimization of heat transport and mitigation generally described as the fourth generation of district heating. It presents the scope: calculating the heat release from pipes in hydronic underfloor heating, and presents the belonging question: how does heat release from different heating pipe patterns affect the body’s heat transfer? Simulation of the work is conducted with the delimitations of using a single boundary slip condition addressing friction and only using water as pipe flow medium. It focuses on the pattern’s ability to affect the heat to the body, of which characteristically manifests a square concrete slab in the running simulations. By using different cases, it analyses how patterns using the same length of pipes emit their average heat to the covering top surface differently, both as the heating level alternates, and duration for response changes. This meanwhile they are affected by analog boundary temperature conditions.    A sensitivity analysis is done answering how the various patterns tested are affected by change of propagation speed for the flowing medium, showing that a spiral formed pattern with evenly spread piping is the least affected. The results show that the pattern with alternating pipe spacing gives the best average heat emission in the simulated cases. It also concludes that minor changes in the pattern area will have profound effect on the average transferred heat from the body’s top surface.

District heating is a spread technology where buildings and industries are supplied with heatand hot tap water. This technology is used in 285 out of Sweden’s 290 municipalities. GöteborgEnergi has a theoretical possibility to lower their return temperature from 38 ◦C to 30 ◦C. This change corresponds to economic savings at 54 millions [kr/year] in production costs, anddecreased carbon dioxide emissions at 3 390 [ton CO2e/ year]. Ineffective heat exchangers indistrict heating centrals is one of the reasons why the return temperature is high in the districtheating grid, though the goal is to have the lowest return temperature as possible.To identify which district heating centrals that are ineffective has the Överkonsumstionsmetodenbeen applied. Through reinvestments of new heat exchangers in district heating centrals with ahigh return temperature, the company could lower the return temperature. Reinvesting in 247profitable apartment building centrals would lower the nets average return temperature with 0,44◦C, a saving in production costs of 2,84 [Mkr/year] and decreased carbon dioxide emissions of189 [ton CO2e/year]. However, calculations show that it is only profitable at 22% to reinvest innew heat exchangers at apartment buildings. The reinvestments tend to be profitable when thereturn temperature and heat use is high. A table has also been developed to determine when it isprofitable to do this reinvestment, dependent on return temperate, delivered heat and installedefficiency for the specific district heat central. / Fjärrvärme är en utbredd teknik där byggnader och industrier förses med värme och varmttappvarmvatten. I Sverige används tekniken i 285 av 290 kommuner. Göteborg Energi har enteoretisk möjlighet att sänka sin returtemperatur från 38 ◦C till 30 ◦C, vilket motsvarar en ekonomiskbesparing om 54 [Mkr/år] i produktionskostnader och en koldioxidutsläpps minskningmed 3 390 [ton CO2e/år]. Ineffektiva värmeväxlare i fjärrvärmecentralerna är en utav anledningarnatill varför returtemperaturen är hög i fjärrvärmenätet, målet är dock att ha lägsta möjligareturtemperatur. För att identifiera vilka fjärrvärmecentraler som är ineffektiva har Överkonsumtionsmetodentillämpats. Genom reinvestering av nya värmeväxlare i fjärrvärmecentraler med hög returtemperatur,hade företaget kunnat sänka sin returtemperatur. Reinvestering av de 247 lönsammafjärrvärmecentralerna i flerbostadshus hade givit en förändring på fjärrvärmenätets genomsnittligareturtemperatur om 0,44 ◦C, en produktionskostnadsbesparing om 2,84 [Mkr/år] samt ettminskat koldioxidutsläpp om 189 [ton CO2e/år]. Dock visar beräkningar att det enbart är lönsamtvid 22% att reinvestera i nya värmeväxlare vid fjärrvärmecentraler i flerbostadshus. Exempelvistenderar lönsamheten för reinvestering av värmeväxlare att öka vid fjärrvärmecentraler med högreturtemperatur och stor värmemängd. Det har även tagits fram en tabell för att kunna avgöranär det är lönsamt att göra reinvesteringen, beroende på returtemperatur, värmemängd samtdimensionerad effekt för den specifika fjärrvärmecentralen.

Studien använder linjärprogrammering för att optimera driften av det termiska energisystemet på Karlstad centralsjukhus ur ett ekonomiskt perspektiv. Bakgrunden till studien är de höga elpriser som rådde under slutet av 2021 samt att det i dagsläget finns kunskapsluckor angående hur systemet bör köras optimalt. Studien baseras på driftdata från 2021. Energisystemet som optimeras är uppbyggt av kylvärmepumpar, bergvärmepumpar, kylmaskiner, frikyla, fjärrvärme och marklager. Ett förhållande för hur många kWh termisk energi som produceras per tillförd kWh el tas fram för samtliga komponenter, vilket sedan används för att modellera energisystemet. Optimering av systemet ger vilka komponenter som skall användas vid olika tidpunkter för att uppfylla ett bestämt värmebehov och kylbehov. Resultatet i form av optimal drift under 2021 analyseras och används för att ta fram driftrekommendationer för energisystemet i framtiden. En metod för att teoretiskt begränsa marklagrets kapacitet vid optimering presenteras. Metodenanvänder nettoenergi till marklagret över en specifik tidsperiod för att approximera temperaturen på brinevätskan ut ur marklagret. Genom att sätta temperaturbegränsningar på brinevätskan kan därigenom nettoenergin till marklagret begränsas. Baserat på data från 2021 tillåts nettoenergin till marklagretvariera mellan -14 700 kWh och 12 500 kWh per 24 timmar. Resultaten visar att det under vintern är fördelaktigt att primärt använda bergvärmepumparna A-D i kombination med frikyla. Sekundärt används kylvärmepumparna E-F. Skillnaden mellan primär och sekundär systemlösning är liten och de båda kan ses som relativt likvärdiga. Fjärrvärme används enbart som sista alternativ under vintern. Energikällan för bergvärmepumparna bör variera mellan Klarälven och marklager med avsikt att utnyttja marklagrets kapacitet optimalt. Vår och höst fallet är till stora delar likvärdigt med vinterfallet med undantaget att det innehåller fler variationer till följd av förändringar i omgivande förutsättningar. Under sommaren bör enbart fjärrvärme användas för att tillgodose värmebehovet. Frikyla och kylmaskinerna 2-3 används för att tillgodose kylbehovet. Frikyla reserveras till att användas under de tidpunkter då kylbehovet är som högst. Effektavgiften för fjärrvärme står för 25,7 % av total driftkostnad i optimalt driftfall. För att minska kostnaderna anses det därför viktigt att kapa effekttopparna för fjärrvärme. Studien undersöker eventuella fördelar med att koppla frikyle-värmeväxlaren mot Klarälven med avsikt att kunna utnyttja den mer än vad som görs i dagsläget. Systemlösningen ger ingen signifikant minskning av driftkostnader vid simulering av ett års drift. Det kan dock vara fördelaktigt att koppla frikyla mot Klarälven ur perspektivet att kunna justera nettoenergin till marklagret för att förhindra långsiktiga temperaturförändringar i berggrunden. Årlig driftkostnad kan minskas genom att öka maxkapaciteten för värmepumparna. En ökning avbergvärmepumparnas kapacitet motsvarande en komponent minskar total årlig kostnad med 4,6 %. En ökning av kylvärmepumparnas kapacitet motsvarande en komponent minskar total årlig kostnad med 1,5 %. Att öka maxkapaciteten för övriga komponenter ger ingen signifikant förändring av årlig driftkostnad. Förbättring av studien innebär att basera modellen på bättre indata samt ta hänsyn till fler detaljer i systemet. Vidare studier bör fokusera på att tillämpa resultaten för att verifiera dem i verkligheten samt göra investeringskalkyler över att utöka kapaciteten för värmepumparna. / The study uses linear programming to optimize the operation of the thermal energy system at Karlstad Central Hospital from an economic perspective. The background to the study is the high electricity prices that occurred at the end of 2021 and the fact that there are currently knowledge gaps regarding how the system should be run optimally. The study is based on operational data from 2021. The energy system that is optimized is made up of cooling heat pumps, ground source heat pumps, cooling machines, free cooling, district heating and ground storage. A ratio for how many kWh of thermal energy that is produced per kWh of supplied electricity was produced for all components, which was then used to model the energy system. Optimization of the system provides which components are to be used at different times to meet a specific heating and cooling demand. The result in the form of optimal operation during 2021 is analyzed and used to produce operating recommendations for the energy system in the future. A method for theoretically limiting the capacity of the ground storage during optimization is presented. The method uses net energy to the ground storage over a specific period of time to approximate the temperature of the brine liquid out of the ground storage. By setting temperature limits on the brine liquid, the net energy to the ground storage can thereby be limited. Based on data from 2021, the net energy to the ground storage is allowed to vary between -14 700 kWh and 12 500 kWh per 24 hours. The results show that during the winter it is advantageous to primarily use the ground source heat pumps A-D in combination with free cooling. Secondary, the cooling heat pumps E-F are used. The difference between primary and secondary system solution is small and the two can be seen as relatively equivalent. District heating is only used as a last resort during the winter. The energy source for the ground source heat pumps should vary between the Klarälven river and the ground storage with the intention of utilizing the capacity of the ground storage optimally. The spring and autumn case is largely equivalent to the winter case, with the exception that it contains more variations as a result of changes in surrounding conditions. During the summer, only district heating should be used to meet the heat demand. Free cooling and cooling machines 2-3 are used to meet the cooling needs. Free cooling is reserved for use during the times when the cooling demand is at its highest.The power fee for district heating accounts for 25.7% of the total operating cost in the optimal operating case. To reduce costs, it is therefore considered important to cut the power peaks for district heating. The study examines the possible benefits of connecting the free cooling heat exchanger to the Klarälven river with the intention of being able to use it more than what is currently the case. The system solution does not provide a significant reduction in operating costs when simulating one year of operation. It might however be advantageous to connect free cooling to the Klarälven river from the perspective of being able to adjust the net energy to the ground storage to prevent long-term temperature changes in the bedrock. Annual operating costs can be reduced by increasing the maximum capacity of the heat pumps. An increase in the capacity of the ground source heat pumps equivalent to one component reduces the total annual cost by 4.6%. An increase in the capacity of the cooling heat pumps equivalent to one component reduces the total annual cost by 1.5%. Increasing the maximum capacity for the other components does not result in a significant change in annual operating costs. Improvements of the study means basing the model on better input data and taking into account more details in the system. Further studies should focus on applying the results to verify them in reality andmake investment calculations regarding expansion of the capacity of the heat pumps

Sweden has the goal of reaching a fossil independent transportation sector by 2030. Two ways to reach the goal is to increase the use of electric vehicles or produce more biofuels. Both alternatives could be powered by forest residue, which is an underutilized resource in the country. Electricity could be produced in a biomass fired Combined Heat and Power (CHP) plant, and biofuel could be produced in a biorefinery through gasification of biomass and Fischer-Tropsch process. When located in Stockholm County, both system can also distribute heat to the district heating system. It is however important to use the biomass in an energy-efficient way. The scope of this work has been to analyze the efficiency together with environmental and economic aspects of the two systems.  To assess the efficiency and environmental impact of the two systems a forest to wheel study was made of the systems where the product was studied from harvesting of forest residue to driving the vehicle. The studied functional units were: kilometers driven by vehicle, kWh of district heating, CO2-equivalents of greenhouse gases and MWh of forest residue. The system using CHP technology and electric vehicles outperformed the biorefinery system on the two first functional units. Using the same amount of forest residue more than twice as much district heating and almost twice as many driven kilometers were produced in this system. The study also showed that both systems avoids significant greenhouse gas emissions and can be part of the solution to decrease emissions from road transportation.  The profitability of investing in a CHP plant or a biorefinery was calculated through the net present value method. It showed that the expected energy prices are too low for the investments to be profitable. The CHP plant investment has a net present value of -1.6 billion SEK and the biorefinery investment has a net present value of -4.6 billion SEK. Furthermore, the biorefinery investment entails higher risk due to the high investment cost and uncommercialized technology. Both systems face barriers for implementation, these barriers have been studied qualitatively. / Sverige har som mål att skapa en fossiloberoende fordonsflotta till år 2030. Två vägar som pekats ut för att nå målet är att öka användningen av eldrivna fordon eller att producera mer biobränsle. Båda alternativen kan drivas av skogsavfall, en råvara som det finns gott om i Sverige. Elektricitet kan produceras av skogsavfallet i ett kraftvärmeverk, och biobränsle i ett bioraffinaderi genom användning av förgasning och Fischer-Tropschmetoden. I Stockholms län skulle båda systemen dessutom kunna producera värme till Stockholms fjärrvärmesystem. Det är dock viktigt att använda skogsavfallet på ett resurseffektivt sätt. Därför undersöker detta arbete effektiviteten av de två olika systemen tillsammans med en analys av växthusgasutsläpp och ekonomiska förutsättningar.  För att kunna utvärdera effektiviteten och klimatpåverkan av de två olika systemen utfördes en ”skog-till-hjul”-analys där produkten undersöktes från ursprunget, till drivandet av ett fordon. För att utföra studien definierades fyra funktionella enheter. De funktionella enheterna var: körsträcka med bil mätt i kilometer, kWh fjärrvärmeproduktion, CO2 ekvivalenter av växthusgasutsläpp och MWh skogsavfall. Studien visade att systemet där skogsavfallet används i ett kraftvärmeverk för att producera elektricitet och ladda elbilar hade bättre resultat i de två första funktionella enheterna. Systemet producerade nästan dubbelt så lång körsträcka och mer än dubbelt så mycket fjärrvärme som systemet där skogsavfallet används i ett bioraffinaderi och biobränslet används i dieselbilar. Studien visade även att båda system kan bidra till att sänka växthusgasutsläppen från transportsektorn.  Lönsamheten att investera i ett kraftvärmeverk eller bioraffinaderi beräknades med nuvärdesmetoden. Studien visade att de förväntade framtida energipriserna är för låga för att investeringarna ska bli lönsamma. Kraftvärmeanläggningen hade ett nuvärde på -1.6 miljarder kronor, och bioraffinaderiet ett nuvärde på -4.6 miljarder kronor. Dessutom ansågs investeringen i ett bioraffinaderi vara en hög risk på grund av den höga investeringskostnaden och att tekniken idag inte är kommersialiserad. Det finns även en rad andra barriär för att genomföra de två olika systemen, dessa barriärer har studerats kvalitativt i arbetet.

With sharp climate goals to be climate neutral by 2045, Sweden needs to rapidly change the present energy system. The Swedish government has assigned Gotland as a pilot area for the energy transition, due to its geographical constrains as an island, and because of the major structural changes planned for Gotland’s energy supply and industrial establishment. These changes create the opportunity to build a more flexible, efficient, and robust energy system. To support the transition, IVL Swedish Environmental Research institute has initiated the GOT Heat project. This thesis contributes to the GOT Heat project by developing a GIS model that represent the heat sector of Gotland. The model has been developed in parallel with a TIMES model. The purpose of the GIS model is to be used as a heat atlas and to support the TIMES model of Gotland’s energy system by spatial visualization and knowledge. The GIS model was successfully developed and utilized to enhance the representation of Gotland’s energy system within the TIMES model. Data from Boverket, Lantmäteriet, Energimyndigheten and companies has been collected, processed for the development of the GIS model. The incorporation of spatial knowledge and visualization of the heat sector through the GIS model is expected to improve the overall outcomes of the TIMES model. The heat atlas also proved to be a valuable support tool, enabling the visualization of excess heat potentials within the heat sector. This visualization provides insights into potential opportunities for industrial and sector coupling, which would lead to more efficient utilization of excess heat.

District heating plays a major role in the Swedish energy system. It is deemed a renewable energy source and is the main provider for multi-family dwellings with 90 %. Although the district heating fuel mix consists of majority renewables, a share of 5 % is provided from fossil fuels. To reduce fossil fuel usage and eradicate CO2-emissions from the district heating system new solutions are sought after. In this project, the potential for shortterm thermal energy storage in buildings is investigated. This concept is referred to as customer flexibility. Demand flexibility is created in the district heating system (DHS) by varying the indoor temperature in 50 multi-family dwellings with maximum 1◦C, without jeopardizing the thermal comfort for the tenants. The flexible load makes it possible to store energy shortterm in the building’ envelope. Consequently, heat load curves are evened in production. This leads to a reduction of the peak load in the DHS. Peaks are associated with high costs and environmental impact. Therefore, the potential benefits of customer flexibility are reduced peak production, fuel costs, and CO2-emissions, depending on the fuel mix in the DHS. The project objective is to examine the techno-economic potential of customer flexibility in a specific DHS. The case study is made in a DHS owned by the company Vattenfall, located in the Stockholm area. To evaluate the potential benefits of implementing the concept, seven key performance indicators are chosen. They are peak power, peak fuel usage, produced volume, total fuel cost, fuel cost per produced MWh, climate footprint, and primary energy. Moreover, an in-house optimization model is used to simulate multiple scenarios of the district heating DHS. Different sets of assumptions about the available flexibility in the DHS and the thermal characteristics of the buildings are made. Customer flexibility is modeled as virtual heat storage that can be charged up or down depending on the speed and size of the available storage at a specific outdoor temperature. Simulation results give a maximum peak power reduction of 10.9 % and annual fuel cost reduction between 0.9-3.6 % depending on the scenario. The results found are comparable to values found in similar studies. However, the environmental key performance indicators generated an increase in CO2-emissions and primary energy compared to the baseline scenarios. The result would have looked different if fossil fuels were used in peak production instead of biofuels. The master thesis also aimed to validate assumptions and parameters made in the input data to the optimization model. This was achieved by using results attained from a pilot in the specific DHS. Therefore results generated from the simulations are deemed accurate and confirm that customer flexibility leads to reduced peak production and DHS optimization. / Se filen

The integration of distributed energy sources and systems is of high relevance for the transition towards a more sustainable energy system. Taking into consideration the  amount of emissions produced by the heating sector, which account for at least half of the energy demand in buildings, district heating systems have the potential to play a key role in the transition, by enabling the integration of various energy sources and provide flexible energy services to the grid. The objective of this research is to evaluate the potential for flexible sector coupling between the electrical and heating sectors, utilizing thermal energy storage alongside various heat generation units, including heat pumps and a combined heat and power (CHP) unit. To examine this concept, we used a district heating facility located in Oskarshamn, Sweden, as our case study. At present, the production mix at this facility comprises various production units- that utilize mainly biomass as their fuel source, including wood pellets, wood chips, and occasionally, bio-oil. Extensive research was conducted to review the existing literature and gain a comprehensive understanding of the technologies and concepts associated with FSC. This thorough examination allowed for a comprehensive overview of the current state-of-the-art in FSC. As the main contributions of this work, two numerical models respectively for production and dispatch optimization were developed and simulated complementary, concerning the thermal and electrical system of the studied plant. A dispatch model was developed with the aim of analyzing the operating behaviour of the system, identifying the available energy sources and optimizing their hourly dispatch. Subsequently, utilizing the open-access tool for capacity and investment optimization (OSeMOSYS), various scenarios were examined to evaluate the potential of thermal energy storage (TES), where a water tank was found to be the most cost-effective solution, and heat pump integration in enhancing the plant performance and providing flexibility. The study was divided into two distinct time periods. The first period focused solely on hourly dispatch optimization until 2035. In the second period, the analysis extended to include investment optimization, followed by the subsequent dispatch optimization until 2050, hence, using both tools. To effectively compare and assess the different scenarios, several key performance indicators (KPIs) were chosen, including the levelized cost of energy (LCOE), capital expenditure (CAPEX), generation costs, and emissions. These scenarios were designed to account for variations in crucial variables such as electricity prices, the plant’s self-consumption potential, and the capital cost of storage. By considering the aforementioned factors, a comprehensive analysis was conducted to determine the optimal approach for maximizing performance and cost-effectiveness. It is important to mention that the electrical self-consumption within the plant was considered as one of the potential improvements. While the potential for electrical self-consumption was mainly studied on a shorter-term, the variability in the capital cost of the TES system was better considered on the long-term investment analysis. From the different simulations, the cases where self-consumption is included result in smaller operating costs, as producing electricity via the CHP unit of the plant is cheaper on average than the prices offered by the local distribution company. The obtained capacities for TES and the heat pump vary among the studied scenarios. Higher electricity prices favor investments in alternative fuel boilers like wood chips or wood pellets, while lower electricity prices result in increased TES capacities and higher heat pump production. The capital cost of storage also determines the capacity chosen for the storage water tank, sometimes investing a bit more to gain efficiency and reduce operational costs. Throughout the project, various sustainability aspects have been addressed. These encompass environmental responsibilities, with a focus on reducing CO2 emissions, enhancing social equity by implementing a more efficient heating system within the municipality, and assessing the economic viability of these initiatives. In conclusion, the study provides evidence and showcases the viability of implementing FSC in Oskarshamn’s power plant, as results from the different scenarios commonly show that FSC could bring down the total costs, as well as the amount of CO2 emissions on a long-term basis. Based on the findings, additional recommendations are proposed to optimize the plant’s performance and leverage the potential of this innovative approach. The proposed recommendations include increasing the time resolution in the model simulations to improve result accuracy and exploring different scenarios, which may involve considering various electricity or fuel price predictions, among other factors. / Integreringen av distribuerade energikällor och energisystem är av stor betydelse för övergången till ett mer hållbart energisystem. Med hänsyn till det utsläpp från värmesektorn, som står för minst hälften av energibehovet i byggnader, har fjärrvärmesystem potential att spela en nyckelroll i omställningen genom att möjliggöra integrering av olika energikällor och tillhandahålla flexibla energitjänster till nätet. Syftet med denna forskning är att utvärdera Potentialen för flexibel sektorkoppling (FSC) mellan el- och värmesektorerna, med hjälp av termisk energilagring tillsammans med olika värmeproduktionsenheter, inklusive värmepumpar och en kombinerad kraftvärmeproduktion (CHP). För att undersöka detta koncept, använde vi en fjärrvärmeanläggning i Oskarshamn, Sverige, som vår fallstudie. För tillfället består produktionsmixen vid denna anläggning av olika produktionsenheter som huvudsakligen använder biomassa som bränslekälla, inklusive träpellets, träflis och ibland bioolja. Omfattande forskning genomfördes för att granska den befintliga litteratur och få en heltäckande förståelse för de tekniker och koncept som är förknippade med FSC. Denna grundliga undersökning möjliggjorde en omfattande översikt av det aktuella kunskapsläget inom FSC. Som de viktigaste bidragen i detta arbete utvecklades och simulerades två numeriska modeller för produktions- respektive leveransoptimering, som berör det termiska och elektriska systemet i den studerade anläggningen. En fördelningsmodell utvecklades i syfte att analysera systemets driftsbeteende, identifiera tillgängliga energikällor och optimera deras fördelning per timme. Med hjälp av det verktyget med öppna tillgång (open-aceess) för kapacitets- och investeringsoptimering (OSeMOSYS) undersöktes därefter olika scenarier för att utvärdera potentialen för termisk energilagring (TES), där en vattentank visade sig vara den mest kostnadseffektiva lösningen, och integration av värmepumpar för att förbättra anläggningens prestanda och ge flexibilitet. Studien var uppdelad i två olika tidsperioder. Den första perioden fokuserade enbart på optimering av timfördelning fram till 2035. Under den andra perioden utvidgades analysen till att omfatta investeringsoptimering, följt av efterföljande optimering av driften fram till 2050, vilket innebär att båda verktygen användes. För att effektivt kunna jämföra och bedöma de olika scenarierna valdes flera viktiga nyckelprestandaindikatorer (KPI:er), inklusive den nivellerade energikostnaden (LCOE), kapitalinvesteringar (CAPEX), produktionskostnader och CO2 utsläpp. Dessa scenarier utformades för att ta hänsyn till variationer i viktiga variabler som elpriser, anläggningens självkonsumtionspotential och kapitalkostnaden för lagring. Med hänsyn till de ovan nämnda faktorerna genomfördes en omfattande analys för att fastställa den optimala metoden för att maximera prestanda och kostnadseffektivitet. Det är viktigt att nämna att den elektriska självförbrukningen inom anläggningen betraktades som en av de potentiella förbättringarna. Medan potentialen för elektrisk självförbrukning främst studerades på kortare sikt, beaktades variationen i kapitalkostnaden för TES-systemet bättre i den långsiktiga investeringsanalysen. De olika simuleringarna visar att de fall där självförbrukning ingår resulterar i lägre driftskostnader, eftersom elproduktionen via kraftvärmeverket i genomsnitt är billigare än de priser som erbjuds av det lokala distributionsbolaget. De erhållna kapaciteterna för TES och värmepumpen varierar mellan de studerade scenarierna. Högre elpriser gynnar investeringar i alternativa bränslepannor som flis eller träpellets, medan lägre elpriser resulterar i ökad TES-kapacitet och högre värmepumpsproduktion. Kapitalkostnaden för lagring avgör också vilken kapacitet som väljs för vattentanken (some en TES), ibland investerar man lite mer för att öka effektiviteten och minska driftskostnaderna. Under hela projektet har olika hållbarhetsaspekter beaktats. Dessa omfattar miljöansvar, med fokus på att minska CO2-utsläppen, öka den sociala rättvisan genom att införa ett mer effektivt värmesystem inom kommunen, och bedöma den ekonomiska bärkraften i dessa initiativ. Sammanfattningsvis visar studien att det är möjligt att implementera FSC i Oskarshamns kraftverk, eftersom resultaten från de olika scenarierna visar att FSC kan sänka de totala kostnaderna samt mängden CO2-utsläpp på lång sikt. Baserat på resultaten föreslås ytterligare rekommendationer för att optimera anläggningens prestanda och utnyttja potentialen i denna innovativa metod. De föreslagna rekommendationerna inkluderar att öka tidsupplösningen i modellsimuleringarna för att förbättra resultatens noggrannhet och utforska olika scenarier, vilket bland annat kan innebära att man överväger olika el- eller bränsleprisprognoser.

The energy transition taking place in various parts of the world will have many effects on the current energy systems as an increasing amount of intermittent power supply gets installed every year. In Sweden, just as many other countries, this will cause both challenges and opportunities for today´s energy producers. Challenges that may arise along with an increasingly fluctuating electricity production include both power deficits at certain times and regions but also hours of over-production which can cause electricity prices to drop significantly. Such challenges will have to be met by both dispatchable power generation and dynamic consumption. Conversely, actors prepared to adapt to the new climate by implementing new technologies or innovative business models could benefit from the transition towards a fully renewable energy system.  This thesis evaluates the techno-economic potential of green hydrogen production at a combined heat and power plant with the objective to provide decision support to a district heat and electricity producer in Sweden. It was in the company’s interest to investigate how hydrogen production could help reduce the production cost of district heat as well as contribute to the reduction of greenhouse gases.  In the project, two separate business models: Power-to-gas and Power-to-power were evaluated on the basis of technical and economic performance and environmental impact. To do this, a mathematical model of the CHP plant and the hydrogen systems was developed in Python which optimizes the operation based on costs. The business models were then simulated for two different years with each year representing a distinctly different electricity market situation.  The main conclusions of the study show that Power-to-gas could already be profitable at a hydrogen retail price of 40 SEK per kg, which is the projected retail price for the transportation sector. The demand today is however limited but is expected to grow fast in the near future, especially within heavy transportation. Another limiting factor for hydrogen production showed to be the availability of storage space, as hydrogen gas even at pressures up to 200 bar require large volumes.  Power-to-power for frequency regulation was found to not be economically justifiable as the revenue for providing grid services could not outweigh the high investment costs for any of the simulated years. This resulted in a high levelized cost of energy at over 3000 SEK per MWh which was mostly due to the low capacity factor of the power-to-power system.  Finally, green hydrogen has the potential of replacing fossil fuels in sectors that is difficult to reach with electricity, for example long-haul road transport or the shipping industry. Therefore, green hydrogen production in large scale could help decarbonize many of society’s fossil-heavy segments. By also serving as a grid-balancer, hydrogen production in a power-to-gas process has the potential of becoming an important part of a renewable energy system. / Energiomställningen som äger rum i olika delar av världen kommer att ha många effekter på de nuvarande energisystemen eftersom en ökande mängd väderberoende kraftproduktion installeras varje år. I Sverige, precis som många andra länder, kommer detta att medföra både utmaningar och möjligheter för dagens energiproducenter. Utmaningar som kan uppstå tillsammans med en alltmer fluktuerande elproduktion inkluderar både kraftunderskott vid vissa tider och regioner men också timmar av överproduktion som kan få elpriserna att sjunka avsevärt. Sådana utmaningar måste mötas av både planerbar kraftproduktion och dynamisk konsumtion. Omvänt kan aktörer som är beredda att anpassa sig till det nya klimatet genom att implementera ny teknik eller innovativa affärsmodeller dra nytta av övergången till ett helt förnybart energisystem.  Denna rapport utvärderar den tekno-ekonomiska potentialen för produktion av grön vätgas vid ett kraftvärmeverk med målet att ge beslutsstöd till en fjärrvärme- och elproducent i Sverige. Det var i företagets intresse att undersöka hur vätgasproduktion kan bidra till att sänka produktionskostnaden för fjärrvärme samt bidra till att minska växthusgaser.  I projektet utvärderades två separata affärsmodeller: Power-to-gas och Power-to-power baserat på teknisk och ekonomisk prestanda samt miljöpåverkan. För att kunna göra detta utvecklades en matematisk modell i Python av kraftvärmeverket och vätgassystemen som optimerar driften baserat på kostnader. Affärsmodellerna simulerades sedan för två olika års elpriser för att undersöka modellens prestanda i olika typer av elmarknader.  De viktigaste slutsatserna i studien visar att Power-to-gas redan kan vara lönsamt till ett vätgaspris på 40 SEK per kg, vilket är det förväntade marknadspriset på grön vätgas for transportsektorn. Efterfrågan är idag begränsad men förväntas växa snabbt inom en snar framtid, särskilt inom tung transport. En annan begränsande faktor för vätgasproduktion visade sig vara tillgången på lagringsutrymme, eftersom vätgas även vid tryck upp till 200 bar kräver stora volymer.  Power-to-power för frekvensreglering visade sig inte vara ekonomiskt försvarbart, eftersom intäkterna för att tillhandahålla nättjänster inte kunde uppväga de höga investeringskostnaderna under några av de simulerade åren. Detta resulterade i en hög LCOE på över 3000 SEK per MWh, vilket främst berodde på Power-to-power-systemets låga utnyttjandegrad.  Slutligen kan det sägas att grön vätgas har stor potential att ersätta fossila bränslen i sektorer som är svåra att elektrifiera, exempelvis tunga vägtransporter eller sjöfart. Därför kan storskalig grön vätgasproduktion hjälpa till att dekarbonisera många av samhällets fossiltunga segment. Genom att dessutom fungera som balansering har väteproduktion i en Power-to-gas-process potential att bli en viktig del av ett system med stor andel förnybar energi.

The European Union aims to reduce energy use and CO2-emissions by 40 % by the year 2030. The building sector has been identified as having a great potential to reduce emission of CO2 by increasing its energy efficiency. Also, there is a growing concern of the buildings environmental performance, that lead to the development of building environmental assessment tools. However, different types of energy sources and confusing environmental impacts affect the decision making when renovating for improved energy efficiency. This study develops and tests a methodology to help decision-makers when considering major renovation of their building stock when connected to adistrict heating system. The proposed methodology is applied and used to investigate how different renovation scenarios affects the building environmental impacts in terms of CO2 emissions and identify and discuss future improvements of the methodology. The novelty of the method is the expanded system boundaries that include both the distribution and production of district heating and the energy use at a building level. In this way it is possible to compare and weight measures made both at the energy system level and the building level. This work has limited its approach to energy use in buildings, but it is important to bring the life cycle thinking to the methodology. During the choice of the renovation methods it was noticed that the environmental impact of the production of some components in order to reduce the energy use of a building are not insignificant. Even if all the renovation measures considered in this case study are feasible, it is important to determine in which order they are desirable or achievable from an economic point of view. Uncertainty in the future development of energy, and limited economic resources can play an important role in the possibility of energy efficient renovation. / Den Europeiska Unionen har som målsättning att minska energianvändning och utsläpp av växthusgaser med 40 % till året 2030 jämfört med 1990. Byggnader har identifierats som ett område med stor potential för utsläppsminskningar om de energieffektiviseras. Användningen av olika energislag och olika sätt att värdera miljöpåverkan påverkar beslutsfattandet i samband med energieffektivisering. I studien utvecklas och testas en metodik som kan hjälpa beslutsfattare vid renovering med energieffektivisering inom fjärrvärmeområdet. Först utvecklades en översiktlig metodik vilken inkluderar både byggnadsenergisimulering och energisystemsimulering. Sen implementerades metodiken genom olika renoveringsscenarier och utsläppen av växthusgaser analyserades. Metodiken visar att det finns en möjlighet att utveckla ett verktyg som kan hjälpa beslutsfattare när energibesparingsstrategier ska implementeras vilka kan bli positiva för både byggnader och fjärrvärmesystemet. / REESBE

This study focuses on researching the performance of CO2 heat pumps in different real-time applications and in some studies, it compares the performance to synthetic and other natural refrigerants based on heat pump data provided from buildings. The research on the performance of the CO2 heat pump is performed based on Sweden's climatic conditions. The study consists of four different case studies each focusing on the CO2 heat pump used for four different buildings. The first study evaluates the performance of air source CO2 heat pump installed in a residential building and performs cost benefit in comparison to district heating energy consumption. The second study investigates the performance of the air source CO2 heat pump for the district heating application and compares the same with other refrigerant heat pumps. The refrigerants compared with include Ammonia (R-717), Propane (R-290), R-134a (1,1,1,2-tetrafluoroethane). The third study examines the performance of air source CO2 heat pumps in a commercial building with the field measured data obtained directly from the heat pump sensors through the online portal “itop”. The fourth study analyses the performance of a CO2 heat pump with that of a propane (R-290) heat pump for a commercial swimming pool application.  The study is performed using a simulation model created using Microsoft Excel Sheets and Cool Prop add-in, a thermophysical property database. The simulation model makes use of formulae of heat pumps to analyse the performance of the heat pump systems. The climatic data for Stockholm is taken from ASHRAE IWEC 2 database. The results of the study show advantages of CO2 heat pumps when used for combined purposes like space heating, space cooling and domestic hot water over the heat pumps using other refrigerants for their operation, as these refrigerants when operated at high condensation temperature led to low Coefficient of Performance (COP). The first study on residential building CO2 heat pumps showed a cost savings of about 116,000 kr per year even in high-pressure operations concerning the annual cost of district heating, which is about 30% of the total cost district heating with auxiliary equipment. The study also examined the energy saving over the usage of an ejector used in the heat pump which reached an average energy saving of 8%. The second study shows the dominance of the performance of CO2 over other refrigerants for district heating purposes. The third study indicates the performance of the CO2 heat pump in the application using real-time measure data. The fourth study illustrates an increase in overall COP of about 10% from the CO2 heat pump in comparison to that of propane refrigerant for swimming pool application. These results show that when the domestic hot water demand is higher, the CO2 heat pump performs better than other refrigerants specifically because the COP of other refrigerants is lower at high condensation temperatures. / Denna studie fokuserar på att undersöka prestandan hos CO2-värmepumpar i olika realtidsapplikationer och i vissa studier jämför den prestandan med syntetiska och andra naturliga köldmedier baserat på värmepumpsdata från byggnader. Forskningen kring CO2-värmepumpens prestanda utförs utifrån Sveriges klimatförhållanden. Studien består av fyra olika fallstudier som var och en fokuserar på CO2-värmepumpen som används för fyra olika byggnader. Den första studien utvärderar prestandan hos luftkällans CO2-värmepump installerad i ett bostadshus och ger kostnadsfördelar jämfört med energiförbrukningen för fjärrvärme. Den andra studien undersöker prestandan hos luftkällans CO2-värmepump för fjärrvärmeapplikationen och jämför densamma med andra köldmedievärmepumpar. Köldmedierna jämfört med inkluderar ammoniak (R-717), propan (R-290), R-134a (1,1,1,2-tetrafluoretan). Den tredje studien undersöker prestandan hos luftkällans CO2-värmepumpar i en kommersiell byggnad med fältuppmätta data som erhålls direkt från värmepumpens sensorer via onlineportalen "itop". Den fjärde studien analyserar prestandan hos en CO2-värmepump med den hos en propan (R-290) värmepump för en kommersiell simbassängapplikation. Studien utförs med hjälp av en simuleringsmodell skapad med Microsoft Excel Sheets och Cool Prop-tillägget, en termofysisk egenskapsdatabas. Simuleringsmodellen använder formler för värmepumpar för att analysera värmepumpsystemens prestanda. Klimatdata för Stockholm är hämtade från databasen ASHRAE IWEC 2.  Resultaten av studien visar fördelarna med CO2-värmepumpar när de används för kombinerade ändamål som rumsuppvärmning, rumskylning och tappvarmvatten jämfört med värmepumpar som använder andra köldmedier för sin drift, eftersom dessa köldmedier när de används vid hög kondensationstemperatur ledde till låg koefficient prestanda (COP). Den första studien om bostadshus CO2-värmepumpar visade en kostnadsbesparing på cirka 116 000 kr per år även i högtrycksdrift avseende den årliga kostnaden för fjärrvärme, vilket är cirka 30 % av den totala kostnaden för fjärrvärme med hjälputrustning. Studien undersökte också energibesparingen jämfört med användningen av en ejektor som används i värmepumpen som nådde en genomsnittlig energibesparing på 8 %. Den andra studien visar dominansen av CO2s prestanda över andra köldmedier för fjärrvärmeändamål. Den tredje studien indikerar CO2-värmepumpens prestanda i applikationen med hjälp av mätdata i realtid. Den fjärde studien illustrerar en ökning av den totala COP på cirka 10 % från CO2-värmepumpen jämfört med den för propan-köldmedium för simbassängapplikationer. Dessa resultat visar att när efterfrågan på tappvarmvatten är högre presterar CO2-värmepumpen bättre än andra köldmedier, särskilt eftersom COP för andra köldmedier är lägre vid höga kondensationstemperaturer.