Electrification in rural areas of West African countries remain to be a challenge for the growth of the region. The Economic Community of West African States (ECOWAS) has set a target of 2030 to achieve 100% electrification in all member countries. Burkina Faso is one of the least electrified countries in the world, where only 9 % of the rural population has access to electricity. This study presents a conceptualization of techno-economic feasibility of pumped hydro storage (PHS) and electric batteries with solar photovoltaics (PV) in the context of Burkina Faso. The results are explored for an off grid standalone PV plus storage system for a rural setting and a grid connected PV system for an urban setup. The least cost configurations for both the cases are determined using HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables). The results indicate the need of extended solar penetration in Burkina Faso in response to the challenges of low electrification rates in the country. Adding more PV to the present electricity mix of Burkina Faso could drive down the cost of energy by 50 % compared to the present grid electricity prices by making cheap electricity available to the local population. Adding PHS to grid connected PV leads to a cost reduction of 8% over a lifetime of 25 years which does not provide enough motivation for the high investments in storage at present. Policy interventions that allow stacking up of revenues and benefits of storage are needed to make it more competitive. PV plus pumped hydro storage remains the optimal system architecture as compared to PV plus electric batteries for off grid standalone systems provided the geographic availability of lower and upper reservoirs. The capital cost of PV remains to be the most dominating factor in the cost of optimal system for both the urban and the rural cases, and driving down the costs of PV would have the most positive effect for increased electricity access in the country. / Elektrifiering i landsbygdsområden i västafrikanska länder är fortfarande en utmaning för tillväxten i regionen. Ekonomiska gemenskapen i Västafrikanska stater (ECOWAS) har satt upp ett mål 2030 att uppnå 100% elektrifiering i alla medlemsländer. Burkina Faso är ett av de minst elektrifierade länderna i världen där bara 9% av landsbygdsbefolkningen har tillgång till el. Denna studie presenterar en konceptualisering av teknisk ekonomisk genomförbarhet för pumpad vattenkraftlagring (PHS) och elektriska batterier med PV (photovoltaics) paneler i samband med Burkina Faso. Resultaten undersöks med avseende på ett fristående fristående PV plus lagringssystem för landsbygden och ett nätanslutet PV-system för en stadsinstallation. De lägsta kostnadskonfigurationerna för båda fallen bestäms med hjälp av HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables). Resultaten visar på behovet av utökad solpenetrering i Burkina Faso som svar på utmaningarna med låga elektrifieringshastigheter i landet. Att lägga till mer PV till den nuvarande elmixen av Burkina Faso skulle kunna sänka energikostnaderna med 50% jämfört med de nuvarande elpriserna för nätet genom att göra billig el tillgänglig för lokalbefolkningen. Att lägga till PHS till nätansluten PV leder till en kostnadsminskning på 8% under en livslängd på 25 år som inte ger tillräcklig motivation för de stora investeringarna i lagring för närvarande. Politikåtgärder som möjliggör stapling av intäkter och fördelar med lagring behövs för att göra det mer konkurrenskraftigt. PV plus pumpad hydro förblir den optimala systemarkitekturen jämfört med PV plus elektriska batterier för fristående nät utanför nätet förutsatt geografisk tillgänglighet av nedre och övre reservoarer. Kapitalkostnaden för PV är fortfarande den mest dominerande faktorn i det lägsta kostnadssystemet för både stads- och landsbygdsfall och att köra ner PV-kostnaderna skulle ha den mest positiva effekten för ökad elåtkomst i landet.

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

Mathematical modeling and simulations of a submerged renewable storage system integrated to a wind farm, chosen based on the geographical and wind conditions at the Baltic Sea, gives insight on the feasibility of the submerged renewable storage and an approximation of the payback period and profits that could be generated. Genetic Algorithms were used to obtain the optimal number of spheres for a certain depth, based on 2 objective functions I.e. Minimum Life Cycle Cost (LCC) and maximum reduction in wind curtailment. The new arrangement concept shows that the Initial Capital Cost (ICC) could be decreased by 25% to 60% depending upon the number of sphere employed. Based on the inputs considered in the study, the results prove that the submerged renewable storage system would be feasible, and the profits ranging from 15 Million Euro to 29 Million Euro can be achieved at the chosen location, towards the Swedish side of the Baltic sea. Although, in a real life scenario it is assumed that only up to half of the profits obtained in the results would be achievable. The results also show that, the Pump/Turbine with a high turbine efficiency and lower pump efficiency, generated better profits, compared to a Pump/Turbine running with a higher pump efficiency and lower turbine efficiency. An attempt to increase the round-trip efficiency by adding a multi stage submersible pump, resulted in additional ICC and LCC, which saw a decrease in profits.

As intermittent renewable energy sources such as wind and solar power gradually increase around the world, older technologies such as nuclear power is phased out in Sweden and many other countries. It is then important to ensure that the total power need is secured, and that the power grid can remain stable. One way of managing intermittent renewables is by using energy storage. The main goal of this thesis was to compare energy storage methods and their costs. A secondary aim was to investigate how the cost of developing more renewable energy sources, in combination with different energy storage methods, compares to erecting new nuclear power. This thesis was limited to three energy storage technologies, namely pumped hydro storage (PHS), compressed air energy storage (CAES), and four battery storage technologies. They were combined with wind power in the cost analysis. The comparison was done by performing a literature review and economical calculations, which focused especially on levelized cost of storage (LCOS). The results from the economic calculations indicated that PHS and CAES had lower LCOS than battery storage technologies. Similar results could be seen in the literature review as well. When comparing levelized cost of energy (LCOE) nuclear power had the lowest, €0.03-0.12 kWh-1, followed by wind power in combination with PHS and CAES, both around €0.07-0.24 kWh-1. This result was maintained also at sensitivity analysis regarding the discount rate, which both nuclear power and PHS proved rather sensitive to. Keywords: energy storage, nuclear power, wind power, pumped hydro storage, compressed air energy storage, battery energy storage, levelized cost of energy, Sweden

Electrification in rural areas of West African countries remain to be a challenge for the growth of the region. The Economic Community of West African States (ECOWAS) has set a target of 2030 to achieve 100% electrification in all member countries. Burkina Faso is one of the least electrified countries in the world, where only 9 % of the rural population has access to electricity. This study presents a conceptualization of techno-economic feasibility of pumped hydro storage (PHS) and electric batteries with solar photovoltaics (PV) in the context of Burkina Faso. The results are explored for an off grid standalone PV plus storage system for a rural setting and a grid connected PV system for an urban setup. The least cost configurations for both the cases are determined using HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables). The results indicate the need of extended solar penetration in Burkina Faso in response to the challenges of low electrification rates in the country. Adding more PV to the present electricity mix of Burkina Faso could drive down the cost of energy by 50 % compared to the present grid electricity prices by making cheap electricity available to the local population. Adding PHS to grid connected PV leads to a cost reduction of 8% over a lifetime of 25 years which does not provide enough motivation for the high investments in storage at present. Policy interventions that allow stacking up of revenues and benefits of storage are needed to make it more competitive. PV plus pumped hydro storage remains the optimal system architecture as compared to PV plus electric batteries for off grid standalone systems provided the geographic availability of lower and upper reservoirs. The capital cost of PV remains to be the most dominating factor in the cost of optimal system for both the urban and the rural cases, and driving down the costs of PV would have the most positive effect for increased electricity access in the country. / Elektrifiering i landsbygdsområden i västafrikanska länder är fortfarande en utmaning för tillväxten i regionen. Ekonomiska gemenskapen i Västafrikanska stater (ECOWAS) har satt upp ett mål 2030 att uppnå 100% elektrifiering i alla medlemsländer. Burkina Faso är ett av de minst elektrifierade länderna i världen där bara 9% av landsbygdsbefolkningen har tillgång till el. Denna studie presenterar en konceptualisering av teknisk ekonomisk genomförbarhet för pumpad vattenkraftlagring (PHS) och elektriska batterier med PV (photovoltaics) paneler i samband med Burkina Faso. Resultaten undersöks med avseende på ett fristående fristående PV plus lagringssystem för landsbygden och ett nätanslutet PV-system för en stadsinstallation. De lägsta kostnadskonfigurationerna för båda fallen bestäms med hjälp av HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables). Resultaten visar på behovet av utökad solpenetrering i Burkina Faso som svar på utmaningarna med låga elektrifieringshastigheter i landet. Att lägga till mer PV till den nuvarande elmixen av Burkina Faso skulle kunna sänka energikostnaderna med 50% jämfört med de nuvarande elpriserna för nätet genom att göra billig el tillgänglig för lokalbefolkningen. Att lägga till PHS till nätansluten PV leder till en kostnadsminskning på 8% under en livslängd på 25 år som inte ger tillräcklig motivation för de stora investeringarna i lagring för närvarande. Politikåtgärder som möjliggör stapling av intäkter och fördelar med lagring behövs för att göra det mer konkurrenskraftigt. PV plus pumpad hydro förblir den optimala systemarkitekturen jämfört med PV plus elektriska batterier för fristående nät utanför nätet förutsatt geografisk tillgänglighet av nedre och övre reservoarer. Kapitalkostnaden för PV är fortfarande den mest dominerande faktorn i det lägsta kostnadssystemet för både stads- och landsbygdsfall och att köra ner PV-kostnaderna skulle ha den mest positiva effekten för ökad elåtkomst i landet.

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