Concentrating solar power plants can integrate cost-effective thermal energy storage systems and thereby supply controllable power on demand, an advantage against other renewable technologies. Storage integration allows a solar thermal power plant to increase its load factor and to shift production to periods of peak demand. It also enables output firmness, providing stability to the power block and to the grid. Thus, despite the additional investment, storage can enhance the performance and economic viability of the plants. However, the levelized cost of electricity of these plants yet remains higher than for other technologies, so projects today are only viable through the provision of incentives or technology-specific competitive bid tenders. It is the variability of the solar resource, the myriad roles that storage can assume, and the complexity of enhancing the synergies between the solar field, the storage and the power block, what makes the development of adequate policy instruments, design and operation of these plants a challenging process. In this thesis a comprehensive methodology for the pre-design and analysis of concentrating solar power plants is presented. The methodology is based on a techno-economic modeling approach that allows identifying optimum trade-off curves between technical, environmental, and financial performance indicators. A number of contemporary plant layouts and novel storage and hybridization concepts are assessed to identify optimum plant configurations, in terms of component size and storage dispatch strategies. Conclusions highlight the relevance between the sizing of key plant components, the operation strategy and the boundaries set by the location. The interrelation between critical performance indicators, and their use as decisive parameters, is also discussed. Results are used as a basis to provide recommendations aimed to support the decision making process of key actors along the project development value chain of the plants. This research work and conclusions are primarily meant to set a stepping stone in the research of concentrating solar power plant design and optimization, but also to support the research towards understanding the value of storage in concentrating solar power plants and in the grid. / Koncentrerad solkraft erbjuder möjligheten att integrera kostnadseffektiv termisk energilagring och därmed behovsstyrd kraftkontroll. Detta är en viktig fördel jämfört med andra förnybara energiteknologier. Lagringsintegration tillåter solkraftsanläggningar att öka sin lastfaktor och skifta produktion till tider med största efterfrågan. Vidare möjliggör lagring fast elproduktion vilket leder till förbättrad nät- och kraftturbinstabilitet. Därför kan termisk lagring öka anläggningsprestanda och ekonomiskt värde trots ökande initiala kapitalkostnader. I termer av specifik elproduktionskostnad (LCOE) ligger koncentrerade solkraftsanläggningar med lagring fortfarande högre än andra kraftteknologier och anläggningsprojekt blir endast lönsamma genom subventionsmodeller eller teknologispecifika konkurrensutsatta anbudsförfaranden. Att hitta adekvata policylösningar och optimala design och operationsstrategier är en utmanande process eftersom det gäller att hitta rätt balans mellan variabel solinstrålning, lagring av energi och tid för produktion genom optimal design och operation av solmottagarfält, kraftblock och lagringskapacitet. I denna avhandling presenteras en omfattande metodik för pre-design och analys av koncentrerande solkraftverk. Metodiken baseras på en tekno-ekonomisk modelleringsansats som möjliggör identifiering av optimala avvägningssamband för tekniska, ekonomiska och miljöprestanda indikatorer. Metodiken tillämpas på ett antal moderna anläggningslayouter  och lagrings- och hybridiseringskoncept för att identifiera optimal kraftanläggningsdesign i termer av komponentprestanda och lagringsanvändningsstrategier. I slutsatsen poängteras relevansen av att hitta rätt storlek på nyckelkomponenter i relation till lagringsstrategi och randvillkoren som ges av konstruktionsläget för optimal ekonomisk och miljömässig prestanda. Resultaten används för att formulera rekommendationer till nyckelaktörer i beslutsprocessen genom hela kraftanläggningens värdekedja från politisk beslutsfattare till anläggningsingenjör. Forskningen och slutsatserna i detta arbete skall i första hand ta ett steg framåt för optimering och design av solkraftsanläggningar men även tillhandahålla en metodik för utvärdering av lagringslösningar och dess specifika värde för solkraftsanläggningar och elnätet. / <p>QC 20160829</p>

Groundwater is potentially a useful source for storing and providing thermal energy to the built environment. In a nordic context, aquifer thermal energy storage, (ATES) has not been subject to a wider extent of research concerning environmental impact. This thesis intends to study the impact on groundwater chemistry from an ATES that has been operational since 2016 and is located in the northern part of Stockholm, on a glaciofluvial deposit called the Stockholm esker. Analysis of groundwater sampling included a period of 9 months prior to ATES operation as well as a 7 month period after operation and sampling was conducted in a group of wells in vicinity of the installation and within the system as ATES operation began. Means of evaluation constituted a statistical approach which included Kruskal-Wallis test by ranks, to compare the ATES wells with the wells in the surroundings and principal component analysis, (PCA), to study the chemical parameters that could be related to ATES. In addition, a geophysical survey comprising 2D-resistivity and induced polarization, (IP) was done to elucidate whether the origin of high salinity could be traced to nearby possible sources. The analysis was based on foremost the cycle of cold energy storage. The results showed large variations in redox potential, particularly at the cold wells which likely was due to the mixing of groundwater considering the different depths of groundwater being abstracted/injected from different redox zones. Arsenic, which has shown to be sensitive to high temperatures in other research showed a decrease in concentration compared to surrounding wells. There were found to be a lower specific conductivity and total hardness at the ATES well compared to their vicinity. That indicates that they are less subject to salinization and that no accumulation has occurred to date.  It is evident that the environmental impact from ATES is governed by the pre-conditions in  soil- and groundwater. / Grundvatten har förutsättningen att utgöra en värdefull resurs för att lagra och förse byggnader med termisk energi. I en nordisk kontext har termisk energilagring i akviferer, (ATES)  inte varit föremål för någon bredare forskning angående miljöpåverkan. Denna uppsats syftar till att studera kemisk grundvattenpåverkan från ett ATES som togs i drift 2016 i norra Stockholm, i en isälvsavlagring vid namn Stockholmsåsen. Analysen omfattar grundvattenprovtagning 9 månader före ATES driften samt 7 månader efter driftstart och provtagningen genomfördes i ett antal brunnar i närheten av installationen samt i ATES systemet då driften startade. Utvärderingsmetoden bestod av ett statistiskt tillvägagångssätt och omfattade Kruskal-Wallis test by ranks, för att jämföra ATES brunnarna med omgivande brunnar och principal component analysis, (PCA), för att studera kemiska parametrar som kan kopplas till ATES. I tillägg genomfördes en geofysisk undersökning som omfattar 2D-resistivitet samt inducerad polarisation, (IP) för att klarlägga huruvida källan till den höga saliniteten kunde spåras. Analysen baseras på främst på cykeln då kyld energi lagras. Resultaten visar stor variation i redoxpotential, i synnerhet vid de kalla brunnarna vilket sannolikt beror på omblandning av grundvatten med tanke på en differens i djup som grundvattnet infiltrerar/pumpas från med tillhörande skillnad i redox zon. Arsenik vilket har visat sig känsligt för höga temperaturer i annan forskning visade minskade koncentrationer jämfört med omgivande brunnar. ATES brunnarna uppvisade även lägre specifik konduktivitet och totalhårdhet i jämförelse. Det pekar mot att brunnarna är mindre utsatta för salinitet och att ingen ackumulering har skett till dags dato. Det framgår tydligt att miljömässig påverkan från ATES styrs av grundförutsättningarna i mark och grundvatten.

This report is a thesis for BTH in collaboration with the company Saab Kockums AB. In order to meet future environmental and economical demands, a vessel must reduce its fuel consumption to have a smaller climate impact and save money. Waste heat recovery systems (WHRS) captures the thermal energy generated from a process that is not used but dumped into the environment and transfers it back to the system. Thermal energy storage (TES) is the method of storing thermal energy which allows heat to be used whenever necessary. Some applications of TES are seasonal storage, where summer heat is stored for use in the winter or when ice is produced during off-peak periods and used for cooling later. The purpose of this study is to investigate the possibilities of utilising a vessel’s waste heat by converting thermal energy into electrical energy. This thesis also aims to investigate conditions for SaltX Technology’s nano-coated salt as a potential solution for thermal energy storage. Initially, the expectations and requirements a future WHRS were investigated in a function analysis. Continuously, the method consisted of a combination of a literature review and dialogue with stakeholders. The literature review was used as a tool to identify, select and study concepts of interest built on scientifically proven facts. Dialogues with stake holders were held as a complement to the literature study to find information. The study showed that an organic Rankine cycle has the highest efficiency for low-medium temperature heat and is therefore most suitable to recover thermal energy from the cooling water. The concept of a steam Rankine cycle is most suitable for recovering thermal energy from the exhaust gases for direct use.The study obtained conditions and important properties for storing thermal energy in salt for later use. Finally, the result showed that a Stirling engine is the most efficient concept for conversion of stored energy into electrical energy. The conclusions are that there are great possibilities for waste heat recovery on marine defence platforms. A Stirling engine for energy conversion in combinations with thermal energy storage shows most promise as a future waste heat recovery system on this type of marine platform. / Denna rapport är ett examensarbete för BTH i samarbete med företaget Saab Kockums AB. Arbetet utforskar möjligheterna att möta framtida miljömässiga och ekonomiska krav genom att låta fartyg minska sin bränsleförbrukning. System för återvinning av spillvärme (WHRS) fångar upp värmeenergi som vanligtvis kyls ner eller släpps ut i naturen och för den tillbaka till systemet. Termisk energilagring (TES) är metoder för lagring av värme som gör det möjligt att använda termisk energi när det behövs. Vissa applikationer av TES är säsongslagring, där sommarvärme lagras för användning på vintern eller när is produceras under vintern och används för kylning senare. Syftet med denna studie är att undersöka möjligheterna att utnyttja ett fartygs spillvärme genom att omvandla termisk energi till elektrisk energi. Detta examensarbete syftar också till att undersöka förhållandena för hur SaltX Technology’s nanobelagda salt kan användas som en potentiell lösning för lagring av termisk energi. Inledningsvis undersöktes WHRS:s förväntningar och krav i en funktionsanalys. Fortsättningsvis bestod metoden av en kombination av en litteraturstudie och dialoger med intressenter. Litteraturstudien användes som ett verktyg för att identifiera, välja och studera intressanta koncept baserade på vetenskapligt beprövade fakta. Dialoger hölls som ett komplement till litteraturstudien för att hitta information. Studien visade att en organisk Rankine-cykel har den högsta verkningsgraden för låg-medelhög temperatur och därför är bäst lämpad för att återvinna energi buren i kylvattnet samt att en ång-Rankine-cykel är bäst lämpad för att utnyttja energin från avgaserna för direkt användning. Studien erhöll förhållanden för termisk energilagring i salt samt viktiga parametrar för systemet. Slutligen visade resultatet att en Stirlingmotor är det mest effektiva konceptet för omvandling av lagrad energi till elektrisk energi. Slutsatserna är att det finns stora möjligheter för återvinning av restvärme på marina försvarsplattformar. En Stirlingmotor för energiomvandling i kombination med termisk energilagring visar störst potential som ett framtida system för återvinning av spillvärme på denna typen av plattformar.

The need for heating and cooling in buildings constitutes a considerable part of the total energy use in a country and reducing this need is of outmost importance in order to reach national and international goals for reducing energy use and emissions. One important way of reaching these goals is to increase the proportion of renewable energy used for heating and cooling of buildings. Perhaps the largest obstacle with this is the often occurring mismatch between the availability of renewable energy and the need for heating or cooling, hindering this energy to be used directly. This is one of the problems that can be solved by using thermal energy storage (TES) in order to save the heat or cold from when it is available to when it is needed. This thesis is focusing on the combination of TES techniques and buildings to achieve increased energy efficiency for heating and cooling. Various techniques used for TES as well as the combination of TES in buildings have been investigated and summarized through an extensive literature review. A survey of the Swedish building stock was also performed in order to define building types common in Sweden. Within the scope of this thesis, the survey resulted in the selection of three building types, two single family houses and one office building, out of which the two residential buildings were used in a simulation case study of passive TES with increased thermal mass (both sensible and latent). The second case study presented in the thesis is an evaluation of an existing seasonal borehole storage of solar heat for a residential community. In this case, real measurement data was used in the evaluation and in comparisons with earlier evaluations. The literature reviews showed that using TES opens up potential for reduced energy demand and reduced peak heating and cooling loads as well as possibilities for an increased share of renewable energy to cover the energy demand. By using passive storage through increased thermal mass of a building it is also possible to reduce variations in the indoor temperature and especially reduce excess temperatures during warm periods, which could result in avoiding active cooling in a building that would otherwise need it. The analysis of the combination of TES and building types confirmed that TES has a significant potential for increased energy efficiency in buildings but also highlighted the fact that there is still much research required before some of the technologies can become commercially available. In the simulation case study it was concluded that only a small reduction in heating demand is possible with increased thermal mass, but that the time with indoor temperatures above 24 °C can be reduced by up to 20%. The case study of the borehole storage system showed that although the storage system worked as planned, heat losses in the rest of the system as well as some problems with the system operation resulted in a lower solar fraction than projected. The work presented within this thesis has shown that TES is already used successfully for many building applications (e.g. domestic hot water stores and water tanks for storing solar heat) but that there still is much potential in further use of TES. There are, however, barriers such as a need for more research for some storage technologies as well as storage materials, especially phase change material storage and thermochemical storage. / Behovet av värme och kyla i byggnader utgör en betydande del av ett lands totala energianvändning och att reducera detta behov är av yttersta vikt för att nå nationella samt internationella mål för minskad energianvändning och minskade utsläpp. En viktig väg för att nå dessa mål är att öka andelen förnyelsebar energi för kylning och uppvärmning av byggnader. Det kanske största hindret med detta är det faktum att det ofta råder obalans mellan tillgången på förnyelsebar energi och behovet av värme och kyla, vilket gör att denna energi inte kan utnyttjas direkt. Detta är ett av problemen som kan lösas genom att använda termisk energilagring (TES) för att lagra värme eller kyla från när det finns tillgängligt till dess att det behövs. Denna avhandling fokuserar på kombinationen av TES och byggnader för att nå högre energieffektivitet för uppvärmning och kylning. Olika tekniker för energilagring, samt även kombinationen av TES och byggnader, har undersökts och sammanfattats genom en omfattande litteraturstudie. För att kunna identifiera byggnadstyper vanliga i Sverige gjordes även en kartläggning av det svenska byggnadsbeståndet. Inom ramen för denna avhandling resulterade kartläggningen i valet av tre typbyggnader, två småhus samt en kontorsbyggnad, utav vilka de två småhusen användes i en simuleringsfallstudie av passiv TES genom ökad termisk massa (både sensibel och latent). Den andra fallstudien som presenteras i denna avhandling är en utvärdering av ett existerande borrhålslager för säsongslagring av solvärme i ett bostadsområde. I detta fall användes verkliga mätdata i utvärderingen samt i jämförelser med tidigare utvärderingar. Litteraturstudien visade att användningen av TES öppnar upp möjligheter för minskat energibehov och minskade topplaster för värme och kyla samt även möjligheter till en ökad andel förnyelsebar energi för att täcka energibehovet. Genom att använda passiv lagring genom ökad termisk massa i byggnaden är det även möjligt att minska variationer i inomhustemperaturen och speciellt minska övertemperaturer under varma perioder; något som kan leda till att byggnader som normalt behöver aktiv kylning kan klara sig utan sådan. Analysen av kombinationen av TES och byggnadstyper bekräftade att TES har en betydande potential för ökad energieffektivitet i byggnader, men belyste även det faktum att det fortfarande krävs mycket forskning innan vissa av lagringsteknikerna kan bli kommersiellt tillgängliga. I simuleringsfallstudien drogs slutsatsen att en ökad termisk massa endast kan bidra till en liten minskning i värmebehovet, men att tiden med inomhustemperaturer över 24 °C kan minskas med upp till 20 %. Fallstudien av borrhålslagret visade att även om själva lagringssystemet fungerade som planerat så ledde värmeförluster i resten av systemet, samt vissa problem med driften av systemet, till en lägre solfraktion än beräknat. Arbetet inom denna avhandling har visat att TES redan används med framgång i många byggnadsapplikationer (t.ex. varmvattenberedare eller ackumulatortankar för lagring av solvärme) men att det fortfarande finns en stor potential i en utökad användning av TES. Det finns dock hinder såsom behovet av mer forskning för både vissa lagringstekniker samt lagringsmaterial, i synnerhet för lagring med fasändringsmaterial och termokemisk lagring.

The need for heating and cooling in buildings constitutes a considerable part of the total energy use in a country and reducing this need is of outmost importance in order to reach national and international goals for reducing energy use and emissions. One important way of reaching these goals is to increase the proportion of renewable energy used for heating and cooling of buildings. Perhaps the largest obstacle with this is the often occurring mismatch between the availability of renewable energy and the need for heating or cooling, hindering this energy to be used directly. This is one of the problems that can be solved by using thermal energy storage (TES) in order to save the heat or cold from when it is available to when it is needed. This thesis is focusing on the combination of TES techniques and buildings to achieve increased energy efficiency for heating and cooling. Various techniques used for TES as well as the combination of TES in buildings have been investigated and summarized through an extensive literature review. A survey of the Swedish building stock was also performed in order to define building types common in Sweden. Within the scope of this thesis, the survey resulted in the selection of three building types, two single family houses and one office building, out of which the two residential buildings were used in a simulation case study of passive TES with increased thermal mass (both sensible and latent). The second case study presented in the thesis is an evaluation of an existing seasonal borehole storage of solar heat for a residential community. In this case, real measurement data was used in the evaluation and in comparisons with earlier evaluations. The literature reviews showed that using TES opens up potential for reduced energy demand and reduced peak heating and cooling loads as well as possibilities for an increased share of renewable energy to cover the energy demand. By using passive storage through increased thermal mass of a building it is also possible to reduce variations in the indoor temperature and especially reduce excess temperatures during warm periods, which could result in avoiding active cooling in a building that would otherwise need it. The analysis of the combination of TES and building types confirmed that TES has a significant potential for increased energy efficiency in buildings but also highlighted the fact that there is still much research required before some of the technologies can become commercially available. In the simulation case study it was concluded that only a small reduction in heating demand is possible with increased thermal mass, but that the time with indoor temperatures above 24 °C can be reduced by up to 20%. The case study of the borehole storage system showed that although the storage system worked as planned, heat losses in the rest of the system as well as some problems with the system operation resulted in a lower solar fraction than projected. The work presented within this thesis has shown that TES is already used successfully for many building applications (e.g. domestic hot water stores and water tanks for storing solar heat) but that there still is much potential in further use of TES. There are, however, barriers such as a need for more research for some storage technologies as well as storage materials, especially phase change material storage and thermochemical storage. / Behovet av värme och kyla i byggnader utgör en betydande del av ett lands totala energianvändning och att reducera detta behov är av yttersta vikt för att nå nationella samt internationella mål för minskad energianvändning och minskade utsläpp. En viktig väg för att nå dessa mål är att öka andelen förnyelsebar energi för kylning och uppvärmning av byggnader. Det kanske största hindret med detta är det faktum att det ofta råder obalans mellan tillgången på förnyelsebar energi och behovet av värme och kyla, vilket gör att denna energi inte kan utnyttjas direkt. Detta är ett av problemen som kan lösas genom att använda termisk energilagring (TES) för att lagra värme eller kyla från när det finns tillgängligt till dess att det behövs. Denna avhandling fokuserar på kombinationen av TES och byggnader för att nå högre energieffektivitet för uppvärmning och kylning. Olika tekniker för energilagring, samt även kombinationen av TES och byggnader, har undersökts och sammanfattats genom en omfattande litteraturstudie. För att kunna identifiera byggnadstyper vanliga i Sverige gjordes även en kartläggning av det svenska byggnadsbeståndet. Inom ramen för denna avhandling resulterade kartläggningen i valet av tre typbyggnader, två småhus samt en kontorsbyggnad, utav vilka de två småhusen användes i en simuleringsfallstudie av passiv TES genom ökad termisk massa (både sensibel och latent). Den andra fallstudien som presenteras i denna avhandling är en utvärdering av ett existerande borrhålslager för säsongslagring av solvärme i ett bostadsområde. I detta fall användes verkliga mätdata i utvärderingen samt i jämförelser med tidigare utvärderingar. Litteraturstudien visade att användningen av TES öppnar upp möjligheter för minskat energibehov och minskade topplaster för värme och kyla samt även möjligheter till en ökad andel förnyelsebar energi för att täcka energibehovet. Genom att använda passiv lagring genom ökad termisk massa i byggnaden är det även möjligt att minska variationer i inomhustemperaturen och speciellt minska övertemperaturer under varma perioder; något som kan leda till att byggnader som normalt behöver aktiv kylning kan klara sig utan sådan. Analysen av kombinationen av TES och byggnadstyper bekräftade att TES har en betydande potential för ökad energieffektivitet i byggnader, men belyste även det faktum att det fortfarande krävs mycket forskning innan vissa av lagringsteknikerna kan bli kommersiellt tillgängliga. I simuleringsfallstudien drogs slutsatsen att en ökad termisk massa endast kan bidra till en liten minskning i värmebehovet, men att tiden med inomhustemperaturer över 24 °C kan minskas med upp till 20 %. Fallstudien av borrhålslagret visade att även om själva lagringssystemet fungerade som planerat så ledde värmeförluster i resten av systemet, samt vissa problem med driften av systemet, till en lägre solfraktion än beräknat. Arbetet inom denna avhandling har visat att TES redan används med framgång i många byggnadsapplikationer (t.ex. varmvattenberedare eller ackumulatortankar för lagring av solvärme) men att det fortfarande finns en stor potential i en utökad användning av TES. Det finns dock hinder såsom behovet av mer forskning för både vissa lagringstekniker samt lagringsmaterial, i synnerhet för lagring med fasändringsmaterial och termokemisk lagring. / <p>QC 20130225</p>

Sverige har en hög andel installerade bergvärmepumpar, som är en typ av vätska-vatten värmepump. Ett problem som finns för befintliga bergvärmesystem är att berget med tiden kyls ned då returslangen till borrhålet konstant levererar kyla till berget. Till följd av detta mister systemet en betydande del av sin verkningsgrad samtidigt som det i extrema fall kan leda till permanent isbildning i borrhålet. Ett sätt att motverka detta problem är att tillämpa termisk energilagring i bergvärmesystemets borrhål. Den internationella benämningen för denna teknik är ”Borehole Thermal Energy Storage, BTES”. Rapporten har behandlat en friliggande enplansvilla med ett befintligt bergvärmesystem som tillämpar termisk energilagring i bergvärmesystemets borrhål med solvärme. Två beräkningsfall har gjorts och resultatet från simuleringarna i en upprättad beräkningsmodell visar att en temperaturhöjning i borrhålet inte alltid innebär en årlig energibesparing. Vid varje grads temperaturhöjning sker en ökning av värmepumpens COP med ca 1,85 % enligt ett linjärt samband för höga temperaturdifferenser över värmepumpen. Detta motsvarar en kostnadsbesparing på 1,02 %/°C. Detta gäller för normala förhållanden med en framledningstemperatur för tappvarmvatten och rumsvärmare på 55 ⁰C. Med en högre energiförbrukning finns alltså större besparingar att göra. Vid mycket låga temperaturdifferenser mellan förångare och kondensor sker dock större procentuella förändringar, vilket medför att lågtemperatursystem kan bidra till en större energibesparing. I normalfallet är dessa system svåra att räkna hem för småhus. För en god lönsamhet krävs en optimerad systemlösning och effektiv styrning av cirkulationspumpar och andra samspelande komponenter med en PLC. I framtiden kommer dock sannolikt värmepumparnas mekaniska verkningsgrad att öka med bättre teknik och även energipriset som följd av politiska beslut, tillgång etc. Detta innebär att varje besparad kilowattimme kommer att bli mer värd. / Sweden has a high proportion of installed geothermal heat pumps, which are a type of liquid -water heat pump. One problem that exists for existing geothermal heating systems is that the rock in time cool down when the return hose to the borehole constantly supply cooling to the rock. As a result of this the system loses a significant portion of their efficiency while in extreme cases has led to the permanent ice in the borehole. One way to counter this problem is to apply thermal energy storage in the geothermal heating systems borehole. The international term for this technique is "Borehole Thermal Energy Storage, BTES". This report has analyzed a detached single storey house with an existing geothermal heating system utilizing thermal energy storage in the geothermal heating systems borehole with solar heating. Two calculation cases has been made and the results of the simulations in an established computational model shows that an increase in temperature in the borehole does not always result in an annual energy savings. Each degree of increased temperature is an increase in the heat pumps COP of 1.85 %, according to a linear relationship for high temperature differences across the heat pump. This results in a cost saving of 1.02 %/°C. This applies to normal conditions with a radiator temperature at 55 ⁰ C. With higher energy consumption can greater savings be made. At very low temperature differences between the evaporator and condenser is however larger percentage changes made, which means that low temperature systems can lead to greater energy savings. Typically, these systems are difficult to recoup for small detached houses. For a good profitability requires an optimized system solution and efficient control of circulation pumps and other interacting components with a PLC. In the future the heat pump mechanical efficiency will probably increase with better technology and even energy prices as a result of political decisions, access, etc. This means that each spared kilowatt hour will be worth more.

Utilizing Phase Change Materials (PCM) for Latent Thermal Energy Storage (LTES) applications have previously been extensively researched as a measure to reduce greenhouse gas emissions from energy consumption. In order to make use of the waste heat from industrial processes for LTES purposes, a new demand emerged for PCMs capable of phase change in mid-temperature ranges of 100 °C - 200 °C. This higher temperature requirement made most of the previously studied material inapplicable as they had much lower melting and solidification temperatures. With this in mind, a new generation of PCMs consisting of Sugar Alcohols (SA) has been proposed. Erythritol is seen as an especially promising SA with good thermophysical properties for LTES purposes. However, it has been shown to suffer from severe supercooling, which makes it unreliable in real applications. To eradicate this issue, two additives, Graphene Oxide (GO) and Polyvinylpyrrolidone (PVP) at varying mass fractions were mixed with pure erythritol to form a composite which was studied using the Temperature-history (T-history) method to determine its effectiveness in reducing supercooling. Results show that at its most effective mass fraction, GO reduces supercooling by 28 o C and a 31 o C reduction is seen by the addition of PVP. The impacts on the duration of crystallization was also documented and analyzed using the same method. It was observed that the duration of crystallization was increased with increasing mass fractions of the additives. Other important properties of the composites were also studied in order to determine the overall feasibility for industrial applications. It includes analysis of the storage capacity through latent heat, changes in viscosity along with impacts on thermal diffusivity of the composites. / Att använda fasändringsmaterial (PCM) för termisk energilagring i form av latent värme (LTES) har tidigare extensivt forskats och undersökts som en lösning för att minska utsläppen av växthusgaser från energiförbrukning. För att utnyttja spillvärme från industriella processer för LTES-ändamål uppstod en efterfrågan på PCM som ändrar fas i temperaturer mellan 100 °C - 200 °C. Detta krav på högre temperatur gjorde att de flesta av de tidigare aktuella materialen inte kunde tillämpas eftersom de hade mycket lägre smält- och kristalliseringstemperaturer. Med detta i åtanke har en ny generation av PCM bestående av sockeralkoholer (SA) föreslagits. Erytritol ses som ett särskilt lovande SA med goda egenskaper för LTES-ändamål. Den har dock visat sig drabbas av svår underkylning, vilket gör den opålitligt i verkliga tillämpningar. För att utrota detta problem blandades två tillsatser, Graphene Oxide (GO) och Polyvinylpyrrolidone (PVP) vid olika massfraktioner med ren erytritol för att bilda en komposit som studerades med metoden Temperature-history (T-history) för att bestämma dess effektivitet på att minska underkylningen. Resultaten visar att GO på sin mest effektiva massfraktion minskar underkylningen med 28 o C och tillsats av PVP lyckats minska den med som mest 31 o C. Påverkningarna på varaktighet av kristallisering dokumenterades och analyserades med samma metod. Det var observerad att varaktigheten av kristallisering ökades med ökande massfraktioner av tillsatserna. Även andra viktiga egenskaper hos kompositerna studerades för att avgöra rimligheten att använda dessa för industriella tillämpningar. Det inkluderar analys av lagringskapaciteten genom latent värme, förändringar i viskositet tillsammans med påverkan på kompositernas termiska diffusivitet.

Utilizing Phase Change Materials (PCM) for Latent Thermal Energy Storage (LTES) applications have previously been extensively researched as a measure to reduce greenhouse gas emissions from energy consumption. In order to make use of the waste heat from industrial processes for LTES purposes, a new demand emerged for PCMs capable of phase change in mid-temperature ranges of 100 °C - 200 °C. This higher temperature requirement made most of the previously studied material inapplicable as they had much lower melting and solidification temperatures. With this in mind, a new generation of PCMs consisting of Sugar Alcohols (SA) has been proposed. Erythritol is seen as an especially promising SA with good thermophysical properties for LTES purposes. However, it has been shown to suffer from severe supercooling, which makes it unreliable in real applications. To eradicate this issue, two additives, Graphene Oxide (GO) and Polyvinylpyrrolidone (PVP) at varying mass fractions were mixed with pure erythritol to form a composite which was studied using the Temperature-history (T-history) method to determine its effectiveness in reducing supercooling. Results show that at its most effective mass fraction, GO reduces supercooling by 28 oC and a 31 oC reduction is seen by the addition of PVP. The impacts on the duration of crystallization was also documented and analyzed using the same method. It was observed that the duration of crystallization was increased with increasing mass fractions of the additives. Other important properties of the composites were also studied in order to determine the overall feasibility for industrial applications. It includes analysis of the storage capacity through latent heat, changes in viscosity along with impacts on thermal diffusivity of the composites. / Att använda fasändringsmaterial (PCM) för termisk energilagring i form av latent värme (LTES) har tidigare extensivt forskats och undersökts som en lösning för att minska utsläppen av växthusgaser från energiförbrukning. För att utnyttja spillvärme från industriella processer för LTES-ändamål uppstod en efterfrågan på PCM som ändrar fas i temperaturer mellan 100 °C - 200 °C. Detta krav på högre temperatur gjorde att de flesta av de tidigare aktuella materialen inte kunde tillämpas eftersom de hade mycket lägre smält- och kristalliseringstemperaturer. Med detta i åtanke har en ny generation av PCM bestående av sockeralkoholer (SA) föreslagits. Erytritol ses som ett särskilt lovande SA med goda egenskaper för LTES-ändamål. Den har dock visat sig drabbas av svår underkylning, vilket gör den opålitligt i verkliga tillämpningar. För att utrota detta problem blandades två tillsatser, Graphene Oxide (GO) och Polyvinylpyrrolidone (PVP) vid olika massfraktioner med ren erytritol för att bilda en komposit som studerades med metoden Temperature-history (T-history) för att bestämma dess effektivitet på att minska underkylningen. Resultaten visar att GO på sin mest effektiva massfraktion minskar underkylningen med 28 oC och tillsats av PVP lyckats minska den med som mest 31 oC. Påverkningarna på varaktighet av kristallisering dokumenterades och analyserades med samma metod. Det var observerad att varaktigheten av kristallisering ökades med ökande massfraktioner av tillsatserna. Även andra viktiga egenskaper hos kompositerna studerades för att avgöra rimligheten att använda dessa för industriella tillämpningar. Det inkluderar analys av lagringskapaciteten genom latent värme, förändringar i viskositet tillsammans med påverkan på kompositernas termiska diffusivitet.

District heating (DH) systems have been commonplace in Europe for over a century. These systems have undergone an evolution since their conceiving, and today we are at the precipice of the next major transition from the third-generation district heating system (3GDH) to the fourth generation (4GDH). Current 3GDH systems operate at a supply temperature in-between 80 °C - 100 °C and a return temperature of around 45 °C. Future 4GDH systems will operate at a supply temperature below 70 °C and return temperature as low as 25 °C, and therefore, will integrate waste heat available at low temperatures, and renewable heat sources.The literature review performed here shows that low temperature DH (LTDH) systems have several benefits over their conventional temperature DH (CTDH) predecessor and achieve lower operating costs for some technologies when compared to the CTDH alternative. Therefore, in this thesis, a TIMES (The Integrated MARKAL-EFOM System) model is used to simulate the operation of a DH system. The learnings from the literature review were incorporated into the model so that certain operational differences between CTDH and LTDH systems could be compared.In this context, the aim of this project is to analyse the effects of flexibility options on the operation of a DH system, and to compare these effects between CTDH and LTDH systems. Flexibility options in DH systems are technologies and concepts that work towards balancing heat generation and demand in thermal grids and can also help balance power generation and demand in electrical grids. Examples of flexibility options are thermal energy storage (TES) tanks, and seasonal energy storages (e.g., borehole TES (BTES), caverns (CTES), and pits (PTES)). These flexibility options have already been implemented in varying amounts in today’s CTDH systems and will therefore have to provide the same service with LTDH systems in the future.As part of the REWARDHeat project (grant agreement No. 857811), the Swedish city of Helsingborg was used as the case-study in this thesis. The city’s heating sector was incorporated into a TIMES heat model and simulated for the period 2017 to 2052. The existing CTDH system model was then adapted to a LTDH system model and simulated for the same time horizon. Both the CTDH model and LTDH model were simulated for a case with TES available and then for a case where TES was not available, to better-identify the flexibility benefits. The effect of electricity prices on the operation of the system was also studied, where one case uses electricity prices that are on the conservative (i.e., higher) side and another on the ambitious (i.e., lower) side. This means that a total of eight scenarios were simulated and analysed.The results show that more heat storage capacity is utilised in the LTDH system due to TES technologies having lower heat losses. Also, it was found that peak shaving was more pronounced in the LTDH system. This is due to more base heat supply in the system from more excess heat, and from STES discharging. This means that the required installed capacity of heat generating technologies are lower compared to the CTDH alternative. This all translates to TES technologies facilitating greater savings in total system cost, by almost 10%, in the LTDH system. The CTDH and LTDH systems studied in this thesis (i.e., with and without TES) are seen to transition from being a net electricity generator to being a major electricity consumer. This is due to reducing electricity prices going into the future, which incentivise investments into heat pumps (HPs), eventually making the systems (with combined heat and power (CHP) plants in the mix in the earlier years) HP-dominated. The inclusion of TES technologies is shown to accelerate this transition in both CTDH and LTDH systems studied in this thesis. More electricity is generated in the CTDH system than in a LTDH system as the cost savings from running HPs (due to higher coefficients of performance (COP) in low-temperature operation) offsets the revenue from electricity sales.Finally, the effect of electricity prices is also seen in the results. Lower electricity prices favour more DH production from HPs, while higher electricity prices incentivise increased production from CHP plants. The results show that the CTDH system gives the network operator more freedom (than in the LTDH system) to respond to electricity prices.Therefore, to conclude, LTDH systems can make more use of the flexibility provided by TES technologies due to lower heat losses, as shown through DH production volumes being lower, and through more peak shaving.Similar studies in future could incorporate a sensitivity analysis on the COPs of HPs in LTDH systems, given that this parameter seems to greatly influence the cost optimised strategy for operating DH systems. Also, it may be beneficial to expand the study into incorporating the city’s power sector, which would mean incorporating the electricity demand into the model. It would be interesting to see if this would cause the model to invest in other technologies other than HPs, or if it might still make more financial sense to import the electricity at market prices. Finally, the cost of transitioning from a CTDH system to a LTDH system could also be considered in the model, as it was not the case in this project. This would probably show that the financial benefit of LTDH systems is less than what is predicted in this study. / Fjärrvärmesystem har varit vanliga i Europa i över hundra år. Dessa system har utvecklats sedan de utformades, och idag står vi inför nästa stora övergång från tredje generationens fjärrvärmesystem (3GDH) till fjärde generationen (4GDH). Dagens 3GDH-nät fungerar med en framledningstemperatur mellan 80 °C och 100 °C och en returtemperatur på cirka 45 °C. Framtida 4GDH-nät kommer att fungera vid en framledningstemperatur under 70 °C och en returtemperatur så låg som 25 °C, och kommer därför att integrera spillvärme som är framkomlig vid låga temperaturer och förnybara värmekällor.Litteraturstudien som gjorts i den här studien visar att fjärrvärmenät med låg temperatur har flera fördelar jämfört med deras föregångare med konventionell temperatur och att driftskostnaderna för vissa tekniska system är lägre än för alternativet med konventionell temperatur. I denna avhandling används därför en TIMES-modell (The Integrated MARKAL-EFOM System) för att simulera driften av ett fjärrvärmesystem. Lärdomarna från litteraturstudien användes i modellen för att vissa driftskillnader mellan dessa två system så att de kunde jämföras. I detta sammanhang är syftet med detta projekt att analysera effekterna av flexibilitetsalternativ på driften av ett fjärrvärmesystem och att jämföra dessa effekter mellan konventionella temperaturer och lågtemperaturssystem. Flexibilitetsalternativ i fjärrvärmenät är teknologi och koncept som arbetar för att balansera värmeproduktionen och efterfrågan i termiska nät och som också kan bidra till att balansera elproduktionen och efterfrågan i elnätet. Exempel på flexibilitetsalternativ är lagringstankar av värmeenergi och säsongsbundna energilägen (till exempel lagring av värmeenergi i borrhål, grottor och gropar). Dessa flexibilitetsalternativ har redan införts i varierande omfattning i dagens fjärrvärmenät och kommer därför att användas med lågtemperaturnät i framtiden.Som en del av REWARDHeat-projektet (bidragsavtal nr 857811) användes den svenska staden Helsingborg som fallstudie i denna studie. Stadens värmesektor införlivades i en TIMES-värmemodell och simulerades för perioden 2017–2052. Den befintliga fjärrvärmenät modellen med konventionell temperatur anpassades sedan till en fjärrvärmenätmodell med låg temperatur och simulerades för samma tidsperiod. Båda modellerna simulerades för ett fall där värmeenergilagring var tillgänglig och sedan för ett fall där värmeenergilagring inte var tillgänglig, för att bättre identifiera flexibilitetsfördelarna. Effekten av elpriserna på systemets funktion undersöktes också, där ett fall använder elpriser som är på den konservativa (dvs. högre) sidan och ett annat på den ambitiösa (dvs. lägre) sidan. Detta innebär att totalt åtta scenarier simulerades och analyserades.Resultaten visar att mer värmelagringskapacitet utnyttjas i fjärrvärmesystemet med låg temperatur på grund av att tekniken för lagring av värmeenergi har mindre värmeförluster. Det konstaterades också att lastutjämning var mer i fjärrvärmesystemet med låg temperatur. Detta beror på att det finns mer grundvärme i systemet på grund av mer överskottsvärme och på att värmeenergilagringar i borrhålen laddas ur. Detta innebär att den installerade kapacitet som krävs för värmeproducerande teknologi är lägre jämfört med alternativet med konventionell temperatur. Allt detta innebär att tekniken för lagring av värmeenergi möjliggör större besparingar i den totala systemkostnaden, med nästan 10 %, i fjärrvärmesystemet med låg temperatur. De konventionella och lågtemperatur fjärrvärmesystem som studeras i denna avhandling (dvs. med och utan lagring av värmeenergi) övergår från att vara nettogeneratorer av el till att bli stora elkonsumenter. Detta beror på att elpriserna kommer att sjunka i framtiden, vilket ger incitament till investeringar i värmepumpar, vilket i slutändan gör att systemen (som har haft kraftvärmeverk i mixen under tidigare år) kommer att domineras av värmepumpar. Införandet av tekniken för värmeenergilagring visar sig påskynda denna övergång i båda de system som studeras i denna avhandling. Det produceras mer el i fjärrvärmesystemet med konventionell temperatur än i ett fjärrvärmesystem med låg temperatur, eftersom kostnadsbesparingarna från drift av värmepumpar (på grund av högre prestandakoefficienter) med låg temperatur uppväger intäkterna från elförsäljning.Slutligen syns också effekten av elpriserna i resultaten. Lägre elpriser gynnar mer värmeproduktion från värmepumpar, medan högre elpriser stimulerar ökad produktion från kraftvärmeverk. Resultaten visar att fjärrvärmesystemet med konventionell temperatur ger nätoperatören större frihet (än i fjärrvärmesystemet med låg temperatur) att reagera på elpriserna.Sammanfattningsvis kan man därför konstatera att fjärrvärmesystem med låg temperatur i högre grad kan utnyttja den flexibilitet som tekniken för värmeenergilagring ger på grund av lägre värmeförluster, vilket visas genom att produktionsvolymerna för fjärrvärme är lägre och genom en högre grad av lastutjämning.Liknande studier i framtiden skulle kunna omfatta en känslighetsanalys av värmepumparnas prestandakoefficient i fjärrvärmesystem med låg temperatur, eftersom denna parameter verkar ha stor betydelse för den kostnadsoptimerade strategin för driften av systemet. Det kan också vara fördelaktigt att utvidga studien till att omfatta stadens energisektor, vilket skulle innebära att elbehovet inkluderas i modellen. Det skulle vara intressant att se om detta skulle få modellen att investera i andra tekniker än värmepumpar, eller om det fortfarande skulle vara mer ekonomiskt fördelaktigt att importera el till marknadspris. Slutligen skulle kostnaden för att övergå från ett fjärrvärmenät med konventionell temperatur till ett fjärrvärmenät med låg temperatur också kunna beaktas i modellen, eftersom så inte var fallet i detta projekt. Detta skulle förmodligen visa att den ekonomiska fördelen med fjärrvärmenät med låg temperatur är mindre än vad som förutses i denna studie.

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.