Academic literature on the topic 'Termisk energilagring'

Sweden is only utilizing half of the available excess heat. To utilize more of the excess heat a seasonal thermal energy storage could be implemented to store excessed heat from the summer when the demand is lower to the winter when the demand is higher. This can be achieved by an integration of a seasonal thermal energy storage to the district heating system. A seasonal thermal energy storage may also reduce the need of the system’s peak load, which often is economically costly and adversely affect the environment. The purpose of the paper is to investigate the possibility for Skövde Värmeverk to implement a seasonal thermal storage. The paper is performed by a literature collection and calculations are made by software programs. The result shows that it is technically possible to implement a pit thermal energy storage and a borhole thermal energy storage, but no outcome shows a profitability within 20 years. A pit thermal energy storage can replace the system’s peak load up to 79 percent and a borhole thermal energy storage up to 2,8 percent. The most suitable case for Skövde Värmeverk is to install a pit thermal energy storage with a storage capacity of 4 GWh.

District heating is the most common form of heating in Sweden and as other industries it faces challenges in terms of increased resource utilization and transition to 100% renewable energy sources. Thermal energy storage in district heating networks can bring several advantages, for example enabling the use of excess energy, reduction of equipment size and capacity, as well as load leveling. By replacing peak load equipment, thermal energy storages can be an important enabler for systems entirely based on renewable energy. In district heating networks today, buffer tanks are usually used to meet short-term variations, other storage solutions are rare. This study aims to contribute with knowledge about the potential of alternative thermal energy storages in the district heating networks. This is done by compiling comparable parameters for commercialized storages and storages in development phase. The parameters used within the study are energy density [MWh/m3], power density [kW/m3], investment cost per installed capacity [kSEK/MWh] and power [kSEK/kW], charging temperature, discharging temperature, and return temperature during charging [°C], efficiency [%], system integration, operational availability, implementation and environmental impact/emissions. Among the sensible storages the identified techniques are pressurized buffer tanks, aquifer-, borehole-, rock cavern-, pit- and hot water storages. For latent storages, which are in the development phase, experiments, pilot plants and studies have been compiled. The same applies to thermochemical storages. For comparison with a fully commercialized technology, data for buffer tanks has been compiled. Thermochemical storages based on sorption have the highest energy density followed by hot water storages, latent storages with inorganic phase change materials, pit storages and thermochemical storages based on chemical reactions without sorption. Pressurized buffer tanks have the highest power density followed by latent storages with inorganic phase change materials, buffer tanks and thermochemical storages based on sorption. The investment cost per installed capacity is significantly lower among sensible storages than among latent and thermochemical storages. Among the sensible storages, the investment cost is lowest for borehole, aquifer and hot water storages. For latent storages, the investment cost per installed capacity differs markedly depending on whether the phase change material is organic or inorganic where the storages with organic phase change material presents higher investment costs. The investment cost of the thermochemical storages varies but is generally lower than the cost of latent and higher than the cost of sensible storages. The investment cost per installed power is lowest for buffer tanks followed by other sensible storages with water as storage material (pressurized buffer tank, pit storage, rock cavern storage and hot water storage). The remaining storages has several times (75 - 216) higher investment costs per installed power. Efficiency for pressurized buffer tanks, hot water storages, latent storages and pit storage is highest where all have maximum values above 80%. Aquifer and borehole storages have efficiencies around 50%. For rock caverns the reported value for efficiency is 65%. Information about efficiency is missing for thermochemical storages. The temperature levels differ between the various installations, but in summary, the temperatures for the Swedish aquifer storages are relatively low with discharge temperatures between 8 - 28 ° C. The discharge temperatures of the borehole storages are between 35 - 55 ° C. For storages with water as storage material (rock caverns, pits and water tanks), the temperatures are generally higher. The upper limits for the working temperatures in pit and hot water storage is 95 and 90 ° C respectively. The discharge temperatures for rock caverns vary between 65 and 82 ° C.  With the exception of some high temperature storages, the reported working temperature of latent storages is up to 90 ° C and the discharge temperatures for thermochemical storages 30 - 120 ° C.  The sensible storages are implemented centrally in their systems. Among the latent and thermochemical storages, the majority are placed centrally in their systems, but storages close to the property and mobile storages occur. At current investment cost, economically competitive alternatives to buffer tanks are questionable for storages where high effects are required. Borehole-, pit- and rock cavern storages are considered to have the potential to fit as long-term storage in district heating networks as they have relatively low investment costs per installed capacity and high storage capacities. Pit- and rock cavern storages could also be suitable for meeting short term variations as the storage medium, water, can theoretically reach high discharge power.
Fjärrvärme är den vanligaste uppvärmningsformen i Sverige och som andra branscher står den för utmaningar i form av ökat resursutnyttjande och övergång till 100 % förnybara energikällor. Termiska energilager i fjärrvärmenät kan medföra flera fördelar, till exempel möjliggjord användning av överskottsenergi, minskning av utrustningsstorlek och kapacitet samt lastutjämning. Genom att ersätta spetslastutrustning kan termiska lager vara en viktig möjliggörare för system helt baserade på förnybar energi. I fjärrvärmenät idag används vanligen ackumulatortankar för utjämning av korttidsvariationer, andra lösningar är sällsynta.  Denna studie syftar till att bidra med kunskap om alternativa termiska energilagers potential i fjärrvärmenät. Detta genom att sammanställa jämförbara parametrar för kommersialiserade lager och lager i utvecklingsfas. De parametrar som kartläggningen utgått ifrån är energitäthet [MWh/m3], effekttäthet [kW/m3], investeringskostnad per installerad lagringskapacitet [kSEK/MWh] och effekt [kSEK/kW], laddningstemperatur, urladdningstemperatur, och returtemperatur vid laddning [°C], verkningsgrad [%], systemintegration, drifttillgänglighet, implementering och miljöpåverkan/utsläpp. Bland de sensibla lagren har lagringsteknikerna akviferlager, borrhålslager, bergrumslager, groplager, hetvattenlager och trycksatta ackumulatortankar kartlagts. För latenta lager, som befinner sig i utvecklingsfas, har experiment, pilotanläggningar och studier kartlagts. Det samma gäller för termokemiska lager. För jämförelse med en fullt kommersialiserad teknik har data för ackumulatortankar sammanställts. Termokemiska lager baserade på sorption har högst energitäthet följt av hetvattenlager, latenta lager med oorganiska fasändringsmaterial, groplager och termokemiska lager som bygger på kemiska reaktioner utan sorption. Trycksatta ackumulatortankar har högst effekttäthet följt av latenta lager med oorganiska fasändringsmaterial, ackumulatortankar och termokemiska lager som bygger på sorption. Investeringskostnaden per installerad lagringskapacitet är markant lägre bland sensibla lager än bland latenta och termokemiska lager. Bland de sensibla lagren är investeringskostnaden lägst för borrhåls-, akvifer- och hetvattenlager. För latenta lager skiljer sig investeringspriset per installerad lagringskapacitet markant beroende på om fasändringsmaterialet är organiskt eller oorganiskt där de lager med organiskt fasändringsmaterial är behäftade med högre kostnader. Investeringskostnaden för de termokemiska lagren varierar men är generellt lägre än de latenta och högre än de sensiblal lagren. Investeringskostnaden per installerad effekt är lägst för ackumulatortankar följt av andra sensibla lager med vatten som lagringsmaterial (trycksatt ackumulatortank, groplager, bergrumslager och hetvattenlager). Resterande lager har flertal gånger (75 - 216) högre investeringskostnader per installerad effekt. Verkningsgrad för trycksatta ackumulatortankar, hetvattenlager, latenta lager och groplager är högst där alla har maximala värden över 80 %. Akvifer- och borrhålslager har verkningsgrader runt 50 % och för bergrumslager finns ett rapporterat värde för verkningsgrad på 65 %. För termokemiska lager saknas information om verkningsgrad. Temperaturnivåerna skiljer sig mellan de olika installationerna men sammanfattningsvis är temperaturerna för de svenska akviferlagren relativt låga men urladdningstemperaturer från 8 - 28 °C. Urladdningstemperaturerna för borrhålslagren är 35 – 55 °C. För de lager med vatten som lagringsmaterial (bergrumslager, groplager och vattentankar) är temperaturerna generellt högre. Övre gräns för groplagers och hetvattenlagers arbetstemperaturer är 95 respektive 90 °C, urladdningstemperaturerna för bergrumslager är mellan 65 och 82 °C. Med undantag för vissa hög-temperaturlager är arbetstemperaturerna för latenta lager upp till 90 °C och urladdningstemperaturerna för termokemiska lager 30 – 120 °C. De sensibla lagren är implementerade centralt i sina system. Bland de latenta och termokemiska lagren förekommer, förutom centralt placerade lager, även fastighetsnära och mobila lager. För lager där höga effekter efterfrågas är ekonomiskt konkurrenskraftiga alternativ till ackumulatortankar tveksamma idag. Borrhålslager, groplager och bergrumslager anses ha potential att passa som långtidslager i fjärrvärmenät då de har relativt låga investeringskostnader per installerad lagringskapacitet och höga lagringskapaciteter. Groplager och bergrumslager skulle eventuellt också kunna passa för utjämning av korttidsvariationer då lagringsmediet är vatten vilket teoretiskt kan uppnå höga urladdningseffekter.

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.

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.

QC 20160829

Äldre flerbostadshus i dagens Sverige använder sig av väldigt mycket energi i onödan. Uppvidingehus är ett fastighetsbolag som anser att deras flerbostadshus har en hög energianvändning. Tre områden i Åseda granskas under denna studie för att se ifall ett digitalt energistyrningssystem kan förminska energianvändningen på dessa områden. Resultatet redovisar vilka byggnader som skulle kunna uppnå en lägre energianvändning och ifall det är lönsamt för ett mindre bostadsföretag att investera i ett digitalt energistyrningssystem.

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.

QC 20130225

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.