Abstract

The urban and rural energy systems are undergoing modernization. This modernization is motivated by the need to increase sustainability in both systems. Some characteristics of this modernization include electrification of industries, transports, and heating and cooling loads. Additionally, there has been an increase in building-applied photovoltaic (PV) systems, and in the flexibility of customer loads. This thesis aims to progress the knowledge regarding the electric power production and consumption in the future urban and rural energy systems. In total, three models were developed and applied to case studies: a spatial electric vehicle (EV) charging model, a residential load forecasting model, and a clear-sky index (CSI) generative model. The results of the EV spatial model showed that there is an aggregation effect for the charging of the EVs. If all EVs charge opportunistically upon arrival using 3.7 kW, at most 19% of the EVs in a large area will charge simultaneously. Delaying the charging to after 22:00 will result in a significant increase in the simultaneity factor — to 59%. Two forecasting models were compared for the residential load. Both models achieved a root mean square error (RMSE) smaller than 4%. One model had a slightly sharper forecast than the other model — by 2.6% — and a variable prediction interval (PI) which decreased at night. As regards the spatiotemporal matching between PV power production and EV charging in rural and urban areas, the results showed that there were no correlations between the building type in each part of the city and the temporal matching. Both residential and workplace areas had similar temporal matching. This is because of the orientations of the roofs in the cities and the sizes of the parking lots. Considering the impacts of EV charging on the distribution grid of a Swedish municipality (Herrljunga), it is shown that 3.7 kW chargers will result in at most a 1% decrease in the voltage of the grid. No under-voltages were witnessed. In conclusion, the urban and rural energy systems can withstand the penetration of PV and EVs in the nearby coming years. Extreme scenarios might, however, require increasing the flexibility or performing upgrades to the systems.  

Abstract

over the world, raising concerns about energy conservation and the environmental impacts of greenhouse gas emissions has promoted the development of a sustainable mobility transition. Successful electric vehicle (EV) deployment plays a vital role in this manner but is still facing obstacles, where public charging infrastructure is one of them. Additionally, digitization is transforming and introducing new industries worldwide, contributing with new constructs to be used in the evolving transition. Simultaneously, technology is surpassing the competition, and is one of the most potent transformational force affecting customer relations in the energy sector, leading to customers anticipating more from the power utility companies. To attain a long-termsustainable competitive advantage, firms have to retain, sustain, and nurture their customer base. To do so, corporations have comprehended the value of embracing customer-centric incentives, enabling them to capture more indirect business values. Furthermore, this thesis was done in collaboration with a power utility company, referred to as ‘Org X’ or ‘the CPO’. Influenced by the reasoning above, it investigated the opportunity to create indirect business values through a demand-driven roll-out of the national charging infrastructure with the use of crowdfunding. This was achieved by adopting an exploratory methodology approach, where a mixed inductive-deductive design was used. A multi-method qualitative data collection was made; consisting mainly of semi-structured-, and unstructured interviews with experts in the field. Thus, a profound perspective of the EV-charging market landscape was attained, which enabled adequate reasoning when proposing a strategy approach for the cause. Additionally, quantitative secondary data was used to develop a tool for an initial location evaluation, that is part of the recommended approach. This tool was also used to enhance the understanding of the national EV-charging market landscape, the customer segments, as well the potential market for a co-creating platform. The findings suggest that the perceived readiness level of crowdfunding charging infrastructure varies depending on what aspect that is being accommodated. A platform that connects stakeholders is encouraged by actors in the field, but crowdfunding through solely end-users is questioned as close proximity to the end-user’s location is a key-factor regarding motivation to fund a charging point. A ‘Tier based framework’, that facilitates this transition was therefore developed and evaluated. Additionally, the framework was considered in the market analysis case study, which further included a recommended implementation and communication approach. If used accordingly, this framework could bring both indirect- and direct business values to the power utility company in question, as well as the involved stakeholders. Oro över energieffektiviseringar och miljökonsekvenser från utsläpp av växthusgaser världen över har främjat utvecklingen av ett hållbart energisystem. En framgångsrik marknadspenetration av elbilar (EVs) har en viktig roll i denna aspekt, men står fortfarande inför hinder där publik laddningsinfrastruktur är en del av problemet. Digitaliseringen leder till transformation och nya industrier vilket bidrar med ytterligare konstruktioner som används i övergången till ett mer hållbart samhälle. Samtidigt driver teknikutvecklingen till ökad konkurrens och har en kraftfull påverkan på vad kunderna förväntar sig från företagen. För att uppnå mer långsiktigt hållbara konkurrensfördelar måste företag sträva efter att behålla, upprätthålla och ta hand sin kundbas. Företag börjar förstå det ökade värde som finns i att utöva mer kundcentrerade incitament och strategier, vilket potentiellt bidrar till mer indirekta affärsvärden. Denna uppsats är i samarbete med ett Svenskt energiföretag, följaktligen refererat till som 'Org X' eller 'CPO'. Baserat på resonemanget ovan, har möjligheten att skapa indirekta affärsvärden genom verkställandet av en mer efterfrågedriven utveckling av den nationella elbilsladdning infrastruktur med hjälp av crowdfunding undersökts. Detta uppnåddes genom att använda ett utforskat tillvägagångssätt, där en blandad induktiv-deduktiv design användes. En kvalitativ datainsamling gjordes på flera sätt; huvudsakligen bestående av semistrukturerade och ostrukturerade intervjuer med experter inom området. Således uppnåddes ett djupgående perspektiv på av elbilsladdning marknaden vilket möjliggjorde sakliga resonemang kring den presenterade och rekommenderade strategin. Ytterligare användes kvantitativ sekundärdata för att utveckla ett verktyg för en initial plats bedömning, vilket är en del av den rekommenderade strategin. Detta verktyg användes dessutom för att öka förståelsen för den nationella elbilsladdning marknaden, kundsegmenten, liksom den potentiella marknaden för en samskapande plattform. Resultaten tyder på att den upplevda beredskapsnivån att crowdfunda laddningsinfrastruktur varierar beroende på plats och kundgrupp. En plattform som ansluter intressenter uppmuntras av aktörer på marknaden, men crowdfunding genom enbart slutanvändare ifrågasätts då närhet till slutanvändarens läge är en nyckelfaktor när det gäller motivationen att medverka i finansieringen. Därav har ett tier based framework utvecklats och presenterats, som bör underlätta transformationen mot en mer kunddriven affärsmöjlighet. Dessutom beaktades ramverket i fallstudien för marknadsanalysen, som ytterligare inkluderade en rekommenderad strategi för implementering och kommunikation. Om den används i enlighet bör ramverket ge både indirekta och direkta affärsvärden till det aktuella energi företaget, liksom till berörda intressenter.

Abstract

The Swedish transportation sector needs to undergo major changes in order to achieve the established goals for climate and environment. The largest change is the replacement of fossil-fuelled vehicles to vehicles propelled by renewable energy sources, such as biofuels and electricity. To account for an increase in local electric power consumption, the electric power infrastructure of Sweden needs to adapt through expansion and reconstruction of the electric power grid. However, changes in infrastructure are usually expensive. It is therefore suitable to also examine alternative solutions, which could potentially be more cost efficient. One of these solutions are vehicle-to-grid (V2G), where electric vehicles acts as local electric power control and provides auxiliary services to the electric power grid. This thesis is a case study of a part of a low-voltage electric power grid on Gotland, with the goal of analysing the potential of V2G in the investigated area. The study focused on utilizing V2G for balancing electric power consumption and generation, and for adjusting voltage levels. Simulations of the area were executed in PSS®E for three different cases; one high-load case, low-load case and average-load case. It was found that by utilizing V2G a ramp up of electric power during mornings was delayed by approximately one hour, making the electric power grid potentially more compatible with photovoltaics (PV). However, the overall effects from V2G was fairly low. This outcome can partly be explained by the assumptions made in the report, and also due to some odd behaviour of the system model. 

Abstract

The Paris Agreement was formed in 2015 to reduce the environmental impact and limit the increase in temperature to 2°C compared to pre-industrial levels. It is believed that an electrification of the transport sector will reduce its negative environmental impact. To reach the goals set by the Paris Agreement we are in need of quick development towards an electrified fleet of vehicles. Despite this urgency electric vehicles (EVs) have failed to reach the majority of the market, instead it has stuck in the chasm between the early adopters and the early majority of the markets. This is due to three main challenges; EVs are relatively expensive compared to conventional petrol- and diesel-powered vehicles, EVs have an inadequate driving range, and the access to a functional charging infrastructure is limited. This thesis focuses on the third challenge regarding charging infrastructure. The charging infrastructure is dependent on the existing electricity distribution infrastructure, i.e. the grid. It is rather time-consuming and costly to strengthen the grid, which is deemed necessary for enabling a roll-out of a charging infrastructure that meets the needs of current and near-future EV operators. This research provides an alternative way of approaching the issues. Instead of strengthening the grid by digging up old cables it looks into the opportunities of incorporating stationary battery storages as a buffer between the EV charging stations and the grid connection point. This battery solution can reduce the power outtake and smoothen out the load from EV charging, thus limiting the impact of EV charging from a grid perspective. The research assesses what type of pathways this solution could follow to successfully drive the adoption of EVs. Furthermore, the study tries to understand how these solutions could be designed to deliver the necessary values regarding EV charging and reducing the overall power outtake from grid connection points. The thesis is carried out by analyzing collected quantitative and qualitative data through the lens of three main theories. These are transition theory, theory on eco-innovations, and theory on the diffusion of innovations. The thesis finds that the two pathways for a battery supported charging infrastructure that will be most efficient in speeding up the adoption rate of EVs is within a workplace and public charging setting in city and urban environments. For both pathways it is expected that a centralized concept, with one battery solution connected to several charging points, will be most feasible in the short-term, which is important as the need for developments are very urgent. The workplace charging will provide 3,6 kW AC-charging while the public charging provides 150 kW DC-charging. The solution is expected to be cost-efficient for specific locations, especially for public charging in city environments with strained grid infrastructures. The study provides an initial assessment for the city of Stockholm which indicates that the power outtake can be reduced by 63,5–112,2 MW in 2030. This means that the current grid infrastructure could support a larger number of EVs, thus reducing the greenhouse-gas emissions from the transport sector and bringing us closer to reaching the goals set by the Paris Agreement. Parisavtalet utformades år 2015 för att reducera vår klimatpåverkan och begränsa temperaturökningen till 2°C jämfört med nivåerna som rådde innan den industriella revolutionen. Förhoppningen är att en elektrifiering av transportsektorn kan reducera dess negativa klimatpåverkan. För att nå målen i Parisavtalet behövs en snabb omställning mot en elektrifiering av fordonsflottan. Trots situationens brådskande karaktär har elbilar fastnat i en klyfta mellan den begränsade tidiga marknaden och den sena marknaden, vilken utgör majoriteten av kunderna. Det finns tre primära anledningar till detta; elbilar är dyra jämfört med bensin- och dieseldrivna bilar, räckvidden för elbilar är otillräcklig, och det råder begränsad tillgång till en funktionell laddinfrastruktur. Den här studien fokuserar på den tredje anledningen kring otillräcklig laddinfrastruktur. Laddinfrastrukturen är beroende av det existerande elnätet och dess distributionskapacitet. En förstärkning av elnätet är i många fall nödvändig för att möjliggöra en utrullning av en laddinfrastruktur som möter dagens och morgondagens behov. Istället för att förstärka elnätet genom att gräva ner tjockare kablar så fokuserar denna studie på en alternativ lösning kring laddinfrastruktur sammankopplat med stationära batterilager. Batterilagret agerar som en buffert mellan anslutningspunkten till elnätet och laddningspunkten för elbilar. Genom att reducera effektuttaget och jämna ut lastkurvan för elbilsladdning kan en batterilösning begränsa den negativa påverkan det förväntas ha på elnätet. Studien undersöker vilka vägar denna batterilösning kan ta för att öka antalet elbilar i fordonsflottan. Efter att ha förstått vilka dessa lösningsvägar är så analyserar studien hur dessa lösningar kan vara uppbyggda för att erbjuda de efterfrågade och nödvändiga värdena för elbilsladdning och elnätets fortsatta funktionalitet. Studien bygger på analys av kvalitativa och kvantitativa data. Analysen utförs genom att applicera koncept hämtade från teorier kring teknologiska övergångar, miljöinnovationer och spridning av innovationer. De två lösningsområden som förväntas vara mest effektiva i att driva en ökning av antalet elbilar i Sverige är arbetsplatsladdning samt offentlig laddning i stadsmiljöer. En lösning med ett centraliserat batterisystem där en batterilösning är kopplat till flera laddstationer antas vara mest genomförbar på kort sikt, vilket anses vara centralt på grund av utmaningarnas brådskande karaktär. För arbetsplatsladdning tillhandahålls 3,6 kW AC-laddning och för offentlig laddning tillhandahålls 150 kW DC-laddning. Lösningarna förväntas vara kostnadseffektiva for specifika platser och användarprofiler, speciellt för offentlig laddning i stadsområden med ansträngda elnät. En initial uppskattning visar att en laddinfrastruktur kopplat till stationära batterilager inom de två lösningsområdena kan minska Stockholms effektuttag för elbilsladdning med 63,5–112,2 MW år 2030. Detta betyder att dagens elnät kan tillgodose ett ökat antal elbilar, vilka genererar färre utsläpp av växthusgaser och ger oss en bättre chans att nå Parisavtalets mål.

Abstract

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

Abstract

The transport sector is responsible for large amounts of greenhouse gas (GHG) emissions and dueto the continued growth of both passengers and shopping of goods, these emissions are constantlyincreasing. Globally, 50% of the energy within the transport sector is consumed by passenger carsand commercial vans. Hence, sustainability within mobility is of interest and there are severaldifferent ways to address this issue. One possible solution could be car sharing which is a mobilityproduct-service system (PSS) where the private car is replaced by rental cars. However, diffusionof such PSSs is slow, and they are still limited to small niche markets.In this thesis, a dataset from the research project KTH Mobility Pool (KMP) has been analysed.KMP involved a mobility PSS in which electric vehicles (EVs) were integrated with a digitalbooking system, in a shared use system. The users tried out the PSS during a six-months trialperiod. The aim with this thesis was to identify different factors involved in the adoption of newsustainable mobility PSS. During the thesis work additional research questions emerged regardingthe motivation to participate in trials within new sustainable mobility PSS and what impact thetrial had on the users from an environmental perspective. An exploratory and inductive researchapproach was used, with a data analysis influence by grounded theory. Moreover, the thesis workinvolved a mixed method approach since the analysed dataset derived from interviews, surveysand workshops with the KMP users.Through the comparison of the analysed data and existing literature some conclusions could bedrawn. Common motivators for participating in the KMP trial were the opportunity to try out anew technology, saving money and interest in technology, cars and the environment. Five factorsof importance during the trial could be identified: convenience, car ownership, economy,environment, and safety. The impact of the trial on the users was an increased environmentalconsciousness where the users became more aware of their car usage and felt more environmental.Moreover, the trial also gave the users a more positive attitude towards EVs concerning thedevelopment of the EV market, their range and practicality. In conclusion, more research is neededto unfold and establish a complete and holistic view of the adoption of sustainable mobility PSS.However, the findings in this thesis work have answered some of the questions regarding theadoption of sustainable mobility PSS, which can be useful for future trials. Transportsektorn ansvarar för en stor mängd av växthusgasutsläpp och då både antalet passagerareökar och varuhandeln växer, så ökar även utsläppen konstant. Globalt så går 50% av energin inomtransportsektorn till personbilar och kommersiella fordon. Således är hållbarhet inom mänskligtransport viktig och det finns flera sätt att angripa detta dilemma. En möjlig lösning är samåkning,vilket är ett produkt- och tjänstesystem (PSS) där den privata bilen ersätts med en hyrbil. Dock såär spridningen av sådana PSS långsam och de är fortfarande begränsade till små nischmarknader.I detta examensarbete har en datauppsättning från forskningsprojektet KTH Mobility Pool (KMP)analyserats. KMP involverade ett PSS för mänsklig transport, i vilket elbilar var integrerade medett digitalt bokningssystem, i ett gemensamt användningssystem. Detta PSS användes utavanställda på ett tillverkningsföretag till och från jobbet samt under arbetstid, under en sex månaderlång försöksperiod. Målet med examensarbetet var att identifiera de olika faktorer som ärinvolverade i införandet och användandet av nya hållbara PSS för mänsklig transport. Underarbetets gång så dök ytterligare frågeställningar upp angående vad som motiverade användarna atttesta på PSS för mänsklig transport, och hur testprocessen påverkade dem ur miljösynpunkt. Enundersökande och induktiv forskningsmetod användes, med en dataanalys inspirerad av grundadteori. Examensarbetet involverade dessutom en blandning av både kvalitativa och kvantitativametoder eftersom den analyserade datauppsättningen bestod av intervjuer, undersökningar ochworkshops med KMP-användarna.Genom jämförelse av data som analyserats med befintlig litteratur, kunde vissa slutsatser dras.Vanliga motivationsfaktorer för att delta i KMP-projektet var möjligheten att prova på ny teknik,spara pengar och intressen för teknik, bilar och miljö. Fem faktorer av betydelse under försöketkunde identifieras: bekvämlighet, bilägande, ekonomi, miljö och säkerhet. Effekten av försöket påanvändarna var en ökad miljömedvetenhet där användarna blev mer medvetna om sinbilanvändning och kände att de gjorde något gott för miljön. Dessutom gav testet användarna enmer positiv inställning till elbilar angående marknadens utveckling, elbilars räckvidd och deraspraktiska egenskaper. Sammanfattningsvis behövs mer forskning för att utveckla och upprätta enhelhetsbild över de faktorer som är involverade i införandet och användandet av ett hållbart PSSför mänsklig transport. Dock så har detta examensarbete svarat på frågor angående några av dessafaktorer, vilket kan vara användbart för framtida projekt.