Grid stability evaluation and techno-economic analysis of shared solar applications within a Swedish energy community.

The joint European electricity production in 2022 was 2.9 PWh where 34.3% of the electricity came from sources of natural gas and coal. However, to be able to achieve the goals of the Paris agreement, greenhouse gas emissions must peak before 2025 and thus call for a rapid decarbonatization. For this, using less energy originating from fossil sources and increasing the use of renewable energy is crucial. One way to decentralize and implement renewable energy is using energy communities. This is also a way for actors to participate in energy trading and to enable collective ownership of local production and storage technology. However, since the electricity grid in Sweden is largely outdated, this poses as a problem for continued electrification. To evaluate if decentralisation of the electricity distribution and production can minimise the load on the national grid, The research institute of Sweden (RISE) has initiated pilot studies to assess the possibility and impact of introducing energy communities in Sweden with the help of KTH for simulations. As part of such a pilot study this thesis focuses on a district in Örebro named Tamarinden, where it is planned to implement a local DC-network to allow sharing of locally PV produced electricity. Through using the Python package Panda Power as well as quantitative analyses in Excel, the thesis aim was to propose a configuration of the standard local distribution grid and analyse the impact from PVs, battery storage as well as the DC-network focusing on grid stability and solar penetration. In addition, an economic feasibility analysis was made. The results showed that an energy community greatly impact the solar penetration and that grid stability improvements could not be determined. This could be due to the choice of production technology, solar PV, as these have peak production during low demand season. Furthermore, a proposition for the local grid configuration was constructed. Nevertheless, the economic feasibility showed that even though the impact on PV penetration is great, the cost of the technology is too high in comparison to savings made in terms of lowered electricity demand. In conclusion, the implementation of such an energy community in Sweden is currently unbeneficial from an economic point of view.Den europeiska elproduktionen var år 2022 2.9 PWh var av 34.3% härstammade från kol och naturgas. För att uppnå målen i Parisavtalet måste växthusgasutsläppen sluta öka senast 2025 därför krävs snabb avkarbonisering. För att åstadkomma detta måste användandet av fossila energikällor minska och användandet av förnyelsebar energi öka. Ett sätt att möjliggöra denna omställning är genom energigemenskaper. Detta är även ett sätt för aktörer att delta i energimarknaden samt att möjliggöra kollektivt ägarskap av lokal produktions och lagrings teknologier. Då elnätet i Sverige till stora delar är utdaterat skapar detta problematik, för en fortsatt elektrifiering. För att utvärdera huruvida decentralisering av eldistributionen och elproduktionen kan minska belastningen på det nationella distributionsnätet, driver Research institute of Sweden (RISE) tillsammans med KTH pilotstudier för att undersöka möjligheterna och påverkan av att introducera energigemenskaper i Sverige. Som en del av en av pilotstudierna fokuserar denna uppsats på en stadsdel i Örebro som heter Tamarinden, där det är planerat att implementera ett lokalt DC-nätverk för att möjliggöra delning av lokalt producerad el. Genom modellering i Pythons paket Panda Power och kvantitativa analyser i Excel, var uppsatsens mål att presentera en möjlig konfiguration av lokalnätet samt att analysera påverkan från solceller, batteri lagring samt DC-nätverket på nätstabiliteten och solpenetrationen. Ytterligare gjordes en ekonomisk genomförbarhetsanalys. Resultaten visade att en energigemenskap kraftigt påverkar solpenetrationen och att förbättringar av nätstabiliteten inte kunde fastställas. Detta kan bero på valet av produktionsteknik, solceller, eftersom dessa har topproduktion under lågsäsong. Dessutom konstruerades ett förslag för den lokala nätkonfigurationen. Den ekonomiska genomförbarheten visade dock att även om effekten på solcellspenetrationen är stor är kostnaden för tekniken för hög i jämförelse med besparingar i form av sänkt efterfrågan på el. Sammanfattningsvis är genomförandet av en sådan energigemenskap i Sverige för närvarande ofördelaktigt ur ekonomisk synvinkel

Grid stability evaluation and techno-economic analysis of shared solar applications within a Swedish energy community.

The joint European electricity production in 2022 was 2.9 PWh where 34.3% of the electricity came from sources of natural gas and coal. However, to be able to achieve the goals of the Paris agreement, greenhouse gas emissions must peak before 2025 and thus call for a rapid decarbonatization. For this, using less energy originating from fossil sources and increasing the use of renewable energy is crucial. One way to decentralize and implement renewable energy is using energy communities. This is also a way for actors to participate in energy trading and to enable collective ownership of local production and storage technology. However, since the electricity grid in Sweden is largely outdated, this poses as a problem for continued electrification. To evaluate if decentralisation of the electricity distribution and production can minimise the load on the national grid, The research institute of Sweden (RISE) has initiated pilot studies to assess the possibility and impact of introducing energy communities in Sweden with the help of KTH for simulations. As part of such a pilot study this thesis focuses on a district in Örebro named Tamarinden, where it is planned to implement a local DC-network to allow sharing of locally PV produced electricity. Through using the Python package Panda Power as well as quantitative analyses in Excel, the thesis aim was to propose a configuration of the standard local distribution grid and analyse the impact from PVs, battery storage as well as the DC-network focusing on grid stability and solar penetration. In addition, an economic feasibility analysis was made. The results showed that an energy community greatly impact the solar penetration and that grid stability improvements could not be determined. This could be due to the choice of production technology, solar PV, as these have peak production during low demand season. Furthermore, a proposition for the local grid configuration was constructed. Nevertheless, the economic feasibility showed that even though the impact on PV penetration is great, the cost of the technology is too high in comparison to savings made in terms of lowered electricity demand. In conclusion, the implementation of such an energy community in Sweden is currently unbeneficial from an economic point of view.Den europeiska elproduktionen var år 2022 2.9 PWh var av 34.3% härstammade från kol och naturgas. För att uppnå målen i Parisavtalet måste växthusgasutsläppen sluta öka senast 2025 därför krävs snabb avkarbonisering. För att åstadkomma detta måste användandet av fossila energikällor minska och användandet av förnyelsebar energi öka. Ett sätt att möjliggöra denna omställning är genom energigemenskaper. Detta är även ett sätt för aktörer att delta i energimarknaden samt att möjliggöra kollektivt ägarskap av lokal produktions och lagrings teknologier. Då elnätet i Sverige till stora delar är utdaterat skapar detta problematik, för en fortsatt elektrifiering. För att utvärdera huruvida decentralisering av eldistributionen och elproduktionen kan minska belastningen på det nationella distributionsnätet, driver Research institute of Sweden (RISE) tillsammans med KTH pilotstudier för att undersöka möjligheterna och påverkan av att introducera energigemenskaper i Sverige. Som en del av en av pilotstudierna fokuserar denna uppsats på en stadsdel i Örebro som heter Tamarinden, där det är planerat att implementera ett lokalt DC-nätverk för att möjliggöra delning av lokalt producerad el. Genom modellering i Pythons paket Panda Power och kvantitativa analyser i Excel, var uppsatsens mål att presentera en möjlig konfiguration av lokalnätet samt att analysera påverkan från solceller, batteri lagring samt DC-nätverket på nätstabiliteten och solpenetrationen. Ytterligare gjordes en ekonomisk genomförbarhetsanalys. Resultaten visade att en energigemenskap kraftigt påverkar solpenetrationen och att förbättringar av nätstabiliteten inte kunde fastställas. Detta kan bero på valet av produktionsteknik, solceller, eftersom dessa har topproduktion under lågsäsong. Dessutom konstruerades ett förslag för den lokala nätkonfigurationen. Den ekonomiska genomförbarheten visade dock att även om effekten på solcellspenetrationen är stor är kostnaden för tekniken för hög i jämförelse med besparingar i form av sänkt efterfrågan på el. Sammanfattningsvis är genomförandet av en sådan energigemenskap i Sverige för närvarande ofördelaktigt ur ekonomisk synvinkel

A study on solar panels : Market research and an optimization model on solar panels today. Based on solar tracking and cloudiness.

I detta arbete har optimeringsmöjligheterna för solpaneler undersökt, utifrån parametern energiproduktion beräknad med hjälp av infallen solstrålning. Detta genomfördes genom en modell där panelen kan simuleras mer eller mindre solföljande. Utöver denna optimering har även effekten av molnighet undersökts genom att jämföra direkt- och diffus solstrålning med olika metoder av solföljning. Arbete är gjort för institutionen för Energiteknik på KTH med anledning av deras intresse av att införskaffa en solpanel för experimentella syften. För att möta detta intresse har även en marknadsundersökning på rådande teknik genomförts med mål att rekommendera en solpanel till institutionen. Resultatet för optimeringen togs teoretiskt fram genom en modell som konstruerades i MATLAB. Marknadsundersökningens resultat togs fram genom mailkontakt med ett antal leverantörer och en litteraturstudie. Simuleringarna visade på att tvådimensionell solföljning var lika effektiv som endimensionell under året 2019 och att dessa var 13% effektivare än det stationära alternativet. Vidare visade resultaten från simuleringarna att det finns en marginell vinning i att optimera panelerna vid molniga förhållande. Dels genom ett konstruerat scenario där timmarna valdes till en period då den direkta solstrålningen var 0 W/m­2, vid detta scenario visade optimeringen att det finns 15% energi att hämta. För hela året användes flera scenarion vid optimeringen och det resultatet blev cirka 1,7% mer energi med hjälp av optimeringen. Som resultat av marknadsundersökningen valdes en solföljare från företaget HelioZenit AB som främsta rekommendation för installation på KTH-campus. De beräkningar som ligger till grund för resultatet i studien är svåra att verifiera  då det på grund av tidsbrist inte fanns tid att genomföra praktiska mätningar för jämförelse med simuleringarna. Även faktumet att modellen enbar prövas över ett år att slutsatser blir svåra att dra. En möjlig vidareutveckling skulle vara att testa modellen över ett decennium för tillförlitligare svar. Dock kan vissa slutsatser om vädrets påverkan på producerad effekt dras då hög molnighet kan negera de fördelar solföljning ger. Resultatet av marknadsundersökningen innebar val av solpanel för installation på KTH-campus. Tvådimensionell solföljning anses inte vara relevant för konsumenter i dagsläget då det finns ett smalt utbud och den ökade produktionen inte överväger de nackdelar som de mer avancerade systemen ger. Optimeringsmodellen är konstruerad utifrån att skillnaden i solstrålning är känd vilket kan göra programmerings lösningen svår att implementera i realtid.This paper studies the optimization possibilities for solar panels from the parameter of energy production calculated based on solar radiation hitting the panel. This has been done through a model where the panels can be simulated more or less suntracking. Beyond this optimization the paper also studies the effects clouds have on the energy production by comparing the differences of beam and diffuse radiation to the different sun tracking scenarios. The paper is produced for the Energy Technology department at KTH with cause of their interest of  investing in a solar panel for experimental purposes. With the purpose of meeting this interest we performed a market analysis on the current technology with the goal of recommending a solar panel to the department. The results from the optimization were produced theoretically through a model that was constructed in MATLAB. Results from the market analysis came from mail contact with a number of suppliers and through a literature study. The simulations showed that two dimensional sun tracking was as effective as one dimensional tracking during 2019 and that they were 13 % more efficient than a stationary panel. Furthermore the results from the simulations showed a marginal gain in optimizing the panels during cloudy weather. These results were produced by first constructing a scenario during a portion of the year where the beam radiation was 0 W//m­2. During this scenario the result was a gain of 15%. When implemented during the whole year more criterias where tested and the result was around 1,7% gain. As a result of the market analysis a solar panel from the company HelioZenit AB was chosen as the primary recommendation for installation at KTH-campus. The calculations the results are based on in the paper are difficult to verify due to limited time to perform real time measurements for comparison. Furthermore the fact that the model only utilizes data from a single year makes it hard to draw conclusions. A possible development could be to test the model over a decade for more reliable results. Though some conclusions about the weather's effect on the produced energy can be drawn since cloudiness can negate the benefits of sun tracking. The results from the market analysis were used for deciding what solar tracker to recommend for installation on KTH-campus. Two-dimensional solar tracking are not viable for the consumer in the current time due to the low supply on the market and small return in relation to higher costs. The optimization model is constructed on known differences in magnitude of solar radiation, this means that the solution that was used in the programing might be hard to implement in real time

A study on solar panels : Market research and an optimization model on solar panels today. Based on solar tracking and cloudiness.

I detta arbete har optimeringsmöjligheterna för solpaneler undersökt, utifrån parametern energiproduktion beräknad med hjälp av infallen solstrålning. Detta genomfördes genom en modell där panelen kan simuleras mer eller mindre solföljande. Utöver denna optimering har även effekten av molnighet undersökts genom att jämföra direkt- och diffus solstrålning med olika metoder av solföljning. Arbete är gjort för institutionen för Energiteknik på KTH med anledning av deras intresse av att införskaffa en solpanel för experimentella syften. För att möta detta intresse har även en marknadsundersökning på rådande teknik genomförts med mål att rekommendera en solpanel till institutionen. Resultatet för optimeringen togs teoretiskt fram genom en modell som konstruerades i MATLAB. Marknadsundersökningens resultat togs fram genom mailkontakt med ett antal leverantörer och en litteraturstudie. Simuleringarna visade på att tvådimensionell solföljning var lika effektiv som endimensionell under året 2019 och att dessa var 13% effektivare än det stationära alternativet. Vidare visade resultaten från simuleringarna att det finns en marginell vinning i att optimera panelerna vid molniga förhållande. Dels genom ett konstruerat scenario där timmarna valdes till en period då den direkta solstrålningen var 0 W/m­2, vid detta scenario visade optimeringen att det finns 15% energi att hämta. För hela året användes flera scenarion vid optimeringen och det resultatet blev cirka 1,7% mer energi med hjälp av optimeringen. Som resultat av marknadsundersökningen valdes en solföljare från företaget HelioZenit AB som främsta rekommendation för installation på KTH-campus. De beräkningar som ligger till grund för resultatet i studien är svåra att verifiera  då det på grund av tidsbrist inte fanns tid att genomföra praktiska mätningar för jämförelse med simuleringarna. Även faktumet att modellen enbar prövas över ett år att slutsatser blir svåra att dra. En möjlig vidareutveckling skulle vara att testa modellen över ett decennium för tillförlitligare svar. Dock kan vissa slutsatser om vädrets påverkan på producerad effekt dras då hög molnighet kan negera de fördelar solföljning ger. Resultatet av marknadsundersökningen innebar val av solpanel för installation på KTH-campus. Tvådimensionell solföljning anses inte vara relevant för konsumenter i dagsläget då det finns ett smalt utbud och den ökade produktionen inte överväger de nackdelar som de mer avancerade systemen ger. Optimeringsmodellen är konstruerad utifrån att skillnaden i solstrålning är känd vilket kan göra programmerings lösningen svår att implementera i realtid.This paper studies the optimization possibilities for solar panels from the parameter of energy production calculated based on solar radiation hitting the panel. This has been done through a model where the panels can be simulated more or less suntracking. Beyond this optimization the paper also studies the effects clouds have on the energy production by comparing the differences of beam and diffuse radiation to the different sun tracking scenarios. The paper is produced for the Energy Technology department at KTH with cause of their interest of  investing in a solar panel for experimental purposes. With the purpose of meeting this interest we performed a market analysis on the current technology with the goal of recommending a solar panel to the department. The results from the optimization were produced theoretically through a model that was constructed in MATLAB. Results from the market analysis came from mail contact with a number of suppliers and through a literature study. The simulations showed that two dimensional sun tracking was as effective as one dimensional tracking during 2019 and that they were 13 % more efficient than a stationary panel. Furthermore the results from the simulations showed a marginal gain in optimizing the panels during cloudy weather. These results were produced by first constructing a scenario during a portion of the year where the beam radiation was 0 W//m­2. During this scenario the result was a gain of 15%. When implemented during the whole year more criterias where tested and the result was around 1,7% gain. As a result of the market analysis a solar panel from the company HelioZenit AB was chosen as the primary recommendation for installation at KTH-campus. The calculations the results are based on in the paper are difficult to verify due to limited time to perform real time measurements for comparison. Furthermore the fact that the model only utilizes data from a single year makes it hard to draw conclusions. A possible development could be to test the model over a decade for more reliable results. Though some conclusions about the weather's effect on the produced energy can be drawn since cloudiness can negate the benefits of sun tracking. The results from the market analysis were used for deciding what solar tracker to recommend for installation on KTH-campus. Two-dimensional solar tracking are not viable for the consumer in the current time due to the low supply on the market and small return in relation to higher costs. The optimization model is constructed on known differences in magnitude of solar radiation, this means that the solution that was used in the programing might be hard to implement in real time

A study on solar panels : Market research and an optimization model on solar panels today. Based on solar tracking and cloudiness.

I detta arbete har optimeringsmöjligheterna för solpaneler undersökt, utifrån parametern energiproduktion beräknad med hjälp av infallen solstrålning. Detta genomfördes genom en modell där panelen kan simuleras mer eller mindre solföljande. Utöver denna optimering har även effekten av molnighet undersökts genom att jämföra direkt- och diffus solstrålning med olika metoder av solföljning. Arbete är gjort för institutionen för Energiteknik på KTH med anledning av deras intresse av att införskaffa en solpanel för experimentella syften. För att möta detta intresse har även en marknadsundersökning på rådande teknik genomförts med mål att rekommendera en solpanel till institutionen. Resultatet för optimeringen togs teoretiskt fram genom en modell som konstruerades i MATLAB. Marknadsundersökningens resultat togs fram genom mailkontakt med ett antal leverantörer och en litteraturstudie. Simuleringarna visade på att tvådimensionell solföljning var lika effektiv som endimensionell under året 2019 och att dessa var 13% effektivare än det stationära alternativet. Vidare visade resultaten från simuleringarna att det finns en marginell vinning i att optimera panelerna vid molniga förhållande. Dels genom ett konstruerat scenario där timmarna valdes till en period då den direkta solstrålningen var 0 W/m­2, vid detta scenario visade optimeringen att det finns 15% energi att hämta. För hela året användes flera scenarion vid optimeringen och det resultatet blev cirka 1,7% mer energi med hjälp av optimeringen. Som resultat av marknadsundersökningen valdes en solföljare från företaget HelioZenit AB som främsta rekommendation för installation på KTH-campus. De beräkningar som ligger till grund för resultatet i studien är svåra att verifiera  då det på grund av tidsbrist inte fanns tid att genomföra praktiska mätningar för jämförelse med simuleringarna. Även faktumet att modellen enbar prövas över ett år att slutsatser blir svåra att dra. En möjlig vidareutveckling skulle vara att testa modellen över ett decennium för tillförlitligare svar. Dock kan vissa slutsatser om vädrets påverkan på producerad effekt dras då hög molnighet kan negera de fördelar solföljning ger. Resultatet av marknadsundersökningen innebar val av solpanel för installation på KTH-campus. Tvådimensionell solföljning anses inte vara relevant för konsumenter i dagsläget då det finns ett smalt utbud och den ökade produktionen inte överväger de nackdelar som de mer avancerade systemen ger. Optimeringsmodellen är konstruerad utifrån att skillnaden i solstrålning är känd vilket kan göra programmerings lösningen svår att implementera i realtid.This paper studies the optimization possibilities for solar panels from the parameter of energy production calculated based on solar radiation hitting the panel. This has been done through a model where the panels can be simulated more or less suntracking. Beyond this optimization the paper also studies the effects clouds have on the energy production by comparing the differences of beam and diffuse radiation to the different sun tracking scenarios. The paper is produced for the Energy Technology department at KTH with cause of their interest of  investing in a solar panel for experimental purposes. With the purpose of meeting this interest we performed a market analysis on the current technology with the goal of recommending a solar panel to the department. The results from the optimization were produced theoretically through a model that was constructed in MATLAB. Results from the market analysis came from mail contact with a number of suppliers and through a literature study. The simulations showed that two dimensional sun tracking was as effective as one dimensional tracking during 2019 and that they were 13 % more efficient than a stationary panel. Furthermore the results from the simulations showed a marginal gain in optimizing the panels during cloudy weather. These results were produced by first constructing a scenario during a portion of the year where the beam radiation was 0 W//m­2. During this scenario the result was a gain of 15%. When implemented during the whole year more criterias where tested and the result was around 1,7% gain. As a result of the market analysis a solar panel from the company HelioZenit AB was chosen as the primary recommendation for installation at KTH-campus. The calculations the results are based on in the paper are difficult to verify due to limited time to perform real time measurements for comparison. Furthermore the fact that the model only utilizes data from a single year makes it hard to draw conclusions. A possible development could be to test the model over a decade for more reliable results. Though some conclusions about the weather's effect on the produced energy can be drawn since cloudiness can negate the benefits of sun tracking. The results from the market analysis were used for deciding what solar tracker to recommend for installation on KTH-campus. Two-dimensional solar tracking are not viable for the consumer in the current time due to the low supply on the market and small return in relation to higher costs. The optimization model is constructed on known differences in magnitude of solar radiation, this means that the solution that was used in the programing might be hard to implement in real time