Emerging technologies for climate-neutral urban areas [Elektronisk resurs] An Industrial Ecology perspective

• The ever-increasing concentration of human activity in urban areas induces environmental problems beyond their boundaries on scales ranging from local to regional to global, such as resource depletion, land degradation, air and water pollution and climate change. Human-induced climate change is widely acknowledged as one of the greatest sustainability challenges of the present century and it is inextricably linked to urbanization. As a response to climate change, urban areas around the world have committed to reach climate neutrality within the next decades. In this context, the deployment of new technologies can have a key role in achieving carbon neutrality in urban areas. As new technologies emerge, it is essential to assess their environmental performance considering the broader systems context in order to ensure that they can indeed contribute to achieving climate neutrality without compromising environmental sustainability. This thesis aims is to provide insight on the environmental performance of emerging technologies that can be deployed in urban areas in order to contribute to achieving climate neutrality. The two technologies in focus are grid-connected solar microgrids and biochar-based systems for treatment of biomass waste and remediation of contaminated soil. The methods applied to conduct the environmental assessments and fulfil the aim of the thesis are: case studies, Life Cycle Assessment (LCA), Material and Energy Flow Analysis and Substance Flow Analysis. Moreover, as part of the research efforts, a spreadsheet model based on LCA data was developed. The assessment of the solar microgrid highlighted the importance of using explicit spatial and temporal boundaries when analyzing the environmental performance of energy systems, as it can increase the accuracy of the results. It also revealed that the choice of modeling approach can influence the results of the assessment, which motivates the application of different methodological approaches. Within this context, the assessment showed that in a short-term perspective the integration of a grid-connected urban solar microgrid into the Swedish electricity grid would not contribute to climate change mitigation, as solar electricity from the microgrid would displace grid electricity with lower carbon intensity. The assessment also indicated that operational and structural changes in the microgrid could reduce its climate change impact, albeit not to the extent to generate GHG emission abatements. The assessment of the biochar-based systems showed that these systems have many environmental benefits compared to incineration of waste and landfilling of contaminated soil. They have great potential to contribute to achieving climate neutrality, as they can provide net negative GHG emissions, owing mainly to carbon sequestration in the biochar. Between the two biochar-based systems, a system for on-site remediation can provide additional environmental benefits, as it can lead to more efficient use of resources. However, these systems also entail environmental trade-offs due to increased consumption of auxiliary electricity, while the extent of ecological and human health risks associated with the reuse of biochar-remediated soils is for the moment unknown. 
• Den ständigt ökande koncentrationen av mänsklig aktivitet i urbana områden orsakar miljöproblem utanför deras gränser på skalor som sträcker sig från lokal till regional till global, såsom utarmning av resurser, markförstöring, luft- och vattenföroreningar och klimatförändring. Mänskligt driven klimatförändring är allmänt erkänd som en av de största hållbarhetsutmaningarna under nuvarande seklet och den är nära kopplad till urbanisering. Som ett svar på klimatförändringen har urbana områden runt om i världen åtagit sig att nå klimatneutralitet inom de närmaste decennierna. I detta sammanhang kommer införandet av ny teknik ha en nyckelroll för att uppnå klimatneutralitet i stadsområden. När ny teknik dyker upp är det viktigt att bedöma dess miljöprestanda med hänsyn till den bredare systemkontexten för att säkerställa att tekniken verkligen kan bidra till att uppnå klimatneutralitet utan att kompromissa med miljömässig hållbarhet. Denna avhandling syftar till att ge insikt om miljöprestanda för framväxande teknik som kan användas i urbana områden för att bidra till att uppnå klimatneutralitet. De två teknikerna i fokus är nätanslutna solmikronät och biokolbaserade system för behandling av biomassavfall och sanering av förorenad mark. Metoderna för att genomföra miljöbedömningarna och uppfylla avhandlingens syfte är: fallstudier, livscykelanalys (LCA), material- och energiflödesanalys och substansflödesanalys. Som en del av forskningsinsatserna utvecklades dessutom en kalkylmodell baserad på LCA-data. Analysen av solmikronätet visade att det är viktigt att använda explicita rums- och tidsgränser vid analys av energisystemens miljöprestanda, eftersom det kan öka resultatens noggrannhet. Analysen visade också att valet av modelleringsmetod kan påverka resultatet, vilket motiverar en användning  av flera olika metoder. Inom detta sammanhang visade bedömningen att i ett kortsiktigt perspektiv skulle integrationen av ett nätanslutet urbant solmikronät i det svenska elnätet inte bidra till att begränsa klimatförändringen, eftersom solenergi från mikronätet skulle ersätta el med lägre klimatpåverkan. Bedömningen indikerade också att operativa och strukturella förändringar i mikronätet kunde minska mikronätets klimatförändrings påverkan, om än inte i sådan utsträckning att det skulle ge växthusgasutsläppsbesparingar. Bedömningen av de biokolbaserade systemen visade att dessa system har många miljöfördelar jämfört med förbränning av avfall och deponering av förorenad mark. De har stor potential att bidra till att uppnå klimatneutralitet, eftersom de kan ge nettonegativa utsläpp av växthusgaser, främst på grund av kolbindning i biokol. Vi jämförelse av de två biokolbaserade systemen så kan ett system för sanering på plats ge ytterligare miljöfördelar, eftersom det kan leda till en mer effektiv resursanvändning. Dessa system medför emellertid också miljöavvägningar på grund av ökad förbrukning av elektricitet, medan omfattningen av ekologiska och människors hälsorisker förknippade med återanvändning av biokolbehandlad jord ännu är okända. 

Ämnesord

Engineering and Technology  (ssif)

Environmental Engineering  (ssif)

Teknik  (ssif)

Naturresursteknik  (ssif)

Industriell ekologi  (kth)

Industrial Ecology  (kth)

Genre

government publication  (marcgt)

Indexterm och SAB-rubrik

Urban areas

climate neutrality

solar microgrid

biochar

Life Cycle Assessment

Material and Energy Flow Analysis

Substance Flow Analysis

Urbana områden

klimatneutralitet

solmikronät

biokol

livscykelanalys

material- och energiflödesanalys

substansflödesanalyss