Fossil fuel depletion, economic development, urban expansion and climate change present tough challenges to municipal- and regional-scale energy systems. Regional energy system planning, including waste treatment, renewable energy supply, energy efficiency, and climate change, are considered essential to meet these challenges and move toward a sustainable society. This thesis includes studies on energy system from municipal waste, potential for a fossil fuel-independent regional energy system with increased renewable energy products using waste as one of energy sources, and the performance of biomass-fired combined heat and power (CHP) plants. A top-down method is adopted to organize the studies, from national waste-to-energy (WtE) scenarios to individual energy plants. The first study considers the overall potential contribution of WtE to energy supply and greenhouse gas (GHG) emissions mitigation in Sweden until 2050 under several different scenarios. Depending on WtE scenario considered, the study shows that WtE can supply energy between 38 and 186 TWh and mitigate between CO2 of 1 and 12 Mt per year by 2050 based on the baseline of year 2010. At a regional level, static and dynamic optimization models with a focus on WtE are developed for two regions in Sweden and Finland. The former is used to investigate the possibilities of optimal positioning of new energy plants, retrofitting existing energy plants and planting energy crops. The latter case study is on regional heat and power production using biogas generated from agricultural and livestock wastes. Centralized biogas production units perform better than distributed production regarding energy and carbon balance though the net energy output is negligible. However, a significant GHG emission can be reduced compared to the present status. Retrofitting existing conventional CHP plants is another option for improving regional energy system. The study shows that integrating heat-demanded processes such as drying, bioethanol and pellet production with existing CHP plants can improve overall energy efficiency and power output, increase annual operation time and reduce production cost as well as mitigate GHG emissions.  It is recommended that building new WtE/energy plants at optimum sites, upgrading the existing energy plants, expanding the agricultural/forestry waste/residues output (biomass) and planting more energy crops shall be taken into considerations for the future regional energy systems. / Utarmning av fossila bränslekällor, ekonomisk utveckling, städernas utbredning och klimatförändring är svåra utmaningar för kommunala- och regionala energisystem. Planering av det regionala energisystemet, inklusive avfallshantering, förnyelsebara energikällor, energieffektivisering och hänsyn till klimatförändringar, anses avgörande för att möta dessa utmaningar och gå mot ett hållbart samhälle. Denna avhandling innehåller studier av energisystem centrerad kring hushållsavfall, potentialet för fossilbränslefria regionala energisystem som utnyttjar ökad andel förnyelsebara energiprodukter med avfall som en energikälla och prestandautvärdering av ett biomassa-eldat kraftvärmeverk. Studierna har organiserats efter storlek på system, från nationella avfall-till-energi scenarier till enskilda kraftverk.   Den första studien behandlar övergripande möjligheten att genom avfall-till-energi bidra till energiförsörjningen och begränsa utsläppet av växthusgaser i Sverige till 2050 under flera olika scenarier. Beroendet på avfall-till-energiscenario visar studien att genom att utnyttja avfall kan mellan 38 och 186 TWh energi levereras och dessutom kan koldioxidutsläppen reduceras med 1-12 miljoner ton till år 2050 med 2010 som basår.   På den regionala nivån, statiska och dynamiska optimeringsmodeller, med fokus på avfall-till-energi, är utvecklats för två regioner, en i Sverige och en i Finland. Det första modellen används för hitta den optimala placeringen av nya energianläggningar, anpassning av befintliga anläggningar och placering av odlingar av energigrödor. Den senare ingår i en fallstudie av den regionala kraft- och värmeproduktionen genom utnyttjande av biogas producerad från jordbruksavfall och djurgödsel. Centraliserade biogasanläggningar presterar bättre än decentraliserad anläggningar när det gäller energi – och kolbalanser även om i båda fallen så är skillnaden mellan konsumerad mängd bränsle, värme och el och producerad värme och el försumbar. Däremot kan en betydande mängd av växthusgasutsläppet i båda fallen undvikas jämfört med nuläget.   Anpassning av befintliga konventionella kraftvärmeverk är ett annat alternativ för att förbättra det regionala energisystemet. Studien visar att genom att integrera värmekrävande processer såsom torkning, bioetanol- och pelletsproduktion med befintliga kraftvärmeverk kan den totala energieffektiviten och uteffekten förbättras, öka den årliga drifftiden och minska produktionskostnaderna och utsläppen av växthusgaser.   Rekommendationen är att för de framtida regionala energisystemen överväga att bygga nya avfall-till-energianläggningar med optimal placering, uppgradera befintliga energianläggningar utöka insamlandet av avfall/restprodukter från jord- och skogbruk och plantera mer energigrödor.

The ISO 50001 standard on energy management systems was released in 2011 with the aim of providing organizations with a standardised guideline for the evaluation and continual improvement of energy performance. Complex structures such as the waste to energy (WTE) sector, which must comply with social, environmental, economic and productivity objectives, can benefit from the development of a compliant energy management system (EnMS). Energy efficiency and energy savings contribute to the mitigation of the heavy cost of such a facility, while the benchmark analysis allows verifying the state of the system and the potential areas for improvement. The energy performance improvements can be valorised on an environmental base, and proper promotion of the process can contribute to the mitigation of social opposition. This thesis reviews the energy performance of a waste to energy facility located in Lecco, Italy, using the information available from the control system already installed in the company. Regression analysis is used to fit linear and polynomial functional forms to the energy consumption data and create the energy baseline for the areas of significant energy use and production with a predictive power of 59 – 92%. The difference among the baseline and the actual energy consumption is proposed as energy performance indicator, in order to appreciate the results of the improvement opportunities, and a set of key performance indicators are evaluated for internal and external benchmarking of the facility. The economic feasibility of a selection of sectorial Best Available Technologies (BATs) and the related energy performance improvement is evaluated, revealing that 2 – 16 M€ can be invested in the system retrofit; the creation of synergies with the facility heating, cooling and electricity demand is also suggested. Lastly, an energy, economic and environmental analysis is suggested as a ranking system for the identified improvement opportunities. The methodology and results of this study are intended to provide a proper energy review for Silea Spa, suggest a review procedure for other WTE facilities willing to develop a compliant EnMS and enrich the literature with a case study on WTE. For the Italian context, which is currently facing difficulties in the modernization of the waste management system (WMS), the ISO 50001 application on WTE facilities offers a unified structure that can be used by the government to map the current status of each facility and develop the legislative framework in accordance to the needs of the WMS, the circular economy and the public opinion. / ISO 50001-standarden för energihanteringssystem släpptes 2011 för att ge organisationer en standardiserad riktlinje för utvärdering och kontinuerlig förbättring av energiprestanda. Komplexa strukturer som sektorn för avfall till energi (WTE), som måste uppfylla målen socialt, miljömässigt, ekonomiskt och produktivt, kan dra nytta av utvecklingen av ett kompatibelt energihanteringssystem (EnMS). Energieffektivitet och energibesparingar bidrar till att mildra den stora kostnaden för en sådan anläggning, medan jämförelseanalysen gör det möjligt att verifiera systemets tillstånd och de potentiella förbättringsområdena. Förbättringen av energiprestanda kan värderas på en miljöbas, och en korrekt främjande av processen kan bidra till att mildra social opposition. Denna avhandling granskar energiprestanda för ett slöseri till en energianläggning i Lecco, Italien, med hjälp av den information som finns tillgänglig från det styrsystem som redan är installerat i företaget. Regressionsanalys används för att passa linjära och polynomiska funktionsformer till energiförbrukningsdata och skapa energigrundnivå för områdena med betydande energianvändning och produktion med en prediktiv effekt på 59-92%. Skillnaden mellan baslinjen och den faktiska energiförbrukningen föreslås som indikator för energiprestanda för att uppskatta resultaten av förbättringsmöjligheterna och en uppsättning nyckelresultatindikatorer utvärderas för intern och extern riktmärkning av anläggningen. Den ekonomiska möjligheten för ett urval av sektorns bästa tillgängliga teknik (BAT) och den därmed sammanhängande förbättringen av energieffektiviteten utvärderas, vilket visar att 2 - 16 miljoner euro kan investeras i systemets eftermontering. skapandet av synergier med anläggningens uppvärmning, kylning och el efterfrågan föreslås också. Slutligen föreslås en energi-, ekonomisk och miljöanalys som ett rankningssystem för de identifierade förbättringsmöjligheterna. Metoden och resultaten av denna studie är avsedda att ge en ordentlig energianalyse för Silea Spa, föreslå ett granskningsförfarande för andra WTE-anläggningar som är villiga att utveckla en kompatibel ENMS och berika litteraturen med en fallstudie om WTE. För det italienska sammanhanget, som för närvarande står inför svårigheter i moderniseringen av avfallshanteringssystemet (WMS), erbjuder ISO 50001-tillämpningen på WTE-anläggningar en enhetlig struktur som kan användas av regeringen för att kartlägga nuvarande status för varje anläggning och utveckla den rättsliga ramen i enlighet med WMS, den cirkulära ekonomins och den allmänna opinionens behov.

Det pågår en ökande trend i världen där fler flyttar in i tätorter. Det påverkar tätorterna i många dimensioner och en av dessa är den kommunala avfallshanteringen. När fler flyttar in mot städerna så blir det en påtryckning på befintlig hantering och är den dessutom bristfällig blir situation snabbt försämrad. Avfallshanteringen är ett känsligt område då det kan påverka människors hälsa och välmående. I utvecklingsländer är det allt för vanligt att lägga sitt avfall på öppna deponier eller låta avfallet ligga kvar längs gatorna. Detta avger farliga bakterier som ger smittsamma sjukdomar samt att tungmetaller tar sig ner i grundvattnet. FN förutspår att ungefär hälften av Afrikas befolkning kommer bo i tätorter till 2030. Denna studie handlar om avfallshanteringen i Burundi. Burundi är ett av Afrikas mest tätbefolkade länder och majoriteten lever i extrem fattigdom. Studien undersöker möjligheten för den största staden, Bujumbura, att energi återvinna sitt kommunala avfall i ett kraftvärmeverk. Det skulle vara en lösning på avfallsproblematiken samt generera el till staden. Bujumbura har idag (2022) en nästintill obefintlig avfallshantering och detta skulle vara en gynnsam lösning. I Bujumbura slängs approximativt 450 tusen ton avfall vilket har ett energiinnehåll på 5,3 PJ. Studien visar att potential för ett kraftvärmeverk med effekt på cirka 150 MW som kan omvandlas till 0,4 TWh el. Syftet med studien är att undersöka om Bujumbura kan förbättra sin avfallshantering och om det skulle vara möjligt för staden att förbränna sitt avfall i ett kraftvärmeverk. För att få underlag till vår studie har vi gjort en litteraturstudie, haft möten med berörda chefer i Bujumbura samt studiebesök på deponi och ställverk i Bujumbura. Resultatet visar att det finns möjligheter för Bujumbura att etablera ett kraftvärmeverk. För att detta ska kunna ske måste kommunen göra en omfattande satsning på hantering av avfall. / There is an ongoing trend in the world where more people are moving to urban areas. It affects in several dimensions and one of which is the municipal solid waste management. When more people move to the cities, there is a pressure on existing management and if also deficient, the situation quickly deteriorates. Waste management is a sensitive subject because it can affect people’s health and their wellbeing. In developing countries, it is common to put waste in open-air landfills. This releases dangerous bacteria that causes infectious diseases and heavy metals get into the groundwater. UN predicts that about half of Africa´s population will live in urban areas by 2030. The aim of this study is to minimize the environmental impact of municipal solid waste by establishing a combined heat and power plant in Bujumbura, Burundi, to generate electricity and heat from municipal solid waste for the city of Bujumbura as a solution to waste management challenges. Annually 450-thousand-ton waste with energy value of 5,3 PJ lays on open-air landfills. The study shows the potential for a power plant with a capacity of 150 MW. The CHP plant could generate approximately 0,4 TWh of electricity annually. This will reduce the development of unsorted waste that is otherwise dumped in open landfills. The electricity produced will be sold to the power grid to generate revenue. Furthermore, it will improve the management of solid waste and other departments who work for the development of sustainable environmental management for Bujumbura. For our study we have done a literature study, had meetings with relevant managers in Bujumbura and study visits to landfills and switchgears in Bujumbura. The results show that there are opportunities for Bujumbura to establish a combined heat and power plant. For this to happen, the municipality must make a comprehensive investment in waste management.