Since the 1980s the municipality of Växjö in Southern Sweden has been increasingly focusing on using wood to produce energy for the region. A permanent and sustainable supply of wood material is therefore indispensable. The main source for this wood fuel is harvested wood from forests which can be used as energy, so-called forest fuel. The objective of this research is to develop a model to estimate a sustainable potential of forest fuel supply until the year 2050 for the municipality using a geographic information system (GIS). The model overall follows a top-down approach that consists of three sequential modeling steps which are generally applicable for biomass potential estimations: a theoretical, technical and the reduced technical potential. For input data the model uses georeferenced forest data (called kNN-Sweden) and topographic data about the study area to describe and narrow down the forest fuel potential by setting numerical or topographic (spatial) parameters for each modeling step. In this report forest data from 2005 has been used, which was obtained shortly before the storm ‘Gudrun’ hit and damaged great parts of the Swedish forest landscape. This factor might have resulted in slightly misleading estimated numerical modeling results concerning the actual future forest fuel supplies, but is not related to the overall layout of the model. The results show that the municipality of Växjö should be able to satisfy its demand for energy wood from harvested forest wood alone until around the year 2035, but might have shortages after that year until 2050 (and possibly beyond that). This thesis concludes that for the next 40 years the municipality of Växjö should not only rely on its annually available forest fuel capacity, but instead, different wood resources, such as recycled wood from constructions or furniture, have to be utilized or forest wood from years with surplus supply have to be stored for future tighter years. For more accurate results the modeling steps should be repeated with more recent forest data. The report also concludes that the estimation of the forest fuel potential in this study still lacks accuracy and that it is advised to treat the estimated numerical modeling results with caution. There’s still room for further improvement, and therefore possible error sources and suggestions for future work are listed. / North Sea Sustainable Energy Planning

Biobränsle är viktigt för vår gröna omställning då det ger möjlighet att ersätta fossilt bränsle med förnyelsebart. Det finns en stor potential för att ökat uttag av grot, som är en form av biobränsle, i det svenska skogsbruket. I skogsbranschen har ett ökat fokus på minskade markskador förändrat skördarförarnas arbetssätt. Ris används i större omfattning till markförstärkning, vilket påverkar uttag av grot negativt. Anledning till att grot lämnas kvar på hugget kan vara både påverkbart och ej påverkbart. Genom att intervjua en fokusgrupp visar resultatet att en anledning till minskat uttag är att det inte i något beslutsled får någon konsekvens eller blir ifrågasatt om uttaget av grot inte blir som planerats. Det innebär att en stor mängd förnyelsebar energi i form av grot lämnas kvar i skogen.

Forest fuels can be recovered, stored and handled in several ways and these different ways have different implications for CO2 emissions. In this thesis, comparative analyses were made on different forest-fuel systems. The analyses focused on the recovery and transport systems. Costs, primary energy use, CO2 emissions, storage losses and work environment associated with the use of forest fuel for energy were examined by using systems analysis methodology in a life cycle perspective. The bundle system showed less dry-matter losses and lower costs than the chip system. The difference was mainly due to more efficient forwarding, hauling and large-scale chipping. The potential of allergic reactions by workers did not differ significantly between the systems. In difficult terrain types, the loose material and roadside bundling systems become as economical as the clearcut bundle system. The stump and small roundwood systems showed the greatest increase in costs when the availability of forest fuel decreased. Stumps required the greatest increase in primary energy use. Forest fuels are a limited resource. A key factor is the amount of biomass recovered per hectare. Combined recovery of logging residues, stumps and small roundwood from thinnings from the same forest area give a high potential of reduced net CO2 emissions per hectare of forest land. Compensation fertilization becomes more cost-effective and the primary energy use for ash spreading becomes low – about 0,25‰. The total amount of available forest fuel in Sweden is 66 TWh per year. This would cost 1 billion €2007 to recover and would avoid 6.9 Mtonne carbon if fossil coal were replaced. In southern Sweden almost all forest fuel is obtainable in high-concentration areas where it is easy to recover. When determining potential CO2 emissions avoidance, the transportation distance was found to be less important than the other factors considered in this work. The type of transportation system did not have a significant influence over the CO2 avoided per hectare of forest land. The most important factor analysed here was the type of fossil fuel (coal, oil or natural gas) replaced together with the net amount of biomass recovered per hectare of forest land. Large-scale, long-distance transportation of biofuels from central Sweden has the potential to be cost-effective and also attractive in terms of CO2 emissions. A bundle recovery system meant that more biomass per hectare could be delivered to end-users than a pellet system due to conversion losses when producing pellets.

Forest fuel is an important source of energy with potential for increased use in the Nordic countries. Profitable forest operations are dependent on logistics as the forest is a natural resource with varying conditions over widespread areas. In comparison to saw log and pulp wood supply, forest fuel supply has to face challenges like low product value, seasonality and irregularity of customer demand, low bulk density and the need to process the biomass prior to delivery. In order to utilize both the economic potential and societal benefits from replacing fossil-based fuels with renewable forest fuels these challenges must be managed. This requires efficient long distance transports, with changes of transport mode typically required. This thesis examines preconditions necessary for logistic planning to achieve cost and energy efficient long distance transports within supply chains for forest fuel. The thesis has an explorative approach, including both qualitative and quantitative techniques. Paper I provides a review of the development within forestry logistics in Sweden and Finland since the beginning of the century, with focus on transports, terminal usage and storage related aspects. Paper II uses qualitative interviews to deepen the understanding of a specific forest fuel supply chain by focusing on communications and relations between the actors. Paper III is a study of  the influence of a terminal before maritime transport of wood chips using simulation.  Paper I shows that forestry logistics faces challenges, primarily related to increased variations in field conditions caused by climate change. The importance of terminal storage for the supply of forest products will likely increase as an effect. Also the entrepreneurs interviewed in Paper II stressed the benefits of terminals in the supply chain, e.g. enhanced planning opportunities and a more even workflow over the year. Paper III puts cost for extra terminal handling in relation to storage costs in a port and demonstrates the importance of including variation in logistic planning. The terminal flows were not profitable in the case of a small port. In order to make a well-founded decision gains in other parts of the supply chain must also be considered, even when they are harder to quantify. This deserves attention in future research. / Skogsbränsle är en viktig energikälla i de nordiska länderna och det finns potential att öka användningen. Ett lönsamt skogsbruk är beroende av god logistik då skogen är en naturresurs som är spridd över stora arealer och där förutsättningarna varierar i landet. Utöver de utmaningar som påverkar försörjningskedjorna för timmer och massaved måste skogsbränslesektorn förhålla sig till ett lågt produktvärde, stor säsongsvariation på efterfrågesidan, låg bulkdensitet och behov av sönderdelning inför transport. För att realisera de samhällsnyttor och den ekonomiska potential som finns i att ersätta fossila bränslen med förnybara måste dessa utmaningar hanteras. Det förutsätter effektiva transporter på längre avstånd, vilket normalt kräver byte av transportslag.  Avhandlingen studerar vilka förutsättningar som är viktiga för att skapa kostnads- och energieffektiva transporter över långa avstånd, avseende skogsbränsle. Den har ett explorativt angreppssätt och inkluderar både kvalitativa och kvantitativa metoder. Artikel I beskriver utvecklingen inom skoglig logistik i Sverige och Finland sedan år 2000. Bland fokusområdena finns transporter, terminalanvändning och aspekter kring lagring. Artikel II syftar till att fördjupa förståelsen kring en specifik försörjningskedja för skogsbränslen genom en intervjustudie. I fokus är kommunikation och relationer mellan aktörerna i kedjan. I artikel III används en simuleringsmodell för att undersöka hur införandet av en terminal påverkar logistiken vid fartygsleveranser av flisat skogsbränsle. Artikel I visar att den skogliga logistiken står inför utmaningar relaterade till ökande variationer i väderförhållanden som en följd av klimatförändringar. Som en konsekvens kommer möjligheten att lagra material på terminaler sannolikt öka i betydelse. Också i Artikel II lyfts vikten av terminallagring av de intervjuade entreprenörerna, som nämner ökade planeringsmöjligheter och ett jämnare arbetsflöde över året som fördelar med terminaler. Artikel III jämför kostnader för terminalhantering med kostnaderna för lagring i hamn och demonstrerar vikten av att inkludera variation i logistikplaneringen. Terminalflödena var inte lönsamma i fallet med en mindre hamn, men övriga studier tydliggör vikten av att inkludera effekter för hela försörjningskedjan, också när dessa är svåra att kvantifiera. Detta område förtjänar uppmärksamhet i framtida forskning.

Wood products play a key role in the transformation to a more sustainable society based on renewable bio-based resources, together with the positive effects on climate mitigation by replacing fossil fuels. However, to increase the use of forest fuel in practice it is important to understand the effects of handling and storage on its quality and removal of nutrients from the forest. This thesis addresses these effects with special focus on a comparative evaluation of the traditional dried-stacked with “new” and to some extent more controversial fresh-stacked methods for extraction of logging residues from Norway spruce (Picea abies (L.) Karst). The results indicate that a normal extraction of logging residues will leave at least 20% of logging residues at the clear-felled area, in accordance with Swedish Forest Agency recommendations. However, the results also indicate that the ambition of the dried-stacked method to leave the majority of the needles well spread over the clear-felled area does not meet these recommendations. In fact, the harvesting operation is more important than the extraction method, with respect to how much logging residues (nutrients) being left in the forest. The results also show that the quality of fuel yielded by the two handling methods differs only to minor extent, indicating that other factors have stronger effects, where “dried-stacked” and “fresh-stacked” logging residues from different clear-felling areas is often similar. Generally, logging residues stored over summer (regardless method), seem to provide sufficiently dry forest fuel, with a needle content of about 5–10%. There is a clear correlation between drying and effective loss of needles from twigs, but the loss does not necessarily mean that the needles will remain in the forest.  However, needle color (green or brown) is not a strong indicator for a reduction in needle content. Acceptance of the fresh-stacked method would provide opportunities for the development of new technologies, more efficient use of machinery throughout the whole year, reduced costs, shorter lead times and increased amounts of logging residues extracted from each clear-felled area. This is mainly because it would enable extraction at optimal times from a logistical, financial and/or forestry perspectives. Written in English with summary and conclusion in Swedish. / Skogen och dess produkter har en nyckelroll i omställningen till ett framtida hållbart samhälle eftersom användande av träråvara har en positiv effekt på klimatet, t.ex. genom träbyggande eller att fossila bränslen ersätts med bioenergi. Men för att kunna ta tillvara mer skogsbränsle i form av grenar och toppar (grot) från bestånd dominerade av gran (Picea abies (L.) Karst) är det viktigt att förstå hur hanteringen påverkar såväl bränslekvalitet som bortförsel av näringsämnen från skogen. Denna avhandling belyser hanteringens effekter på bränslekvalitet och näringsförluster genom att jämföra den traditionella metoden (skotning av torkad grot, ”brunrisskotning”), med den ”nya” och till viss del ifrågasatta skotningen av färsk grot (”grönrisskotning”). Resultatet visar att ett normalt grot-uttag kommer att lämna minst 20 % av groten kvar på hygget, helt i linje med Skogsstyrelsens rekommendationer. Däremot uppfylls inte rekommendationerna med avseende på att lämna merparten av barren väl spridda på hygget, detta trots att det är ambitionen med den traditionella hyggestorkningen av grot. Hur mycket grot (och således näringsämne) som lämnas kvar på hygget påverkas i själva verket mer av hur avverkningen utförs, än när groten skotas ihop. Resultatet visar också en skillnad i bränslekvalitet mellan de båda beskrivna hanteringsmetoderna. Denna skillnad är dock så liten att andra faktorer sannolikt påverkar mer än hanteringsmetoden. Hyggestorkad grot från ett enskilt hygge i södra Sverige, kan i verkligheten ofta vara ganska likt färskskotad grot från ett annat hygge. Grot som har lagrats över sommaren kan alltså förväntas ha torkat tillräckligt, samt ha en barrandel på ca 5–10 % oavsett hanteringsmetod. Det verkar också finnas ett klart samband mellan torkning och att barren släpper från kvisten, men det betyder inte nödvändigtvis att barren blir kvar i skogen. Hur som helst, barrens färg (gröna eller bruna) är inte en rättvisande indikator på avbarrning. Om skotning av färsk grot accepteras ger det möjligheter för utveckling av ny teknik, effektivare användning av maskinresurser över hela året, minskade kostnader, kortare ledtider, samt möjligt ökat grot-uttag från enskilda hyggen. Detta beror främst på att det skulle vara möjligt att utföra grot-uttaget när det passar bäst ur ett logistiskt, ekonomiskt och/eller skogligt perspektiv. Skriven på engelska, men med sammanfattning och slutsatser på svenska / <p><strong>Tidigare handledare har också varit:</strong></p><p>Thomas Thörnqvist, Professor, Linnéuniversitetet</p><p>Dick Dandberg, Professor, Linnéuniversitetet</p><p>Åsa Blom, Docent, Linnéuniversitetet</p><p><strong>Sammanläggningsavhandlingen består av totalt fyra Paper:</strong></p><p>Paper I</p><p>Nilsson, B., Blom, Å., Thörnqvist, T. 2013. The influence of two different handling methods on the moisture content and composition of logging residues. <em>Biomass and Bioenergy</em>, 52, 34–42.</p><p>Paper II</p><p>Nilsson, B., Nilsson, D., Thörnqvist, T. 2015. Distributions and losses of logging residues at clear-felled areas during extraction for bioenergy: Comparing dried- and fresh-stacked method. <em>Forests</em>, 6, 4212–4227.</p><p>Paper III</p><p>Nilsson, D., Nilsson, B., Thörnqvist, T., Bergh, J. 2016. Amount of nutrients extracted and left behind at the clear-felled area using the fresh- and dried-stacked method of logging residue extraction. Submitted to <em>Scandinavian Journal of Forest Research </em>(2016-11-01).</p><p>Paper IV</p><p>Nilsson, B., Lerman, P. 2016. Experimental study of relations between defoliation, moisture content and color change in logging residues. Department of Forestry and Wood Technology, Linnaeus University, Växjö, Sweden. <em>Manuscript</em>.</p>

[ES] Esta tesis aborda el desarrollo de métodos de procesado y análisis de datos ALSFW para la caracterización de la estructura vertical del bosque y, en particular, del sotobosque. Para responder a este objetivo general, se establecieron seis objetivos específicos: En primer lugar, se analiza la influencia de la densidad de pulso, de los parámetros de voxelización (tamaño de vóxel y valor de asignación) y de los métodos de regresión sobre los valores de las métricas ALSFW y sobre la estimación de atributos de estructura del bosque. Para ello, se redujo aleatoriamente la densidad de pulsos y se modificaron los parámetros de voxelización, obteniendo los valores de las métricas ALSFW para las diferentes combinaciones de parámetros. Estas mismas métricas ALSFW se emplearon para la estimación de atributos de la estructura del bosque mediante diferentes métodos de regresión. En segundo lugar, se integran métodos de procesado y análisis de datos ALSFW en una nueva herramienta llamada WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction) que incluye los procesos de recorte, corrección radiométrica relativa, voxelización y extracción de métricas a partir de los datos ALSFW, así como nuevas métricas descriptoras del sotobosque. En tercer lugar, se evalúa la influencia del ángulo de escaneo utilizado en la adquisición de datos ALS y la corrección radiométrica en la extracción de métricas ALSFW y en la estimación de atributos de combustibilidad forestal. Para ello, se extrajeron métricas ALSFW con y sin corrección radiométrica relativa y empleando diferentes ángulos de escaneo. En cuarto lugar, se caracteriza la oclusión de la señal a lo largo de la estructura vertical del bosque empleando y comparando tres tipos diferentes de láser escáner (ALSFW, ALSD y láser escáner terrestre: TLS, por sus siglas en inglés), determinando así sus limitaciones en la detección de material vegetativo en dos ecosistemas forestales diferenciados: el boreal y el mediterráneo. Para cuantificar la oclusión de la señal a lo largo de la estructura vertical del bosque se propone un nuevo parámetro, la tasa de reducción del pulso, basada en el porcentaje de haces láser bloqueados antes de alcanzar una posición dada. En quinto lugar, se evalúa la forma en que se detectan y determinan las clases de densidad de sotobosque mediante los diferentes tipos de ALS. Se compararon los perfiles de distribución vertical en los estratos inferiores descritos por el ALSFW y el ALSD con respecto a los descritos por el TLS, utilizando este último como referencia. Asimismo, se determinaron las clases de densidad de sotobosque aplicando la curva Lorenz y el índice Gini a partir de los perfiles de distribución vertical descritos por ALSFW y ALSD. Finalmente, se aplican y evalúan las nuevas métricas ALSFW basadas en la voxelización, utilizando como referencia los atributos extraídos a partir del TLS, para estimar la altura, la cobertura y el volumen del sotobosque en un ecosistema mediterráneo. / [EN] This thesis addresses the development of ALSFW processing and analysis methods to characterize the vertical forest structure, in particular, the understory vegetation. To answer this overarching goal, a total of six specific objectives were established: Firstly, the influence of pulse density, voxel parameters (i.e., voxel size and assignation value) and regression methods on ALSFW metric values and on estimates of forest structure attributes are analyzed. To do this, pulse density was randomly reduced and voxel parameters modified, obtaining ALSFW metric values for the different parameter combinations. These ALSFW metrics were used to estimate forest structure attributes with different regression methods. Secondly, a set of ALSFW data processing and analysis methods are integrated in a new software named WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction), including clipping, relative radiometric correction, voxelization and ALSFW metric extraction, and proposing new metrics for understory vegetation. Thirdly, the influence of the scan angle of ALS data acquisition and radiometric correction on the extraction of ALSFW metrics and on modeling forest fuel attributes is assessed. To do this, ALSFW metrics were extracted applying and without applying relative radiometric correction and using different scan angles. Fourthly, signal occlusion is characterized along the vertical forest structure using and comparing three different laser scanning configurations (ALSFW, ALSD and terrestrial laser scanning: TLS), determining their limitations in the detection of vegetative material in two contrasted forest ecosystems: boreal and Mediterranean. To quantify signal occlusion along the vertical forest structure, a new parameter based on the percentage of laser beams blocked prior to reach a given location, the rate of pulse reduction, is proposed. Fifthly, the assessment of how understory vegetation density classes are detected and determined by different ALS configurations is done. Vertical distribution profiles at the lower strata described by ALSFW and ALSD are compared with those described by TLS as reference. Moreover, understory vegetation density classes are determined by applying the Lorenz curve and Gini index from the vertical distribution profiles described by ALSFW and ALSD. Finally, the new proposed voxel-based ALSFW metrics are applied and evaluated, using TLS-based attributes as a reference, to estimate understory height, cover and volume in a Mediterranean ecosystem. / [CA] Aquesta tesi aborda el desenvolupament de mètodes de processament i anàlisi de dades ALSFW per a la caracterització de l'estructura vertical del bosc i, en particular, del sotabosc. Per a respondre a aquest objectiu general, s'establiren sis objectius específics: En primer lloc, s'analitza la influència de la densitat de pols, dels paràmetres de voxelització (grandària de vóxel i valor d'assignació) i dels mètodes de regressió sobre els valors de les mètriques ALSFW i sobre l'estimació dels atributs d'estructura del bosc. Per a això, es reduí aleatòriament la densitat de polsos i es modificaren els paràmetres de voxelització, obtenint els valors de les mètriques ALSFW per a les diferents combinacions de paràmetres. Aquestes mètriques ALSFW s'empraren per a l'estimació d'atributs de l'estructura del bosc mitjançant diferents mètodes de regressió. En segon lloc, s'integraren mètodes de processament i d'anàlisi de dades ALSFW en una nova eina anomenada WoLFeX (Waveform Lidar for Forestry eXtraction) que inclou el processos de retallada, correcció radiomètrica relativa, voxelització i extracció de mètriques a partir de les dades ALSFW, així com noves mètriques descriptores del sotabosc. En tercer lloc, s'avalua la influència de l'angle de escaneig emprat en l'adquisició de les dades ALS i la correcció radiomètrica en l'extracció de mètriques ALSFW i en l'estimació d'atributs de combustibilitat forestal. Per a això, s'extragueren mètriques ALSFW amb i sense correcció radiomètrica relativa i emprant diferents angles d'escaneig. En quart lloc, es caracteritza l'oclusió del senyal al llarg de l'estructura vertical del bosc emprant i comparant tres tipus diferents de làser escàner (ALSFW, ALSD i làser escàner terrestre: TLS, per les seues sigles en anglès), determinant així les seues limitacions en la detecció de material vegetatiu en dos ecosistemes diferenciats: un boreal i un mediterrani. Per a quantificar l'oclusió del senyal al llarg de l'estructura vertical del bosc es proposa un nou paràmetre, la taxa de reducció del pols, basada en el percentatge de rajos làser bloquejats abans d'arribar a una posició donada. En cinquè lloc, s'avalua la manera en la qual es detecten i determinen les classes de densitat de sotabosc mitjançant els diferents tipus d'ALS. Es compararen els perfils de distribució vertical en estrats inferiors descrits per l'ALSFW i l'ALSD respecte als descrits pel TLS, emprant aquest últim com a referència. A més a més, es determinaren les classes de densitat de sotabosc aplicant la corba Lorenz i l'índex Gini a partir dels perfils de distribució vertical descrits per l'ALSFW i l'ALSD. Finalment, s'apliquen i avaluen les noves mètriques ALSFW basades en la voxelització, emprant com a referència els atributs extrets a partir del TLS, per a estimar l'alçada, la cobertura i el volum del sotabosc en un ecosistema mediterrani. / Crespo Peremarch, P. (2020). Processing and analysis of airborne fullwaveform laser scanning data for the characterization of forest structure and fuel properties [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153715 / TESIS