By 2020 there will be 50 billion connected devices over the Internet. With the fast-increasing data traffic demand in both fixed and mobile networks, network operators need to migrate networks towards next generation solutions. The network migration requires the enormous investment in equipment and infrastructure, while the revenues are not expected to grow significantly. Therefore, one of the main challenges for network operators is to find out a proper cost-effective optical network solution that can match future high capacity demand and flexibly support multiple network services on a common network infrastructure. The first part of the thesis addresses the Active Optical Network (AON) and its migration strategies towards Next Generation Optical Access (NGOA) solutions. Several migration strategies are proposed from the perspective of network topology, data plane and control plane. A general methodology for Techno-Economic analysis has been developed and applied to the Total Cost of Ownership (TCO) calculation of different NGOA solutions. The thesis provides a complete cost evaluation of AON migration paths, which can be used by network operators to assess the economic feasibility of network migration. A converged Optical Transport Network (OTN) that can serve both fixed and mobile network services is beneficial from the cost-saving perspective. However, the different types of services, require different network performance. The second part of the thesis focuses on the investigation of the converged OTN that can be flexibly and timely adjusted to satisfy varying service conditions. A programmable OTN featured with Wavelength Division Multiplexing (WDM) in the data plane and Software Defined Networking (SDN) in control plane has been proposed. To demonstrate the benefits of the converged OTN, the thesis also provides a multi-domain orchestration architecture for the multiple network services.  The resource orchestration, across three network domains: OTN, mobile network and cloud, enables agile service creation and optimized resource allocation among the multiple domains. / <p>QC 20170512</p>

Abstract Climate change and global warming are currently widely discussed topics, both of which potentially impact all the nations and industries. Carbon dioxide (CO2) and other green house gases (GHG) are seen as a major challenge. This doctoral dissertation aims to conduct techno-economic calculations on the possibilities of reducing the industrial use of fossil raw materials in Northern Finland. This doctoral dissertation analyses industrial CO2 emissions from five complementary perspectives: identifying significant potential industrial plants, analysing the replacement of fossil raw materials with wood biomass, considering combining different industrial sectors, the potential of biogas as industrial raw material, and estimating the economic significance of moisture in wood fuel. The study started by analysing all the relevant 262 regional environmental permits to find the significant industrial users of synthesis gas in the studied region. Processes used by each identified case were analysed carefully to identify the most potential change possibilities. Economic calculations were conducted for these cases using true production volumes. The aim was to reach solutions that were economically sound. Five industrial sites were identified as potential cases for replacing raw materials of synthesis gas or hydrogen with renewable alternatives. These sites include the Rautaruukki steel mill, Eka Chemicals’ hydrochloric acid plant, Kemira’s formic acid plant, Kemira’s hydrogen peroxide producing plant, and Talvivaara mining’s hydrogen plant. The main implications of this dissertation include providing tips for industrial managers, regional decision makers and legislators. Managers of companies with high energy consumption and/or high usage of fossil raw materials in their products can benefit from the results of this dissertation the most. Managers should conduct similar calculations, as in this study, by using exact figures relevant to their processes and raw materials. This doctoral dissertation also suggests finding new solutions for replacing fossil raw materials by combining two different industrial sectors, e.g. steel and chemical industries. Regional decision makers may utilise the calculations presented in this doctoral dissertation when developing regional strategies. / Tiivistelmä Ilmaston muutos ja globaali lämpeneminen ovat tällä hetkellä laajasti keskusteltuja aiheita, ja ne vaikuttavat kaikkiin maihin ja kaikkiin teollisuuden aloihin. Hiilidioksidi (CO2) ja muut kasvihuonekaasut nähdään suurena haasteena. Tämä väitöskirja pyrkii teknistaloudellisten laskelmien avulla tutkimaan mahdollisuuksia vähentää fossiilisten raaka-aineiden käyttöä Pohjois-Suomen alueella. Tämä väitöskirja analysoi teollisia CO2-päästöjä viidestä toisiaan täydentävästä näkökulmasta: identifioimalla merkittäviä teollisia tuotantolaitoksia, analysoimalla fossiilisten raaka-aineiden korvaamista puubiomassalla, tutkimalla erilaisten teollisten tuotantolaitosten yhdistämistä, tutkimalla biokaasun käyttöä mahdollisena teollisuuden raaka-aineena ja arvioimalla kosteuden taloudellista merkitystä puupolttoaineessa. Tutkimus alkoi analysoimalla kaikki alueen identifioidut 262 ympäristölupaa, jotta merkittävät synteesikaasun käyttäjät tulisivat esille. Jokaisen löydetyn tapauksen tuotantoprosessit analysoitiin huolellisesti, jotta potentiaalisimmat muutosmahdollisuudet huomioitaisiin. Teknistaloudellisia laskelmia tehtiin näille tapauksille käyttämällä todellisia tuotantolukuja. Tarkoituksena oli löytää taloudellisesti kannattavia vaihtoehtoja. Viisi teollista tuotantolaitosta identifioitiin tapauksiksi, joissa synteesikaasun tai vedyn raaka-aine voitaisiin korvata uusiutuvilla raaka-ainevaihtoehdoilla. Nämä tuotantolaitokset olivat Rautaruukin terästehdas, Eka Chemicalsin kloorivetyhapon tuotantolaitos, Kemiran muurahaishappotehdas, Kemiran vetyperoksiditehdas ja Talvivaaran kaivoksen vedyn tuotantolaitos. Tärkeimmät implikaatiot tästä väitöskirjatyöstä sisältävät pohdittavia ajatuksia teollisille toimijoille, alueellisille päätösten tekijöille ja lainsäätäjille. Korkean energian kulutuksen ja/tai suurten fossiilisten raaka-ainekäyttöjen yhtiöissä päätöksentekijät voivat hyödyntää parhaiten tämän väitöskirjan tuloksia. Päätöksentekijät voisivat käyttää esimerkkeinä tämän väitöskirjan laskelmia tehdessään omia analyyseja, jolloin heidän tulisi käyttää tarkkoja lukuja yritystensä prosesseista ja raaka-ainekäytöistä. Tämä väitöskirja ehdottaa myös etsimään uusia ratkaisuja fossiilisten raaka-aineiden korvaamisessa yhdistämällä tuotannollisesti erilaisia teollisia sektoreita esimerkiksi teräksen ja kemian tuotteiden valmistuksen. Alueelliset päätösten tekijät voivat hyödyntää väitöskirjassa esitettyjä laskelmia alueellisten strategioiden kehitystyössä.

This thesis explores what Karlstad Airport needs to go 100% green. Photovoltaics are assumed to be installed at the facility and a Hydrogen Energy Storage System and Battery Energy Storage System will be evaluated to reduce peaks during charging of the planes. Different power peak limits are explored as well as different sized Energy Storage Systems and later evaluated economically. A method to find the cheapest possible system is created with some assumptions and is then used to evaluate throughout the whole dataset. In the end any of the different sized Energy Storage Systems reduces the profitability when considering each systems expected lifecycle.

There is an urgent need to mitigate carbon emissions to the atmosphere to reduce the negative effects of climate change. Countries have pledged national strategies to reach their climate change mitigation goals in their Nationally Determined Contributions (NDC). In the case of Colombia, the country envisions becoming carbon neutral by 2050.  A pathway to reach this goal is emission reduction through nature-based solutions (NBS). Biochar is an NBS with the potential to be used as a land-based emission mitigation technology. Records indicate that it was first used by indigenous communities in the Amazon about a thousand years ago. Biochar can be obtained through thermochemical conversion by slow pyrolysis of residual biomass. The original organic carbon present in the biomass is sequestered in the biochar as it is pyrolyzed and thus, CO2 emissions are prevented. Biochar is not yet considered in Colombia´s carbon neutrality strategy. The aim of this thesis project is to investigate the potential of biochar production in Colombia as a land-based mitigation technology (LMT). Therefore, a comprehensive assessment is performed with the purpose of identifying the status of biochar in the country. The motivation behind the assessment is to gain an understanding of the variables involved in biochar production. Factors such as the production sectors involved, feedstocks, production technologies, project costs and emission mitigation are of interest. The study explores these factors by following five methodological steps. First, the current research on the technology is mapped to understand biochar’s status at a national level. Second, experts are interviewed to collect their views regarding biochar and a PESTEL (Political, Economic, Social, Technological, Environmental &amp; Legal) analysis is employed based on their point of view on the technology. Third, the potential sources of residual biomass which could be used to produce biochar in the agricultural sector are quantified. The approach to biochar’s potential is enriched with a focused in-person case study of biochar production from oil palm residues. Fourth, these residual biomass sources are subsequently employed to estimate the emissions sequestered in their biochar production. Lastly, project feasibility implementation is evaluated through a techno-economic to identify the project’s main cost drivers. The results are then discussed using a SWOT (Strength, Weaknesses, and Opportunities &amp; Threats) analysis. The existing studies and the local experts’ opinion indicate that biochar potential is in the agricultural sector and that it can be thought of for soil adaptation. Biochar’s emission mitigation is considered an added value. In 2021, the agricultural sector produced near 73 million tonnes of agricultural products. The residues from agriculture could be used for biochar production. If the residues from the most produced agricultural products are transformed into biochar, about 1 to 2,2 tonne of CO2 per tonne of biochar could be avoided. The published literature and the in-person study visit confirmed that the largest advance in biochar production and use in Colombia is in the oil palm sector. Palm kernel shell, fibre and empty fruit bunches are the oil palm residues that could be used to produce biochar. From 1 tonne of these three oil palm residues, about 60 kg of biochar can be obtained. The results show that currently there is no market for trading with biochar in Colombia. High investments, transport and feedstock costs are identified obstacles. An Advanced Technology pyrolizer cost can cost around 330.000 USD while a Basic Technology one can be around 100 USD. Taxes associated with revenue from the biochar trade can negatively impact a biochar project’s feasibility. In this study, a price for biochar is estimated using break-even analysis. Under the assumptions used, the biochar price per tonne is around 200 to 1.000 USD. Price variability is explained in the technologies used for production, feedstock biomass availability and variable revenues from biochar sales. / Koldioxidutsläppen till atmosfären behöver minskas för att undvika de negativa effekterna av klimatförändringar. Olika länder har presenterat på sina nationellt fastställda bidrag (NDC) hur sina mål för begränsning av klimatförändringarna skulle kunna uppnås. I Colombia är planen att uppnå koldioxidneutralitet år 2050. Ett sätt att uppnå detta mål är att minska utsläpp genom naturbaserade lösningar (NBS). Biokol är en NBS som kan användas som landbaserade åtgärder för att minska växthusgasutsläpp eller öka koldioxidupptag. Forskning har bevisat att biokol användes i Amazonas för ungefär tusen år sedan. Biokol framställs genom långsam pyrolys av restprodukter av biomass. Kolet i biomassan binds i biokolet genom pyrolysis, vilket förhindrar koldioxidens utsläppning till atmosfären. Biokol inkluderas ännu inte i Colombias strategi för koldioxidneutralitet. Syftet med detta projekt är att undersöka biokolets produktionspotential i Colombia son ett landbaserade åtgärder (LMT). En analys gjordes för att identifiera statusen av biokol runt om i landet. Faktorer såsom berörda produktionssektorer, råvaror, produktionstekniker, projektkostnader och koldioxidutsläppen var av intresse. Studien undersöker faktorerna ovan genom att tillämpa en femstegsmetod. Först identifierades den aktuella forskningen om biokol i Colombia. Sedan intervjuades experter för att samla in deras åsikter om biokol och en PESTEL analys (Political, Economic, Social, Technological, Environmental &amp; Legal) användes. Nästa steg i metoden var att kvantifiera potentialen av restprodukter inom jordbrukssektorn. Detta steg kompletterades med en fallstudie som fokuserade på biokolproduktion från rester från oljepalmer och sedan beräknades utsläppen som binds i biokol. Till sist utvärderades projektets genomförbarhet genom en teknoekonomisk analys som identifierade viktigaste drivkrafterna bakom kostnaderna. Resultaten diskuterades med hjälp av en SWOT analys (Strength, Weaknesses, and Opportunities &amp; Threats). Experter och forskningsresultat om biokol i Colombia anger att det finns stor potential nom jordbrukssektor där biokol skulle kunna användas för jordförbättring, medan utsläppsminskningar endast anses vara en ytterligare fördel. År 2021 Colombias jordbrukssektor producerade nästan 73 millioner tonne av jordbruksprodukter och restprodukter från jordbruket kan användas för produktion av biokol. För varje ton biokol som produceras undviks ungefär 1 till 2,2 tonne koldioxid. Litteraturen och studiebesöket bekräftade att största framsteget inom produktion och användning av biokol i Colombia händer inom oljepalmssektorn. Palmkärnor, fibrer och tomma fruktknippar är restprodukterna som kan användas för att producera biokol. En ton av dessa tre typer av oljepalmsrester ger cirka 60 kg biokol. Resultaten visar att det inte finns en marknad för biokol i Colombia. Höga investeringskostnader, transport-och råvarukostnader är främsta hindarna som identifierades. En pyrolysanläggning med avancerad teknik kostar cirka 330 000 US-dollar, medan en pyrolysanläggning med grundläggande teknik kostar cirka 100 US -dollar. Skatter på inkomster från biokolsförsäljning kan ha en negativ effekt på genomförbarhet. Studien uppskattas ett pris för biokol med hjälp av en break-even-analys och visar att cirka 200 till 1.000 USD per tonne biokol vore ett möjligt prisintervall. Prisvariationerna förklaras av tekniken som används för produktion, tillgång på biomassa som råvara och varierande intäkter från biokolförsäljning.

The transportation sector is a vital part of today’s society and accounts for 20 % of our global total energy consumption. It is also one of the most greenhouse gas emission intensive sectors as almost 95 % of its energy originates from petroleum-based fuels. Due to the possible harmful nature of greenhouse gases, there is a need for a transition to more sustainable transportation alternatives. A possible alternative to the conventional petroleum-based road transportation is implementation of Electric Road Systems (ERS) in combination with electric vehicles (EVs). ERS are systems that enable dynamic power transfer to the EV's from the roads they are driving on. Consequently, by utilizing ERS in combination with EVs, both the cost and weight of the EV-batteries can be kept to a minimum and the requirement for stops for recharging can also be eliminated. This system further enables heavy vehicles to utilize battery solutions. There are currently in principal three proven ERS technologies, namely, conductive power transfer through overhead lines, conductive power transfer from rails in the road and inductive power transfer through the road. The aim of this report is to evaluate and compare the potential of a full-scale implementation of these ERS technologies on a global and local (Sweden) level from predominantly, an economic and environmental perspective. Furthermore, the thesis also aims to explore how an expansion of ERS might look like until the year 2050 in Sweden using different scenarios. To answer these questions two main models (global and Swedish perspective) with accompanying submodels were produced in Excel. The findings show that not all countries are viable for ERS from an economic standpoint, however, a large number of countries in the world do have good prospects for ERS implementation. Findings further indicated that small and/or developed countries are best suited for ERS implementation. From an economic and environmental perspective the conductive road was found to be the most attractive ERS technology followed by overhead conductive and inductive road ERS technologies. The expansion model developed demonstrates that a fast expansion and implementation of an ERS-based transportation sector is the best approach from an economical perspective where the conductive road technology results in largest cost savings until 2050. / Transportsektorn är en viktig del av dagens samhälle och står för 20% av den totala globala energiförbrukningen. Det är också en av de sektorer med mest växthusgasutsläpp, där nästan 95% av energin härstammar från petroleumbaserade bränslen. På grund av växthusgasers potentiellt skadliga karaktär finns det ett behov för en övergång till mer hållbara transportmedel. En möjlig alternativ till den konventionella petroleumbaserade vägtransporten är implementering av elektriska vägsystem (ERS) i kombination med elfordon. Elektriska vägsystem är system som möjliggör dynamisk kraftöverföring till fordon från vägarna de kör på. Sålunda kan man genom att använda ERS i kombination med elbilar, minimera både kostnaden och vikten av batterierna samt även minska eller eliminera antalet stopp för omladdningar. Dessutom möjliggör detta system att även tunga fordon kan använda sig av batterilösningar. Det finns för närvarande i princip tre beprövade ERS-tekniker, nämligen konduktiv kraftöverföring genom luftledningar, konduktiv kraftöverföring från räls i vägen och induktiv kraftöverföring genom vägen. Syftet med denna rapport är att utvärdera och jämföra potentialen för en fullskalig implementering av dessa ERS-teknik på en global och lokal (Sverige) nivå från, framförallt, ett ekonomiskt- och ekologiskt perspektiv. Rapporten syftar också till att undersöka, med hjälp av olika scenarier, hur en utbyggnad av ERS i Sverige skulle kunna se ut fram till år 2050. För att besvara dessa frågor producerades två huvudmodeller (global och lokal perspektiv) med kompletterande undermodeller i Excel. De erhållna resultaten visar att ERS inte är lönsamt ur ett ekonomisk perspektiv i precis alla de undersökta länder, dock har ett stort antal länder i världen visat sig ha goda förutsättningar för ERS. Vidare visar resultaten att små och/eller utvecklade länder är bäst lämpade för ERS. Ur ett ekonomiskt- och ekologiskt perspektiv har konduktiv kraftöverföring från räls i väg tekniken visat sig vara den mest attraktiva, följt av konduktiv kraftöverföring genom luftledningar och induktiv kraftöverföring genom väg teknikerna. Expansionsmodellen som utvecklats visar att en snabb expansion och implementation av en ERS-baserad vägtransportsektor är det bästa alternativet, där tekniken för konduktiv kraftöverföring från räls i väg ger de största kostnadsbesparingar fram till 2050.

Cities and districts contribute to a large fraction of the total energy consumption in Sweden. The residential- and service sector accounted for almost 40% of the total energy consumption in 2018. The increasing urbanization also puts more importance on the energy supply, distribution and consumption in these areas. One way of planning an energy system in urban areas is to have integrated energy systems where synergies between different technologies and energy carriers are utilized. Such a solution can increase the flexibility of the energy system and thus help integrate more intermittent renewable energy sources. The aim of this study was to suggest tools for planning energy systems in districts. This was done by performing a literature review regarding the design of energy systems and the identification of barriers and opportunities for the integration of different production- and distribution technologies. The focus was on systems for heating, cooling and electricity. The proposed tools are three Excel-based modules. The first module is a qualitative model that presents the reviewed technologies and their connections. It also includes synergies between different energy carriers and sectors for consumption and production. The second module is qualitative model related to market mechanisms, juridical, organizational and institutional aspects. The third module is a table containing the barriers and opportunities. Furthermore, relevant stakeholders are identified to be district heating companies, building owners, joint associations, municipalities, district cooling companies and photovoltaic plant owners. The proposed tools can be used in the first stage of planning when the technologies are selected. To show how the suggested tools can be applied, a case study was performed. The study case is a district being planned in Stockholm, Sweden. For the analysis, a model for a hypothetical heating system was required. Two models were developed for the heat supply system using the modelling environment OpenModelica. The main objective of the case study was to compare the techno-economic and environmental performance of different scenarios. Three different scenarios were considered for covering the total heating demand in the district. In the first scenario the total heating demand is covered only by local heat pumps. In the second scenario the space heating demand is covered by heat pump(s) coupled with a thermal energy storage (hot water tank). An electric boiler is used as backup. In the third scenario, the electric boiler is replaced by district heating as backup. A sensitivity analysis was included for different numbers of heat pumps and different sizes of thermal energy storage in the two last scenarios. The economic and environmental results in this study were strongly dependent on the assumptions regarding prices and emission factors. The result of the case study indicates that the third scenario causes the lowest CO2 emissions. An increased size of the thermal energy storage causes a higher compressor electricity consumption thus more emissions. However the total emissions from the system depends on the backup component. For this result, the emission factor related to Swedish electricity mix and the emission factor stated by a district heating company in Stockholm was used. The cheapest alternative in terms of annual operational cost of energy is the first scenario with only heat pumps. However, from the scenarios which also includes thermal energy storage, the second scenario with three heat pumps and a 100 m3 large thermal energy storage, presents the lowest cost. This system design in scenario 2 is only 0.6% more expensive than the first scenario. For the energy prices, the assumption for electricity is based on hourly values from Nordpol and for heat, the values presented in a normal price list from a district heating company is assumed. Regarding the technical performance of the system the result indicates that the contribution from the thermal energy storage as it is modelled in this case study is not significant on anannual basis. However it is observed that a larger thermal energy storage unit covers a higher fraction of the power demand during the hours it is utilized. / Städer och stadsdelar står för en stor del av totala energikonsumtionen i Sverige. Bostads- och servicesektor stod för ungefär 40% av totala energikonsumtionen under 2018. Den ökande urbaniseringen lägger också mer vikt vid energiproduktion, distribution och konsumtionen i dessa områden. Ett alternativ för planering av energisystem i urbana områden är att ha integrerade energisystem där synergier mellan olika teknologier och energibärare kan utnyttjas. Den typen av system skulle kunna öka flexibiliteten i energisystemet och därför förenkla integrering av oförutsägbara förnybara energikällor. Syftet med denna studie var att föreslå verktyg för planering av energisystem i stadsdelar. Detta gjordes genom en litteraturstudie angående utformningen av olika energisystem samt identifiera hinder och möjligheter för att integrera olika produktions- och distributions teknologier. Fokus låg på systemen för värme, kyla och elektricitet. Det föreslagna verktygen är tre Excel baserade moduler. Den första modulen är en qualitative modell som presenterar de studerade teknologier och deras kopplingar. Den innehåller också synergier mellan de olika energibärarna och konsumtions- och produktionssektorn. Den andra modulen är en qualitative modell, men relaterad till marknad mekanismer, juridiska, organisatoriska och institutionella aspekter. Den tredje modulen är en tabell som beskriver hinder och möjligheter för några av teknologierna. Utöver det de relevanta aktörerna identifierades. För värme-, kyla- och elektricitet marknaden är de fjärrvärmeföretagen, fastighetsägare, samfälligheter, kommuner, fjärrkyla företagen, solcells ägare. De föreslagna verktyget kan användas för planering av energisystem i ett första skede när teknologier ska väljas.  En fallstudie genomfördes för att visa hur det föreslagna verktyget kan användas. Fallstudien en stadsdel som planeras i Stockholm, Sverige. För att genomföra en analys behövdes en modell för ett hypotetiskt värmesystem. Två modeller utvecklades för värmesystemet genom att använda modelleringsmiljön OpenModelica. Det huvudsakliga målet med fallstudien var att jämföra den teknoekonomiska- och miljöinriktade prestandan för olika scenarierna. Tre olika scenarier övervägdes för att täcka totala värmebehovet i stadsdelen. I det första scenariot täcks det totala värmebehovet endast av lokala värmepumpar. I andra scenariot täcks värmebehovet för uppvärmning av värmepump(ar) kopplade till en värmelagrings komponent (ackumulatortank). En elpanna användes för reserveffekt. I tredje scenariot är elpannan ersatt av fjärrvärme. En känslighetsanalys var utförd för olika antal värmepumpar kopplade till olika storlekar av värmelagrings-komponenten i de två sista scenarierna. De ekonomiska och miljörelaterade resultatet i den här studien är starkt beroende av antaganden gällande priser och utsläppsfaktorer. Resultatet indikerar att det tredje scenariot har de lägsta CO2 utsläppen. Ökad värmelagringsstorlek bidrar till att värmepumpen förbrukar mer elektricitet och därför ökar de relaterade utsläppen. Däremot beror de totala utsläppen i systemet på vilken reservkraft som används. För dessa resultat användes utsläppsfaktorn för svensk elmix samt utsläppsfaktorn från ett fjärrvärme företag i Stockholm. Den billigaste alternativet gällande årlig driftsenergikostnad är det första scenariot med endast värmepumpar. Däremot, bland de scenarion som innehåller värmelagring, har det andra scenariot med tre värmepumpar och 100m3 stor värmelagringsenhet den lägsta kostnaden. Detta system är endast 0.6% dyrare än det första scenariot. För energipriser har timvärden från Nordpol antagits för elektricitet och för värme har normalprislistan från ett fjärrvärmebolag i Stockholm antagits. Angående den tekniska systemprestandan, indikerar resultatet att bidraget från värmelagringsenheten som den är modellerad i den här fallstudien inte är signifikant på årsbasis. Det observeras emellertid att en större värmelagringsenhet täcker en större andel av effektbehovet under de timmar som enheten används.

Urban rail transport systems play a vital role in providing efficient and sustainable mobility solutions for growing metropolitan areas. This thesis focuses on the case of Stockholm's urban rail transport, managed by Region Stockholm, which serves nearly 900,000 daily passengers amid rapid population growth. However, the aging power supply system poses challenges to the system's efficiency and capacity expansion. To address these issues, this study develops cost modeling and decision-making tools aimed at evaluating future energy-saving business cases within the urban rail transport system. These tools, though preliminary, provide decision-makers with a techno-economic perspective to compare the cost-effectiveness of various measures and inform future interventions. The research methodology involves a system engineering approach, with continuous collaboration between the academic institution (KTH), transport authority (TF), and industrial partner (MTR). Weekly meetings facilitated the understanding of the urban rail transport system and the development of a decision-making algorithm. The study identifies stakeholders, primarily TF and passengers, and outlines a decision-making framework to assess proposed business cases. The tools generated undergo validation through expert feedback, laying the foundation for future empirical testing. Key findings highlight two main methods for energy-saving measures: technological modifications (e.g., Energy Storage Systems - ESS) and operational adjustments. Both On board and Wayside ESS installations demonstrate significant energy-saving potential, while operational adjustments such as HVAC modifications present challenges in automation. Qualitative reviews were made on these measures. The thesis proposes a preliminary Decision Making Tool to quantify Key Performance Indicators (KPIs) and facilitate informed decision making. Future work includes expanding stakeholder inclusion, refining cost models, and integrating additional business cases into the decision-making framework. In conclusion, this thesis contributes to the understanding of cost-effective measures for enhancing energy efficiency within urban rail transport systems. The developed tools offer an initial approach for decision-makers to navigate complex trade-offs and prioritize interventions, ultimately contributing to the sustainability and resilience of urban mobility infrastructure. / Järnvägstransportsystem i städerna spelar en viktig roll för att tillhandahålla effektiva och hållbara mobilitetslösningar för växande storstadsområden. Detta examensarbete fokuserar på fallet med Stockholms stadstrafik, som drivs av Region Stockholm, som servar nästan 900 000 dagliga passagerare i en snabb befolkningstillväxt. De åldrande strömförsörjningssystemen innebär dock utmaningar för systemets effektivitet och kapacitetsutbyggnad. För att ta itu med dessa frågor, utvecklar denna studiekostnadsmodellering och beslutsfattande verktyg som syftar till att utvärdera framtida energibesparande affärscases inom det urbana järnvägstransportsystemet. Dessa verktyg, även om de är preliminära, ger beslutsfattare ett tekniskt-ekonomiskt perspektiv för att jämföra kostnadseffektiviteten för olika åtgärder och informera framtida insatser. Forskningsmetodiken innebär ett systemtekniskt tillvägagångssätt, med kontinuerligt samarbete mellan den akademiska institutionen (KTH), transportmyndigheten (TF) och industriell partner (MTR). Veckomöten underlättade förståelsen av det urbana järnvägstransportsystemet och utvecklingen av en beslutsalgoritm. Studien identifierar intressenter, främst TF och passagerare, och skisserar en ram för beslutsfattande för att bedöma föreslagna affärsfall. Verktygen som genereras genomgår validering genom expertfeedback, vilket lägger grunden för framtida empiriska tester. Nyckelresultat belyser två huvudmetoder för energibesparande åtgärder: tekniska modifieringar (t.ex. Energy Storage Systems - ESS) och driftsanpassningar. Både ESS-installationer ombord och längs vägen uppvisar betydande energibesparingspotential, medan operativa justeringar som HVAC-modifieringar innebär utmaningar inom automatisering. Kvalitativa granskningar gjordes av dessa åtgärder. Avhandlingen föreslår ett preliminärt beslutsfattande verktyg för att kvantifiera Key Performance Indicators (KPI:er) och underlätta välgrundat beslutsfattande. Framtida arbete inkluderar att utöka inkluderingen av intressenter, förfina kostnadsmodeller och integrera ytterligare affärscase i beslutsfattandet. Sammanfattningsvis bidrar detta examensarbete till förståelsen av kostnadseffektiva åtgärder för att förbättra energieffektiviteten inom stadstrafiksystem. De utvecklade verktygen erbjuder ett första tillvägagångssätt för beslutsfattare att navigera i komplexa avvägningar och prioritera insatser, vilket i slutändan bidrar till hållbarheten och motståndskraften hos mobilitetsinfrastrukturen i städerna.

[ES] El sector industrial es responsable de una cantidad significativa de emisiones anuales de carbono, en gran parte debido a su elevado consumo de energía y a su dependencia de los combustibles fósiles para la producción de calor. Por tanto, es evidente que la utilización de fuentes de calor alternativas y renovables, como los colectores solares de concentración, representa una oportunidad prometedora para la descarbonización de este sector. Sin embargo, los sistemas de colectores solares dependen del recurso solar, que es una fuente de energía intermitente. Por ello, es necesario disponer de un sistema de almacenamiento de energía térmica (AET) que facilite el almacenamiento de la energía sobrante y su posterior utilización cuando sea necesario, garantizando así un suministro de calor más constante. Con el fin de demostrar la viabilidad de los sistemas solares térmicos para aplicaciones industriales, la empresa Solatom CSP instaló un campo solar experimental dentro del proyecto SOLPINVAP. Está compuesto por una serie de colectores modulares lineales Fresnel (CLF) y un kettle reboiler, que es un tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos. Esta tesis analiza el rendimiento del sistema en modo de generación indirecta de vapor. En este modo, el calor se absorbe en el interior de los tubos absorbedores mediante un fluido caloportador y se transfiere a la carcasa del kettle reboiler, donde se produce vapor. Además, esta tesis examina los circuitos hidráulicos y sus componentes del campo solar experimental, así como el sistema de control y el sistema de monitorización asociados al mismo. Además, se presenta el desarrollo de un modelo de sistema CLF de calor solar para procesos industriales (CSPI). El modelo se desarrolló en el entorno MATLAB orientado a objetos. Se desarrolló un modelo 3D del campo solar CLF dentro del entorno Tonatiuh (un software de trazado de rayos), lo que permitió estimar la eficiencia óptica máxima y los correspondientes modificadores del ángulo de incidencia de los colectores Fresnel. Los resultados demuestran que el calor absorbido en los colectores presenta una incertidumbre del 12%, mientras que el calor generado presenta una incertidumbre del 3%. Para reducir la incertidumbre inherente al cálculo del calor absorbido y generado, se realizó un estudio para seleccionar sensores y equipos de monitorización más precisos. Además, se realizó un trabajo de campo para instalar los equipos seleccionados, más precisos, en el campo solar SOLPINVAP. Los resultados de la monitorización demuestran que la incertidumbre en el calor absorbido se redujo en un 79% como consecuencia de la mejora en la instrumentación de medida. Como parte de este proyecto de tesis, se realizó una estancia de investigación en el Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, en Santiago. El equipo de investigación anfitrión ha estado investigando la posible aplicación de AET de lecho compacto sólido con escoria de cobre, un subproducto del proceso pirometalúrgico del mineral de cobre, como medio de almacenamiento. Además, el equipo de investigación ha desarrollado un modelo matemático que simula el proceso termodinámico y de transferencia de calor asociado al flujo de aire y a las partículas sólidas. En consecuencia, el modelo del sistema de AET de lecho compacto sólido se ha integrado en el modelo del sistema CSPI para examinar su efecto en el rendimiento del sistema. Además, esta tesis examina la dinámica entre las temperaturas de los distintos componentes del sistema. En consecuencia, esta tesis presenta un diseño para un sistema integrado CSPI con AET de lecho compacto sólido. Los resultados demuestran que el sistema con el AET de lecho compacto sólido es capaz de generar un 18% más de energía que el sistema sin el AET de lecho compacto sólido. / [CA] El sector industrial és responsable d'una quantitat significativa d'emissions anuals de carboni, en gran part a causa del seu alt consum d'energia i la dependència dels combustibles fòssils per a la producció de calor. Per tant, és evident que la utilització de fonts de calor alternatives i renovables, com la concentració de col·lectors solars, representa una oportunitat prometedora per a la descarbonització d'aquest sector. No obstant això, els sistemes de col·lectors solars depenen del recurs solar, que és una font d'energia intermitent. Per tant, és necessari disposar d'un sistema d'emmagatzematge d'energia tèrmica (TES) per facilitar l'emmagatzematge de l'energia sobrant i la seva posterior utilització quan sigui necessari, assegurant així un subministrament de calor més consistent. Per tal de demostrar la viabilitat dels sistemes solars tèrmics per a aplicacions industrials, l'empresa Solatom CSP va instal·lar un camp solar experimental dins del projecte SOLPINVAP. Comprèn una sèrie de col·lectors lineals modulars de Fresnel i un Kettle Reboiler, que és un tipus d'intercanviador de calor de carcassa i tubs. Aquesta tesi analitza el rendiment del sistema en mode de generació de vapor indirecte. En aquest mode, la calor s'absorbeix a l'interior dels tubs absorbents mitjançant l'ús d'un fluid de transferència de calor, i es transfereix a la capa del Reboiler, on es produeix vapor. A més, aquesta tesi examina els circuits hidràulics i els seus components del camp solar experimental, així com el sistema de control i el sistema de monitoratge associat a aquest. A més, es presenta el desenvolupament d'un model de sistema LFC per a processos industrials (SHIP). El model es va desenvolupar dins de l'entorn MATLAB orientat a objectes. Es va desenvolupar un model 3D del camp solar LFC dins de l'entorn Tonatiuh (un programari de rastreig de raigs), que permet estimar l'eficiència òptica màxima i els corresponents modificadors d'angle d'incidència dels col·lectors Fresnel. Els resultats demostren que la calor absorbida en els col·lectors mostra una incertesa del 12%, mentre que la calor generada mostra una incertesa del 3%. Per tal de reduir la incertesa inherent al càlcul de la calor absorbida i generada, es va realitzar un estudi per seleccionar sensors i equips de monitoratge més precisos. A més, es va realitzar un treball de camp per a instal·lar els equips seleccionats i més precisos en el camp solar SOLPINVAP. Els resultats de seguiment demostren que la incertesa en la calor absorbida es va reduir en un 79% com a conseqüència de la millora en la instrumentació de mesura. En el marc d'aquest projecte de tesi, es va realitzar una estada de recerca al Departament d'Enginyeria de Mecànica i Metalúrgica de la Pontifícia Universitat Catòlica de Xile, a Santiago. L'equip d'investigació amfitrió ha investigat la potencial aplicació de PBTES sòlids amb escòria de coure, un subproducte del procés pirometal·lúrgic del mineral de coure, com a medi d'emmagatzematge. A més, l'equip d'investigació ha desenvolupat un model matemàtic que simula el procés de transferència de calor i termodinàmica associat al flux d'aire i les partícules sòlides. En conseqüència, el model del sistema PBTES s'ha integrat en el model del sistema SHIP per a l'examen del seu efecte sobre el rendiment del sistema. A més, aquesta tesi examina la dinàmica entre les temperatures dels diferents components del sistema. En conseqüència, aquesta tesi presenta un disseny per a un sistema solar integrat amb sistema PBTES. Els resultats demostren que el sistema amb el PBTES és capaç de generar un 18% més d'energia que el sistema sense el PBTES. A més, es va dur a terme una anàlisi tecnoeconòmica utilitzant el sistema SHIP dissenyat amb PBTES. / [EN] The industry sector is responsible for a significant amount of annual carbon emissions, largely due to its high energy consumption and reliance on fossil fuels for heat production. It is therefore evident that the utilisation of alternative and renewable heat sources, such as concentrating solar collectors, represents a promising opportunity for the decarbonisation of this sector. Nevertheless, solar collector systems are dependent on the solar resource, which is an intermittent source of energy. It is therefore necessary to have a thermal energy storage (TES) system to facilitate the storage of surplus energy and its subsequent utilisation when required, thereby ensuring a more consistent heat supply. In order to demonstrate the viability of solar thermal systems for industrial applications, the company Solatom CSP installed an experimental solar field within the SOLPINVAP project. It comprises a series of modular linear Fresnel collectors (LFC) and a kettle reboiler, which is a type of shell and tube heat exchanger. This thesis analyses the performance of the system in Indirect Steam Generation mode. In this mode, heat is absorbed inside the absorber tubes by using a heat transfer fluid, and transferred to the shell of the kettle reboiler, where steam is produced. Additionally, this thesis examines the hydraulic circuits and their components of the experimental solar field, as well as the control system and the monitoring system associated with it. Moreover, it is presented the development of a LFC solar heat for industrial process (SHIP) system model. The model was developed within the object-oriented MATLAB environment. A 3D model of the LFC solar field was developed within the Tonatiuh environment (a ray-tracing software), allowing for an estimation of the peak optical efficiency and the corresponding incidence angle modifiers of the Fresnel collectors. . The results demonstrate that the absorbed heat in the collectors exhibits an uncertainty of 12%, while the generated heat exhibits an uncertainty of 3%. In order to reduce the uncertainty inherent in the calculation of the absorbed and generated heat, a study was conducted to selected more precise sensors and monitoring equipment. Moreover, fieldwork was conducted to install the selected, more precise equipment at the SOLPINVAP solar field. The monitoring results demonstrate that the uncertainty in the absorbed heat was reduced by 79% as a consequence of the improvement in the measurement instrumentation. As part of this thesis project, a research stay was conducted at the Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica of the Pontificia Universidad Católica de Chile, in Santiago. The host research team has been investigating the potential application of solid PBTES with copper slag, a by-product of the pyrometallurgical process of the copper ore, as a storage medium. Moreover, the research team has developed a mathematical model that simulates the thermodynamic and heat transfer process associated with the airflow and solid particles. Accordingly, the PBTES system model has been integrated into the SHIP system model for examination of its effect on the system performance. Furthermore, this thesis examines the dynamics between the temperatures of the different system components. Consequently, this thesis presents a design for an integrated SHIP with PBTES system. Moreover, it was determined that by modifying the air mass flow and the makeup water flow, the system is capable of maintaining a consistent and uninterrupted heat output throughout the operational duration. The results demonstrate that the system with the PBTES is capable of generating 18% more energy than the system without the PBTES. / I would like to thank the Universitat Politècnica de València through the Research and Development Aid Program (PAID-01-20) for receiving the Research Fellowship FPI-UPV-2020. I would also like to acknowledge the "Programa de Movilidad para estudiantes de doctorado" of the Universitat Politècnica de València for providing financial support for my research stay. / David Hernández, MA. (2024). Fresnel Solar Collector System for Indirect Steam Generation for Industrial Processes with Thermal Energy Storage [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213678

Sur la base d’une étude historique des rapports entre les cycles techno-économiques du système mondial et le processus de transformation économique, politique et idéologique d’un pays périphérique comme l’Équateur, cette recherche présente une analyse critique sur le processus de développement du champ technoscientifique de ce pays et le projet de modernisation postnéolibéral mis en place par son gouvernement entre 2007-2017. L’exposition est organisée en deux parties. La première analyse les rapports entre les transformations techno-économiques mondiales et les cycles économiques et politiques locaux ; les rapports entre ces cycles, les vagues de modernisation du système d’éducation supérieure équatorien et la reproduction des élites locales ; et enfin, les rapports entre ces deux derniers et le processus de développement scientifique, technologique et industriel du pays. La deuxième partie est consacrée à l'étude en détail du dernier de ces cycles, caractérisé par la mise en place du projet postnéolibéral de modernisation technoscientifique. Cette étude se focalise particulièrement sur trois projets : la réforme de l’éducation supérieure, le programme de bourses d’étude à l’étranger et le projet de construction de Yachay, une ville dédiée à la science, à la technologie et à l’innovation. Les résultats de ces analyses dévoilent le caractère idéologique de ces projets, conçus et dirigés par un même réseau d’intellectuels et financés par l’essor des exportations de matières premières qui a accompagné cette phase ascendante du cycle périphérique. Enfermés dans leur quête idéologique d’un modèle de développement alternatif et les contraintes imposées par les processus de transformation du système mondial, ces acteurs ont fini par produire un projet de modernisation contradictoire basé sur une abstraction empirique adaptée à leurs besoins de légitimation politique. La fin de l’essor économique a dévoilé les limites de ce projet idéologique dont les résultats concrets sont une plus lourde bureaucratie, le gaspillage des ressources publiques et l’accumulation de pouvoir. Nous suggérons que ce résultat est un effet du décalage entre les cycles de transformation à la périphérie et au centre du système mondial et du processus de reconfiguration global liée à la montée de l’influence chinoise et au déploiement de la dernière vague de transformations techno-économiques. Cette recherchée s’inscrit ainsi dans la lignée de réflexion sur les transformations du système mondial. / Based on a historical study of the relationship between the techno-economic cycles of the global system and the economic, political and ideological transformations in Ecuador, this research presents a critical analysis of the development process of the technoscientific field in this country and the post-neoliberal modernization project implemented by its government between 2007-2017. The thesis has two parts. The first one develops an analysis on three levels: the relationships between the global techno-economic cycles and the political and economic transformations in Ecuador; the relationships between these transformations, the waves of modernization of the Ecuadorian higher education system and the reproduction of local elites; and the relationship between the latter and the scientific, technological and industrial development of the country. The second part presents a detailed study of the last cycle, characterized by the implementation of the post-neoliberal project of technoscientific modernization. This study focuses, particularly, on three projects: the higher education reform, the scholarship program for studies abroad and the Yachay technopole project. These analysis results reveal the ideological character of these projects, designed and directed by the same network of intellectuals and financed by the rise of commodity exports which accompanied this upward phase of the peripheral cycle. Trapped in their ideological quest for an alternative development model and the constraints imposed by the transformation processes of the global system, these actors have finally produced a contradictory modernization project based on an empirical abstraction adapted to their needs for political legitimization. The end of the economic upswing has unveiled the limits of this ideological project whose concrete results are a heavier bureaucracy, waste of public resources and the accumulation of power. We suggest that this result is an effect of the three interrelated processes: the gap between the transformation cycles at the periphery and at the center of the global system, the global reconfiguration linked to the rise of Chinese influence and the deployment of the latest techno-economic wave of innovation. This research aims thus to contribute to the debate on the historical transformations of the global system.

<p dir="ltr">In our daily lives, we rely on a multitude of discrete products to meet our needs. Traditional product design approaches have primarily focused on economic and technical aspects, often overlooking the pressing environmental and social challenges facing society. Recognizing the limitations of our ecological systems to cope with the waste generated by our current industrial processes, there is a growing need to anticipate the potential consequences of product design across technical, economic, environmental, and social dimensions to pave the way for a sustainable future. One promising strategy within this context is the integration of sustainability principles into optimization-based design models that consider a product's entire life cycle. While there have been previous efforts to optimize product life cycles, a comprehensive exploration of optimization-based design methods with a focus on multiple objectives for discrete products is essential. This dissertation explores the integration of sustainability principles with optimization-based design by taking the electric traction motor used in electric vehicles as a case study. This complex and environmentally significant technology is ideal for investigating the tradeoffs and benefits of incorporating sustainability objectives into the design process.</p><p dir="ltr">The key tasks undertaken in this study are as follows:</p><ul><li>Development of a parametric design and optimization framework for a surface-mounted permanent magnet synchronous motor. In this task, a special emphasis is placed on reducing reliance on materials with a high supply risk, such as rare earth elements.</li><li>Creation of a parametric life cycle assessment model that combines life cycle assessment and optimization-based design to minimize a single-score environmental impact. This model offers insights into the environmental performance of product design and underscores the importance of minimizing environmental impact throughout a product's life cycle.</li><li>Integration of a life cycle costing model, incorporating techno-economic assessment and total cost of ownership perspectives, into the parametric life cycle assessment and optimization-based design models. This model is used to minimize levelized production and driving costs, shedding light on the trade-offs within this family of cost metrics and the optimization of manufacturing systems for motor production.</li><li>Proposal of a circular economy model/algorithm to assess the advantages of integrating the circular economy paradigm during the early design phase. All the mentioned objective functions are considered to study the impacts of applying the circular economy paradigm.</li></ul><p dir="ltr">The contributions of this research can be summarized as follows:</p><ul><li>Utilized a diverse array of analytical methodologies to parameterize the design process of a motor, incorporating the integration of Life Cycle Assessment (LCA) and Techno-Economic Analysis (TEA) models, as well as the incorporation of disassembly planning for informed decision-making in the early stages of design.</li><li>Proposed a generalized objective function denoted as the Supply Risk-equivalent (SR-eq.), aimed at mitigating the risks associated with the dependency on critical materials in product manufacturing.</li><li>Introduced a novel approach for visualizing non-dominated solutions within a multi-objective framework, with experimentation conducted on up to six distinct objectives.</li><li>Substantiated the significance of decarbonizing the electric grid while maintaining competitive cost structures, the importance of advancing non-destructive evaluation (NDE) procedures for assessing the condition of end-of-life (EoL) subassemblies, and optimizing the collection rate of EoL motors.</li></ul><p dir="ltr">Demonstrated that the optimization of technical metrics as surrogate indicators for economic and environmental performance does not necessarily yield designs that are concurrently optimal in economic and environmental terms.</p>