Global Warming is accelerated by human activity since the industrial revolution. We are currently experiencing the 4th industrial revolution with recent breakthroughs and rapid developments in digitalization, Industry 4.0 and Internet of Things (IoT). The environmental impact of the information and communication technology (ICT) industry will increase up to 3.9 % of the global environmental impact by 2030. At the same time, ICT products are able to avoid environmental impacts by almost ten times their impact. The ICT industry is undergoing a transformation influenced by scientific research and industry standards initiatives that support developments of European policies and directives, as well as increasing user demand for environmentally friendly products. As a consequence, companies are required to account and report environmental impacts along their value chain and reduce impacts by implementing environmentally conscious design such as EcoDesign.  However, integration among companies in the sector is insufficient. This is partly due to the complexity and lack of experience in accounting and reporting greenhouse gas emissions and implementing EcoDesign tools. Additionally, research on the life cycle environmental impacts of ICT companies and products is limited. Therefore, this study aims to minimize the gap between research and practice by assessing the carbon footprint of an Internet Service Provider (ISP), calculating the carbon footprint of a residential router from a life cycle perspective and exploring reduction potentials through the application of EcoDesign.  The assessment of the value chain carbon footprint of the ISP identifies that roughly 74 % is attributed to the so called indirect emissions (Scope 3), in particular category 3.11, the use of products. This is also reflected in the carbon footprint of the router. Since it is constantly in operation mode, the use phase causes up to 90 % of its carbon footprint. Different carbon footprint reduction scenarios are explored, showing that reductions are achieved through the use of new manufacturing methods, recycled materials, low-power technology, green electricity and changes in user behavior. It is concluded that EcoDesign is useful to reduce the carbon footprint of a residential router and Scope 3 of an ISP. Therefore, companies in the ICT industry that aim to reduce their carbon footprint are advised to use EcoDesign in combination with complementary environmental impact assessment tools. / Den globala uppvärmningen påskyndas av mänsklig aktivitet sedan den industriella revolutionen. Vi upplever för närvarande den fjärde industriella revolutionen med de senaste genombrotten och den snabba utvecklingen inom digitalisering, industri 4.0 och „sakernas internet“. Miljöpåverkan från informations- och kommunikationsteknikindustrin (IKT) kommer att öka upp till 3,9 % av den globala miljöpåverkan fram till 2030. Samtidigt kan IKT- produkterna undvika miljöpåverkan med nästan tio gånger sin påverkan. IKT-industrin genomgår en omvandling som påverkas av vetenskaplig forskning och initiativ för industristandarder som stöder utvecklingen av EU:s politik och direktiv, samt av den ökande efterfrågan på miljövänliga produkter. Som en följd av detta måste företagen redovisa och rapportera miljöpåverkan längs hela värdekedjan och minska påverkan genom att införa miljömedveten design, t.ex. ekodesign.  Integrationen mellan företagen i sektorn är dock otillräcklig. Detta beror delvis på komplexiteten och bristen på erfarenhet när det gäller redovisning och rapportering av växthusgasutsläpp och genomförande av EcoDesign-verktyg. Dessutom är forskningen om IKT-produkters miljöpåverkan under hela livscykeln begränsad. Denna studie syftar därför till att minska klyftan mellan forskning och praktik genom att bedöma koldioxidavtrycket hos en Internetleverantör, beräkna koldioxidavtrycket hos en router för hushållsbruk ur ett livscykelperspektiv och undersöka möjligheterna till minskning genom tillämpning av EcoDesign.  Bedömningen av Internetleverantörens koldioxidavtryck i värdekedjan visade att 74 % av koldioxidutsläppen hänförs till de så kallade indirekta utsläppen (scope 3), särskilt kategori 3.11, användning av produkter. Detta återspeglas också i routerns koldioxidavtryck. Eftersom den ständigt är i drift är det användningsfasen som står för upp till 90 % av dess koldioxidavtryck. Olika scenarier för att minska koldioxidavtrycket undersöks och visar att minskningar kan uppnås genom användning av nya tillverkningsmetoder, återvunnet material, energisnål teknik, grön el och förändringar i användarnas beteende. Slutsatsen är att EcoDesign är användbart för att minska koldioxidavtrycket från en router för bostäder och Scope 3 för en internetleverantör. Därför rekommenderas företag inom IKT-branschen som vill minska sitt koldioxidavtryck att använda EcoDesign i kombination med andra verktyg för miljökonsekvensbedömning.

The building sector contributes substantial energy consumption and greenhouse gas (GHG) emissions. Energy efficiency is the main driver for the mitigation of climate change. Schools are placed with high energy consumption and GHG emitting. Most of the existing schools in Europe and Sweden need to be renovated by considering the environmental impacts and energy consumption. Most of the traditional retrofitting techniques have not been evaluated for environmental impacts as well as energy-saving. The project aims to conduct an environmental impact assessment for energy retrofitting options for the school building. Energy simulation and life cycle assessment (LCA) techniques are employed to achieve this target. IDA-ICE and SimaPro programs are used to simulate the retrofitting methods. Celsius high school in Uppsala is selected as a model to study LCA for retrofitting solutions. The retrofitting techniques are focused on three aspects, the demand-side aspect to reduce energy demand in buildings (thermal insulation and ventilation system operation), the supply-side aspect that uses a renewable energy source (solar photovoltaic), and energy consumption patterns (ventilation and lighting time according to schedule of the school days). Firstly, an energy simulation was conducted by IDA-ICE for retrofitting solutions. Adding insulation materials (Cellulose & Glass wool) to the external walls and roof, changing the ventilation operation, from continuous to variable air volume, and installation of photovoltaic panels (PV), caused the energy to be reduced from 142 kWh/m2 to 97 kWh/ m2, with efficiency 32 percent. By the retrofitting methods, the district heating energy is decreased from 87.3 kWh/m2 to 68.8 kWh/m2 and electrical energy is reduced from 54.2 kWh/m2 to 27.8 kWh/m2. Installation of PV on the roof by this area (161 m2) can be produced electrical energy of about 1.5 kWh/m2. Secondly, is conducted life cycle assessment (LCA) for all the proposed retrofitting solutions by the SimaPro program. The system boundary included manufacturing and operation (cradle to operation) and demolition and end-of-life phase are excluded from the system boundary. Functional unit is the operation of the building during during 40 years at Celsius school in Uppsala. The assumption is the retrofitting materials are produced and transport in Sweden. Vattenfall is the supplier of the electrical and heating energy for Celsius school in Uppsala. The most percent of primary energy are waste solid. LCA is presented the retrofitting is decreased the GHG and some of the environmental impact categories. / Byggsektorn bidrar med betydande energiförbrukning och utsläpp av växthusgaser (GHG). Energieffektivitet är den främsta drivkraften för att mildra klimatförändringarna. Skolor är placerade med hög energiförbrukning och utsläpp av växthusgaser. De flesta av de befintliga skolorna i Europa och Sverige behöver renoveras med hänsyn till miljöpåverkan och energiförbrukning. De flesta av de traditionella eftermonteringsteknikerna har inte utvärderats för miljöpåverkan eller energibesparing. Projektet syftar till att göra en miljökonsekvensbeskrivning för alternativ för energirenovering av skolbyggnaden. Tekniker för energisimulering och livscykelbedömning (LCA) används för att uppnå detta mål. IDA-ICE och SimaPro-programmen används för att simulera eftermonteringsmetoderna. Celsiusgymnasiet i Uppsala väljs ut som modell för att studera LCA för eftermonteringslösningar. Eftermonteringsteknikerna är fokuserade på tre aspekter, aspekten på efterfrågesidan för att minska energibehovet i byggnader (värmeisolering och drift av ventilationssystem), aspekten på utbudssidan som använder en förnybar energikälla (solcellsenergi) och energiförbrukningsmönster ( ventilation och belysningstid enligt skoldagarnas schema). Först genomfördes en energisimulering av IDA-ICE för eftermontering av lösningar. Att lägga till isoleringsmaterial (cellulosa och glasull) till ytterväggar och tak, ändra ventilationsdrift, från kontinuerlig till variabel luftvolym, och installation av solcellspaneler (PV), gjorde att energin minskade från 142 kWh/m2 till 97 kWh/m2, med verkningsgrad 32 procent. Genom eftermonteringsmetoderna sänks fjärrvärmeenergin från 87,3 kWh/m2 till 68,8 kWh/m2 och elenergin minskas från 54,2 kWh/m2 till 27,8 kWh/m2. Installation av PV på taket vid detta område (161 m2) kan producera elektrisk energi på cirka 1,5 kWh/m2. För det andra genomförs livscykelanalys (LCA) för alla föreslagna eftermonteringslösningar av SimaPro-programmet. Systemgränsen inkluderade tillverkning och drift (vagga till drift) och rivnings- och uttjänt fas är exkluderade från systemgränsen. Funktionell enhet är driften av byggnaden under 40 år på Celsiusskolan i Uppsala. Antagandet är att eftermonteringsmaterialen tillverkas och transporteras i Sverige. Vattenfall är leverantör av el- och värmeenergin till Celsiusskolan i Uppsala. Den största delen av primärenergin är fast avfall. LCA presenteras eftermonteringen minskar GHG och några av miljöpåverkanskategorierna.

With the acceleration of climate change, mitigating climate impacts in all aspects of society is key to ensuring a sustainable development. The building sector is responsible for a major share of global carbon emissions, and in Sweden about a fifth of national greenhouse gas emissions derive from the different stages of building operations. Currently, there are legal requirements concerning sustainability reports for organisations’ overall operations within the sector, and climate impact calculations for new productions and building materials are also common. However, for facility management services, which include for example service and administration connected to properties, there are no systematic methods for calculating the climate impacts in detail.  Riksbyggen is a Swedish cooperative company operating within the building sector and provides, amongst other things, facility management services to tenant-owned cooperatives and commercial customers. They conduct sustainability reports annually but have not yet evaluated the climate impacts from facility management services. The aim of this study is therefore to construct a model for calculating and allocating climate impacts to Riksbyggen’s facility management service supply. Employing a mixed-method approach, including a literature review, interviews and data collection, a model for allocating climate impacts is proposed. The model design consists of three steps: compilation of climate impact data, mapping of facility management services as well as an allocation procedure.  Applying the model to Riksbyggen’s climate impact figures in 2019, this study finds three facility management services (Regularly cleaning, Remedial maintenance and Bonum) with significantly large climate impacts. With the climate impact figures from 2020 published during the process of this study, the model is once again applied and provides a comparison between the two years, showcasing a slight difference in the distribution across the service supply. The findings further show that transports play a central part in how the climate impacts per service vary. Therefore, one sensitivity analysis and two scenarios relating to transport activities are conducted, corroborating the significant influence of transports on the climate impact figures per service.  Future applications of the model include incorporating the modelling results into maintenance planning, annual reports and product sheets, both for the case of Riksbyggen as well as other organisations. Furthermore, the climate impact figures can possibly work as a supporting element for tracking the progress of the SBTi within facility management organisations. Finally, potential uncertainties with the model design are addressed, as well as relevant future additions to improve the accuracy of the results. / Med klimatförändringarnas framfart är det allt viktigare att minska klimatpåverkan i alla delar av samhället för att möjliggöra en hållbar utveckling. Byggsektorn står idag för en markant del av de globala koldioxidutsläppen, och i Sverige härstammar en femtedel av de nationella växthusgasutsläppen från olika delar av byggskedet. I nuläget finns det lagkrav kring hur företag inom sektorn ska rapportera sin klimatpåverkan från dess övergripande verksamhet i hållbarhetsredovisningar, och det är även vanligt med beräkningar av klimatpåverkan från nyproduktioner och byggmaterial. För förvaltningstjänster, som inkluderar exempelvis service och administration kopplat till fastigheter, finns däremot inget systematiskt tillvägagångssätt att beräkna klimatpåverkan på detaljnivå.  Riksbyggen är ett svenskt kooperativt företag som arbetar inom byggsektorn och bland annat erbjuder förvaltningstjänster till bostadsrättsföreningar samt kommersiella kunder. De rapporterar sin klimatpåverkan i årliga hållbarhetsredovisningar, men har ännu inte en metod för att beräkna klimatpåverkan för varje förvaltningstjänst. Målet med denna studie är därför att bygga en modell för att beräkna och allokera klimatpåverkan från Riksbyggens förvaltningstjänster. Genom att tillämpa en kombination av kvalitativa och kvantitativa metoder, såsom litteraturstudie, intervjuer samt datainsamling, föreslås en modell för att allokera klimatpåverkan. Modellstrukturen innehåller tre steg; sammanställning av klimatdata, kartläggning av förvaltningstjänster samt ett allokeringssteg.  Genom att applicera modellen på Riksbyggen klimatdata från 2019 visar denna studie att tre tjänster från utbudet av förvaltningstjänster (Regelmässig städning, Avhjälpande underhåll och Bonum) har särskilt hög klimatpåverkan. Under projektets gång publicerade Riksbyggen sin klimatdata från 2020. Därmed appliceras modellen även på 2020 och tyder på skillnader i distributionen av klimatpåverkan mellan de två åren. Studien visar även att transporter har en betydande roll för hur klimatpåverkan varierar mellan de olika tjänsterna. Därför genomförs en känslighetsanalys samt två scenarion relaterade till transporter, som stärker slutsatsen att transporter spelar en stor roll för respektive tjänsts klimatpåverkan.  Framtida tillämpningsområden för modellen inkluderar att använda siffrorna för klimatpåverkan per förvaltningstjänst i underhållsplaner, årsredovisningar samt produktblad, både för fallstudien Riksbyggen men även för andra organisationer som arbetar med fastighetsförvaltning. Utöver detta kan modellen potentiellt fungera som ett stöd för att mäta framstegen inom The Science Based Targets initative (SBTi). Till sist adresseras möjliga osäkerheter i modellen, samt relevanta tillägg för att i framtiden kunna förbättra noggrannheten av resultaten.

Water production and distribution services, just like all human activity, have an impact on the environment. One indicator of that impact is its carbon footprint, which corresponds to the amount of greenhouse gas (GHG) emitted due to that activity. In order to counter global warming, mankind must reduce the GHG emissions of its activities.  Water services emit GHG at many steps, directly or indirectly: the production of the electricity used for pumping, the production and transport of chemical reagents used in water treatment, the maintenance works on the network and facilities, the daily commuting and travels of the technicians to operate the service, and more.  This diversity of sources calls for an even greater diversity of possible actions to reduce the carbon footprint. Maximizing the environmental benefits of such measures while ensuring their feasibility and limiting the costs of all sorts (financial, social, organizational) is most likely to be achieved when an action plan is designed.  This Master’s Thesis suggests a framework for the assessment of the possible actions through various criteria, and their arrangement into an effective action plan. The assessment criteria aim at a better understanding of each action and their consequences, so that the action is more likely to be effective. Moreover, some elements of context can have a huge influence on the effectiveness of some actions, which highlights the need for a methodological framework that will help take these elements into account. / Vattenproduktion och distributionstjänster, har likt andra mänskliga aktiviteter, en påverkan på miljön. En indikator på denna påverkan är koldioxidavtrycket, vilket motsvarar den mängd växthusgas som släpps ut till följd av aktiviteten. För att motverka den globala uppvärmningen, måste växthusgasutsläppen minskas från dessa aktiviteter.  Vattentjänster avger växthusgaser i många steg, direkt eller indirekt: Detta innefattar bland annat produktionen av el som används för pumpning, produktionen och transport av kemiska reagens som används vid vattenbehandling, underhållsarbeten på nätverk och anläggningar, teknikernas dagliga pendling och resor för att driva tjänsten.  Denna mångfald av källor kräver en ännu större mångfald av möjliga åtgärder för att minska koldioxidavtrycket. Maximeringen av miljöfördelarna av sådana åtgärder där samtidigt genomförbarheten kan säkerställas och att samtliga typer av kostnader (ekonomiska, sociala, organisatoriska) begränsas kommer sannolikt att uppnås när en handlingsplan utformas.  Denna masteruppsats föreslår ett ramverk för en bedömning av möjliga åtgärder genom olika kriterier och dess uppbyggnad för att skapa en effektiv handlingsplan. Bedömningskriterierna eftersträvar en bättre förståelse av varje åtgärd och dess konsekvenser, så att åtgärden kan uppnå ett effektivare resultat. Dessutom kan sammanhanget ha en stor inverkan på effektiviteten av ett antal av dessa åtgärder, vilket understryker behovet av ett metodiskt ramverk som kan bidra till att dessa aspekter beaktas.

Skanska, Sweden’s leading project development and construction groups, is increasingly striving for innovative solutions to reduce the carbon footprint of its operations and close the loop on waste materials. The company has expressed interest in investing in a pyrolysis plant in the Stockholm region to produce biochar out of wood waste from construction sites. Biochar, a charcoal-like substance, is produced through thermochemical decomposition of biomass. Recently recognized as a negative emissions technology thanks to its ability to act as a carbon sink, and with its many properties and applications, biochar has in recent years become an increasingly valued product on the Nordic market. However, the magnitude with which biochar production mitigates climate change depends on a number of parameters. The present thesis seeks to assess the potential of biochar production at Skanska and use for urban soils to reduce the company’s GHG emissions, and puts results in perspective with Skanska’s sustainability targets. Using the GHG Protocol for Project Accounting, and through a life-cycle perspective, the thesis examines whether biochar production results in a higher climate gain compared to the continuation of current activities, i.e. the treatment of wood waste through incineration for energy recovery. The results show that reductions in emissions depend on a number of factors including biochar stability, biochar yield, the availability of excess heat from the pyrolysis process and its use for district heating, and most importantly, the type of fuel substituted by waste wood for energy production. Ultimately, the quality, quantity, and geographic distribution of wood waste produced by Skanska determines the viability of this project, and this information should be carefully compiled by the company. / Skanska AB, Sveriges ledande bygg- och projektutvecklingsföretag, strävar alltmer efter innovativa lösningar för att minska koldioxidavtrycket i sin verksamhet och sluta cirkeln för avfallsmaterial. Företaget har uttryckt ett intresse att investera i en pyrolysanläggning i Stockholmsregionen för att producera biokol av träavfall från byggarbetsplatser. Biokol produceras genom termokemisk sönderdelning av biomassa och blev nyligen erkänd som en negativ utsläppsteknologi tack vare sin förmåga att fungera som kolsänka. Med sina många användningsområden och varierande egenskaper har biokol under senare år blivit en allt högre värderad produkt på den nordiska marknaden. Dock spelar flera faktorer roll när möjligheterna för biokolsproduktion att reducera klimatförändringarna ska bedömas. Det här examensarbetet syftar till att utvärdera potentialen för biokolsproduktion inom Skanska och användandet av biokol i urbana jordar för att minska företagets växthusgasutsläpp, samt sätta resultaten i perspektiv med Skanskas hållbarhetsmål. Genom att använda GHG-protokollet för projektredovisning, samt ur ett livscykelperspektiv, undersöker examensarbetet huruvida biokolproduktionen resulterar i en högre klimatnytta jämfört med den nuvarande verksamheten, det vill säga genom förbränning av träavfall för energiåtervinning. Resultaten visar att utsläppsminskningar beror på ett antal faktorer, inklusive biokolets stabilitet, produktionsutbyte, tillgång till överskottsvärme från pyrolysprocessen för användning i fjärrvärmenätet, samt viktigast av allt, vilken typ av bränsle som ersätts av träavfall för energiproduktion. I slutändan är det kvaliteten, kvantiteten samt geografisk tillgång till producerat träavfall för biokolsproduktion som avgör hur väl detta projekt kan genomföras, och denna information bör noggrant sammanställas av Skanska.

Traditionally, environmental related work is not commonly practised by the Swedish small and medium enterprises (SME). This can be attributed to the non-inclusive Swedish sustainability reporting legislation, which is primarily targeted at the large corporations, but also due to shortage of resources, demands, prioritization and competences in the SME. The study is aimed to simulate the SME’s interest and confidence in taking the first step in incorporating sustainability into their business strategies by means of environmental inventory. Through the development of an easy-to-use inventory model in MS Excel and automatically generated inventory reports, the study provides the SME with a tool to account for lifecycle greenhouse gas (GHG) emissions and water resource utilization. The availability of Snacksbolaget, a wholesaling actor, as a case study company refines the research scope to put focus on the wholesale and retail trading sector. Carrying out in two phases, the study begins with developing a generic theoretical model to portray typical GHG emissions and water resource utilization in the wholesale and retail trading sector, which is followed by applying the theoretical model to Snacksbolaget as a case study. The application involves system boundary definitions in the company and product levels, data collections, calculations, inventory model building and verification by Snacksbolaget. The usability of the inventory model is verified by Snacksbolaget and the company is satisfied with the information the overarching inventory reports provided. The inventory results based on Snacksbolaget’s data demonstrate that Scope 3, indirect GHG emissions, contributes to the majority of the company’s overall emissions. Within Scope 3, the largest contributions are originated from purchased products cradle-to-gate stages and their upstream transportation, while sensitivity analysis proves that the energy production mix applied to the manufacturing of product and the modes of goods transport could play a vital role in GHG reduction. Correspondingly, indirect water use in electricity generation, particularly in the product manufacturing stage, is shown to be the largest water input and output source of the studied products. Recommendations to Snacksbolaget are provided in the report, aiming at potentially minimizing indirect GHG emitted and water withdrawn or discharged by the products and services they purchase. To reach a larger SME audience, it is recommended to further develop the current customized spreadsheet model into sector specific inventory models. The interest and uptake of the models will likely increase if they are well developed and maintained by expertise independent of the SME and made readily available to the use of the SME. / Jämfört med de större företagen är det i Sverige inte lika vanligt att små och medelstora företag (SME) jobbar med miljöfrågor. Detta beror delvis på att hållberhetsredovisningskraven inte gäller SME, men också på grund av att SME saknar resurser, tid, pengar, kompetens samt att kunderna inte alltid ställer krav kring att driva de frågorna. Genom att utveckla modeller kring hur man beräknar och redovisar växthusgasutsläpp (GHG) och vattenanvändning för ett företag är tanken att examensarbetet ska underlätta SME:s miljöarbete och locka flera SME till att adressera de miljörelaterade utmaningarna. Examensarbetet är uppdelat i två sektioner. Först tas en teoretisk modell fram med inriktning mot parti- och detaljhandelssektorn, där avgränsningarna är dragna i enlighet med GHG protokollstandarden och redovisningsprinciper för vattenanvändning. Modellen implementeras sedan som verktyg i MS Excel, med inbyggda beräknings- och rapporteringsfunktioner. Verifiering av modellen görs genom tillämpning av verktyget på Snacksbolaget, ett fallstudieföretag som har en grossistverksamhet inom hotell, restaurang och cateringbranschen. Inventeringsresultatet visar att Scope 3 GHG-utsläppen är störst i Snacksbolagets totala utsläppsprofil 2019, vilken är ganska typisk för partihandeln. Av Scope 3 utsläppen är materialutvinning och produkttillverkningsfaserna av de köpta produkterna det som bidrar till största delen, samtidigt som utsläppen från transport-kategorier sådan som Scope 1, Scope 3.4 och Scope 3.9 också är signifikanta. Inventeringen av vattenanvändning visar att produkttillverkningsfasen kräver den högsta vattenvolymen, där en relativ stor del är indirekt vatten som användas i elproduktionen. Inventeringsresultatet och känslighetsanalysen visar de potentiella åtgärder företaget kan implementera för att påverka storleken av Scope 3 emissionen och indirekta vattenanvändningen. Företaget rekommenderas att överväga sina produktval genom att utvärdera miljöprestationen genom att analysera flera miljöparametrar / miljödimensioner. Dessutom bör de inskaffa den underliggande produktinformation från leverantörerna för att säkerställa att man tar hänsyn till en korrekt produktlivscykel och validera de miljöfördelar som framhävs av leverantören. Det är också viktigt att välja produkter där materialet utvinns i, och produktens tillverkning sker i, länder eller regioner som utnyttjar förnybar energi och samtidigt inte är drabbat av vattenbrist. Företaget kan även motivera leverantören att frakta varorna med gröna transportalternativ. Sist men inte minst kan företaget uppmuntra till mindre konsumtion genom att erbjuda tjänster som uthyrning och återanvändning av produkter. Vidareutveckling av modellen inom parti- och detaljhandelssektorn kommer att kräva ytterligare data, tid och kompentens. Medan utvidgning av modellen för att omfatta andra affärssektor kan uppnås genom att utveckla separata modeller med likande tillvägagångssätt som beskrivs för den nuvarande modellen. Datakvaliteten kan förbättras under tiden genom regelbunden underhållning och uppdatering. För att kunna locka till sig fler små och medelstora företag, bör anpassande modeller utvecklas och underhålls av externa miljöexperter och göras tillgängliga för användning av SME.

Energy demand for buildings has been rising during recent years. Increasing building energy consumption has caused many energy-related problems and environmental issues. The on-site community energy system application is a promising way of providing energy for buildings. Community energy system usage reduces the primary energy consumption and environmental effects of greenhouse gas (GHG) emissions compared to the implementation of the stand-alone energy systems. Furthermore, due to the increase in electricity price and shortage of fossil fuel resources, renewable energies and energy storage technologies could be great alternative solutions to solve energy-related problems. Generally, the energy system might include various technologies such as internal combustion engine, heat recovery system, boiler, thermal storage tank, battery, absorption chiller, ground source heat pump, heating coil, electric chiller, solar photovoltaics (PV) and solar thermal collectors, and seasonal thermal energy storage. The economic, technical and environmental impacts of energy systems depend on the system design and operational strategy. The focus of this thesis is to propose unified frameworks, including the mathematical formulation of all of the components to determine the optimal energy system configuration, the optimal size of each component, and optimal operating strategy. The proposed methodologies address the problems related to the optimal design of the energy system for both deterministic and stochastic cases. By the use of the proposed frameworks, the design of the energy system is investigated for different specified levels of GHG emissions ratio, and the purpose is to minimize the annual total cost. To account for uncertainties and to reduce the computational times and maintain accuracy, a novel strategy is developed to produce scenarios for the stochastic problem. System design is carried out to minimize the annual total cost and conditional value at risk (CVaR) of emissions for the confidence level of 95%. The results demonstrate how the system size changes due to uncertainty and as a function of the operational GHG emissions ratio. It is shown that with the present-day technology (without solar technologies and seasonal storage), the lowest amount of GHG emissions ratio is 37%. This indicates the need for significant technological development to overcome that ratio to be 10% of stand-alone systems. This thesis introduces novel performance curves (NPC) for determining the optimal operation of the energy system. By the use of this approach, it is possible to identify the optimal operation of the energy system without solving complex optimization procedures. The application of the proposed NPC strategy is investigated for various case studies in different locations. The usage of the proposed strategy leads to the best-operating cost-saving and operational GHG savings when compared to other published approaches. It has shown that other strategies are special (not always optimal) cases of the NPC strategy. Based on the extensive literature review, it is found that it is exceptionally complicated to apply the previously proposed models of seasonal thermal energy storage in optimization software. Besides, the high computational time is required to obtain an optimum size and operation of storage from an optimization software. This thesis also proposes a new flexible semi-analytical, semi-numerical methodology to model the heat transfer process of the borehole thermal energy storage to solve the above challenges. The model increases the flexibility of the storage operation since the model can control the process of the storage by also deciding the appropriate storage zone for charging and discharging. / Thesis / Doctor of Engineering (DEng)

Biofuels, a solar-sourced technology that can be processed from non-fossilized plant matter, have significant appeal as a means of securing a reliable, sustainable energy supply. They appear to offer significant potential by virtue of being harvestable from common plant life such as prairie grasses. I argue that a shared set of knowledge claims emerging from multiple energy/environmental institutions in Germany and the U.S. are linked by a shared set of assumptions. I characterize these claims as a "mainstream" discourse because together they function as a single powerful discourse that influences national policy and research priorities. In examining the potential material impacts of the discourse on regional and global habitats, I demonstrate the powerful performative capacity of the discourse. I also describe how this mainstream discourse perpetuates momentum along existing trajectories of at least three socio-technological regimes: agriculture, transport, energy. The practitioners (biofuels experts) of the discourse construct representations of the realities that form the basis of their research. I refer to these representations as maps because like a city map, they privilege some things while marginalizing others. These maps are then utilized as guides for intervening into the habitat in order to develop and implement biofuels. Implicated within the maps are practices that have the potential to reconstitute reality. For example, the mapping of a variety of plants as "energy crops" implicates practices generally associated with high-yield cash crops intended for trade on the global marketplace. The materialization of these practices will assimilate various plants, reconstituting them as bona fide energy crops, resulting in monocultured regional and global habitats. I develop my argument by describing how knowledge production is regulated by the implicit rules that govern the discourse. This regulatory apparatus insures that certain types of knowledge as well as methods for producing that knowledge are privileged over others. I introduce several concepts--"institutional platform, thought collective, biofuels practitioner--"as analytical tools to develop my argument and explain how the discourse functions. I demonstrate how perpetual recirculation of knowledge claims through publication, citation, conferences, workshops and task forces naturalizes these claims, giving them authoritative force. This force is evidenced in an increased performative capacity as well as a higher degree of discursive hegemony. I demonstrate the material effects of the discourse at the practical level of its deployment by introducing another analytical tool --ground truthing. Geographers and military reconnaissance personnel use ground truthing to describe the process of physically inspecting the lay of the land in order to determine the accuracy of the maps. With this tool, I demonstrate the potential of the discourse to reconstitute habitats and landscapes. Finally I propose changing the terms of mainstream energy discourse through practices intended to de-scientize and democratize the discourse through incorporating alternative expertises. This includes: a} moving away from corporate control of energy solutions by situating energy-systems decisions and ownership at the local community level, and b} improving the definition of systemic problems by transitioning away from knowledge production that privileges the detached "spectator" approach over the embodied, participatory approach. / Ph. D.

Agricultural production is an important source of environmental emissions. While water quality concerns related to animal agriculture have been studied extensively, air quality issues have become an increasing concern. Due to the transfer of nutrients between air, water, and soil, emissions to air can harm water quality. We conduct a multi-objective optimization analysis for a representative dairy farm with two different approaches: nonlinear programming (NLP) and ϵ-constraint optimization to evaluate trade-offs among reduction of multiple pollutants including nitrogen (N), phosphorus (P), greenhouse gas (GHG), and ammonia. We evaluated twenty-six different scenar- ios in which we define incremental reductions of N, P, ammonia, and GHG from five to 25% relative to a baseline scenario. The farm entails crop production, livestock production (dairy and broiler), and manure management activities. Results from NLP optimization indicate that reducing P and ammonia emissions is relatively more expen- sive than N and GHG. This result is also confirmed by the ϵ-constraint optimization. However, the latter approach provides limited evidence of trade-offs among reduction of farm pollutants and net returns, while the former approach includes different re- duction scenarios that make trade-offs more evident. Results from both approaches indicate changes in crop rotation and land retirement are the best strategies to reduce N and P emissions while cow diet changes involving less forage represents the best strategy to reduce ammonia and GHG emissions. / Master of Science / Human activities often damage and deplete the environment. For instance, nutrient pollution into air and water, which mostly comes from agricultural and industrial activ- ities, results in water quality degradation. Thus, mitigating the detrimental impacts of human activities is an important step toward environmental sustainability. Reducing environmental impacts of nutrient pollution from agriculture is a complicated problem, which needs a comprehensive understanding of types of pollution and their reduction strategies. Reduction strategies need to be both feasible and financially viable. Con- sequently, practices must be carefully selected to allow farmers to maximize their net return while reducing pollution levels to reach a satisfactory level. Thus, this paper conducts a study to evaluate the trade-offs associated with farm net return and re- ducing the most important pollutants generated by agricultural activities. The results of this study show that reducing N and GHG emissions from a representative dairy farm is less costly than reducing P and ammonia emissions, respectively. In addition, reducing one pollutant may result in reduction of other pollutants. In general, for N and P emissions reduction land retirement and varying crop rotations are the most effective strategies. However, for reducing ammonia and GHG emissions focusing on cow diet changes involving less forage is the most effective strategy.

Given the barriers to national and global climate change regulations, what are the real, disclosure and spillover effects of subnational regulations? Using the staggered adoption of U.S. state-level greenhouse gas (GHG) regulations as a natural experiment, I find significant reductions in corporate GHG emissions in adopting states. Affected firms report more representative GHG emissions information and reduce GHG-related 10-K risk disclosures. Furthermore, I document large spillover reductions in GHG emissions for treated firms’ affiliated operations in non-adopting states. These findings suggest possible alternate pathways to reduce GHG emissions and improve GHG disclosure if national or global policy coordination is not possible. / 2026-05-20T00:00:00Z