The global electricity generation industry is very reliant on the use of fossil fuels, particularly natural gas and coal. However, it is quickly becoming a reality that the over-consumption of these resources will continue to lead to significant global damage via global warming, ecosystem destruction, and the depletion of these so-called non-renewable re-sources. To combat this issue, renewable sources such as wind, biofuels and solar are be-coming much more prevalent in the power generation industry, but significant economic, reliability and availability barriers to entry will prevent these sources from being major contributors to the power industry for decades. To this end, this thesis focuses on the design, operation, optimization and life cycle analysis of an integrated solid-oxide fuel (SOFC) cell power plant integrated with com-pressed air energy storage (CAES). This plant, fueled by either natural gas or coal, can make much more efficient use of their limited non-renewable fuel sources, and are capable of achieving nearly 100% carbon capture at the plant boundary. This plant is intended to serve as a more efficient and environmentally responsible alternative to current power generation methods while still exploiting remaining fossil fuels to their fullest extent. This thesis details the design, sizing and simulation of integrated SOFC/CAES plants in Aspen Plus so that full feasibility and techno-economic analyses may be performed, the results of which are then compared to the current state-of-the-art (SOTA) options. In order to compare the plants on an environmental level, full cradle-to-grave life-cycle analyses using the ReCiPe 2008 method are completed for each SOFC-based plant and all comparable SOTA options under a wide range of assumptions and plant configurations, such as the use of carbon capture strategies. Furthermore, detailed reduced-order dynamic models of the integrated SOFC/CAES plants are developed and simulated with a newly developed rolling-horizon optimization method to assess the load-following capabilities of the integrated plant. Real scaled demand data for the market of Ontario, Canada for the years 2013 and 2014 are used as the demand data for the simulations. This thesis takes strides in proving the feasibility of an integrated SOFC/CAES power plant for providing clean, efficient, reliable and cost-effective power using fossil fuels. The next steps for this project involve the development of a lab-scale pilot plant, which would be used to validate simulation results and provide an opportunity for the real-time application and assessment of the potential of this plant design. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Es erfolgt ein ganzheitlicher Vergleich der Systeme Luftwärmepumpe und Sole-Wasser-Wärmepumpe für ein Bestandsgebäude. Für die Bewertung der Umweltfreundlichkeit bzw. Klimaschutzwirksamkeit werden die CO2-äquivalenten Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) und der nicht-erneuerbare Primärenergiebedarf (KEV) der Systeme bilanziert. Für den fairen Vergleich werden Systeme mit investkostengleichen Gesamtinvestitionen gebildet, indem die Luftwärmepumpe zusätzlich um eine PV-Anlage ergänzt wird.

För att nå Sveriges uppsatta klimatmål med netto noll växthusgasutsläpp år 2045 måste bygg- och fastighetssektorn som står för omkring 21% av Sveriges totala växthusgasutsläpp, arbeta för en hållbar utveckling. För att reglera utsläppen av växthusgaser i bygg- och fastighetssektorn har riksdagen infört ett krav på upprättande av klimatdeklaration vid uppförande av nya byggnader från och med januari 2022. Klimatdeklarationen ska redovisa vilken påverkan på klimatet en ny byggnad har genom en livscykelanalys. Kravet på inlämnandet av deklarationen är i slutet av ett byggprojekt. Många aktörer inom byggbranschen menar på att klimatberäkningar behöver påbörjas under tidigare skeden för att kunna påverka byggnadens hållbarhet. Detta då möjligheterna att påverka en byggnads energibehov och dess utsläpp av växthusgaser är som störst i tidigt projekteringsskede. Dock är informationen om den planerade byggnaden begränsad i tidigt skede och projektspecifik information saknas för att djupgående kunna bedöma byggnadens resultat och prestanda. Denna studie fokuserar på implementering av klimatberäkningar i tidiga skeden av projekteringsprocessen, anpassat för arkitekter och konstruktörers dagliga arbete. Detta då metodiska förenklingar och standardiserade tillvägagångssätt rörande klimatberäkningar i tidiga skeden ansetts relativt outforskat i tidigare publiceringar inom ämnet. Syftet med studien är att undersöka hur genomförandet av klimatberäkningar i tidigt skede av projekteringsprocessen kan gå till. Detta för att få en förståelse över hur implementeringen av arbetet med klimatberäkningar kan leda till ökad hållbarhet och ekonomisk lönsamhet i byggprojekt. Med en ökad förståelsen för klimatberäkningsarbetet i tidigt skede, är även målet att ta fram ett förslag på en standardiserad metod som vägleder arkitekter och konstruktörer att ta hållbara beslut i tidiga skeden.  Forskningsmetoden som använts är av kvalitativ karaktär och innefattar en litteraturstudie, fallstudie, intervju- och enkätstudie. Studien har utgått från ett konsultföretag med fokus på områdena arkitektur och byggkonstruktion. Enkätstudien har haft som syfte att undersöka hur arbetet inom fallföretaget fungerar idag. Intervjustudien har fokuserat på hur arbetet kan fungera i framtiden och fallstudien har undersökt/observerat hur arbetet med klimatberäkningar kan utföras i praktiken med hjälp av programvaran One Click LCA. Litteraturstudien har bidragit till djupare förståelser inom ämnet och väglett problemformuleringen i studien. Användandet av flera forskningsmetoder kallas för triangulering och bidrar till stärkt tillförlitlighet och trovärdighet för studien.     Studien visar på att det inledningsvis i ett projekt är lämpligast att använda sig av tidigare gjorda klimatberäkningar för att spara in tid och pengar. Användandet av tidigare beräkningar bör utgå från referensprojekt som organisationen själv tagit fram för att kunna motivera hur beräkningarna gått till. När egna klimatberäkningar utförs är det viktigt att de som utför arbetet med klimatberäkningarna själva är involverade i projektet. Det är även viktigt att alla projektmedlemmar har övergripande inblick i vad som krävs i ett modelleringsverktyg för att indata ska fungera på bästa sätt i ett automatiserat klimatberäkningsverktyg. Genom implementerandet av en standardiserad metod, uppstår en struktur som medför att inga viktiga moment glöms bort samt medför att fler kan få en inblick i arbetet och introduceras till projektet på ett enkelt sätt. Ett förslag på en standardiserad metod är framtaget utifrån analys av empirin i detta arbete och innefattar viktiga punkter för uppstarten/implementeringen av arbetet med klimatberäkningar i en organisation. Det innefattar även förslag på viktiga punkter när det gäller utförandet av klimatberäkningar i specifika projekt. / To reach Sweden’s climate goal of net zero greenhouse gas emissions in 2045, the construction and property sector must act for a sustainable development. Today the sector accounts for around 21% of Sweden’s total greenhouse gas emissions. In order to regulate the emissions of greenhouse gases in the construction and property sector, the government in January 2022 introduced a requirement for establishing climate declaration for the construction of new buildings. The climate declaration must report the impact a new building has on the climate, through a life cycle analysis. The requirement for when the declaration must be submitted is at the end of a construction project. Many actors in the construction industry believes that climate calculations need to be started in earlier stages to be able to affect the sustainability of the building. At the same time the information about the planned building is limited in the early stages and project-specific information is missing to be able to assess the building's results and performance in depth. This study focuses on the implementation of climate calculations in the early stages of the design process, adapted to the daily work of architects and constructors. This as methodological simplifications and standardized approaches regarding climate calculations in the early stages were considered relatively unexplored in previous publications in the subject. The purpose of the study is to investigate how the implementation of climate calculations in the early stages of the design process can be done. This is to gain an understanding of how the implementation of the work with climate calculations can lead to increased sustainability and economic profitability in construction projects. With an increased understanding of the climate calculation work at an early stage, the goal is also to develop a proposal for a standardized method that guides architects and constructors to make sustainable decisions in the early stages.  The study uses a qualitative research method that includes a literature study, case study, interview- and survey study. The study is based on a consulting company with a focus on the areas of architecture and building construction. The purpose of the survey study was to examine how the work within the case company operates today. The interview study has focused on how the climate calculation work can be operated in the future and the case study has examined/observed how the work with climate calculations can be carried out in practice using the One Click LCA software. The literature study has contributed to deeper understandings within the subject and guided the research topic in the study. The use of several research methods is called triangulation and contributes to strengthened reliability and validity of the study. The study shows that initially in a project it is appropriate to use previously made climate calculations to save time and money. The use of previous calculations should be based on reference projects that the organization itself has developed to be able to justify how the calculations were made. When conducting climate calculations, it is important that those who carry out the calculations are involved in the project. It is also important that all project members have an overall insight into what is required in a modeling tool, so the input data operates in the best way in an automated climate calculation tool. Through the implementation of a standardized method, a structure emerges, no important aspects are forgotten, and more people can gain an insight into the work and easily be introduced to the project. A proposal of a standardized method is developed based on the empirical analysis in this study and includes important points for the start-up/implementation of the work with climate calculations in an organization. It also includes suggestions on important points regarding the execution of climate calculations in specific projects.

No description available.

The steel manufacturing industry is one of the largest emitters of CO2, accounting for upwards of 8.8% of all anthropogenic CO2 emissions. The governments are charging taxes on CO2 emissions, which incentivize the industry to further reduce CO2 emissions. At present, much of the CO2, produced in the steel manufacturing process occurs as a result of coke oven and blast furnace gas by-products. As such, two major strategies have been proposed to reduce steel-manufacturing-related CO2 emissions: producing more electricity via optimized combined cycle power plants (CCPP), and converting off-gas by-products into methanol (CBMeOH). The present research consists of an economic and environmental analysis of the status quo, CCPP, and CBMeOH systems for five locations: Ontario, the USA, Finland, Mexico, and China. The economic analysis considered factors such as carbon tax, electricity price, methanol price, electricity carbon intensity, power purchasing parity, and income tax. In the CCPP process, desulphurization is conducted using ProMax with MDEA as the solvent, while the CBMeOH process uses a membrane to separate the bulk H2S, with organic sulfurs such as thiophene being removed via CO2+steam reforming and middle-temperature removal. The results of the economic analysis revealed the CBMeOH plant to be the most profitable in Ontario, the USA, China, and Mexico, while the CCPP system was shown to be the most profitable in Finland. The environmental analysis was conducted using the TRACI, CML-IA, ReCiPe2016, and IMPACT2002+ tools in SimaPro V9, with the results showing the CBMeOH system to be the most environmentally option in Ontario, Finland, and China, and the CCPP system as the most environmentally friendly option in the USA and Mexico. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

Bygg- och fastighetssektorn representerade år 2021 21,7% av Sveriges inhemska utsläpp (Boverket, 2023a). Detta visar på en stor potential i branschen att minska klimat- och miljöpåverkan som går i linje med FN:s hållbarhetsmål. Företag arbetar aktivt med att bygga mer hållbart, men privatpersoner som bygger småhus har också möjlighet att bidra till en positiv förändring. Detta projekt syftar till att jämföra olika materialval i klimatskalet i småhus ur ett hållbarhetsperspektiv. Ett av de analyserade alternativen är ett befintligt nybyggt exempelhus (småhus A) med mindre vanliga materialval, som har jämförts mot ett konventionellt sätt att bygga svenska småhus på (småhus B) som framtagits genom en enkätundersökning. Frågorna i enkätundersökningen har baserats på befintlig litteratur om vanligt förekommande material som skickats till 53 byggföretag, varav 31 företag svarat. Ett egenutvecklat förslag (småhus C) har även tagits fram med målet att förbättra materialvalen ur ett ekonomiskt och miljömässigt perspektiv.   För att kunna utvärdera miljömässig hållbarhet har en livscykelanalys genomförts där utsläpp av koldioxidekvivalenter studerats under delar av bygg- och användningsskedet. Material- och transportkostnad har även analyserats ekonomiskt med hjälp av en livscykelkostnad. För att ett förslag ska vara hållbart måste den ekonomiska och miljömässiga aspekten balanseras, som kan uppnås om lösningen är miljövänlig samtidigt som den är ekonomisk försvarbar. Det egenutvecklade förslaget är baserat på resultatet av livscykelanalysen och livscykelkostnaden från småhus A och B, samt utefter befintliga hinder som undersökts genom litteratur och ett frågeformulär som skickats ut till några aktörer som är med och påverkar byggprocessen. Två fiktiva småhusmodeller som utgår från den genomsnittliga boarean av småhus i Sverige togs fram, som resultatet av studien applicerades på för att ge en uppfattning om totalt CO2eq utsläpp och kostnad för ett småhus.   Resultatet visade att småhus B är det billigaste alternativet, men även det som genererar störst koldioxidutsläpp. För 105 000 eller 124 000 kr mer för material- och transportkostnad för de framtagna fiktiva småhusen med area 122 kvm, kan 7,1 respektive 12,1 ton koldioxidekvivalenter sparas in om materialen i småhus C används i stället. Småhus A är mer miljövänligt sett till koldioxidutsläpp än småhus B men sämre än småhus C, och ekonomiskt mer kostsamt än både småhus B och C. Det material som är den största faktorn både ekonomiskt och miljömässigt är valet av isolering i vägg och tak. Resultatet från enkätundersökningen om vanliga materialval i svenska småhus visade att det verkar finnas en branschstandard för materialval i småhus. / 21,7 % of Swedens’s domestic emissions in 2021 was represented by the building an real estate sector (Boverket, 2023a), which highlights a considerable potential to reduce emissions in line with UN:s sustainability goals. As well as companies, individuals also have the opportunity to contribute to a positive change by building more sustainable houses. This project aims to compare different materials choices in the building envelope of houses from a sustainability perspective. One of the analyzed alternatives is an existing newly built example house (house A) built with less common materials, which was compared to a conventional Swedish house (house B) based on a conducted survey. A literature study of common existing materials were the foundation for survey, which was sent to 53 construction companies were 31 companies responded. An alternative proposition (house C) was developed during the project with the goal of improving material choices from both an economic and environmental perspective.   A life cycle analysis has been conducted to evaluate environmental sustainability by studying carbon dioxide equivalent emissions during material extraction and production, transportation, and the use stage. A life cycle cost assessment has been used to analyze material and transportation cost. The economic and environmental aspects must be balanced in order for a solution to be sustainable. This can be achieved if the solution is environmentally friendly while also being economically justifiable. House C is based on the results of the life cycle analysis and life cycle cost from house A and B, as well as existing obstacles that were examined through literature and questionnaire that was sent to involved stakeholders in the building process. Two fictional house models were creates based on the average living area of small houses in Sweden. The result of the study was applied to these models to provide an estimate of the total CO2eq emissions and cost for a small house.      The obtained results showed that the cheapest option is house B, but it also generates the highest carbon dioxide equivalent emissions. For an additional cost of 105 000 sek or 124 000 sek for the fictional houses with an area of 122 square meters, 7,1 and 12,1 tons of carbon dioxide equivalent emissions could be reduced if the material propositions for house C is used instead. House A is more environmentally friendly with regards to house B, but less so than house C. On the other hand, it is more expensive then both house B and C. The biggest factor is the choice of insulation materials in walls and the roof, regarding both the economic and environmental aspect. The result of the survey on common material choices in Swedish small houses indicates that there seems to be an industry standard for material choices on these houses.

Dans un contexte où les tensions liées aux ressources énergétiques fossiles sont de plus en plus vives, concevoir une nouvelle manière d'appréhender le contexte énergétique est devenu essentiel. Les moyens de production et de consommation énergétiques habituels ont montré leur limite avec l'apparition de nouveau type de pollution pour différents secteurs. Dans ce rapport de thèse, nous nous sommes essentiellement axés sur le secteur de l'électricité en proposant un outil, d'aide à la décision, pour simuler la consommation électrique ainsi que la production électrique à partir des énergies renouvelables (EnR). La simulation de la consommation électrique permet d'avoir des informations à différents échelles d'observation en s'appuyant sur une démarche systémique et typologique, qui permet de calculer le bilan carbone associé à cette consommation ainsi que son coût annuel. Par la suite, cette consommation a été analysée à l'échelle horaire afin de pouvoir là mettre en relation avec des fichiers de production pour effectuer un pilotage au niveau de la courbe de charge. Ce pilotage a pour but de lisser les pics au niveau de la courbe de charge. Les premiers résultats analytiques obtenus à l'aide des outils développés montrent qu'il est possible de réduire l'appel au réseau électrique normal à un certain niveau en fonction des dimensionnements des systèmes de production EnR et du stockage. Ainsi que de pouvoir limité les coûts d'investissement au juste nécessaire, c'est-à-dire avoir un prix le moins cher possible, grâce à une optimisation du système EnR. / In a context where the tensions linked to fossil energy resources are increasing, design a new way of understanding the energy context has become essential. The usual means of energy production and consumption have shown their limit with the appearance of new types of pollution for different sectors. In this thesis, we mainly focused on the electricity sector by proposing a tool to simulate electricity consumption and electricity production from renewable energies (RES). Simulation of electricity consumption allows having information on different observation scales based on a systemic and typological approach, according to which the associated carbon footprint to this consumption is being calculated as well as its annual cost. Subsequently, this consumption was analyzed at the hourly scale, which is to relate it to the production files in order to control the load curve. This control aims to smooth down the peaks of the load curve. The first analytical results, obtained by using the developed tools, show that it is possible to reduce the use of the normal electrical network to a certain level according to the dimensions of the RES production systems and storage.

The North House is a proof-of-concept prefabricated solar powered home designed for northern climates, and intended for the research and promotion of high-performance sustainable architecture. Led by faculty at the University of Waterloo, the development and design of the project involved a broad collaboration between faculty and students at the University of Waterloo, with Ryerson University and Simon Fraser University. The North House prototype competed in the U.S. Department of Energy’s Solar Decathlon in October of 2009. This thesis identifies the North House as a component-based building. It illustrates in detail the components of which the house is composed, the sequence by which they are assembled, and the details that allow for the building’s rapid assembly and disassembly. Finally, the thesis explores the possibilities afforded by componentbased architecture including adaptability, off-site fabrication and demountability. Drawing on this, the thesis projects future ways of designing buildings sustainable to both manufacture and operate.

The North House is a proof-of-concept prefabricated solar powered home designed for northern climates, and intended for the research and promotion of high-performance sustainable architecture. Led by faculty at the University of Waterloo, the development and design of the project involved a broad collaboration between faculty and students at the University of Waterloo, with Ryerson University and Simon Fraser University. The North House prototype competed in the U.S. Department of Energy’s Solar Decathlon in October of 2009. This thesis identifies the North House as a component-based building. It illustrates in detail the components of which the house is composed, the sequence by which they are assembled, and the details that allow for the building’s rapid assembly and disassembly. Finally, the thesis explores the possibilities afforded by componentbased architecture including adaptability, off-site fabrication and demountability. Drawing on this, the thesis projects future ways of designing buildings sustainable to both manufacture and operate.

Inom sjukvården används – precis som överallt där människor sover – sängkläder av hygienskäl. Problem med smittspridningar av typen multiresistenta bakterier (MRSA) och spridning av andra sjukdomar har drivit företag som Cellcomb i Karlstad AB till att utveckla engångssängkläder för att förhindra detta. Engångssängkläderna är skyddade av en biofilm som ska ge ökat skydd mot bakterier och fungerar som en barriär så att inte vätska tränger igenom. Problemet är att det inte finns mycket till underlag för hur engångssängkläderna står sig mot vanliga sängkläder ur miljösynpunkt. I dagsläget använder sjukhus traditionella sängkläder till sina patienter och sedan transporteras dessa till tvätteri och tvättas. Att tvätta och torka sängkläder är energikrävande och ett alternativ till detta skulle kunna vara att använda engångssängkläder. En förenklad LCA gjordes för att ta reda på om sängkläder tillverkade av bomull och polyester eller engångssängkläder tillverkade av polypropylen alternativt viskosmaterialet Tencel är det mest miljövänliga. För att ta reda på det gjordes studiebesök och data samlades in genom en litteraturstudie och från företag. Resultaten visade att i ett grundfall med Centralsjukhuset i Karlstad var energianvändningen för de tvättbara sängkläderna lägre än Tencel och försumbart lägre än polypropylen. Flera fall med känslighetsanalyser gjordes för att undersöka hur indata påverkade resultaten. Fallen visade att det kan variera vilket av alternativen som blir mest gynnsamt, framför allt när det gäller vilken typ av energi tvätteriet använder. Engångssängkläderna av Tencel visade sig vara bäst när det gällde andel förnybar energi följt av de tvättbara sängkläderna och sist polypropylen. Ur ett ekotoxicitets- och vattenanvändningsperspektiv blev båda engångssängkläderna mer gynnsamma än de tvättbara sängkläderna. Två slutsatser kan dras utifrån den här studien: de tre alternativen är likvärdiga energimässigt utifrån energianvändning, andel förnybar energi och de fallstudier som gjorts, men att engångssängkläderna står sig bättre när det gäller ekotoxicitet samt vattenanvändning. Den andra slutsatsen är att resultaten är fallberoende. En utökad studie skulle kunna göras med fler viktiga miljöparametrar och fler känslighetsanalyser. / In healthcare – as in any other place where people sleep – beddings are used for hygiene reasons. Problems with spreading of bacteria diseases such as multi resistant bacteria (MRSA) and various other diseases have pushed companies like Cellcomb i Karlstad AB to develop disposable beddings in order to prevent this. These disposable beddings are protected with a biofilm which serves as a barrier, preventing liquids to pass through. The problem is that there is not much information about how these beddings perform from an environmental perspective. At present, hospitals are using traditional beddings for their patients and are then transported to laundries for washing. This is an energy intensive process and as an alternative, disposable beddings could be used. A simplified LCA was used to find out if beddings made out of cotton and polyester or disposable beddings made out of polypropylene or a viscose material called Tencel was the most favourable from an environmental perspective. To achieve this, various study visits were performed along with a literature study and data collection from companies. The results showed that for a basic case performed with Centralsjukhuset i Karlstad the washable beddings used less energy than Tencel and negligibly less energy than polypropylene. Several case studies were performed in order to examine how different data could alter the results. The case studies showed that which of the alternatives became the most favourable varied depending on the case, especially regarding which kind of energy was being used in the laundry. The disposable beddings made out of Tencel proved to be the best alternative regarding the use of renewable energy, followed by the washable beddings and last polypropylene. From a perspective of eco toxicity and water use both of the disposable beddings turned out more favourable. Two conclusions could be drawn from this study: the alternatives are equally favourable regarding energy use, renewable energy use and the case studies that were performed, but the disposable beddings are more preferable concerning eco toxicity and water use. The second conclusion is that the results depend on which case is studied. An expanded study could be performed using more environmental parameters.