In 2015 the United Nations (UN) General Assembly agreed on the Sustainable Development Goals (SDGs), a set of 17 goals defined by 169 targets to be reached by 2030. Amongst them is SDG 7. SDG 7 states “Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy for all”. The first target of SDG 7 mentions access to electricity and clean cooking specifically. Access to electricity brings with it myriad benefits across several sectors, including residential, health and education. Access to clean cooking can help reduce adverse health and environmental effects, as well as high opportunity costs related to current cooking practices, amongst other benefits. 

While SDG 7 has been recognized as a key pillar to achieve sustainable development, its achievement has remained elusive. As of 2021, 675 million people worldwide were estimated to lack access to electricity. The largest access gap is found in Sub-Saharan Africa (SSA) where only 50% of the population had electricity access. For clean cooking the situation is worse, with around 2.3 billion people globally lacking access. Again, the access gap is most pronounced in SSA with only 18% of the population in the region using clean cooking. The situation in SSA is further exacerbated by the fact that the population increases faster than the clean cooking access rate.

For electricity access modelling Geographic Information Systems (GIS) and the use of geospatial data is being increasingly leveraged. As every case in a study area is unique and requires context-specific information, the spatial dimension of GIS can help to more effectively model towards universal electricity access. Resource availability, fuel costs and access to infrastructure change spatially and a geospatial approach helps to capture this. Such reasoning can also be applied to clean cooking. Yet, at the time of writing this thesis, there was no geospatial tool comparing the relative costs and benefits of different cooking solutions. This work aims to advance the state-of-the-art in geospatial modelling approaches to support integrated energy planning towards universal electricity and clean cooking access.

Geospatial electrification modeling, while proven useful, is still a new field with many on-going developments. One such significant development was the move from raster population datasets to aggregated vector settlements. Raster datasets divide an area into uniform units with each unit including some piece of information about the area. It can be beneficial to have uniform units in modelling, but for this reason rasters fail to capture the size and shape that population settlements naturally have. On the other hand, aggregating raster datasets to vector settlements may impact modelling results. With this in mind, the first research question explores how the aggregation of data changes modelling results in geospatial electrification models. Paper I presents an open-source algorithm for the creation of aggregated vector settlements from raster data. In Paper I this algorithm is applied to 44 countries in SSA. As part of the algorithm, night-time lights are used to assess electrification rates within settlements and population density is used to assess the urban-rural divide of each country. The electrification rates and urban-rural divide is subsequently validated against survey data and compared to previous results. Following this, Paper II compares results produced by the Open Source Spatial Electrification Tool (OnSSET) as the level of population aggregation changes. This is done for three case studies (Benin, Malawi and Namibia), by producing 26 population bases for each country. Two of the population bases are rasters with different resolutions, three use the method developed in Paper I and 21 are clustered using the Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (DBSCAN) algorithm. Paper II also presents the first Global Sensitivity Analysis (GSA) conducted for geospatial least-cost electrification models. The GSA enables comparisons between the importance of parameters that previous research has identified as important and the importance of population aggregation. 

The second research question explores if, and how, GIS can be used to develop clean cooking tools comparing different cooking solutions. To this end, Paper III presents OnStove. OnStove is the first geospatial tool comparing the relative costs and benefits of different cooking solutions. In Paper III the tool is described and applied for the first time to 44 countries in SSA. The tool is open-source and all data used to run the analysis (as well as the results) are published and made available for a broader public. Two main scenarios are developed for SSA assessing differences between current cooking practices and potential pathways for maximizing net-benefits (defined as total benefits minus total costs). In addition to the main scenarios, 680 additional scenarios are developed as part of a GSA to assess the impact of uncertainty of 33 parameters on key outputs.

Finally, the last research question assesses how integrated energy access planning impacts the results of existing geospatial electrification (OnSSET) and clean cooking (OnStove) tools. This is done by combining the two aforementioned tools in Paper IV in a case study of Kenya. The results describe how the least-cost technology mix and Levelized Cost of Electricity (LCoE) changes across Kenya as the increased electricity load following the inclusion of electric cooking is accounted for in OnSSET. On the cooking side the paper outlines how the competitiveness of electric stoves change as the electrification rate increase and the LCoE change. Paper IV also deepens the insights on research questions one and two as a new resolution is used to generate the population clusters using the algorithm developed in Paper I and new developments are done to OnStove.

År 2015 kom Förenta nationernas (FN) generalförsamling överens om en uppsättning av 17 hållbarhetsmål, definierade av 169 delmål. Avsikten är att dessa ska uppnås senast 2030. Bland dem finns mål 7. Mål 7 ämnar att "Säkerställa tillgång till ekonomiskt överkomlig, tillförlitlig, hållbar och modern energi för alla". Det första delmålet för mål 7 nämner specifikt tillgång till elektricitet och ren teknik för matlagning. Tillgång till elektricitet medför många fördelar över olika sektorer, inklusive hushåll, sjukvård och skola. Tillgång till ren teknik för matlagning är också viktig och kan bland annat bidra till att minska skadliga hälso- och miljöeffekter samt höga alternativkostnader relaterade till nuvarande matlagningspraxis.

Även om mål 7 har visat sig vara viktigt, har dess uppnående förblivit flyktigt. År 2021 uppskattades 675 miljoner människor världen över sakna tillgång till el. Det största tillgångsgapet återfinns i Afrika söder om Sahara (SSA), där endast 50 % av befolkningen hade tillgång till el. När det gäller ren teknik för matlagning är situationen desto värre, med cirka 2,3 miljarder människor globalt som förlitar sig på icke-rena matlagningsbränslen. Återigen är tillgångsgapet mest påtagligt i SSA, där endast 18 % av befolkningen använder ren matlagning. Situationen i SSA förvärras ytterligare av att befolkningen ökar i snabbare takt än tillgången till ren teknik för matlagning.

För modellering av tillgång till elektricitet används alltmer geografiska informationssystem (GIS) och geospatial data. Eftersom varje fall i ett område är unikt och kräver kontextspecifik information, kan geospatial data effektivisera modelleringen mot universell tillgång till elektricitet. Tillgänglighet av resurser, bränslekostnader och tillgång till diverse infrastruktur förändras över ett undersökningsområde och geospatiala metoder hjälper till att inkludera dessa förändringar. Det finns ingen anledning att tro att detta inte gäller även för frågan om ren teknik för matlagning. Ändå finns det hittills inga geospatiala verktyg som jämför de relativa kostnaderna och fördelarna med olika matlagningslösningar.

GIS i modellering av tillgång till elektricitet, även om bevisat användbart, är fortfarande en relativt ny företeelse och mycket utveckling sker fortfarande inom området. En sådan betydande utveckling var övergången från rasterbaserade populationskartor till aggregerade vektorkartor. Ett raster delar in ett område i enhetliga delar där varje del innehåller information om studieområdet. Det kan vara fördelaktigt med enhetliga enheter vid modellering, men detta gör att rasters ofta misslyckas med att fånga den storlek och form som samhällen naturligt har. Å andra sidan kan aggregering av rasters till vektorssamhällen påverka modelleringsresultat. Med detta i åtanke utforskar den första forskningsfrågan hur aggregering av data förändrar modelleringsresultaten i geospatiala elektrifieringsmodeller. I Publikation I presenteras en algoritm med öppen källkod för skapandet av aggregerade vektorsamhällen utifrån rasterdata. Denna kod tillämpas på 44 länder i SSA. Som en del av publikationen används även ljus under nattetid för att bedöma elektrifieringsgraden inom samhällen och befolkningstäthet används för att bedöma den urbana-rurala uppdelningen för varje land. Elektrifieringsgraden och den urbana-rurala uppdelningen valideras därefter mot publicerad data och jämförs med tidigare resultat. Därefter jämför Publikation II resultat producerade av Open Source Spatial Electrification Tool (OnSSET) med olika nivåer av populationsaggregering. Detta görs för tre fallstudier (Benin, Malawi och Namibia), genom att producera 26 populationsbaser för varje land. Två av baserna är raster med olika upplösningar, tre använder metoden utvecklad i Publikation I och 21 är aggregerade med hjälp av Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (DBSCAN) -algoritmen. Utöver detta presenterar Publikation II den första globala känslighetsanalysen för geospatiala elektrifieringsmodeller. Den globala känslighetsanalysen möjliggör jämförelser av betydelsen av parametrar som tidigare forskning har identifierat som viktiga och betydelsen av populationsaggregering.

Den andra forskningsfråga utforskar om, och hur, GIS kan användas för att utveckla verktyg för modellering av olika matlagningslösningar. För att svara på denna fråga presenteras OnStove i Publikation III. OnStove är det första geospatiala verktyget som jämför de relativa kostnaderna och fördelarna med olika matlagningslösningar. Publikation III beskriver verktyget och tillämpar det för första gången på 44 länder i SSA. Källkoden är öppen och all data som används för att köra analysen (samt resultaten) är publicerade och tillgängliga för en bredare allmänhet. Två huvudscenarion utvecklas för SSA för att bedöma potentiella skillnader mellan den nuvarande situationen och en situation där nettovärdet (definierat som totalt värde minus total kostnad) i regionen maximeras. Utöver de två huvudscenarierna utvecklas 680 scenarion som en del av en global känslighetsanalys för att bedöma 33 parametrars påverkan av viktiga resultat.

Den sista forskningsfrågan utvärderar hur resultaten från ett geospatialt elektrifieringsverktyg (OnSSET) och ett geospatialt verktyg för att modellera matlagning (OnStove) förändras när målen för universell elektrifiering och tillgång till ren matlagning modelleras samtidigt. Detta görs genom att länka de två tidigare nämnda verktygen i Publikation IV genom en fallstudie i Kenya. Resultaten beskriver hur den minst kostsamma teknikfördelningen och nivån på elpriset förändras i Kenya när elförbrukningen ökar till följd av att elektrisk matlagning inkluderas. På matlagningsfronten redogör publikationen för hur konkurrenskraften för elektriska spisar förändras när elektrifieringen ökar och nivån på elpriset förändras. Publikation IV fördjupar också insikterna om forskningsfråga ett och två då en ny upplösning används för att generera populationskluster med koden utvecklad i Publikation I och nya utvecklingar görs för OnStove.

Sustainable development is essential to ensure human well-being while preserving the life-support systems of the planet. However, the safe operating space of Earth is currently exceeded, preventing resources to regenerate and waste from being assimilated in time. Thus, sustainable development requires systemic transformations to align with the planet's carrying capacity, balancing economic, social, and environmental sustainability.

The United Nations adopted the Sustainable Development Goals (SDGs) in 2015 to end poverty, protect the planet, and ensure peace and prosperity by 2030. The 17 interconnected SDGs aim to balance social, economic, and environmental sustainability, with specific targets and indicators for progress. SDG7, which focusses on access to clean and affordable energy, is closely linked with other SDGs, reinforcing many 2030 Agenda targets but also presenting potential trade-offs. Addressing these challenges requires integrating qualitative and quantitative methods, and promoting participatory approaches for collective ownership and consensus-building.

This thesis explores the use and development of geospatial approaches to quantify and model synergies and trade-offs between energy and other sustainability dimensions such as water (SDG6), health (SDG3), food (SDG2), gender equality (SDG5), and climate (SDG13), asking the question of how can Geographic Information Systems (GIS) be used effectively to model the interactions between energy and selected Sustainable Development Goals (SDGs)? two main topics are identified to touch upon many of those interactions and recurrent in literature, as well as having potential to use geospatial approaches: spatial explicit modelling of water, energy, food (WEF) systems, and spatial explicit clean cooking energy access modelling. 

The strong interconnection between water, energy and food systems, calls for holistic planning to assess the impact that an action taken towards the sustainability of a resource (e.g. ease of water scarcity) may have on its interconnected systems (e.g. energy and food systems). Given the challenges of achieving these goals for water-stressed countries, the first research sub-question of this thesis aims at facilitating robust decision-making by quantifying how strategies to alleviate water scarcity in water-scarce regions impact energy and the overall dynamics of WEF Nexus systems. 

Papers I and II developed WEF Nexus models for Jordan and Morocco’s Souss-Massa river basin, focussing on key challenges such as water scarcity, agricultural productivity, energy use and climate change. The models used WEAP for water planning, MABIA for crop production, and a GIS-based model for energy analysis. The findings showed that desalination is necessary but must be combined with low-carbon energy. Improving agricultural water productivity benefits the WEF system overall, but has limited impact on municipal water scarcity. Reducing non-revenue water helps urban supply and energy use but can reduce water recharge in specific aquifers. Energy efficiency supports desalination and reduces emissions. Combined interventions yield the best results, and the switch to solar pumping in Souss-Massa was found to be viable both economically and environmentally. Finally, stakeholder involvement and shared decision metrics are crucial for addressing complex nexus issues. Furthermore, Paper III explores in detail how wastewater reuse in agriculture can affect the WEF system of the North Western Sahara Aquifer System. The results showed that the reuse of treated wastewater can ease groundwater stress, reduce energy use, and support sustainable development. Key recommendations include better water pricing, efficient irrigation, and decentralised wastewater treatment.

The second research topic focusses on the issue of achieving universal access to clean cooking energy. Around 2.1 billion people still rely on polluting fuels, leading to serious health risks, time burdens (especially for women and children), deforestation, and climate change. To capture these interactions, a spatial cost-benefit analysis was developed, comparing current cooking methods with cleaner alternatives, and assessing health, environmental, and economic impacts to identify the most beneficial clean cooking options.

In paper IV, the first open-source spatial cost-benefit analysis tool for clean cooking transitions, OnStove, was developed and applied to Sub-Saharan Africa. The results revealed a major market failure in the region, as traditional biomass use for cooking is predominant despite offering the lowest social benefits. Switching to cleaner stove mixes would yield major gains, but requires targeted policy support. Moreover, in Paper V, the OnStove approach is expanded by integrating stakeholder preferences to guide clean cooking policies in Nepal. This helped identify priority areas for action and supported more effective resource allocation in the government's subsidy plan for clean cooking technologies.

The main research question is answered by taking results from each article. GIS was a powerful tool that worked as an integrator of models and helped to fill data gaps. In WEF Nexus modelling, capturing spatial variability of resources and different topographic characteristics was essential to understand impacts on energy requirements and identify context-specific feedback loops. Spatial mapping also allowed matching supply and demand points, optimising the use of local resources. GIS methods also provided a more detailed understanding of the costs and benefits of achieving cleaner cooking transitions than was previously possible. The spatially explicit modelling approach can highlight geographical and socio-economic variations, enabling targeted policy interventions and reducing potential affordability constraints. Finally, the development of open-source methods allows scalability and replicability of the analysis in other countries, supporting open science and the achievement of the 2030 Agenda.

Hållbar utveckling är avgörande för att säkerställa mänskligt välbefinnande samtidigt som planetens livsuppehållande system bevaras. Jordens säkra operativa utrymme överskrids dock för närvarande, vilket förhindrar att resurser återbildas och att avfall assimileras i tid. Hållbar utveckling kräver således systemiska omvandlingar för att anpassas till planetens bärförmåga och balansera ekonomisk, social och miljömässig hållbarhet.

Förenta nationerna antog målen för hållbar utveckling (Sustainable Development Goals, SDGs) 2015 för att avskaffa fattigdom, skydda planeten och säkerställa fred och välstånd till 2030. De 17 sammankopplade SDGs syftar till att balansera social, ekonomisk och miljömässig hållbarhet, med specifika mål och indikatorer för framsteg. SDG7, som fokuserar på tillgång till ren och prisvärd energi, är nära kopplat till andra SDGs, vilket förstärker många mål i Agenda 2030 men också presenterar potentiella målkonflikter. Att hantera dessa utmaningar kräver integration av kvalitativa och kvantitativa metoder samt främjande av deltagande metoder för kollektivt ägarskap och konsensusbyggande.

Denna avhandling utforskar användningen och utvecklingen av geobaserade metoder för att kvantifiera och modellera synergier och målkonflikter mellan energi och andra hållbarhetsdimensioner såsom vatten (SDG6), hälsa (SDG3), mat (SDG2), jämställdhet (SDG5) och klimat (SDG13). Den ställer frågan om hur Geografiska Informationssystem (GIS) effektivt kan användas för att modellera interaktionerna mellan energi och utvalda mål för hållbar utveckling (SDGs). Två huvudämnen identifieras som berör många av dessa interaktioner och som återkommer i litteraturen, samt har potential att använda geobaserade metoder: rumsligt explicit modellering av vatten-, energi- och livsmedelssystem (WEF) samt rumsligt explicit modellering av tillgång till ren matlagningsenergi.

Den starka sammankopplingen mellan vatten-, energi- och livsmedelssystem kräver holistisk planering för att bedöma den inverkan som en åtgärd för en resurs hållbarhet (t.ex. att lindra vattenbrist) kan ha på dess sammankopplade system (t.ex. energi- och livsmedelssystem). Med tanke på utmaningarna med att uppnå dessa mål för vattenstressade länder, syftar avhandlingens första forskningsfråga till att underlätta robust beslutsfattande genom att kvantifiera hur strategier för att lindra vattenbrist i vattenfattiga regioner påverkar energi och den övergripande dynamiken i WEF Nexus-system.

Artiklarna I och II utvecklade WEF Nexus-modeller för Jordanien och Marockos Souss-Massa flodbäcken, med fokus på nyckelutmaningar som vattenbrist, jordbruksproduktivitet, energianvändning och klimatförändringar. Modellerna använde WEAP för vattenplanering, MABIA för grödproduktion och en GIS-baserad modell för energianalys. Resultaten visade att avsaltning är nödvändigt men måste kombineras med koldioxidsnål energi. Att förbättra jordbrukets vattenproduktivitet gynnar WEF-systemet överlag, men har begränsad inverkan på kommunal vattenbrist. Att minska icke-debiterat vatten hjälper stadens försörjning och energianvändning men kan skada specifika akviferer. Energieffektivitet stödjer avsaltning och minskar utsläpp. Kombinerade interventioner ger bäst resultat, och övergången till solcellsdriven pumpning i Souss-Massa befanns vara genomförbar både ekonomiskt och miljömässigt. Slutligen är intressenternas deltagande och gemensamma beslutsmetriker avgörande för att hantera komplexa nexus-frågor. Dessutom utforskar Artikel III i detalj hur återanvändning av avloppsvatten inom jordbruket kan påverka WEF-systemet i North Western Sahara Aquifer System. Resultaten visade att återanvändning av behandlat avloppsvatten kan lätta på trycket på grundvattnet, minska energianvändningen och stödja hållbar utveckling. Viktiga rekommendationer inkluderar bättre vattenprissättning, effektiv bevattning och decentraliserad avloppsvattenrening.

Det andra forskningsämnet fokuserar på frågan om att uppnå universell tillgång till ren matlagningsenergi. Cirka 2,1 miljarder människor förlitar sig fortfarande på förorenande bränslen, vilket leder till allvarliga hälsorisker, tidsbördor (särskilt för kvinnor och barn), avskogning och klimatförändringar. För att fånga dessa interaktioner utvecklades en rumslig kostnads-nyttoanalys som jämför nuvarande matlagningsmetoder med renare alternativ och bedömer hälsa, miljömässiga och ekonomiska effekter för att identifiera de mest fördelaktiga alternativen för ren matlagning.

I artikel IV utvecklades OnStove, det första rumsliga verktyget med öppen källkod för kostnads-nyttoanalys av övergångar till ren matlagning, och tillämpades i Afrika söder om Sahara. Resultaten visade ett stort marknadsmisslyckande i regionen, då traditionell användning av biomassa för matlagning är dominerande trots att den erbjuder lägst social nytta. Att byta till renare spismixar skulle ge stora vinster, men kräver riktat politiskt stöd. Dessutom utökas OnStove-metoden i Artikel V genom att integrera intressentpreferenser för att vägleda politiken för ren matlagning i Nepal. Detta hjälpte till att identifiera prioriterade områden för åtgärder och stödde en effektivare resursallokering i regeringens subventionsplan för teknik för ren matlagning.

Den huvudsakliga forskningsfrågan besvaras genom att ta resultat från varje artikel. GIS var ett kraftfullt verktyg som fungerade som en integrator av modeller och hjälpte till att fylla datagap. I WEF Nexus-modellering var det avgörande att fånga rumslig variation av resurser och olika topografiska egenskaper för att förstå påverkan på energibehov och identifiera kontextspecifika återkopplingsmekanismer. Rumslig kartläggning möjliggjorde också matchning av utbuds- och efterfrågepunkter och optimering av användningen av lokala resurser. GIS-metoder gav också en mer detaljerad förståelse av kostnaderna och fördelarna med att uppnå renare matlagningstransitioner än vad som tidigare varit möjligt. Den rumsligt explicita modelleringsmetoden kan belysa geografiska och socioekonomiska variationer, vilket möjliggör riktade politiska interventioner och minskar potentiella prisbegränsningar. Slutligen möjliggör utvecklingen av metoder med öppen källkod skalbarhet och replikerbarhet av analysen i andra länder, vilket stödjer öppen vetenskap och uppnåendet av Agenda 2030.