The ever-increasing concentration of human activity in urban areas induces environmental problems beyond their boundaries on scales ranging from local to regional to global, such as resource depletion, land degradation, air and water pollution and climate change. Human-induced climate change is widely acknowledged as one of the greatest sustainability challenges of the present century and it is inextricably linked to urbanization. As a response to climate change, urban areas around the world have committed to reach climate neutrality within the next decades. In this context, the deployment of new technologies can have a key role in achieving carbon neutrality in urban areas. As new technologies emerge, it is essential to assess their environmental performance considering the broader systems context in order to ensure that they can indeed contribute to achieving climate neutrality without compromising environmental sustainability.

This thesis aims is to provide insight on the environmental performance of emerging technologies that can be deployed in urban areas in order to contribute to achieving climate neutrality. The two technologies in focus are grid-connected solar microgrids and biochar-based systems for treatment of biomass waste and remediation of contaminated soil. The methods applied to conduct the environmental assessments and fulfil the aim of the thesis are: case studies, Life Cycle Assessment (LCA), Material and Energy Flow Analysis and Substance Flow Analysis. Moreover, as part of the research efforts, a spreadsheet model based on LCA data was developed.

The assessment of the solar microgrid highlighted the importance of using explicit spatial and temporal boundaries when analyzing the environmental performance of energy systems, as it can increase the accuracy of the results. It also revealed that the choice of modeling approach can influence the results of the assessment, which motivates the application of different methodological approaches. Within this context, the assessment showed that in a short-term perspective the integration of a grid-connected urban solar microgrid into the Swedish electricity grid would not contribute to climate change mitigation, as solar electricity from the microgrid would displace grid electricity with lower carbon intensity. The assessment also indicated that operational and structural changes in the microgrid could reduce its climate change impact, albeit not to the extent to generate GHG emission abatements.

The assessment of the biochar-based systems showed that these systems have many environmental benefits compared to incineration of waste and landfilling of contaminated soil. They have great potential to contribute to achieving climate neutrality, as they can provide net negative GHG emissions, owing mainly to carbon sequestration in the biochar. Between the two biochar-based systems, a system for on-site remediation can provide additional environmental benefits, as it can lead to more efficient use of resources. However, these systems also entail environmental trade-offs due to increased consumption of auxiliary electricity, while the extent of ecological and human health risks associated with the reuse of biochar-remediated soils is for the moment unknown.

Den ständigt ökande koncentrationen av mänsklig aktivitet i urbana områden orsakar miljöproblem utanför deras gränser på skalor som sträcker sig från lokal till regional till global, såsom utarmning av resurser, markförstöring, luft- och vattenföroreningar och klimatförändring. Mänskligt driven klimatförändring är allmänt erkänd som en av de största hållbarhetsutmaningarna under nuvarande seklet och den är nära kopplad till urbanisering. Som ett svar på klimatförändringen har urbana områden runt om i världen åtagit sig att nå klimatneutralitet inom de närmaste decennierna. I detta sammanhang kommer införandet av ny teknik ha en nyckelroll för att uppnå klimatneutralitet i stadsområden. När ny teknik dyker upp är det viktigt att bedöma dess miljöprestanda med hänsyn till den bredare systemkontexten för att säkerställa att tekniken verkligen kan bidra till att uppnå klimatneutralitet utan att kompromissa med miljömässig hållbarhet.

Denna avhandling syftar till att ge insikt om miljöprestanda för framväxande teknik som kan användas i urbana områden för att bidra till att uppnå klimatneutralitet. De två teknikerna i fokus är nätanslutna solmikronät och biokolbaserade system för behandling av biomassavfall och sanering av förorenad mark. Metoderna för att genomföra miljöbedömningarna och uppfylla avhandlingens syfte är: fallstudier, livscykelanalys (LCA), material- och energiflödesanalys och substansflödesanalys. Som en del av forskningsinsatserna utvecklades dessutom en kalkylmodell baserad på LCA-data.

Analysen av solmikronätet visade att det är viktigt att använda explicita rums- och tidsgränser vid analys av energisystemens miljöprestanda, eftersom det kan öka resultatens noggrannhet. Analysen visade också att valet av modelleringsmetod kan påverka resultatet, vilket motiverar en användning  av flera olika metoder. Inom detta sammanhang visade bedömningen att i ett kortsiktigt perspektiv skulle integrationen av ett nätanslutet urbant solmikronät i det svenska elnätet inte bidra till att begränsa klimatförändringen, eftersom solenergi från mikronätet skulle ersätta el med lägre klimatpåverkan. Bedömningen indikerade också att operativa och strukturella förändringar i mikronätet kunde minska mikronätets klimatförändrings påverkan, om än inte i sådan utsträckning att det skulle ge växthusgasutsläppsbesparingar.

Bedömningen av de biokolbaserade systemen visade att dessa system har många miljöfördelar jämfört med förbränning av avfall och deponering av förorenad mark. De har stor potential att bidra till att uppnå klimatneutralitet, eftersom de kan ge nettonegativa utsläpp av växthusgaser, främst på grund av kolbindning i biokol. Vi jämförelse av de två biokolbaserade systemen så kan ett system för sanering på plats ge ytterligare miljöfördelar, eftersom det kan leda till en mer effektiv resursanvändning. Dessa system medför emellertid också miljöavvägningar på grund av ökad förbrukning av elektricitet, medan omfattningen av ekologiska och människors hälsorisker förknippade med återanvändning av biokolbehandlad jord ännu är okända.

Biochar – the carbon rich residue derived from biomass pyrolysis – is recognised as a potential solution to remove carbon dioxide from the atmosphere, while simultaneously delivering socio-environmental benefits through biochar use as a material. Perceived as a sustainable innovation, biochar has raised interest throughout the world. Sweden has witnessed a rising interest for biochar over the past decade, leading to investments in modern biochar production capacity and the development of various biochar-based products. However, as for any emerging technology, it is necessary to study its environmental performance in a systematic manner to guarantee that environmental expectations meet reality, and to enable science-based policy support.

This thesis examined the energy, climate and environmental impacts of biochar production and use, supporting on-going and future projects in Sweden. Four case studies were designed, set respectively in Stockholm, Nyköping, Helsingborg and Uppsala areas. The case studies analysed biochar production at various scales, from different biomass feedstocks, and biochar use in urban and rural applications. The main method applied was life cycle assessment, complemented with material flow analysis and energy systems modelling. In addition, a framework was developed to conceptualise and classify environmental effects of biochar in a life cycle perspective. 

The results showed that biochar systems can deliver more climate change mitigation than conventional bioenergy when energy systems are already rather decarbonised and if biochar stability is high. Biochar carbon sequestration provided the main climate change benefit, but smaller additional benefits were obtained from some material uses of biochar. When compared with reference systems, biochar solutions lead to shifts of burdens between sectors and environmental impact categories. It is possible to integrate pyrolysis to both large district heating networks and decentralised heating systems, but it will lead to a net increase in biomass consumption and related environmental impacts, relative to direct combustion of biomass. In the second half of the century, the need for management of biochar-containing soil masses will arise from today’s emerging urban applications. 

The case studies illustrated new uses of biochar and quantified several environmental benefits from biochar use. However, gaps remain between biochar effects present in the public discourse and their quantification in life cycle assessment. These differences were attributed to variability in the biochar effects, lack of knowledge, or inappropriate accounting framework. Overall, the thesis stresses the importance of analysing the potential of innovations to contribute to environmental goals by using parametrized life cycle models, depicting multiple contexts, and striving to identify suitability conditions rather than providing a definitive static answer.

Biokol – den kolrika produkten som återstår från pyrolys av biomassa– är en potentiell lösning för att fånga koldioxid från atmosfären, samtidigt som den har socio-miljömässiga fördelar genom användning av biokol som material. Biokol uppfattas som en hållbar innovation och har väckt intresse över hela världen. I Sverige har intresset för biokol ökat under de senaste åren, vilket har lett till investeringar i modern produktion av biokol och utveckling av olika biokolbaserade produkter. Liksom med all ny teknik är det nödvändigt att studera dess miljöprestanda på ett systematiskt sätt för att garantera att miljöförväntningarna är uppfyllda och för att möjliggöra vetenskapligt baserat politiskt stöd.

Denna avhandling undersökte energi-, klimat- och miljöeffekterna av biokolproduktion och -användning, till stöd för pågående och framtida projekt i Sverige. Fyra fallstudier har utformats, i Stockholm, Nyköping, Helsingborg och Uppsala. Fallstudierna analyserade biokolproduktion i olika skalor, från olika slags biomassa och användning av biokol i stads- och landsbygdstillämpningar. Den huvudsakliga metoden som användes var livscykelanalys, kompletterad med materialflödesanalys och energisystemmodellering. Dessutom utvecklades ett ramverk för att konceptualisera och klassificera miljöeffekter av biokol i ett livscykelperspektiv.

Resultaten visade att biokolsystem kan ha lägre klimatpåverkan än konventionell bioenergi när energisystem redan är i stort sett fossilfria och om biokolstabiliteten är hög. Kolinlagring i biokol gav det största bidraget till klimatprestandan, men mindre ytterligare fördelar erhölls från viss materialanvändning av biokol. Jämfört med referenssystemen leder biokolösningar till att miljöbelastning flyttas mellan sektorer och kategorier av miljöpåverkan. Det är möjligt att integrera pyrolys i både stora fjärrvärmenät och decentraliserade värmesystem, men det kommer att leda till en nettoökning av biomassaförbrukningen och relaterad miljöpåverkan, jämfört med direkt förbränning av biomassa. Under andra halvan av seklet kommer det att uppstå ett behov av hantering av biokolhaltiga jordmassor från dagens växande urbana biokolanvändning.

Fallstudierna illustrerade nya användningsområden för biokol och kvantifierade flera miljöfördelar. Det kvarstår dock ett glapp mellan de biokoleffekter som diskuteras i samhället och deras kvantifiering i livscykelanalys. Dessa skillnader berodde på variationer i biokols effekter, bristande kunskap eller olämpliga systemgränser. Generellt så betonar avhandlingen vikten av att analysera potentialen för innovationer att bidra till miljömål genom att använda parametriserade livscykelmodeller, analysera flera sammanhang och sträva efter att identifiera lämpliga förhållanden snarare än att ge ett entydigt svar.

Le biochar –résidu solide riche en carbone issue de la pyrolyse de biomasse – est envisagé comme une potentielle façon de retirer du dioxyde de carbone de l’atmosphère, tout en apportant des bénéfices socio-environnementaux via son utilisation comme matériau. Perçu comme une innovation contribuant au développement durable, le biochar a connu un fort engouement à travers la planète. En Suède, cet intérêt pour le biochar s’est traduit au cours de la dernière décennie par des investissements dans des capacités modernes de production de biochar et par le développement de nouveaux produits à base de biochar. Cependant, comme pour toute technologie émergente, il est nécessaire d’étudier ses implications environnementales de manière systématique afin de pouvoir garantir que les performances environnementales sont à la hauteur des attentes, et pour guider la définition de politiques basées sur la science.

Cette thèse s’est intéressée aux impacts énergétiques, climatiques et environnementaux de la production et de l’utilisation de biochar, supportant le développement de projets en cours et futurs, en Suède. Quatre études de cas ont été réalisées, situées à Stockholm, Nyköping, Helsingborg et Uppsala. Les études de cas ont analysé la production de biochar à différentes échelles et à partir de différents substrats, ainsi que l’utilisation de biochar en agriculture et en milieu urbain. La principale méthodologie appliquée fut l’analyse de cycle de vie, couplée à l’analyse de flux de matière et la modélisation énergétique. De plus, un cadre théorique a été conçu pour décrire et classifier les potentiels effets environnementaux du biochar dans une perspective de cycle de vie.

Les résultats ont montré que les systèmes à base de biochar peuvent apporter davantage de bénéfices climatiques que la bioénergie conventionnelle si le système énergétique est déjà relativement décarbonné et si la stabilité du biochar produit est élevée. La séquestration de carbone dans le biochar représente la principale contribution au bénéfice climatique des systèmes étudiés. Des bénéfices climatiques additionnels, mais en général d’importance moindre, sont obtenus par certaines utilisations du biochar. En comparaison avec une situation de référence, les systèmes à base de biochar induisent une modification des conséquences environnementales, à la fois entre secteurs économiques et entre catégories d’impact environnemental. Il est possible d’intégrer la pyrolyse de biomasse à de grands réseaux de chaleur comme à des systèmes décentralisés de chauffage, mais cela induit une augmentation nette de la consommation de biomasse et de ses impacts, en comparaison avec la combustion directe. Par ailleurs, les utilisations du biochar en milieu urbain qui émergent aujourd’hui vont mener à un besoin futur de gestion appropriée de flux secondaires contenant du biochar.

Les études de cas ont illustré de nouvelles applications du biochar et quantifié certains de leurs impacts et bénéfices environnementaux. Cela dit, des différences subsistent entre les bénéfices potentiels du biochar présentés dans la sphère publique et leur quantification en analyse de cycle de vie. Ces différences furent attribuées à la grande variabilité des effets du biochar, des manques de connaissances, ou un cadre de modélisation non adaptés à l’inclusion desdits effets. Dans l’ensemble, cette thèse souligne l’importance d’analyser le potentiel d’une innovation à contribuer aux objectifs environnementaux en utilisant des modèles paramétrés d’analyse de cycle de vie, capable de représenter différents contextes, et de s’efforcer d’identifier les conditions de réussite plutôt que de se limiter à une quantification statique des conséquences environnementales.

Pflanzenkohle – der kohlenstoffreiche Rückstand, der aus der Pyrolyse von Biomasse gewonnen wird – wird als mögliche Technik in Betracht gezogen, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entziehen. Gleichzeitig verspricht die Verwendung von Pflanzenkohle als Material auch sozio-ökologische Vorteile. Als nachhaltige Innovation wahrgenommen, hat Pflanzenkohle weltweit Interesse geweckt. Schweden hat im letzten Jahrzehnt ein wachsendes Interesse für Pflanzenkohle erlebt, sodass die Investitionen in moderne Produktionskapazitäten von Pflanzenkohle und die Entwicklung verschiedener Produkte auf Pflanzenkohlebasis gestiegen sind. Wie bei jeder neuen Technologie ist es jedoch erforderlich, ihre Umweltleistung systematisch zu untersuchen, um sicherzustellen, dass die ökologischen Erwartungen der Realität entsprechen, und eine wissenschaftlich fundierte politische Unterstützung gegeben ist.

Diese Arbeit untersuchte die Energie-, Klima- und Umweltauswirkungen der Pflanzenkohleproduktion und -nutzung und unterstützte laufende und zukünftige Projekte in Schweden. Vier Fallstudien sind in Stockholm, Nyköping, Helsingborg und Uppsala durchgeführt worden. Diese Fallstudien haben die Produktion von Pflanzenkohle in verschiedenen Größenordnungen und aus verschiedenen Biomasse-Rohstoffen, sowie die Nutzung von Pflanzenkohle im landwirtschaftlichen und im städtischen Bereich analysiert. Die Hauptmethodik war die Lebenszyklusanalyse, welche mit Stoffstromanalysen und Energiesystemmodellierungen ergänzt worden ist. Darüber hinaus wurde ein Konzept entwickelt, um Umweltwirkungen von Pflanzenkohle aus einer Lebenszyklusperspektive heraus zu erfassen und zu klassifizieren.

Die Ergebnisse zeigten, dass pflanzenkohlebasierte Systeme mehr Klimaschutz leisten können als konventionelle Bioenergie, wenn die Energiesysteme bereits weitgehend dekarbonisiert sind und die Stabilität der Pflanzenkohle hoch ist. Die Kohlenstoffspeicherung durch Pflanzenkohle erbrachte hierbei den größten Nutzen für den Klimaschutz, aber auch kleinere zusätzliche Vorteile wurden durch einige Verwendungen von Pflanzenkohle als Werkstoff erzielt. Im Vergleich mit Referenzsystemen führen Pflanzenkohlelösungen zu einer Verschiebung der Belastung sowohl zwischen Wirtschaftssektoren als auch zwischen ökologischen Wirkungskategorien. Pyrolyse lässt sich sowohl in große Fernwärmenetze als auch in dezentrale Wärmesysteme integrieren. Dies aber führt im Vergleich zur direkten Verbrennung von Biomasse zu einem Nettoanstieg des Biomasseverbrauchs und der damit verbundenen Umweltauswirkungen. Außerdem wird die heutige Nutzung von Pflanzenkohle im städtischen Bereich in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts zum Bedarf einer angemessenen Verwaltung von pflanzenkohlehaltigen Bodenmassen führen.

Die Fallstudien veranschaulichten neue Verwendungen von Pflanzenkohle und quantifizierten mehrere ökologische Vorteile dieser Verwendung. Allerdings bleiben Lücken zwischen den im öffentlichen Diskurs präsenten Pflanzenkohle-Effekten und deren Quantifizierung durch die Lebenszyklusanalyse bestehen. Diese Unterschiede wurden auf die große Veränderlichkeit der Auswirkungen von Pflanzenkohle, fehlendes Wissen oder einen unangemessenen Berechnungsrahmen zurückgeführt. Insgesamt betont diese Dissertation, wie wichtig es ist, den möglichen Beitrag einer Innovation zu den Umweltzielen zu analysieren, indem parametrisierte Lebenszyklusmodelle verwendet und mehrere Kontexte abgebildet werden sowie versucht wird, Eignungsbedingungen zu identifizieren, anstatt eine endgültige statische Antwort zu geben.