Exploring cross-resource impacts of urban sustainability measures : an urban climate-land-energy-water nexus analysis

• In an increasingly urban world, cities' global resource uses grow. Two fundamental resources for making cities liveable are water and energy. These resources are also closely interlinked – systems that convert and deliver energy to cities require water, and urban water systems use energy. In addition, these two resource systems affect and are affected by land use and climate change. This ‘nexus’ between climate, land use, energy and water (CLEW) systems has been extensively studied in the past decade, mainly with a focus on national and transboundary CLEW systems. This doctoral thesis develops the CLEW nexus research from an urban perspective.Two quantitative analyses examine how different types of sustainability measures in cities affect intended and unintended CLEW systems. First, the CLEW impacts of a set of sustainability measures in New York City are assessed - from water conservation to emission reductions. Results show that every measure affects (to varying degrees) all studied sustainability dimensions - water, energy and climate - and that the impacts can be quantified through a reference-resource-to-service-system (RRSS).The second quantitative study focuses on how CLEW impacts from a city's sustainability efforts spread beyond local and international borders. It investigates how global water and land use are affected in alternative scenarios to achieve climate neutrality in 2030 in the town of Oskarshamn, Sweden, using an energy systems simulation model. The study finds that both the magnitude and the geographical distribution of land and water requirements vary between scenarios. A strategy to achieve climate neutrality that invests in electrification leads to increased national water use, while a strategy that relies on biofuels has a greater impact on water and land use internationally. When results are translated to interactions between the UN's sustainable development goals (SDGs), they reveal that SDG synergies and trade-offs are 'strategy-dependent': different options for achieving SDGs on energy, sustainable cities and climate action have varying consequences for the advancement of SDGs on sustainable water, food production and biodiversity.To shed light on how data challenges affect quantitative urban nexus studies, uncertainty assessments of selected thesis’ results are conducted and complemented with a thematic analysis of a set of recently published urban nexus papers. Together, they indicate that analytical choices, uncertainties in results and - as a consequence - research foci are influenced by data limitations in both this thesis and in other urban nexus studies.Lastly, the finding from the Oskarshamn analysis – that SDG interactions are strategy-dependent – is deliberated with experts within sustainability sciences and SDG interaction research. From this, a research agenda is proposed with measures to make SDG 'spillovers' visible in local level decision-making.Taken together, the thesis contributes to filling several knowledge gaps on how urban sustainability measures within the CLEW systems interact within and beyond city limits, and proposes analytical approaches to quantify these interactions. It further points out how current data challenges constrain quantitative urban nexus analyses and highlights research needs to improve data management as well as other key efforts to enable consideration of nexus interactions, including SDG 'spillovers', in cities' sustainability work.

• I takt med att världen urbaniseras ökar städers globalaresursanvändning. Två fundamentala resurser för att städer skafungera är vatten och energi. Dessa resurser är också närasammankopplade: system som omvandlar och levererar energi till enstad är beroende av vatten, samtidigt som energi krävs i flera delar avurbana vattensystem. Dessutom påverkar och påverkas bådaresurserna av markanvändning och klimatförändringar. Detta ’nexus’mellan klimat-, mark-, energi- och vatten- (från engelskan förkortatCLEW) system har studerats flitigt under det senaste decenniet, främstmed fokus på nationella och gränsöverskridande CLEW system. Dennaavhandling utvecklar CLEW nexus-forskningen från ett urbantperspektiv.I två kvantitativa analyser undersöks hur olika typer avhållbarhetsåtgärder i städer påverkar avsedda och oavsiktliga CLEWsystem. Först analyseras effekten av ett antal hållbarhetsåtgärder i NewYork City – från vattenbesparingar till utsläppsminskningar.Resultaten visar att samtliga åtgärder är ’multifunktionella’ ochpåverkar (i varierande grad) alla studerade hållbarhetsdimensioner –vatten, energi och klimat - samt att detta går att kvantifiera med hjälpav ett referens-resurs-till-service-system (RRSS).Den andra kvantitativa studien fokuserar på hur CLEW interaktionerfrån en stads hållbarhetsåtgärder sprids bortom lokala ochinternationella gränser. Här undersöks hur globala vatten- ochmarkresurser påverkas i olika scenarier för att nå klimatneutralitet år2030 i den lilla staden Oskarshamn, Sverige, med en energimodell avstaden. Resultaten visar på att både storleken och den geografiskaspridningen på den indirekta mark- och vattenanvändningen varierarmellan scenarierna. En strategi för att nå klimatneutralitet som satsarpå elektrifiering leder till ökade nationella vattenbehov, medan enstrategi som förlitar sig på biobränslen får större påverkan på vattenochmarkresurser internationellt. När resultaten översätts tillinteraktioner mellan FNs hållbarhetsmål (SDGs) visar de därför att målsynergier och målkonflikter är ’strategiberoende’. Olika vägval föratt nå SDGs för energi, hållbara städer och klimatåtgärder fårvarierande konsekvenser för möjligheten att nå SDGs för hållbarvattenanvändning, matproduktion och biologisk mångfald.För att belysa hur databegränsningar påverkar urbana nexus-studiergenomförs dels osäkerhetsanalyser av delar av avhandlingenskvantitativa studier och dels en tematisk analys av ett urval av nyligenpublicerade ’urban nexus’-artiklar. Tillsammans visar de på att bådemetodval, osäkerhet i resultat och (som en konsekvens av detta) forskningsfokus påverkas av identifierade datautmaningar i bådedenna avhandling och i andra urbana nexus-studier.Implikationer från resultatet i Oskarshamnsanalysen – att städers SDGinteraktioner är ’strategiberoende’ – diskuteras slutligen medframträdande forskare inom global hållbarhet och SDG-interaktioner.Utifrån detta formuleras en forskningsagenda med åtgärder för attmöjliggöra att SDG ’spillovers’ beaktas i lokala hållbarhetsbeslut.Sammantaget bidrar avhandlingen till att fylla kunskapsluckor om hurstäders hållbarhetsåtgärder inom CLEW systemen interagerar, inomoch bortom stadsgränserna, samt föreslår analysmetoder för attkvantifiera dessa interaktioner. Avhandlingen visar på hurnexusanalyser med fokus på städer begränsas av datautmaningar ochlyfter forskningsbehov för att förbättra datahantering och andrakritiska forskningsinsatser för att möjliggöra att hänsyn tas till nexusinteraktioner,inklusive SDG ’spillovers’, i städers hållbarhetsarbete.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Naturresursteknik -- Energisystem (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Engineering -- Energy Systems (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Naturresursteknik -- Miljöledning (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Engineering -- Environmental Management (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Miljövetenskap (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Environmental Sciences (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Naturgeografi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Physical Geography (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Naturresursteknik -- Annan naturresursteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Engineering -- Other Environmental Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

urban sustainability

CLEW nexus

water-energy nexus

nature-based solutions

SDG spillovers

Energy Technology

Energiteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)