Μοντέλα λήψης αποφάσεων σχεδιασμού και λειτουργίας εφοδιαστικών αλυσίδων και ενεργειακή αξιοποίηση βιομάζας

Abstract

Global energy consumption has been increasing steadily as a result of population growth, economic development and improvement of standards of living throughout the world, while the reserves of fossil fuels are continuously shrinking and their price is increasingly more volatile. This trend along with consumer environmental awareness has motivated decision-makers and regulators to introduce multiple energy resources within the existing energy systems. Therefore, the integration of biomass within existing energy systems appears as a promising and sustainable policy towards addressing the growing global energy demand. However, the diffusion rate of eco-innovative renewable energy technologies in the energy sector varies considerably among countries, mainly due to the lack of attractive policy schema that would leverage the decision-making process for related investments. Current policies also tend to lack a comprehensive system-wide perspective, as they fail to tackle the systemic innovation processes that characterize the development and sustainable diffusion of biomass systems. Moreover, two significant bottlenecks that hinder the increased biomass utilization for energy production are the cost and complexity of its logistics operations. In this context, this doctoral thesis aims to provide an integrated decision-making approach for the integration of biomass into existing energy systems, as well as for the design and management of biomass supply chains, through the development of strategic and directly applicable qualitative and quantitative operational research methodological tools. More specifically, the thesis is divided in two main parts. At the first part, a strategic optimization framework is proposed for determining the optimal mixture of energy sources for a specific geographical region. The developed Mixed Integer Linear Programming (MILP) model could be employed by a policy-maker to conduct various ‘what-if’ analyses, in order to develop interventionary policies for effectively promoting the integration of waste biomass into an existing portfolio of energy systems. Following that, a System Dynamics (SD) modeling framework is developed that could be employed as a tool for assessing the impact of various interventionary policies on fostering the adoption of biomass heating systems by residential users, taking into account a holistic perspective tailored to accommodate new product diffusion. The application of both models is further illustrated on a real-world case study, while interesting managerial insights are discussed. In the second part of the thesis, the natural hierarchy of the decision-making process for the design and management of biomass supply chains is recognized and an integrated methodological framework that spans all levels of the hierarchy is proposed. The existing research efforts are mapped within the proposed framework in order to identify gaps and overlaps. A taxonomy of the current state of the art research is also presented, based on the relevant modeling techniques. Finally, a generalized biomass supply chain optimization model is proposed for the strategic allocation of its nodes and its related flows. In conclusion, the doctoral thesis provides strategic tools that could be employed for the decision-making on the diffusion of biomass in the existing energy systems, as well as for the design and management of biomass supply chains for energy production.

Η αύξηση της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας, η προβλεπόμενη περιορισμένη επάρκεια των αποθεμάτων των συμβατικών πηγών ενέργειας στο μέλλον, καθώς και τα πολυάριθμα περιβαλλοντικά προβλήματα που επιφέρει η ενεργειακή αξιοποίηση των ορυκτών καυσίμων, έχουν στρέψει τη διεθνή και ευρωπαϊκή πολιτική στην αξιοποίηση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Μεταξύ άλλων ΑΠΕ, η εισαγωγή της βιομάζας στο ενεργειακό μίγμα των υφιστάμενων συστημάτων ενέργειας κρίνεται ως μία αποτελεσματική επιλογή στο πλαίσιο ενός στρατηγικού ενεργειακού σχεδιασμού, λαμβάνοντας υπόψη τη βιώσιμη παραγωγής της, τις πολλαπλές δυνατότητες ενεργειακής μετατροπής της και τον μειωμένο περιβαλλοντικό αντίκτυπο κατά τη χρήση της. Ωστόσο, παρά την εκτεταμένη έρευνα για το σχεδιασμό αποδοτικών συστημάτων ενεργειακής αξιοποίησης ΑΠΕ, καθώς και τα σημαντικά κίνητρα που παρέχονται συχνά από κυβερνητικούς ή δημόσιους φορείς για σχετικές επενδύσεις, ο ρυθμός ένταξης των ΑΠΕ στο υφιστάμενο ενεργειακό μίγμα ποικίλλει σημαντικά μεταξύ των χωρών. Επιπλέον, η διαχείριση εφοδιαστικών αλυσίδων βιομάζας ιδιαίτερα σε συστήματα παραγωγής ενέργειας μεγάλης κλίμακας παρουσιάζει μοναδικές ιδιαιτερότητες και χαρακτηρίζεται από το υψηλό κόστος και την πολυπλοκότητα των λειτουργιών της εφοδιαστικής (logistics) της βιομάζας, καθώς η τελευταία είναι εποχιακό προϊόν με μικρή διάρκεια ζωής, ογκώδης και γεωγραφικά διεσπαρμένη, ενώ η ποιότητα και η ποσότητά της εξαρτάται άμεσα από τη μεταβλητότητα των κλιματικών συνθηκών κατά την παραγωγή και συγκομιδή της. Στόχο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης λήψης αποφάσεων τόσο για την εισαγωγή της βιομάζας στα υφιστάμενα ενεργειακά συστήματα, όσο και για το σχεδιασμό και τη λειτουργία των εφοδιαστικών της αλυσίδων, μέσω της ανάπτυξης στρατηγικών και άμεσα εφαρμόσιμων ποσοτικών και ποιοτικών μεθοδολογικών εργαλείων εφαρμοσμένης επιχειρησιακής έρευνας. Αφού πραγματοποιείται αρχικά αποτύπωση του σύγχρονου περιβάλλοντος ενεργειακής αξιοποίησης βιομάζας, το ερευνητικό έργο εξελίσσεται σε δύο μέρη. Α) Στο πρώτο μέρος παρουσιάζεται ένα μεθοδολογικό πλαίσιο λήψης αποφάσεων που θα μπορούσε να εφαρμοσθεί από οποιονδήποτε νομοθετικό, διαχειριστικό ή άλλο φορέα για την προώθηση της ένταξης της βιομάζας στα σύγχρονα ενεργειακά συστήματα. Ειδικότερα, αναπτύσσεται ένα στρατηγικό μοντέλο βελτιστοποίησης Μικτού Ακέραιου Γραμμικού Προγραμματισμού (MILP) για τον προσδιορισμό του βέλτιστου μίγματος καυσίμων για παραγωγή θερμικής ενέργειας από διάφορους τύπους χρηστών ενός συστήματος σε περιφερειακό (regional) επίπεδο. Η αντικειμενική συνάρτηση του μοντέλου συνδέεται με οικονομικά κριτήρια, ενώ ικανοποιούνται περιορισμοί ζήτησης ενέργειας, δυναμικότητας καυσίμων και εκπομπής περιβαλλοντικών ρύπων. Το μοντέλο παρέχει τη δυνατότητα διεξαγωγής αναλύσεων ευαισθησίας με σκοπό να διερευνηθεί η επίδραση αρεμβατικών/ρυθμιστικών πολιτικών στην αύξηση του μεριδίου της βιομάζας στο ενεργειακό μίγμα μιας περιοχής, όπως των ρυθμίσεων περιορισμού ρύπων CO2 ή της αύξησης των τιμών των συμβατικών καυσίμων. Ακολούθως, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός στρατηγικού μοντέλου Δυναμικής Συστημάτων (System Dynamics) για το σχεδιασμό και τη διερεύνηση της επίδρασης εναλλακτικών πολιτικών στην προώθηση της χρήσης της βιομάζας από οικιακούς χρήστες για θέρμανση κτιρίων. Το μοντέλο ενσωματώνει τόσο οικονομικούς παράγοντες επιρροής του δυνητικού χρήστη (όπως κόστος επένδυσης συστήματος θέρμανσης και κόστος πέλλετ/βιομάζας) όσο και μη οικονομικούς παράγοντες επιρροής (όπως το επίπεδο περιβαλλοντικής συνείδησης και η υποδομή τοπικής παραγωγής πέλλετ/βιομάζας). Επιπρόσθετα, το μοντέλο αποτιμά το σύνολο των περιβαλλοντικών ρύπων του συστήματος, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την πρόβλεψη της ζήτησης βιομάζας από τον οικιακό τομέα θέρμανσης. Τέλος, παρουσιάζεται η εφαρμογή των δύο προτεινόμενων μοντέλων στο ελληνικό περιβάλλον και εξάγονται κρίσιμα συμπεράσματα. Β) Στο δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο ιεραρχικό πλαίσιο λήψης αποφάσεων για το σχεδιασμό και τη λειτουργία εφοδιαστικών αλυσίδων βιομάζας για παραγωγή ενέργειας γενικότερα, με τον προσδιορισμό των αποφάσεων που χρειάζεται να ληφθούν σε στρατηγικό, τακτικό και λειτουργικό επίπεδο. Πρόσθετα, πραγματοποιείται κριτική σύνθεση και ενδελεχής και πλήρως επικαιροποιημένη ταξινόμηση της υπάρχουσας έρευνας και των σύγχρονων βέλτιστων πρακτικών. Τέλος, παρέχεται ένα γενικευμένο μοντέλο βελτιστοποίησης εφοδιαστικής αλυσίδας για το στρατηγικό σχεδιασμό του δικτύου βιομάζας για τον εφοδιασμό μιας βιομηχανικής μονάδας που χρησιμοποιεί βιομάζα ως πρώτη ύλη για παραγωγή ενέργειας. Τέλος, η εφαρμογή του μοντέλου παρουσιάζεται μέσω μιας πραγματικής μελέτης περίπτωσης στην Περιφέρεια Κεντρικής Μακεδονίας. Συμπερασματικά, η ένταξη της βιομάζας στα ενεργειακά συστήματα, αλλά και ο σχεδιασμός και η λειτουργία των δικτύων εφοδιασμού της για παραγωγή ενέργειας εμπεριέχουν ένα σύνολο αλληλένδετων μεταβλητών απόφασης, καθιστώντας αναγκαία την υποστήριξη της λήψης αποφάσεων με τα κατάλληλα διαχειριστικά εργαλεία. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή προσφέρει νέα μεθοδολογικά εργαλεία λήψης αποφάσεων, τα οποία θα μπορούσαν να εφαρμοστούν άμεσα σε πραγματικό περιβάλλον.