Optimization scenarios for waste-to-energy systems

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorHarjunkoski, Iiro
dc.contributor.authorMikkola, Susanna
dc.contributor.schoolKemian tekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorJämsä-Jounela, Sirkka-Liisa
dc.date.accessioned2017-05-11T10:30:16Z
dc.date.available2017-05-11T10:30:16Z
dc.date.issued2017-03-30
dc.description.abstractIn this thesis, a model was developed for a single period optimization of a municipal solid waste management (MSWM) supply chain. The model covers waste collection at cities, separation at dumps and processing for reuse at facilities as well as the delivery of the end products to consumers. In addition to waste to energy (WTE) considerations the model can be applied for a wide range of other waste reuse forms. A starting point for the present work was a published extensive MSWM study and model considering conditions in a developing country. The structure of the present model was modified for conditions relevant to Nordic countries. The model allows controlling the supply chain through capacity ranges for processing facilities and demand upper and lower limits for the end products. The method introduced for implementing the capacity ranges allowed modeling of a capacity threshold. This can be applied more generally for the optimization of the number of facilities in the supply chain. The mass balance equations in the model describe the waste flow from collection through separation and processing into products and the flow of products to the consumers. The constraints consider the relative amount of reusable waste, the processing capacity ranges and the demand limits. As a result, the model produces an optimal distribution for the waste dis-posal and reuse for the different products as well as distribution of the products to markets. The objective of the optimization is to maximize the profit when considering all the costs in the different phases of the supply chain and the revenue from the product sales. The model was built in the General Algebraic Modeling System (GAMS) program, which applies Mixed Integer Linear Programming (MILP). The profit maximization alone will not result in maximized waste reuse with the literature based cost structure applied in the model. For a majority of the waste types reuse is non-profitable and controlled by the demand lower limit. Waste reuse can be increased with additional constraints such as setting a minimum limit for reuse. Alternatively, multi-objective optimization could be used with additional suitable target functions. The processing capacity ranges facilitated studying the optimality of the supply chain effectiveness. The MSWM supply chain optimization can consider several consecutive periods. In this case, the model should additionally include intermediate storages with their inventory updating between the periods.en
dc.description.abstractTyössä kehitettiin yleinen malli yhdyskuntajätteen toimitusketjun hallintaan ja optimointiin yhden aikajakson aikana. Malli kattaa jätteen keräyksen taajamista ja lajittelun kaatopaikoilla, hyödyllisen jäteosan prosessoinnin tuotantolaitoksilla uusiokäyttöön sekä valmiiden tuotteiden toimituksen kuluttajille. Jätteen energiakäytön ohella mallilla voi tarkastella laajasti myös muita jätteen uusiokäytön muotoja. Lähtökohtana oli kirjallisuudessa esitetty laaja, kehitysmaiden olosuhteita tarkasteleva, jätteenkäsittelyn hallinnan ja vaikutusten tutkimus ja jätteenkäsittelyn malli. Tässä työssä mallin rakenne muokattiin vastaamaan pohjoismaisia olosuhteita. Toimitusketjun ohjaamiseksi käytetään jätteiden prosessointikapasiteetin käyttörajoja sekä tuotteiden kysyntärajoja. Kapasiteetin käyttörajojen kuvaamiseksi kehitetyllä menetelmällä voidaan antaa kynnysraja käytön aloittamiselle. Tätä voidaan soveltaa yleisemmin toimitusketjun laitosten lukumäärän optimaalisuuden tarkasteluun. Massatasapainoyhtälöt mallissa kuvaavat jätevirtaa keräyksestä lajittelun läpi prosessointiin, muutosta tuotteiksi ja tuotteiden virtaa kuluttajille. Rajoitukset käsittelevät hyödyllisen jätteen osuutta sekä prosessointikapasiteetin ja kysynnän rajoja. Malli tuottaa optimaalisen yhdistelmän yhdyskuntajätteen jakamiseksi kaatopaikoille ja eri uusiotuotteiksi sekä tuotteiden jaka-miseksi markkinoille. Optimoinnissa tavoitteena on voiton maksimointi, kun tarkastellaan toimitusketjun eri vaiheiden kustannuksia ja tuotteiden myyntituloja. Toteutuksessa käytettiin General Algebraic Modeling System (GAMS) ohjelmaa, joka soveltaa Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimointia. Pelkkä voiton maksimointi mallin kirjallisuuteen pohjautuvalla kustannusrakenteella ei johda jätteen maksimaaliseen uusiokäyttöön. Pääosalle jätteistä uusiokäyttö on tappiollista ja ohjautuu tuotteiden kysynnän minimirajalle. Uusiokäyttöä voidaan lisätä rajoitusehdoilla, kuten jätteen uusiokäytön vähimmäisraja, tai käyttämällä tätä tavoitetta tukevia kohdefunktioita yhtäaikaisesti. Tuotantoketjun tehokkuuden optimaalisuustarkastelu oli mahdollista vasta, kun malliin lisättiin käyttörajat prosessointikapasiteetille. Yhdyskuntajätteen käsittelyketjun ohjaaminen voidaan tehdä myös peräkkäisillä aikajaksoilla. Tällöin malliin tulisi lisätä välivarastot ja niiden tilan päivitys aikajaksojen välissä.fi
dc.ethesisidAalto 8607
dc.format.extent123+16
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/26129
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-201705114609
dc.language.isoenen
dc.locationP1fi
dc.programmeMaster's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineeringfi
dc.programme.majorProcess Systems Engineeringfi
dc.programme.mcodeKE3004fi
dc.subject.keywordoptimizationen
dc.subject.keywordsupply chainen
dc.subject.keywordwaste-to-energy (WTE)en
dc.subject.keywordmunicipal solid waste (MSW)en
dc.titleOptimization scenarios for waste-to-energy systemsen
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
Files