Development of a MILP-based optimization methodology applied to advanced biofuel supply chain

The scope of this Thesis is to implement a methodology able to highlights how to foster the deployment of advanced biofuels, focusing on the economic assessment of the supply network design and the related logistical processes. EU Research and Innovation programs recognize the optimization of the supply network as a crucial step to improve the market up-take of sustainable advanced biofuels and accelerate decarbonization of the transportation sector. The first part of this work tackles the innovative concept of “advanced” biofuel from residual biomass standardized by the reference EU Directive RED II [1]. Next, biofuel supply chain literature is briefly reviewed, in order to highlight the peculiar features of this work. The second part deals with the crucial role of biomass logistics within advanced biofuel supply chains. Logistic is that part of supply chain management that plans, implements, and controls biomass collection, storage, pre-processing and transportation between the nodes of the network, in order to produce biofuels in a profitable way. Then, the mathematical formulation of an innovative MILP model is presented. The MILP optimization aims at minimizing the total annual costs of a multi-feedstock problem, with a weekly discretization. Residual biomasses feedstocks considered are woodchips from primary forestry residues, grape pomace, and exhausted olive pomace. In order to identify the crucial logistical challenges with supplying residual biomass to the biorefinery, different scenario analysis have been done. The adoption of multi-feedstocks appears successful. Synergies derived from the multi-feedstock approach significantly contribute to lowering the biofuel production cost. The role of intermediate depots resulted useful to create a buffer and tackle seasonality. The only feedstock stored at intermediate depots is exhausted pomace, which do not require drying and densification pre-treatments. The storage and pre-treatment management of biomasses with high moisture content and low bulk density, conversely, results more challenging.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è l’implementazione di una metodologia in grado di evidenziare punti di forza e debolezza delle filiere di approvvigionamento delle biomasse residuali, e della logistica delle biomasse, allo scopo di evidenziare i miglioramenti necessari per lo sviluppo dei biocombustibili avanzati. L’ottimizzazione della filiera è considerato un obbiettivo fondamentale per la loro commercializzazione e la decarbonizzazione dei trasporti, ed è oggetto di studio di molti progetti di ricerca europei. I concetti di biocarburante “avanzato” e biomassa residuale sono chiariti nella Direttiva Europea RED II, e presentati nella prima parte della tesi. Successivamente, la peculiarità di questo lavoro di tesi è evidenziata attraverso un confronto con lo stato dell’arte della letteratura. Successivamente, il ruolo cruciale della logistica nella Supply Chain dei biocombustibili avanzati è descritto, presentando le principali attività svolte lungo la filiera: approvvigionamento della biomassa, stoccaggio e pretrattamenti, trasporto della biomassa dai punti di origine alle bioraffinerie in cui viene processata. Al fine di valutare l’efficienza e l’economicità delle attività logistiche strettamente interconnesse tra loro, la formulazione di un modello matematico, basato sull’ottimizzazione mista intera-lineare (MILP), è introdotta. Lo scopo di questo nuovo modello è capire le specifiche dinamiche della filiera della biomassa residuale e dei combustibili avanzati. In particolare, il modello è testato su uno specifico caso, con discretizzazione settimanale, e tre diverse biomasse residuali utilizzate come input per l’impianto di conversione. Le biomasse considerate sono: cippato da residui forestali, vinaccia e sansa esausta. L’ottimizzazione della rete logistica è basata sulla minimizzazione dei costi totali annualizzati. Rispetto al problema base, vari scenari sono stati analizzati. Dai risultati, emerge che la possibilità di sfruttare più biomasse è benefica per l’economicità della filiera, specialmente nel caso in cui almeno una delle biomasse disponibili abbia un alto contenuto energetico e un basso contenuto di umidità. La gestione delle attività di stoccaggio e pretrattamento risulta essere la più complessa, e comporta conseguenze negative sui costi di trasporto.