| Abstract | The European Commission is aiming for a resource-efficient, competitive, and low-carbon
economy by 2050. Core of this vision is the circular bioeconomy, integrating both bioeconomy
and circular economy principles. It seeks to achieve sustainability by minimizing waste,
maximizing resource efficiency, and promoting the use of renewable biological resources
throughout their entire lifecycle. Biogas production via anaerobic digestion technology
provides numerous benefits as it not only recovers a portion of the energy stored in biomass but
also aligns with the goals of the circular bioeconomy. However, concerns about biogas
production from feed and food crops raise the need for utilisation of novel biogas feedstocks
that does not compete with other uses, such as agricultural residues and industrial by-products.
The main objective of this doctoral thesis is to prove the value of the use of a graph theory
approach in modelling a residual biomass supply network, for different types of case study
areas, which is economically feasible, but also meet sustainability and greenhouse gas
emissions saving criteria. For this purpose, the novel approach for the assessment of seasonality
of technical potential of agricultural residues and industrial by-products for biogas production
was developed, constraints for which different types of industrial by-products and agricultural
residues meet sustainable and greenhouse gas emissions saving criteria were defined and the
mathematical model for residual biomass supply network modelling from sustainability,
greenhouse gas emissions savings and economic point of view was developed. The hypothesis
of this research is that an economically feasible residual biomass supply network for biogas
production, that meets sustainability and greenhouse gas emissions saving criteria, could be
determined with a graph theory approach. This doctoral thesis draws from five papers published
in CC journals, with three in Q1 journals, one in a Q2 journal, and one in a Q3 journal.
The results presented validate the proposed hypothesis. Innovative Geographic Information
System (GIS) methodologies were introduced, incorporating the seasonality of residual biomass
generation into GIS mapping. These results underline the importance of considering seasonal
variations when assessing potential. An analysis was conducted on greenhouse gas emissions,
specific emission savings, and sustainability requirements for biogas production using
agricultural residues, municipal bio-waste, and industrial by-products as feedstock. This
method was grounded in Directive 2018/2001. Based on the calculations, a maximum travel
distance for the considered feedstocks was defined, highlighting the substantial influence of
transportation emissions on biogas production's ability to achieve necessary emission
reductions. Finally, a novel multi-period P-graph-based model for optimizing biomass supply networks was
developed, advancing the integration of environmental constraints into the Process Network
Synthesis (PNS) network. The optimization objective embedded within the mathematical model
is to minimize the biomass supply network's costs while meeting greenhouse gas emission
reduction targets and maximizing the utilization of seasonally available biomass. The model
presents a comprehensive overview of GHG emissions at each stage of biogas production,
compared to threshold values. |
| Abstract (croatian) | Europska komisija teži ekonomiji koja će do 2050. biti učinkovita u korištenju resursa,
konkurentna i niskougljična. U središtu ove vizije je cirkularna bioekonomija koja integrira
načela bioekonomije i cirkularne ekonomije. Cilj joj je postići održivost smanjenjem otpada,
maksimiziranjem učinkovitosti korištenja resursa i promicanjem korištenja obnovljivih
bioloških resursa kroz cijeli njihov životni ciklus. Proizvodnja bioplina putem tehnologije
anaerobne digestije nudi brojne prednosti s obzirom na to da ne samo da oporabljuje dio
energije pohranjene u biomasi, već je i u skladu s ciljevima cirkularne bioekonomije. Međutim,
zabrinutosti zbog proizvodnje bioplina iz stočne hrane i prehrambenih usjeva potiču potrebu za
korištenjem novih vrsta sirovina za proizvodnju bioplina koje ne konkuriraju drugim
primjenama, kao što su poljoprivredni ostaci i industrijski nusproizvodi.
Glavni cilj ove doktorske disertacije je dokazati vrijednost korištenja pristupa teorije grafova u
modeliranju opskrbne mreža otpadnom biomasom za različite tipove područja interesa, koja je
ekonomski isplativa, ali također zadovoljava kriterije održivosti i smanjenja emisije
stakleničkih plinova. U tu svrhu razvijen je novi pristup za procjenu sezonalnosti tehničkog
potencijala poljoprivrednih ostataka i industrijskih nusproizvoda za proizvodnju bioplina,
definirana su ograničenja za koja različite vrste industrijskih nusproizvoda i poljoprivrednih
ostataka zadovoljavaju kriterije održivosti i smanjenja emisije stakleničkih plinova te je
razvijen matematički model za modeliranje mreže opskrbe otpadnom biomasom s aspekta
održivosti, ušteda u emisijama stakleničkih plinova i ekonomike. Hipoteza ovog istraživanja je
da se ekonomski isplativa mreža opskrbe otpadnom biomasom za proizvodnju bioplina, koja
zadovoljava kriterije održivosti i smanjenja emisije stakleničkih plinova, može odrediti pomoću
pristupa teorije grafova. Ova doktorska disertacija temelji se na pet radova objavljenih u CC
časopisima, od kojih su tri u Q1 časopisima, jedan u Q2 časopisu i jedan u Q3 časopisu.
Rezultati prikazani u ovoj doktorskoj disertaciji potvrđuju predloženu hipotezu. Inovativne
metode bazirane na Geografskom informacijskom sustavu (GIS), koje integriraju sezonalnost
generiranja otpadne biomase u postupak GIS mapiranja potencijala biomase su predstavljene.
Dobiveni rezultati ističu važnost uzimanja u obzir sezonskih varijacija prilikom procjene
potencijala. Provedena je analiza emisija stakleničkih plinova, specifičnih ušteda emisija i
zahtjeva vezanih uz održivost proizvodnje bioplina temeljene na korištenju poljoprivrednih
ostatke, komunalnog biootpada i industrijskih nusproizvode kao sirovina. Ova metoda bazira
se na Direktivi 2018/2001. Na temelju izračuna, određena je maksimalna transportna udaljenost
za razmatrane sirovine, pri čemu se ističe velik utjecaj koji emisije generirane transportom
sirovina imaju na sposobnost bioplinske proizvodnje da ostvari potrebna smanjenja emisija.
Konačno, razvijen je novi više-periodni P-graf model za optimizaciju mreža opskrbe
biomasom, unapređujući integraciju okolišnih ograničenja u mrežu za sintezu procesa (PNS).
Optimizacijski cilj integriran u matematički model je minimizirati troškove mreže opskrbe
biomasom, pri čemu se ispunjavaju postavljeni ciljevi smanjenja emisija stakleničkih plinova i
maksimizira iskorištavanje sezonski dostupne biomase. Model pruža sveobuhvatan pregled
emisija stakleničkih emisija generiranih u svakoj fazi proizvodnje te usporedne granične
vrijednosti. |
